基于三维技术的轴流水轮机模型设计及制造

曹 双 利，彭 志 远，桂 绍 波

(1.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710000； 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

随着我国技术水平的不断提高，三维技术[1-2]在机械设计制造行业[3-4]中的应用已是大势所趋。三维技术作为一种新的设计理念和先进的设计手段[5-6]，经过近几年的实践与推广，其优势越来越显著[7-8]。在水轮机模型设计及制造领域[9]，由于水轮机流道复杂，叶片的空间曲面抽象，在二维图纸上难以得到具体表达，这样不利于生产单位加工制造。但是通过采用三维技术，可以使得水轮机模型设计变得参数化、具体化[10]，所建立的三维模型可以生成IGS格式文件直接编程加工，使得加工制造更加精准。本文采用三维技术，完成了轴流转桨式水轮机模型的结构设计及制造，设计并加工制造了轴流转桨式水轮机模型[11]进水管、蜗壳、座环、导水机构、转轮和转轮室以及尾水管等关键过流部件，并按照IEC-60193规范[12]要求，研究布置了水轮机压力和压力脉动测点。

1 水轮机模型结构设计及制造

本文设计加工制造的真机转轮及试验台使用的模型转轮结构的相关参数如表1所列。

表1 真机及模型转轮结构相关参数Tab.1 Parameters of real and model runner

1.1 轴流转桨式水轮机模型

根据真机转轮直径与模型机转轮直径比值，得到的真机与模型机之间的几何比例为12.57。根据该几何比例，将真机三维模型体缩放成相应的模型机三维模型，再由试验室台架接口的活动调节量确定进出口的具体尺寸；部件之间主要连接方式为螺栓连接，螺栓规格为Φ16，螺栓孔间距不大于150 mm，密封方式为密封条密封，密封条规格为Φ9。模型水轮机转轮叶片数为6片；模型机总长为3.820 m；模型机的装机高程(导叶中心线距地面)为1.921 m。模型机三维模型如图1所示。

图1 模型机三维模型Fig.1 3D model of hydro-turbine model

1.2 进口管

作为试验台高压管和蜗壳之间的过渡部件，进口管起到的是引水和稳定流态的作用，通常情况下采用的是结构件形式。进口管三维模型及加工的成品如图2所示。

图2 进口管三维模型及加工成品Fig.2 3D model of import pipe and finished products

1.3 蜗 壳

蜗壳是整个模型机中的重要部件[13]，由上、下蜗壳体和座环组成。蜗壳主要是起到支撑导水机构、连接转轮室、为水流提供环量，以及发挥初步导流的作用。蜗壳三维模型及加工成品如图3所示。

图3 蜗壳三维模型及加工成品Fig.3 3D model of volute and finished products

上、下蜗壳体用不锈钢铸造而成，如图4所示。通过高精度铣床加工出内腔体后放置座环，再由连接螺栓把合，密封条提供密封。蜗壳内腔体的流道面均由三维模型的IGS格式文件直接编程加工，相较于传统的样板和传统数控编程拥有更高的精度。

图4 上下蜗壳体加工成品Fig.4 Finished products of up and down volute body

蜗壳上预留有与座环、导水机构精确定位的配合面，以及与导水机构、转轮室连接的螺栓孔位。上蜗壳设有水封区域，在安装导水机构之后，仍有一部分空间可用于试验时的水封密封，以保证空化和压力脉动试验时蜗壳的整体气密性完好。座环和蜗壳之间同样由两圈螺栓固定，以避免试验过程中因移动、安装、试验振动等产生的错位问题。座环与蜗壳之间的配合及连接如图5所示。

图5 座环与蜗壳之间的配合与连接Fig.5 The fit and connection between the seat ring and the volute

1.4 座 环

座环全部由不锈钢材料制作。可座环中设有固定导叶，为水流提供初步的导向作用。座环三维模型及加工成品如图6所示。

图6 座环三维模型及加工成品Fig.6 3D model of seat ring and finished products

以往座环的传统加工工艺采用的是固定导叶和上、下座环体分别进行加工，之后采用螺栓把合的形式，这种形式的主要缺点是固定导叶定位的位置不精确。在进入高精度加工机床之后，采用的是固定导叶与下座环的一体化加工，再与上座环以螺杆孔位连接，一体化的下座环结构如图7所示。

