Solidworks在混流式水轮机转轮叶片设计中的应用

(1.内蒙古电力勘测设计院，内蒙古 呼和浩特 010020；
2.河海大学 水利水电工程学院，江苏 南京 210098)
摘 要： 文章重点介绍了SolidWorks在水轮机转轮叶片设计中的应用，为水轮机转 轮叶片的优化设计提供了另一种思路与方法。
关键词：SolidWorks；混流式水轮机；三维建模；叶片
中图分类号：TP391.7∶TK733⁺.1 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2009)18—0099—02

为了更方便的分析产品各个方面的性能，通常设计者会利用计算机及其相关行业软件首先对 产品模型进行分析。因此产品模型的建立对于分析实际物体十分重要，而模型建立的好坏， 又会直接影响产品的生产制造与相关性能。

目前国内外有许多三维建模软件，其中SolidWorks是一种功能强大的实体建模软件，并在众 多工程领域得到了广泛的应用。

转轮是水轮机的核心过流部件，也是水轮机实现能量转换的重要零件，其制造质量的优劣直 接影响到水轮机性能的好坏以及机组的稳定性，而叶片又是转轮的关键组成部分。因此叶片 的设计对水轮机有着重要的影响。利用SolidWorks、AutoCAD和计算流体动力学（Computati onal Fluid Dynamics，简称CFD）软件之间的良好接口可以实现对水轮机的转轮叶片优化设 计，并为后续的生产制造提供精确加工图，从而最终能够帮助提高水轮机的性能与机组的稳 定性。
1 SolidWorks软件特点的介绍

SolidWorks是基于特征的三维参数化CAD软件，是世界第一家基于Windows开发平台的三维CA D软件，它的设计数据100%可以编辑，尺寸、相互关系和几何轮廓形状可以随时修改；Solid Works具用特征管理器，是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，复杂零部件的细节 和局部设计安排条理清晰明了，用它可以方便地管理CAD文件；SolidWorks的全相关技术使 得零部件之间和零部件与图纸之间的更新完全同步；SolidWorks能自动进行动态约束检查， 具有强劲复杂曲面造型能力，能设计表面形状复杂的曲面零件。SolidWorks软件是完全基于 Windows的 CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统。提供了各种各样的数据转换接口，并具用独特 的特点:①支持转换数据格式比较多；②转换效率高；③创新的特征识别技术。

功能强 大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点，使得SolidWorks成为领先的、主流的三 维CAD解决方案。

SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产 品质量。SolidWorks强劲的实体建模能力和易用友好的Windows界面形成了三维产品设计的 标准［1］。SolidWorks的这些特点，决定了它能够用于水轮机转轮叶片的复杂造型 ，并为通过该造型绘制精确叶片木模图打下基础。
2 叶片的三维建模
2.1 叶片模型的实现

混流式水轮机转轮的叶片一般为三维扭曲曲面体，形状十分复杂，传统的叶片工艺制作及放 样主要依据叶片木模图来实现［2］，即用保角变换法对各计算流面进行叶片绘形， 并绘制叶 片的正面轴面截线，然后通过某种方法(如轴面加厚法或流面加厚法)进行叶片加厚并绘制出 叶片背面轴面截线，最后通过一组水平的辅助截线求出其与正、背面轴面截线的交点，得到 叶片木模图［3］。计算机辅助绘图软件AutoCAD能够实现并输出二维的叶片术模图 ，但无论是进行有限元分析还是流场分析或是数控加工，都需要提供完整的真正意义上的三 维数据模型［4］。当完整建立了水轮机模型时，需要利用在工程领域广泛应用的CF D软件对模型进行计算 分析，以得到满足设计要求的水轮机转轮及其叶片模型，往往通过计算分析后，原有的叶片 模型并不能够完全满足设计要求，这就需要在原叶片模型的基础上作出具体调整，再进行计 算分析，重复上述过程，直至得到满足设计要求的新叶片模型。在这个过程中，SolidWorks 能够更加直观的反映叶片结构的变化，利用SolidWorks可以得到最终方案叶片的木模图，为 后续叶片的加工制造提供工程图纸。
2.2 叶片模型构造的实例

