基于三維數(shù)字模型的離心泵葉輪水力圖生成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及離心泵葉輪水力圖繪制方法技術(shù)領(lǐng)域，具體地指一種基于三維數(shù)字模型的離心泵葉輪水力圖生成方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，國(guó)內(nèi)離心泵水力設(shè)計(jì)大多基于一元設(shè)計(jì)理論的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，采用速度系數(shù)法和相似設(shè)計(jì)法進(jìn)行水力模型設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)離心泵葉輪設(shè)計(jì)方法的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)的詳細(xì)研宄后發(fā)現(xiàn)，葉輪水力設(shè)計(jì)方法歸納起來(lái)為基于一元設(shè)計(jì)理論的離心泵葉輪傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法；基于計(jì)算機(jī)的流體力學(xué)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和全三元反設(shè)計(jì)方法?；谝辉O(shè)計(jì)理論的離心泵葉輪傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，首先進(jìn)行水力設(shè)計(jì)，生成木模圖，然后進(jìn)行樣機(jī)試制，再根據(jù)樣機(jī)的性能測(cè)試結(jié)果反復(fù)進(jìn)行修正設(shè)計(jì)，最后生產(chǎn)加工。一元設(shè)計(jì)理論存在如下五個(gè)較為明顯的缺陷:葉片前方來(lái)流速度計(jì)算不準(zhǔn)確，造成過(guò)大沖角、無(wú)法控制葉片表面流體動(dòng)力負(fù)荷、葉片表面角度光滑變化，但是并不保證葉片表面相對(duì)流速也光滑變化、葉輪前后蓋板僅間接影響到葉輪流道內(nèi)部相對(duì)流速、無(wú)法確定哪種葉片設(shè)計(jì)方案是最優(yōu)的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的就是要提供一種基于三維數(shù)字模型的離心泵葉輪水力圖生成方法，該方法可以直接根據(jù)葉輪的三維數(shù)字模型，通過(guò)圖形的幾何變換和數(shù)學(xué)計(jì)算，得到葉輪的水力圖及軸垂面、軸截面與葉片前后工作面相交處的數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)，極大的縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)精度。
[0004]為實(shí)現(xiàn)此目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的基于三維數(shù)字模型的離心泵葉輪水力圖生成方法，其特征在于，它包括如下步驟:
[0005]步驟1:通過(guò)三維建模軟件打開(kāi)預(yù)設(shè)的離心泵葉輪三維模型；
[0006]步驟2:在三維建模軟件中建立一組與離心泵葉輪的旋轉(zhuǎn)軸相垂直且與離心泵葉輪的三維模型表面相交的平面，該組平面與離心泵葉輪三維模型中葉片模型的迎水面和背水面相交，得到兩組交叉曲線，這兩組交叉曲線即為離心泵葉輪木模圖中的木模截線；
[0007]步驟3:對(duì)兩組交叉曲線沿離心泵葉輪旋轉(zhuǎn)軸方向投影，得到離心泵葉片軸向投影面，然后以離心泵葉輪旋轉(zhuǎn)軸的軸心為原點(diǎn)，作多條輔助射線，相鄰兩個(gè)輔助射線之間的夾角相等且為預(yù)設(shè)值，即可得到離心泵葉片的木模圖；
[0008]步驟4:開(kāi)始繪制軸面圖，在離心泵葉輪三維模型中任取一個(gè)離心泵葉輪旋轉(zhuǎn)軸的軸截面，該軸截面與離心泵葉輪三維模型中葉片模型的迎水面和背水面相交，得到截交線，將截交線繞離心泵葉輪旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，生成旋轉(zhuǎn)曲面；
[0009]步驟5:在離心泵葉輪三維模型中取離心泵葉輪旋轉(zhuǎn)軸的多個(gè)軸截面，相鄰兩個(gè)軸截面之間的夾角相等且為預(yù)設(shè)值，每個(gè)軸截面與葉片模型相交得到的截交線均按照步驟4的方式得到一個(gè)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)曲面，即得到了一組旋轉(zhuǎn)曲面；
[0010]步驟6:用另取的一個(gè)軸截面去截形成的這一組旋轉(zhuǎn)曲面，即可在該另取的軸截面上的得到一組曲線；
[0011]步驟7:將步驟6中另取的一個(gè)軸截面以及步驟6中得到的一組曲線沿離心泵葉輪旋轉(zhuǎn)軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到水平面內(nèi)，再在上述水平面內(nèi)添加相互平行的多條輔助直線，即可得到離心泵葉輪水力圖中的軸面圖；
[0012]步驟8:開(kāi)始獲取離心泵葉輪三維模型中葉片模型的水力數(shù)據(jù)表，首先，啟動(dòng)三維建模軟件中水力圖設(shè)計(jì)插件；
[0013]步驟9:通過(guò)上述水力圖設(shè)計(jì)插件，在步驟2中得到的一組平面中任意選取一個(gè)平面，該平面與離心泵葉輪三維模型中葉片模型的迎水面相交得到第一曲線，在離心泵葉輪三維模型中任取一個(gè)離心泵葉輪旋轉(zhuǎn)軸的軸截面與離心泵葉輪三維模型中葉片模型的迎水面相交得到第二曲線，上述第一曲線和第二曲線相交得到交叉點(diǎn)，該交叉點(diǎn)即為離心泵葉輪三維模型中葉片模型的水力數(shù)據(jù)表的一個(gè)取樣點(diǎn)，該取樣點(diǎn)的坐標(biāo)即為離心泵葉輪三維模型中葉片模型的水力數(shù)據(jù)表中的一個(gè)水力數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)值；