图7 一体化的下座环结构Fig.7 Integrated lower seat ring structure

上座环设置有台阶以便与上蜗壳的凹槽相对应，以保证装配的精确度。在保证单件尺寸的同时，也保证了固定导叶各自位置的准确性，提高了安装精度，减少了加工过程中的误差。固定导叶型线根据三维模型IGS格式文件编程加工得到，这样可以提高导叶叶片型线的加工质量。

1.5 导水机构

导水机构是水轮机中重要的控制机构[14]，主要作用为引流和调节流量，其三维模型如图8所示。对导水机构，整体采用分部件精加工、再统一装配的形式，这样可以保证加工精度，避免焊接工艺带来的变形。导流锥由黄铜制作，剩余部位都采用不锈钢材料制作。导水机构主要由顶盖、底环、控制环、导叶、导叶臂、导流锥等结构组成。通过推拉电机来带动连杆操控控制环，联动导叶同步开启和关闭以控制流量。顶盖和底环起到承载和固定导叶位置的作用，导流锥可以改变流向，以便使高压水从径向平滑地过渡到轴向，再流向转轮。

图8 导水机构三维模型Fig.8 3D model of distributor

(1) 顶盖和底环。顶盖和底环采用铸件精加工的工艺，在精铣床上准确地加工出导叶对应的孔位，保证导叶在孔位中可以稳定流畅地转动，同时也可以使密封性和稳定性得到保障。顶盖和底环的加工成品如图9所示。

图9 顶盖和底环的加工成品Fig.9 Finished products of top cover and bottom ring

(2) 活动导叶和特殊活动导叶。因为模型试验中有导叶水力矩测量的项目，因此在导叶位置基础上按照IEC要求，还需增设特殊活动导叶的孔位，其布置如图10所示。

图10 特殊活动导叶布置示意Fig.10 Layout of special active guide vane

特殊导叶孔位一般需要按照IEC标准的相关要求，在第四象限布置3个，在其他象限相同位置各布置1个。对孔位进行加大加深处理，以使其能适应导叶水力矩测量设备的安装。在底环上设有轴承安装孔位，可以减少转动阻力给导叶水力矩测量带来的误差。

活动导叶是导水机构中最精密和最重要的部分。活动导叶需要严格按照真机研发的导叶布置图中的型线拉伸三维建模，上、下增设足够长的连杆以保证安装和转动时候的平稳；在导叶的上下断面各增设0.05 mm厚的台阶，以减少精加工面面积，保证加工质量，同时减小导叶转动时和顶盖、底环的接触面积，可以减少转动时的阻力。活动导叶、特殊活动导叶三维模型以及加工成品如图11所示。

图11 活动导叶、特殊活动导叶三维模型以及加工成品Fig.11 3D model of active guide vane，special active guide vane and finished products

活动导叶是由导叶、导叶臂、销钉组成的连杆机构。导叶和顶盖之间用O型密封圈予以密封。导叶通过上端的导叶臂和销钉连接到控制环；导叶臂采用U型结构并用拨叉锁紧，以保证在与导叶充分固定的同时对销钉起到稳定的导向作用。

(3) 控制环及附件。控制环也采用不锈钢材料制作，配合导叶臂起到联动所有导叶打开和关闭的作用。控制环上设有通过螺母和双头螺栓固定的U型耳柄，用来连接推拉电机。控制环的三维模型如图12所示。

图12 控制环三维模型Fig.12 3D model of control ring

图13 导流锥三维模型Fig.13 3D model of diversion cone

(4) 导流锥。导流锥由黄铜制作，按照三维模型提供的型线，该型线由车床车削制成，主要是起到改变水流方向的作用。导流锥的三维模型如图13所示。

1.6 转 轮

转轮是整套模型机最核心的部分，是决定模型机性能的关键部件[15]。本文涉及的轴流转桨式6叶片水轮机模型，其转轮直径为350 mm。转轮三维模型以及加工成品如图14所示。

图14 转轮三维模型以及加工成品Fig.14 3D model of runner and finished products

转轮装配主要由转轮体、叶片和泄水锥组成。其中，转轮体和叶片整体都依据三维模型IGS格式文件编程加工。因为受空间条件限制，没有设置联动转桨机构，因此在进行水轮机模型试验时需要人工调整各桨叶的角度。