在新型环保小型水轮机节能开发研究［5］一文中所提到的背景下，需要设计一种新 型节能小水轮机，以满足在工业冷却塔中代替电动机,带动风机旋转制冷,达到节能的目的。 这种小型水轮机的研制开发，需要在传统设计方法的基础上，进行改进与创新。特别是转轮 的叶片，要进行反复改进，以使得设计出的产品能够满足现场需要。已有的叶片木模图，是 用AutoCAD所表示的一些特征截面，如图1所示为某混流型号的水轮机转轮叶片的木模图及 其一个特征断面形状。这些特征断面是由一系列型值点所连成的特征曲线，进而由这些特征曲线所构成的。 将这些特征截面，以.sat文件输出保存，并用CFD软件打开，生成体后结合水轮机其他过流 部件整体建模进行计算分析，当得到一组方案，满足设计要求，此时的叶片模型已经是在原 有叶片基础上做了多次修改，将叶片的模型以.step文件名保存，并用SolidWorks进行分析 ，得到如图2a、b在不同视图下所显示的叶片三维扭曲模型。

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由图2可以更为直观的看到叶片的三维扭曲情况，利用SolidWorks也能够得到 叶片的相关几何尺寸，如体积、表面积、重心等，为后续的分析与设计提供数据资料。
3 SolidWorks对叶片三维建模的后续处理

得到了最终叶片模型后，为了加工制造的方便，还需要将其转化为工程语言，即加工图纸， 这就需要将在SolidWorks中所实现的叶片实体模型转化为在AutoCAD中所反映的木模图。
具体的操作方法为：

第一步：用SolidWorks打开所保存的叶片的.step文件。

第二步：选中插入命令中参考几何体，选中叶片模型，并为其选择一个基准面（所选的基准 面与叶片进口边垂直）。

第三步：调整基准面的具体位置，即为选择叶片的一个特征断面。

第四步：选择菜单栏中插入命令下特征选项中的分割命令，则所选择的基准面将实体分割为 两个部分，分别保存这两个部分。

第五步：打开所保存的其中一个部分，并点击从零件/装配体制作工程图命令。

第六步：在图纸格式/大小的对话框中选择或为其定义一种图纸格式，本例选择标准图纸大 小中的A4-横向图纸格式。选择一种叶片模型试图并将其拖到工程图纸中（本例选择前视图 ）。

第七步：在图纸的属性中设置相应参数后，以.dwg格式保存图纸。打开所保存的图纸即得到 所建叶片模型的木模图中的一个特征断面。如图3所示。

重复上述步骤即可完全绘制出叶片木模图，为加工制造提供精准工程图。

4 总结

本文主要介绍了SolidWorks在叶片设计中的应用，利用其与AutoCAD 及CFD软件的良好兼容 性，给出了一种新的分析叶片结构和绘制叶片木模图的方法。但是正如一些论文中所讨论的 那样在用SolidWorks转化为AutoCAD的过程中有时并不能完全得到所需要的效果图，而需要 设计者作出一些修定，这样精度会有一定的降低，而在本次示例中没有出现这种情况，结合 后来的模型实验证明了这种方法的有效性。
［参考文献］
［1］  黄文俊，李录平，郭克希．基于SolidWorks的汽轮机扭曲叶片造型研究［J］．机械设 计与制造，2007，（5）：67～69.
［2］ 何士华，张立翔，武亮．混流式水轮机转轮叶片的自由曲面构造［J］．水力 发电，2005，31（3）：54～55.
［3］ 钱涵欣．水轮机转轮叶片加厚及木模图绘制的计算机辅助设计［J］．动力工 程，1994，14（3）：6～10.
［4］ 郭晓梅，杨敏官，施高萍，等．基于Pro/E Wildfire的水泵叶轮精确建模［J ］．农业化研究，2006，（8）：84～86.
［5］ 陈满华,郑源,周大庆,等．新型环保小型水轮机节能开发研究［J］．能源研究 与利用，2007，（1）：16～18.