基于SolidWorks的水轮发电机组虚拟培训系统开发

基于SolidWorks的水轮发电机组虚拟培训系统开发
楚清河;王亚龙;张增祥;陈颖川;李轶蓝;王萌;周尚
【摘要】结合湖北省某电站混流式水轮发电机组实际安装与运行情况，运用Solidworks软件进行零部件三维建模，并利用Solidworks自带的组装和爆破等
功能进行动画制作，最后通过Dreamweaver网页制作平台开发了混流式水轮发
电机组网络化虚拟安装与检修培训系统。

该系统以动画形式展示了蜗壳、尾水管等零部件模型，以及水轮发电机组安装与拆装过程。

解决了水电机组因结构庞大、复杂而不易实地学习等难题，为入职人员岗前培训及高校相关专业人才培养提供便捷，同时为科研人员深入研究水轮发电机组结构性能提供参考。

%The combination with actual installation and operation of a francis turbine generator set in a power plant of Hubei Province,using Solidworks software to built three-dimensional modeling of parts and using Solidworks assembly and comes with features such blasting animation ,and finally through the Dreamweaver web authoring platform developed a Francis turbine generator set of network installation and maintenance of virtual training systems.The system shows the animated scroll ,tail pipes and other parts of the model ,as well as hydro-generating unit installation and disassembly process.Solve the hydropower units due to the huge structure,complex
and difficult field study and other problems,to provide convenient pre-service training for recruits and college related professional training ,as
well as provides reference for researchers to study group structure hydro performance in-depth.
【期刊名称】《吉林水利》
【年(卷),期】2015(000)001
【总页数】4页(P44-47)
【关键词】水轮发电机组;三维模型;安装与检修;虚拟培训系统
【作者】楚清河;王亚龙;张增祥;陈颖川;李轶蓝;王萌;周尚
【作者单位】华北水利水电大学，河南郑州 450045;华北水利水电大学，河南郑州 450045;华北水利水电大学，河南郑州 450045;华北水利水电大学，河南郑州450045;华北水利水电大学，河南郑州 450045;华北水利水电大学，河南郑州450045;华北水利水电大学，河南郑州 450045
【正文语种】中文
【中图分类】TM312
近年来我国水电事业蓬勃发展，水电站在电网中所占比例不断增加，其输出电能质量的好坏直接影响着电力系统的稳定性。

加大安装技能培训力度，提高机组的安装精度可有效降低机组在运行过程中的振动及摆度幅度，从而提高电能质量[1]。

随
着三峡、向家坝等大型电站陆续投入运行以及“运维一体化”进程的不断推进，机组结构越趋复杂，安装调试工程量大，技术难度高[2]，对电站工作人员专业技能
有了更高的要求。

因此，根据电站实际安装与检修情况，邀请经验丰富的专家进行Solidworks 三维建模及动画制作，最终以网页形式展示给用户，缩短了入职人员
培训周期，有力地保证了检修培训的质量和效率,为高校远程教学实验等提供方便。

1 水轮发电机组零部件3D 几何建模
水轮发电机组各零部件三维模型的建立，是虚拟安装与检修系统实现的基础。

然而混流式水轮发电机组由转动部件、固定部件和埋设部件三部分组成[3]，其内部结
构复杂，零部件多为不规则几何图形，三维模型绘制工作量较大。

SolidWorks是世界上第一个基于Windows 开发的三维CAD系统,具有操作方便、模型尺寸精确、装配效率高、易于二次开发等特点。

利用SolidWorks 可实现水轮发电机组复杂部件拆分成一个个单一个体,利用SW 分别对每一个零部件进行建模,最终有序的组合起来,使原本复杂的建模变得清晰，有序。

图1 水轮机转轮三维建模
水轮机转轮由叶片、上冠、下环等部分组成，是流体势能转换为旋转机械能的载体[4]，如图1。

上冠与下环结构相对简单，可以在SW 中绘制草图。

首先在草图中
确立“基准面”,按照尺寸比例绘制出几何体一面的圆环，通过“拉伸”功能绘制
出一个圆柱体，点击“切除”按钮将圆柱切割出凹槽。

通过上述方法将上冠和下环的大致结构组建出来，利用“阵列”功能，将凹槽在几何体表面阵列出来。

最终可通过SW 中的“圆角”功能，将所需钝化的边缘找出来，选定与边缘相交的面，
点击“圆角”键，提高边缘圆滑度。

水轮机转轮叶片是一个三维扭曲曲面体,形状
较为复杂。

上冠与下环建模完成后进行组合,以各部件的表面作为参考面,通过SW 中的“放样曲面”功能拉伸出曲面叶片,输入叶片的“曲度”函数,截面厚度,最终通过“环形阵列”功能将叶片阵列在主轴周围,实现水轮机转轮三维模型绘制。