(1) 转轮体。转轮体由不锈钢锻造后精加工制成，采用整体工艺，转轮体中心球面直径为182 mm。在叶片位置留有相应的高精度以配合孔位，在内部设计有腔体便于螺栓把合，并留有和静压轴承连接的螺栓孔。

(2) 泄水锥。泄水锥由不锈钢材料制成，按照型线车削加工。在泄水锥上部配有与转轮体准确配合的精加工面。

(3) 叶片。叶片由片体设计文件缝合成三维实体[16]，在添加连接部位之后生成IGS格式文件编程进行加工，由三轴机床加工并出成品。

叶片由锡青铜铸件材料洗削加工而成，锡青铜拥有不易生锈、加工残余应力小以及不易变形等优点。采用锡青铜材料制作叶片的工艺成熟，制作经验丰富。

在叶片与转轮连接部分设置了有配合面的基座，曲面半径和转轮体一致。每张叶片和孔位均与编号一一对应，装配完成后，需修平台阶和叶片外缘尺寸，以保证在叶片装配过程中能始终保持与同编号的孔位对应。

转轮体、泄水锥、叶片的三维模型如图15所示。

(4) 桨叶角度工装装配。在转轮装配的同时，制作出专门的桨叶角度调整工装，桨叶角度调整如图16所示。

图15 转轮体、泄水锥、叶片三维模型Fig.15 3D model of runner，runner cone，blade

图16 桨叶角度调整示意Fig.16 Diagram of blade angle adjustment

将桨叶角度工装装配在转轮体与泄水锥的配合面上。在转轮装配建模时设立了相应的基准面，在模型试验所要求的对应桨叶角度上分别测量叶片最低点到基准面的距离，以及该最低点距转轮中心线的径向长度，根据这2个数据，分别制作出高度不等的标准块。在转轮模型试验过程中，将对应角度的标准块装配在工装对应距离的位置，再将叶片的最低点放置在标准块上，即为对应转桨角度，其他叶片同理。

1.7 转轮室

转轮室由单线图中转轮室和尾水直锥段2个部分组成。转轮室的三维模型及其加工成品如图17所示。

图17 转轮室三维模型以及加工成品Fig.17 3D model of runner chamber and finished products

在试验过程中，需要在空化试验的过程中来观测转轮叶片上的空化现象，以及在压力脉动试验过程中观察涡带的情况，因此转轮室需要采用透明材料来制作。本文转轮室采用的是有机玻璃材料，这种材料具有重量轻、结构强度高、易加工以及透明度高等特点。转轮室的上、下法兰采用的是不锈钢材料制作，在压紧有机玻璃管之后，再通过双头螺栓拉紧，可以保证整体的结构强度以及其稳定性。

1.8 尾水管

尾水管由直锥段、弯肘段和扩散段3个部分组成。为了便于观察涡带，直锥段采用有机玻璃管制作。通常情况下，直锥段与扩散段的分界面处于单线图中弯肘段的第一个截面处，但是由于弯肘段和扩散段因流道存在偏心现象，而导致两者之间存在一个转角型的过渡段。弯肘段属于铸造-精加工件，可以对复杂的曲面进行高精度的加工，因此可以将弯肘段和过渡段合并成肘管一个部件，连带支墩头部统一进行加工。扩散段一般采用板件焊接的形式制作。

(1) 肘管。尾水管的肘管三维模型及其加工成品如图18所示。

图18 肘管三维模型以及加工成品Fig.18 3D model of elbow tube and finished products

以往尾水管肘管采用的是传统的分半-螺栓把合结构。本文在考虑到肘管本身把合线较短以及弯曲程度低、空间大的特点之后，确定采用分半-焊接的形式，并应用了新的冷焊技术，以使其形变量小、合缝面打磨之后光滑无台阶，整体强度和重量均优于传统的分半结构；同时，取消了把合面，使得后续支墩头部的焊接的一体性更好。在轴管的两侧为补气装置预留了加工接口。对肘管焊接件的上、下法兰均留有一定厚度的余量，这样在把合焊接后加工至实际尺寸时，能够最大程度地减小焊接带来的尺寸误差。

