王 鶯,葉 菁
(1.浙江水利水電學(xué)院機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司,浙江 杭州 310012)
水輪機(jī)組在方案設(shè)計(jì)階段,其過(guò)流部件的單線(xiàn)圖需要根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)輪直徑Ds與模型轉(zhuǎn)輪直徑D0的正比例關(guān)系進(jìn)行縮放,導(dǎo)致每一過(guò)流部件蝸殼、座環(huán)、轉(zhuǎn)輪和尾水管與現(xiàn)有機(jī)組幾乎不能通用,這樣不同的工況,設(shè)計(jì)者都必須重新出機(jī)組方案.另外導(dǎo)葉分布圓直徑的確定和導(dǎo)葉開(kāi)度曲線(xiàn)的繪制需要大量時(shí)間,且不能和座環(huán)的固定導(dǎo)葉形成聯(lián)動(dòng)的直觀(guān)效果.基于此背景下,筆者進(jìn)行程序編寫(xiě),以輔助設(shè)計(jì)人員制圖.
(1)根據(jù)模型數(shù)據(jù)庫(kù),繪制活動(dòng)導(dǎo)葉在全開(kāi)和關(guān)閉過(guò)程的分布軌跡,并找到最大和最優(yōu)開(kāi)口aomax;(2)根據(jù)相關(guān)理論,設(shè)計(jì)出固定導(dǎo)葉水力斷面形狀;(3)參考蝸殼水流出口角度,作為固定導(dǎo)葉進(jìn)口角.[1]手動(dòng)輸入角度數(shù)據(jù)進(jìn)行微調(diào),觀(guān)測(cè)固定導(dǎo)葉翼型的頂點(diǎn)和活動(dòng)導(dǎo)葉的前端形成(見(jiàn)圖1)的正曲率切圓,此時(shí)得到最佳固定導(dǎo)葉安放角;(4)編寫(xiě)座環(huán)俯視圖和主視圖程序,并調(diào)用CAD函數(shù)進(jìn)行繪制;(5)采用傳統(tǒng)的強(qiáng)度計(jì)算理論對(duì)座環(huán)進(jìn)行校核,看其是否滿(mǎn)足強(qiáng)度要求,如果滿(mǎn)足程序停止,如果不滿(mǎn)足,增加鋼板規(guī)格厚度,循環(huán)計(jì)算,具體算法圖框(見(jiàn)圖2).需注意的是:與蝸殼尾尖連接的一個(gè)特殊固定導(dǎo)葉形狀,主要服從尾端的構(gòu)造.因此需要人為手動(dòng)修整,使尾部有較好的流線(xiàn)即可,允許與水力設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)構(gòu)有所差異.
圖1 活動(dòng)導(dǎo)葉與固定導(dǎo)葉布置示意圖
圖2 座環(huán)程序圖框
模型數(shù)據(jù)測(cè)繪前,必須統(tǒng)一一種格式便于后續(xù)其他模型導(dǎo)葉的錄入.這里考慮到活動(dòng)導(dǎo)葉的翼型縮放因子與導(dǎo)葉數(shù)量Nd和導(dǎo)葉分布圓Dv有關(guān),縮放因子K=以Vane115模型導(dǎo)葉為例,將其統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為水力模型圓周均布16個(gè)導(dǎo)葉下測(cè)繪,由于其模型導(dǎo)葉Nd=24,即導(dǎo)葉縮放因子K=.在活動(dòng)導(dǎo)葉中心建立笛卡爾坐標(biāo)系,尋找到導(dǎo)葉本身的最大距離 L,進(jìn)行劃分 n個(gè)點(diǎn),X方向的坐標(biāo)為(X(i),Y(j)),在程序中形成二維數(shù)組.這里取50組數(shù)據(jù),(見(jiàn)圖3),劃分間隔可以不等,但是活動(dòng)導(dǎo)葉關(guān)閉狀態(tài)下,其頭部要緊貼相鄰導(dǎo)葉的尾端,故各自頭部和尾部需進(jìn)行細(xì)化.[2]從左向右取數(shù)據(jù),編程時(shí)在笛卡爾坐標(biāo)系下建立導(dǎo)葉上下脊線(xiàn)三階樣條插值函數(shù)的曲線(xiàn)方程式,便于后續(xù)求解(見(jiàn)圖4).測(cè)繪后的數(shù)據(jù)按表1的格式順序存放填入到TXT文本中,作為模型導(dǎo)葉的數(shù)據(jù)庫(kù),用于后續(xù)編程調(diào)用.