2 动态仿真装配的实现
2.1 3D 模型装配
SW 零部件特征建模，可以形象的描述几何模型的特征，而各零部件的配合关系，则需要装配体（Assem）功能来实现。

在装配过程中，能够按照实际水轮机结构，由小到大、由局部到整体地将各零部件统一有序地配合在一起。

图2 混流式水轮机安装结构图
确定安装顺序后，通过添加“配合命令”来确定各零部件的空间坐标及相对位置，配合命令可对同一部件施加一次或多次，以达到实际场景中的关联效果。

常用的配合命令有“同心、平行、重合、锁定、定距”等，图3 为尾水管装配前后3D 几何模型图。

其中，SW 在描述部件之间配对关系时，还能够对其进行适当的参数编辑与调整。

图3 尾水管装配模型
2.2 装配与拆卸动态仿真模型建立
装配体功能能够将各零部件关联到一起，而要呈现出逼真的动态装配与拆卸场景，则需要采用SW 运动算例（Motion Study）来实现。

在一条时间刻度轴上，选取固定场景，组合不同指令表达出动态装配仿真过程。

1)动态展示过程：开启“视像及相机视图”，通过调整变换焦距来完成组合部件的放大缩小等全方位展示，同时可辅助指令“动画向导—旋转模型”选取目标坐标轴完成自由旋转，时间及次数均可精确调整。

2)动态安装与拆卸实现过程：在运动算例中，选取“配置”、新建“爆炸视图”，按照实际拆卸过程构建拆分步骤，创建“动画向导—爆炸”命令，来完成拆分过程（如图4）。

再以“解除爆炸”命令依照原有拆卸路径逆向组合装配，完成安装过程（如图5）。

图4 导水机构拆卸示意图
图5 导水机构组合装配图
3)完成Motion 分析后，可选取不同“图像比例、压缩质量、帧数”等参数，将分析过程导出为不同格式视频文件（如.AVI 等）。

进而在人机交互过程中使用户更加熟悉水轮机整体及局部结构[5]。

3 虚拟平台的开发
随着Internet 的不断推广，网络仿真、远程教学逐渐成为今后学习与交流的主要
方式，水轮机虚拟安装与培训系统网络化，为培训人员随时随地学习提供方便。

Dreamweaver 是一个功能强大的网页设计工具，有着方便实用的工具和所见即所得的排版功能，页面十分友好，使用方便[6]。

在不需要掌握HTML 语言的情况下，即可利用其强大的功能开发出专业的网页。

故本系统运用Dreamweaver 软件制
作平台实现了如下功能：
1)系统简介模块。

简单的介绍了水轮发电机组虚拟安装与检修系统开发背景、目的及意义；介绍了本系统所实现的功能以及该系统正常运行时所需的软硬件配置。

2)零部件浏览模块。

由于水轮机结构复杂，在运行过程中，无法实现对具体设备近距离认识，本系统利用Silverlight 插件将拐臂、导叶等零部件以网页形式展示在
浏览器中，用户可利用鼠标对图形进行360 度旋转、放大等功能，为电站工作人
员对机组零部件的认识更加形象直观。

图6 系统结构框图
3)动画仿真模块。

结合水电厂的实际安装和拆卸工序，以动画形式展示出水轮发电机组动态安装及拆卸过程；在动画展示过程中配有相应文字及语音解释；建立安装与检修搜索引擎，方便用户随时查阅，参考装配或拆卸过程中应该注意的关键技术及注意事项。

图7 安装与检修动画仿真界面
4)软件下载模块。

本模块为用户提供动画播放所需插件，以及部分电站三维图形等，方便用户对电站深入学习。

4 结语
基于Solidworks 的混流式水轮机虚拟检修系统开发，解决了入职人员及高校相关专业人才无法现场学习的难题，为检修培训和专业人才培养提供了一套高效、实用的辅助工具。

该系统利用C#高级语言进行编程，易于后台维护及二次开发。

将其应用于电厂培训与检修以及教学研究等方面，将会产生良好的培训和教学效果。

但
系统沉浸效果不明显，无法实现用户完全沉浸到虚拟世界当中，基于虚拟现实技术的水轮发电机组系统是今后培训系统开发发展的重要方向。

□
参考文献：
[1]王桃，刘小兵，赖喜德，等.宝珠寺水电厂水轮发电机组检修多媒体仿真系统的
研制[J].大电机技术，2005(4)：45-47.
[2]刘建国，赵林明，王利英.基于X3D的水轮发电机组虚拟安装研究与开发[J].国
学学报，2012，33（5）：78-81.
[3]王玲花.水轮发电机组安装与检修[M].中国水利水电出版社，2012.
[4]周红卫，王丰.水电厂机组检修仿真管理信息系统的设计与开发[J].科技创新导报，2011(3)：80-81.
[5]杨国新，王定标.基于.SolidWorks 的机械零部件虚拟装配体设计技术[J].煤矿机械，2007，28(7)：115-117.
[6]宁辉华.基于Dreamweaver动态网站的创建[J].计算机与现代化，2011，
193(9)：46-49.。