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)

0 引言

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 程序編寫(xiě)步驟

(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

2 活動(dòng)導(dǎo)葉布置程序

2.1 活動(dòng)導(dǎo)葉模型數(shù)據(jù)測(cè)繪

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.

2.2 活動(dòng)導(dǎo)葉布置程序

圖5 導(dǎo)葉分布曲線(xiàn)

圖6 活動(dòng)導(dǎo)葉程序界面

3 固定導(dǎo)葉設(shè)計(jì)程序

3.1 固定導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)理論

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.

3.2 固定導(dǎo)葉的布置程序

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).

4 座環(huán)的設(shè)計(jì)程序

4.1 座環(huán)俯視圖程序

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

4.2 座環(huán)主視圖程序

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.

5 強(qiáng)度計(jì)算程序

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.

5.1 座環(huán)的強(qiáng)度計(jì)算理論

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］.

5.2 固定導(dǎo)葉的強(qiáng)度計(jì)算

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.

6 座環(huán)三維模型的程序化

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

7 結(jié)論

(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.

［1］王 城，趙 勇.水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)(水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)手冊(cè)第一部分)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［2］龐立軍，魏洪久.水輪機(jī)蝸殼座環(huán)的應(yīng)力分析與評(píng)定［J］.大電機(jī)技術(shù)，2008(3):39 －42.

［3］JAMES R.FARR，MAAN H.JAWAD..ASME 壓力容器設(shè)計(jì)指南［M］.2版，鄭津洋，徐 平，方曉斌，等譯.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［4］高建銘.姚志民水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)［M］.北京:電力工業(yè)出版社，1999.

［5］李立宗.VB程序設(shè)計(jì)教程［M］.天津:南開(kāi)大學(xué)出版社，2009.

［6］王春林，司艷雷，鄭海霞，等.旋流自吸泵內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬［J］.排灌機(jī)械，2008，26(2):31 －35.

［7］袁壽其，張金鳳，袁建平.正交試驗(yàn)研究分流葉片主要參數(shù)對(duì)性能影響［J］.排灌機(jī)械，2008，26(2):1 －5.

［8］田愛(ài)民，許洪元.旋轉(zhuǎn)噴射泵集流管內(nèi)部流動(dòng)計(jì)算［J］.石油化工設(shè)備，2005(2):21－25.

［9］孫立賓，曾明富，常喜兵.水泵水輪機(jī)頂蓋/座環(huán)聯(lián)接件應(yīng)力幅分析計(jì)算［J］.東方電機(jī)，2011(2):36－39.

［10］謝阿萌，龍 毅.混流式水輪機(jī)不銹鋼轉(zhuǎn)輪葉片應(yīng)力有限元分析［J］.湖南電力，2011，31(4):14 －16.

［11］王興林，宋文武.貫流式水輪機(jī)導(dǎo)葉建模及應(yīng)力分析［J］.企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)，2012，31(29):37 －41.