圖3 活動(dòng)導(dǎo)葉模型劃分及加密圖
圖4 活動(dòng)導(dǎo)葉的測(cè)繪圖
表1 模型導(dǎo)葉數(shù)據(jù)錄入格式
由于實(shí)際水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)量經(jīng)常與模型導(dǎo)葉分布數(shù)量不同,經(jīng)研究多數(shù)水力模型Nd數(shù)量為:24、20、16、12.故本文編寫(xiě)了以上四種分布導(dǎo)葉.
圖5 導(dǎo)葉分布曲線(xiàn)
圖6 活動(dòng)導(dǎo)葉程序界面
固定導(dǎo)葉支撐著座環(huán),既傳遞軸向載荷,又是過(guò)流面,所以應(yīng)有良好的水力性能.本文固定導(dǎo)葉的水力設(shè)計(jì),采用不改變水流的環(huán)量方法,其骨線(xiàn)為對(duì)數(shù)螺旋線(xiàn),并以蝸殼水流出口角為螺旋角.
式中:θ—固定導(dǎo)葉的包角;
r—是與包角對(duì)應(yīng)的半徑;
Rb— 固定導(dǎo)葉內(nèi)切圓半徑[5];
m—蝸殼水流出口角的正切函數(shù),可根據(jù)m=tanα計(jì)算出;
vu—蝸殼水流切向分速度;
vr—蝸殼水流徑向分速度.
其中:R0—固定導(dǎo)葉外切圓半徑;
K—蝸殼常數(shù),在蝸殼設(shè)計(jì)中求得.
其中:Qp—設(shè)計(jì)流量;
h—固定導(dǎo)葉進(jìn)口端高度;
Z—固定導(dǎo)葉數(shù)量;
Da—固定導(dǎo)葉外切圓直徑;
Sa—固定導(dǎo)葉進(jìn)口端實(shí)際厚度.
由公式可知,當(dāng)θ∝0時(shí),r=Rb,當(dāng)θ為某一角度時(shí),可以求出與之對(duì)應(yīng)的r值,這樣便可繪制固定導(dǎo)葉骨線(xiàn),再按強(qiáng)度要求加厚成流線(xiàn)斷面形狀.
按對(duì)數(shù)螺旋線(xiàn)繪制的固定導(dǎo)葉,其出口端位置要對(duì)準(zhǔn)活動(dòng)導(dǎo)葉處于最大和最優(yōu)開(kāi)口之間的進(jìn)口端,故采用二維數(shù)組相關(guān)計(jì)算對(duì)固定導(dǎo)葉坐標(biāo)進(jìn)行旋轉(zhuǎn),并直觀(guān)展現(xiàn)其布置,初始值為蝸殼水流出口角,手動(dòng)輸入增量進(jìn)行微調(diào),使得兩翼型的頂點(diǎn)A、B和活動(dòng)導(dǎo)葉的前端C形成正曲率切圓,得到固定導(dǎo)葉的安放角a,(見(jiàn)圖7).再結(jié)合活動(dòng)導(dǎo)葉的數(shù)量,初定固定導(dǎo)葉數(shù),一般為活動(dòng)導(dǎo)葉的一半或相等,沿圓周均布并得到固定導(dǎo)葉的曲線(xiàn)方程,便于后續(xù)三維軟件的調(diào)用繪制模型,所編寫(xiě)的固定導(dǎo)葉子程序界面(見(jiàn)圖8).
根據(jù)機(jī)械制圖原理,采用主視圖和俯視圖表達(dá)出座環(huán)形狀.本文前面確定出固定導(dǎo)葉安放角度和導(dǎo)葉數(shù)量,調(diào)取座環(huán)分別與頂蓋和底環(huán)的連接螺栓分布圓數(shù)據(jù),并繪制出相應(yīng)的螺孔線(xiàn),用VB調(diào)用CAD制圖函數(shù)庫(kù),直觀(guān)繪制圖9俯視圖.
