冲击式水轮机转轮的AutoCAD三维建模

冲击式水轮机转轮的AutoCAD三维建模

作者：刘凯

来源：《软件导刊》2015年第05期

摘要：在水力机械设计制造和安装检修过程中，需要在计算机中模拟出逼真的三维模型效果，以解决平面工程图空间形状表现不足的问题。冲击式水轮机主要应用在高水头水电站中，转轮是水轮机的核心部分，详细分析其立体模型是水电站设计制造和安装检修的重要工作。采用AutoCAD软件模拟出冲击式水轮机转轮模型。

关键词：AutoCAD；冲击式水轮机；转轮；三维建模

中图分类号：TP317.4

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2015）005-0143-02

作者简介：刘凯（1971-），男，重庆开县人，四川水利职业技术学院电力工程系讲师，研究方向为制图、CAD、水轮机。

1 冲击式水轮机转轮投影图

冲击式水轮机又称水斗式水轮机，水斗形状类似于两个瓢并排连在一起，连接处称分水刃，其端部称为分水刃尖，在分水刃尖两侧开有圆形缺口，以利于射流能有效地射到后续水斗上。

喷嘴射出的圆柱形射流轴心线与转轮分水刃应在同一平面内，此平面与主轴垂直，以主轴心为圆心，与射流轴心线相切的圆称节圆，节圆直径规定为冲击式转轮的标称直径，如图1所示。

焊接结构转轮的水斗也是单个或几个铸造，再与轮幅焊接。为增加根部强度，在不影响水斗内射流、出流前提下，在前后水斗根部间加支撑，缩短水斗悬臂长度，加强水斗整体性。焊接转轮保留了组合转轮的优点，强度也可赶上整铸转轮。近年来焊接技术发展很快，可保证焊接质量，因此焊接结构的大中型冲击式转轮得到广泛应用[1]。

2 冲击式水轮机转轮轮幅三维实体生成

冲击式水轮机转轮轮幅的形状整体为圆环形，AutoCAD三维实体创建相对容易，只需要对轮幅的平面视图断面进行面域处理，然后通过模型的旋转命令就能生成圆环形轮幅，如图2所示。

轮幅上的螺纹孔创建稍显复杂，需要螺纹牙型断面通过螺旋线路径生成螺柱M56和螺柱M18。

螺柱M56创建方法：①创建底面直径Φ48、高150的圆柱；②在圆柱表面创建螺旋线，底面半径R24、顶面半径R24、圈高6、螺旋高度180；③在侧视图绘制底边4、上边2、高4的等腰梯形，并生成面域；④用扫掠命令将等腰梯形沿螺旋线路径扫掠成螺纹牙型，要特别注意等腰梯形的方向；⑤把圆柱沿轴线方向移动15，使圆柱在螺纹牙型中间，用圆柱的端面剖切掉多余的螺旋牙型，然后并集为一个实体，如图4所示[2]。

同理创建螺柱M18，如图5所示。

把螺柱M56和M18移到图2轮幅的指定位置后，分别进行4个和8个环形阵列，再用实体编辑的差集命令在轮幅上形成螺纹孔，最后对4个M56螺孔两端进行C5倒角，结果如图3所示。

3 水斗三维实体生成

由于水斗由不规则的曲面组成，因此水斗是冲击式水轮机转轮实体AutoCAD建模最难的部分，其投影曲线A至曲线K的参数如图6所示。

建模的总体思路：绘制水斗各断面图，放样生成曲面。如图7所示，对俯视图和左视图等距建立截面1至截面11，利用三等对应关系画出主视图各截面图曲线。与图7中的主视图作图法一样，全部完成11个截面的主视图曲线。在曲面关键变化点也需要截面图表达，可在其关键点处新建截面图，如在截面1后面增加截面0，截面9和截面10之间增加截面12，再利用三维旋转、移动命令把各截面图按立体空间位置进行摆放，如图8所示。

创建水斗曲面方法如下：①依次选择图8中截面1至截面6进行放样生成曲面；②截面6和截面7进行放样生成曲面。由于截面6和截面7上面中间位置从一点渐变为一条线段，故在上面中间位置需要画2条导向线，如图8所示，在放样时选择这2条导向线；③截面7至截面9进行放样生成曲面；④截面9和截面12进行放样生成曲面。由于水斗凹面在截面12表面处结束，所以在两截面上按图8所示绘制4条导向线，在放样时选择这4条导向线；⑤截面12和截面10进行放样生成曲面。由于水斗下面在此段有曲面转折，所以在两截面下按图8所示绘制4条导向线，在放样时选择这4条导向线；⑥截面10和截面11进行放样生成曲面。由于水斗下面在此段有曲面转折，所以在两截面下按图8所示绘制2条导向线，在放样时选择这2条导向线；⑦截面0和截面1进行放样生成曲面。由于水斗上面在此段有曲面转折，所以在两截面上按图8所示绘制1条导向线，在放样时选择这1条导向线；⑧把图7中的俯视图截面1到截面0之间的水斗分水刃尖曲线复制出来拉伸成曲面，然后用此曲面修剪掉水斗截面1和截面0之间多余的部分；⑨使用修补曲面对水斗分水刃尖处的缺口进行封口修补处理，如图9所示。图10为对水斗添加材质和光源后渲染出的金属效果图[3]。

4 三维实体合成

把立体水斗移到图8所示轮幅立体的位置，以轮幅轴线为旋转轴，用环形阵列命令对水斗进行立体阵列共16个，填充角度为360°，如图11所示。图12为冲击式水轮机转轮轴侧图。

参考文献：

[1] 王蕴莹.水轮机[M].北京：水利电力出版社，1993：106-107.

[2] 朱慧霞.AutoCAD2008中文版三维造型案例教程[M].北京：科学出版社，2010：45-49.

[3] 曾权，崔勇彬，何晓媛.中文版AutoCAD2010新手到高手之路[M].北京：电子工业出版社，2010：384-389.

（责任编辑：杜能钢）