№ 4
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2013
УДК 620.92+624.042 (075.8)
© 2013 г. КУБЫШКИН Л.И.1
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БАНКА ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ГЭС
Рассмотрены перспективные технологии проектирования гидроэнергетических объектов с использованием банка параметрических моделей строительных конструкций и оборудования. Разработано прикладное программное обеспечение для расчета параметров моделей конструктивных компонентов основного оборудования и сооружений гидроэлектростанций. На примере параметрического моделирования основных сооружений Ленинградской гидроаккумулирующей электростанции показано преимущество технологии проектирования гидроэнергетических объектов с использованием библиотеки параметрических моделей. Новизна предлагаемой технологии подтверждена патентом на изобретение № 2473128 "Способ параметрического трехмерного моделирования оборудования и сооружений гидроэнергетических объектов".
Проектирование гидроэнергетических объектов (ГЭО) базируется на комплексном рассмотрении вопросов, относящихся к гидромашиностроению, электромашиностроению, гидромеханике, гидротехнике, производству работ, экономике и охране окружающей среды. Совместная работа специалистов разного профиля при проектировании гидроэлектростанций (ГЭС) и гидроаккумулирующих электростанций (1АЭС) обеспечивается имеющимися в проектных организациях компонентами систем автоматизированного проектирования (САПР). Вопросы автоматизации проектирования ГЭО в вычислительных центрах научно-исследовательских и проектных организаций гидроэнергетического профиля начали решаться с появлением в 60-е годы прошлого столетия в организациях энергетической отрасли электронных вычислительных машин второго поколения [1].
В Ленинградском политехническом институте (ныне Санкт-Петербургский политехнический университет) в эти годы выполняется ряд хоздоговорных научно-исследовательских работ по созданию математического, программного, информационного и лингвистического обеспечения САПР ГЭО [2]. Новые технологии проектирования ГЭС успешно внедряются в учебный процесс [3—5]. В период 1960—2000 гг. решались следующие проблемы автоматизации проектирования ГЭС:
— разработка численных методов решения инженерных задач на ЭВМ, создание программного обеспечения для выполнения ряда вычислительных проектных процедур [6];
— формирование общей концепции САПР ГЭО, как единого программно-технического комплекса, взаимодействующего со специалистами разных подразделений проектной организации [7];
— научное обоснование САПР ГЭО, как многоуровневой сетевой иерархической системы с ассоциативными связями и параметризацией проектируемых объектов [8];
— разработка методов и алгоритмов создания трехмерных твердотельных моделей проектируемых объектов электроэнергетики, автоматизация выполнения графических проектных процедур [9—12];
1Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (СПбГПУ).
— создание банка параметрических моделей строительных конструкций, сооружений, основного и вспомогательного оборудования гидроэнергетических объектов, разработка методики автоматизированного проектирования ГЭС в среде CAD—CAM—CAE (геометрическое моделирование—моделирование физических процессов—производство) [13, 14].
Представленная концепция проектирования объектов возобновляемой энергетики предусматривает автоматизацию работы специалистов проектной организации на этапах создания трехмерных твердотельных моделей ^D-моделей) объекта и выпуска графических проектных документов — чертежей [13]. Графические системы, ориентированные на такие отрасли как машиностроение и промышленно-гражданское строительство, имеют библиотеки стандартных компонентов и унифицированных конструкций. Они упрощают процесс создания и многократного использования готовых элементов моделируемого объекта, что дает возможность автоматизировать создание 30-модели проектируемого объекта. Отсутствие такого информационного обеспечения для проектирования объектов возобновляемой энергетики не позволяет автоматизировать этот ответственный и трудоемкий этап новой технологии проектирования. Вышесказанное определяет актуальность разработки библиотек параметрических моделей конструктивных компонентов оборудования и сооружений установок возобновляемой энергетики.
Идея использования параметрических моделей появилась на ранних этапах развития систем автоматизированного проектирования, но долгое время не могла быть реализована по причине недостаточной производительности компьютеров. В настоящее время библиотечные элементы и объекты широко используются при проектировании зданий и сооружений, механического и электротехнического оборудования в графических пакетах ArchiCAD, Inventor, Civil 3D и др.
Параметрическое моделирование существенно отличается от обычного трехмерного моделирования. Конструктор создает модели объектов с параметрами, при изменении которых происходят изменение размеров деталей объектов, их конфигурация и взаиморасположение. Таким образом, ранее разработанные и сохраненные в библиотеке модели конструктивных компонентов объектов возобновляемой энергетики могут многократно использоваться в 3D-моделях новых проектируемых объектов.