(2) 扩散段。尾水管扩散段三维模型及其加工成品如图19所示。

对尾水管扩散段采用的是板件焊接的形式。采用8 mm的不锈钢板制作流道及支墩，并运用10 mm的筋板进行多重加固。对两侧法兰采用的是45号钢，并保留了5 mm的加工余量，在整体焊接成型后，上机床进行精加工，直到对应的尺寸为止。

图19 扩散段三维模型以及加工成品Fig.19 3D model of outlet part and finished products

2 测点孔布置

在模型试验过程中，需要对多个位置的多个压力及压力脉动测点进行数据采集，因而对测点的孔位布置也是模型机结构设计的一个重要组成部分。测点孔位一般按照IEC-60193中的相关内容要求进行布置。测点孔位布置通常是分为压力测点布置、压力脉动测点布置。

2.1 压力测点布置

(1) 蜗壳进口压力测点。按照IEC的要求，蜗壳进口压力测点布置在距离X-X断面581 mm处，按断面45°方向均布4个。蜗壳进口断面面积为0.158 055 m2。

(2) 扩散段出口压力测点。按照IEC的要求，扩散段出口压力测点布置在距离X-X断面1 937 mm处，均布8个。扩散段出口断面面积为0.354 307 m2。

(3) 顶盖压力测点。顶盖压力测点布置在顶盖直径360 mm的圆周上，距坐标轴45°方向均布4个。

(4) 蜗壳压差测点。按照IEC的要求，在第四象限距X轴45°和60°截面上，分别设立一对蜗壳压差孔位。

(5) 转轮室压力测点。转轮室的压力测点布置在距离桨叶中心线105 mm(0.3D1)处，并在上下游各设置一个。

2.2 压力脉动测点布置

压力脉动测点有4处，分别为蜗壳进口压力脉动测点、顶盖导叶后转轮前压力脉动测点、转轮室压力脉动测点和肘管压力脉动测点。

(1) 蜗壳进口压力脉动测点。蜗壳进口压力脉动测点布置在距离X-X断面581 mm处正上方，以及距离X-X断面560 mm(1.6D1)处。

(2) 顶盖导叶后转轮前压力脉动测点。在顶盖直径360 mm的圆周上的上、下游，各按照顺时针方向偏3°处布置一个顶盖导叶后转轮前压力脉动测点。

(3) 转轮室压力脉动测点。转轮室压力脉动测点布置在距离桨叶中心线227.5 mm (0.65D1)处，上、下游侧各布置一个。

(4) 肘管压力脉动测点。肘管压力脉动测点布置在肘管45°平分面上，上、下游侧各布置1个。

3 尺寸测量

在部件制造完成之后，需要对各部件的关键尺寸进行尺寸检查并做好记录。依据IEC-60193的标准规定来判断是否合格，只有满足标准要求的部件才能正式接受并进行装配工作。

(1) 利用钢板尺测量进口管、蜗壳、扩散段等部件的进出口尺寸。

(2) 对转轮直径、转轮室进出口、肘管进口等尺寸，则利用内径、外径千分尺进行测量。

(3) 对活动导叶高度、座环开档尺寸等，采用游标卡尺进行测量。

(4) 对转轮和活动导叶，采用红外线扫描工具对整体外观进行扫描后，再与建模进行比对。

最后，对测量数据进行统一的评估和记录，并在验收试验时由验收方现场复核。

4 结 论

在水轮机模型设计及制造领域，轴流转桨式水轮机相较于其他模型的水轮机而言制造工艺更为复杂。本文详细介绍了轴流转桨式水轮机模型各个部件的制造工艺及要求，并采用三维技术，通过本文建立的三维模型所生成的IGS格式文件，对关键过流部件的内表面直接进行编程、精确设计和加工，保证了水轮机模型的加工质量；同时，使得复杂的水轮机流道以及抽象的叶片的空间曲面变得直观、具体，有利于制造单位进行加工制造。

本文借助于三维技术，对水轮机模型进行了参数化设计，这样大大提高了模型水轮机设计和加工的效率，缩短了开发周期，展示出了三维技术在水轮机模型设计及制造领域的巨大优势。