圖7 固定導(dǎo)葉安放角
圖8 固定導(dǎo)葉程序界面
圖9 座環(huán)CAD圖
根據(jù)俯視圖的投影關(guān)系,確定座環(huán)主視圖X軸向的數(shù)據(jù);其高度Y依據(jù)固定導(dǎo)葉的高度和選用鋼板的厚度累加設(shè)計(jì);座環(huán)的碟形變倒角,通過(guò)設(shè)置條件語(yǔ)句,對(duì)不同的板厚選擇對(duì)應(yīng)半徑,一般25~40 mm之間.調(diào)用CAD標(biāo)注程序庫(kù)對(duì)圖紙進(jìn)行標(biāo)注和對(duì)粗糙度的處理,所有過(guò)流面打磨光滑,表面粗糙度為3.2,加工面配合處的3.2,固定導(dǎo)葉進(jìn)口端節(jié)距誤差不超過(guò)0.015D,頂蓋與底環(huán)結(jié)合面平面度誤差不超過(guò)0.0025 mm,相關(guān)的公差鏈尺寸,手動(dòng)計(jì)算后人工標(biāo)注.
座環(huán)程序化出圖后,需根據(jù)傳統(tǒng)的應(yīng)力算法,初步得到剛度值進(jìn)行校對(duì).如果滿(mǎn)足材料的許用值即設(shè)計(jì)合格,如果不滿(mǎn)足,程序自動(dòng)改變鋼板厚度重新計(jì)算,從而得到新的座環(huán),如果鋼板厚度累加異?;?yàn)榱斯?jié)省板材,有時(shí)需調(diào)整定導(dǎo)葉數(shù)量進(jìn)行循環(huán)計(jì)算.
以蝶形邊座環(huán)的強(qiáng)度計(jì)算為例,蝸殼第一斷面圓環(huán)表面的徑向應(yīng)力σ,在蝸殼過(guò)渡處的座環(huán)半徑為r,此時(shí)圓周上引起的力T=σt,水平分力T2=Tcosα,其中t為鋼板厚度.座環(huán)在T2作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力.F為座環(huán)的截面面積,采用條件語(yǔ)句判定該值是否滿(mǎn)足強(qiáng)度要求[6].
固定導(dǎo)葉受到的拉力:
其中:R'f—蝸殼壁厚扇形面積重心;
Rf—蝸殼本體中心半徑;
Re—固定導(dǎo)葉重心半徑.
為了簡(jiǎn)化固定導(dǎo)葉的應(yīng)力計(jì)算,采用面積修正法編寫(xiě)公式,固定導(dǎo)葉拉應(yīng)力σ=,固定導(dǎo)葉材料是Q235,其[σ]=150 MPa,采用順序語(yǔ)句編寫(xiě)代碼看強(qiáng)度是否滿(mǎn)足要求.
座環(huán)的二維設(shè)計(jì)出圖后,相關(guān)的尺寸可以集中寫(xiě)入命名為stay ring的Excel表格中.運(yùn)用UG7.5三維軟件中的表達(dá)式命令(見(jiàn)圖10),進(jìn)行編程,繪制出一個(gè)座環(huán)的模型.[7-11]調(diào)用此 Xls格式的表格后,對(duì)模型進(jìn)行更新即可繪制出新座環(huán)三維圖形,(見(jiàn)圖11),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與模型的聯(lián)動(dòng).為后續(xù)模型的有限元分析精確得到座環(huán)的應(yīng)力節(jié)省了時(shí)間.
圖10 UG7.5軟件表達(dá)式界面
(1)建立活動(dòng)導(dǎo)葉模型數(shù)據(jù)庫(kù),編寫(xiě)活動(dòng)導(dǎo)葉的布置程序,得到活動(dòng)導(dǎo)葉的運(yùn)行軌跡,并繪制出導(dǎo)葉開(kāi)度曲線(xiàn).
(2)編寫(xiě)固定導(dǎo)葉布置程序,實(shí)現(xiàn)座環(huán)的固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉形成聯(lián)動(dòng)的直觀(guān)效果,設(shè)計(jì)者通過(guò)改變一些參數(shù)就能得到一種布置形式,便于從中選擇最優(yōu)方案.傳統(tǒng)的圖紙方案,設(shè)計(jì)者繪制一種導(dǎo)葉狀態(tài)需要大量時(shí)間,更無(wú)精力去優(yōu)化方案.
(3)調(diào)取CAD繪圖函數(shù),將理論的計(jì)算程序繪制成圖形,并且有標(biāo)注和加工符號(hào)便于工廠(chǎng)直接加工.
(4)采用UG7.5三維軟件中的表達(dá)式命令,成功實(shí)現(xiàn)編程的數(shù)據(jù)與三維模型的聯(lián)動(dòng),通過(guò)改變尺寸使得三維軟件自動(dòng)更新繪制出座環(huán)的三維模型.
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