В статье на примере проекта ГАЭС предлагается решение следующих вопросов:
— выбор программных пакетов для создания параметрических моделей конструктивных компонентов и разработка методики их создания;
— разработка математического описания этих моделей;
— разработка прикладного программного обеспечения для реализации расчетов базовых и зависимых от них параметров;
— создание библиотеки параметрических моделей конструктивных компонентов основного оборудования и сооружений установок возобновляемой энергетики.
Анализ возможностей используемого сегодня технического и программного обеспечения инженерной компьютерной графики в проектных и научно-исследовательских организациях гидроэнергетического профиля (ОАО "Ленгидропроект", ОАО "СГЭМ", ОАО "РусГидро", ЗАО "МНТО ИНСЭТ") и в учебном процессе показывает, что моделирование объектов возобновляемой энергетики следует выполнять в интегрированной среде AutoCAD Civil 3D + Autodesk Inventor + 3ds Max [13, 14]. Эти графические пакеты освоены и используются в вышеназванных проектных, научно исследовательских организациях и учебном процессе подготовки специалистов высших учебных заведений.
В качестве среды для создания трехмерных параметрических моделей оборудования и сооружений ГЭО может быть применен графический пакет Autodesk Inventor [14]. Особенность этого графического пакета — работа с управляющими размерами, что определяет возможность его использования в качестве среды для создания библиотечных параметрических конструктивных компонентов ГЭО. Кроме того, функциональные возможности Autodesk Inventor позволяют производить математические операции (задание размеров в виде формул), а также использовать адаптивную технологию моделирования при помощи наложения зависимостей, что упрощает математическое описание модели и управление моделью пользователем.
Рис. 1. Примеры оформления проектной документации в виде чертежей и плакатов
Одним из преимуществ использования графического пакета Autodesk Inventor является автоматизация создания проектной документации. Чертежи в среде Inventor создаются на основе построенных BD-моделей и представляют собой набор проекций, видов, разрезов, узлов объекта. На рис. 1 приведены примеры проектных документов, полученных на основе сборок ГАЭС шахтного типа и проточного тракта ГЭС и чертежи отдельных деталей.
Чертеж определяет текущее состояние модели. При внесении изменений в модель они автоматически отображаются на всех чертежах, полученных на ее основе, что исключает возможность появления несогласованных чертежей.
Параметрические модели конструктивных компонентов ГЭО имеют один или несколько базовых параметров (размеров). Остальные параметры определяются по ма-
тематическим зависимостям. Изменение значений базовых параметров приводит к изменению конфигурации и размеров модели.
Ниже приведено математическое описание некоторых конструктивных компонентов оборудования и сооружений ГЭО, используемых для создания трехмерной параметрической модели ГАЭС.
Рабочее колесо обратимой гидротурбины
В качестве базового параметра, управляющего размерами модели рабочего колеса обратимой гидротурбины, был выбран его диаметр Бъ величина которого может быть определена из приведенных ниже зависимостей [6, 14].
Диаметр рабочего колеса насоса-турбины определяется по формуле:
А = 0пI н.опт Н)/ п, (1)
где п'нопт — приведенная частота вращения насоса-турбины при максимальном КПД; Нн — средний напор гидротурбины, соответствующий оптимуму универсальной характеристики при работе турбины в насосном режиме; п — нормальная частота вращения гидротурбины в насосном и турбинном режимах, определяемая при помощи выражения
п = пшИ3/4 /3,65^;
где бн — расход воды, соответствующий среднему напору в двигательном режиме работы; пзН — коэффициент быстроходности гидротурбины при ее работе в насосном режиме
nsH = 3,65(«VöH/H Н/4) = 3,65«} н.оптЙ^
где 0/н.опт — приведенный расход турбины в насосном режиме, соответствующий максимальному КПД.
Приведенная частота вращения насоса-турбины и расход при максимальном КПД могут быть определены по таблицам систематизированных данных [15].
Конструктивные компоненты гидротурбины: спиральная камера, колонны статора, отсасывающая труба
Создание параметрических моделей таких конструктивных компонентов гидротурбины как: спиральные камеры, колонны статора и отсасывающие трубы, целесообразно проводить по существующим отраслевым стандартам [16, 17], устанавливающим относительные размеры очертаний элементов.
Гидрогенератор
Базовыми параметрами обратимого гидрогенератора является диаметр его ротора и высота активной стали. Параметры гидрогенератора определяются в соответствии с рекомендациями [18]. Диаметр ротора гидрогенератора Dt определяется выражением:
Dt = т*2 p/n, (2)
где 2p — число пар полюсов генератора, зависящее от синхронной частоты вращения; т* — длина внешней дуги обода ротора, приход
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.