[0014]步驟10:通過(guò)三維建模軟件中的應(yīng)用程序編程接口函數(shù)，計(jì)算得到上述水力數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)值的極坐標(biāo)值；
[0015]步驟11:用與步驟9相同的方式得到步驟2中的一組平面中剩下的各個(gè)平面所對(duì)應(yīng)的交叉點(diǎn)，然后得到上述剩下的各個(gè)平面所對(duì)應(yīng)的交叉點(diǎn)的坐標(biāo)值，然后用步驟10的方式得到剩下的各個(gè)平面所對(duì)應(yīng)的交叉點(diǎn)的極坐標(biāo)值，即完成三維數(shù)字模型的離心泵葉輪水力圖的生成。
[0016]本發(fā)明的有益效果:
[0017]本發(fā)明可直接根據(jù)離心泵葉輪的三維模型反求水力圖，同時(shí)，對(duì)于葉片迎水面的液體流速利用計(jì)算機(jī)來(lái)仿真計(jì)算更為準(zhǔn)確，為后續(xù)的葉片表面流體動(dòng)力負(fù)荷的測(cè)量提供更為直接的數(shù)據(jù)，此外為設(shè)計(jì)過(guò)程中的最優(yōu)方案選取提供可量化的數(shù)據(jù)支持，克服了傳統(tǒng)一元設(shè)計(jì)理論的不足之處，使離心泵葉輪的水力圖求解速度更快，精度更高。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是本發(fā)明方法中三維數(shù)字模型的實(shí)體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2是本發(fā)明方法的水力圖中木模截線的求解窗口圖。
[0020]圖3是本發(fā)明方法繪制的木模圖。
[0021]圖4是本發(fā)明方法中軸面截線求解示例圖。
[0022]圖5是本發(fā)明方法繪制的軸面圖。
[0023]圖6是在本發(fā)明方法的水力數(shù)據(jù)表中，各數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)求解示例圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明:
[0025]離心泵葉輪的水力圖設(shè)計(jì)包括三個(gè)主要部分:木模圖、軸面圖和水力點(diǎn)數(shù)據(jù)表。本發(fā)明在繪制木模圖時(shí)，首先將單個(gè)葉片實(shí)體從葉輪三維模型中分離出來(lái)，然后在SolidWorks軟件中建立一組等距(或不等距)的軸垂面，通過(guò)該組軸垂面分別與葉片工作面和背工作面求交叉曲線，即可快速得到木模圖中前、后工作面的木模截線。最后通過(guò)幾何投影和添加適當(dāng)?shù)妮o助線標(biāo)識(shí)，即可方便地得到葉片水力圖中的木模圖。
[0026]軸面圖的繪制采用計(jì)算機(jī)輔助、通過(guò)人機(jī)交互的形式完成。首先由用戶指定葉片各軸截面、工作面、背工作面以及葉輪旋轉(zhuǎn)中心，然后通過(guò)程序自動(dòng)求解軸截面與工作面、背工作面的交叉曲線，再以旋轉(zhuǎn)中心軸為基準(zhǔn)對(duì)該曲線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，得到一系列旋轉(zhuǎn)曲面。指定的截平面實(shí)質(zhì)上是軸面截線的投影平面，通過(guò)截平面與生成的旋轉(zhuǎn)曲面求交叉曲線，實(shí)質(zhì)上是將所有軸面截線旋轉(zhuǎn)投影到截平面上，最后再通過(guò)幾何投影輸出到工程圖中。前后蓋板的輪廓線可以通過(guò)轉(zhuǎn)換實(shí)體的形式，將蓋板輪廓線輸出到工程圖中，完成軸面圖的繪制。
[0027]水力數(shù)據(jù)表表示的是軸截面與工作面以及背工作面，軸垂面與工作面以及背工作面分別生成的交叉曲線的交點(diǎn)極半徑值，其實(shí)質(zhì)是求解任意兩條空間曲線的交點(diǎn)坐標(biāo)，并在指定的坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)換成極坐標(biāo)的形式輸出。本發(fā)明在求解這些交叉點(diǎn)的坐標(biāo)時(shí)，主要采用SolidWorks軟件提供的API函數(shù)自動(dòng)進(jìn)行求解。該算法求解速度快、結(jié)果精度高。當(dāng)三維模型發(fā)生變更時(shí)，相應(yīng)水力數(shù)據(jù)點(diǎn)的更新速度非?？?，有效避免了在二維水力圖上直接測(cè)繪所帶來(lái)的困難。
[0028]本發(fā)明的方法具體包括如下步驟:
[0029]步驟1:通過(guò)三維建模軟件(solidworks)打開(kāi)預(yù)設(shè)的離心泵葉輪三維模型，如圖1所述；
[0030]步驟2:在三維建模軟件中建立一組與離心泵葉輪的旋轉(zhuǎn)軸相垂直且與離心泵葉輪的三維模型表面相交的平面1，該組平面I與離心泵葉輪三維模型中葉片模型2的迎水面和背水面相交，得到兩組交叉曲線3，這兩組交叉曲線3即為離心泵葉輪木模圖中的木模截線，如圖2所示；
[0031]步驟3:對(duì)兩組交叉曲線3沿離心泵葉輪旋轉(zhuǎn)軸方向投影，得到離心泵葉片軸向投影面4，然后以離心泵葉輪旋轉(zhuǎn)軸的軸心為原點(diǎn)，做多條輔助射線5，相鄰兩個(gè)輔助射線5之間的夾角相等且為預(yù)設(shè)值，即可得到如圖3所示的離心泵葉片的木模圖；圖3中左半部分為葉片迎水面(即工作面)的木模圖，右半部分為葉片背水面(即背工作面)的木模圖從左向右鏡像對(duì)稱所得，將其反映在同一圖中；
[0032]步驟4: