CN104598685A - 基于三维数字模型的离心泵叶轮水力图生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维数字模型的离心泵叶轮水力图生成方法，该方法能根据叶轮的三维数字模型反求叶轮的水力图及各截面相交处的水力数据点参数，它是通过计算机辅助操作，在叶轮三维模型基础上，分别建立一组轴垂面和轴截面，与叶片前、后工作面求交，通过面面相交得到交叉曲线，交叉曲线通过旋转变换、投影变换以及利用SolidWorks API函数，可以分别得到叶轮水力图中的轴面图、木模图和水力点数据表，极大地提高工作效率。本发明提供的方法是提高泵效率的更经济有效地方法，是降低设计成本、缩短开发周期和提高自主开发能力的重要工具。

Description

基于三维数字模型的离心泵叶轮水力图生成方法

技术领域

本发明涉及离心泵叶轮水力图绘制方法技术领域，具体地指一种基于三维数字模型的离心泵叶轮水力图生成方法。

背景技术

目前，国内离心泵水力设计大多基于一元设计理论的传统设计方法，采用速度系数法和相似设计法进行水力模型设计。通过对离心泵叶轮设计方法的现状和发展趋势的详细研究后发现，叶轮水力设计方法归纳起来为基于一元设计理论的离心泵叶轮传统设计方法；基于计算机的流体力学的现代设计方法和全三元反设计方法。基于一元设计理论的离心泵叶轮传统设计方法，首先进行水力设计，生成木模图，然后进行样机试制，再根据样机的性能测试结果反复进行修正设计，最后生产加工。一元设计理论存在如下五个较为明显的缺陷：叶片前方来流速度计算不准确，造成过大冲角、无法控制叶片表面流体动力负荷、叶片表面角度光滑变化，但是并不保证叶片表面相对流速也光滑变化、叶轮前后盖板仅间接影响到叶轮流道内部相对流速、无法确定哪种叶片设计方案是最优的。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种基于三维数字模型的离心泵叶轮水力图生成方法，该方法可以直接根据叶轮的三维数字模型，通过图形的几何变换和数学计算，得到叶轮的水力图及轴垂面、轴截面与叶片前后工作面相交处的数据点坐标参数，极大的缩短了设计周期，提高了设计精度。

为实现此目的，本发明所设计的基于三维数字模型的离心泵叶轮水力图生成方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：通过三维建模软件打开预设的离心泵叶轮三维模型；

步骤2：在三维建模软件中建立一组与离心泵叶轮的旋转轴相垂直且与离心泵叶轮的三维模型表面相交的平面，该组平面与离心泵叶轮三维模型中叶片模型的迎水面和背水面相交，得到两组交叉曲线，这两组交叉曲线即为离心泵叶轮木模图中的木模截线；

步骤3：对两组交叉曲线沿离心泵叶轮旋转轴方向投影，得到离心泵叶片轴向投影面，然后以离心泵叶轮旋转轴的轴心为原点，作多条辅助射线，相邻两个辅助射线之间的夹角相等且为预设值，即可得到离心泵叶片的木模图；

步骤4：开始绘制轴面图，在离心泵叶轮三维模型中任取一个离心泵叶轮旋转轴的轴截面，该轴截面与离心泵叶轮三维模型中叶片模型的迎水面和背水面相交，得到截交线，将截交线绕离心泵叶轮旋转轴旋转，生成旋转曲面；

步骤5：在离心泵叶轮三维模型中取离心泵叶轮旋转轴的多个轴截面，相邻两个轴截面之间的夹角相等且为预设值，每个轴截面与叶片模型相交得到的截交线均按照步骤4的方式得到一个对应的旋转曲面，即得到了一组旋转曲面；

步骤6：用另取的一个轴截面去截形成的这一组旋转曲面，即可在该另取的轴截面上的得到一组曲线；

步骤7：将步骤6中另取的一个轴截面以及步骤6中得到的一组曲线沿离心泵叶轮旋转轴同时旋转，旋转到水平面内，再在上述水平面内添加相互平行的多条辅助直线，即可得到离心泵叶轮水力图中的轴面图；

步骤8：开始获取离心泵叶轮三维模型中叶片模型的水力数据表，首先，启动三维建模软件中水力图设计插件；

步骤9：通过上述水力图设计插件，在步骤2中得到的一组平面中任意选取一个平面，该平面与离心泵叶轮三维模型中叶片模型的迎水面相交得到第一曲线，在离心泵叶轮三维模型中任取一个离心泵叶轮旋转轴的轴截面与离心泵叶轮三维模型中叶片模型的迎水面相交得到第二曲线，上述第一曲线和第二曲线相交得到交叉点，该交叉点即为离心泵叶轮三维模型中叶片模型的水力数据表的一个取样点，该取样点的坐标即为离心泵叶轮三维模型中叶片模型的水力数据表中的一个水力数据点坐标值；

步骤10：通过三维建模软件中的应用程序编程接口函数，计算得到上述水力数据点坐标值的极坐标值；

步骤11：用与步骤9相同的方式得到步骤2中的一组平面中剩下的各个平面所对应的交叉点，然后得到上述剩下的各个平面所对应的交叉点的坐标值，然后用步骤10的方式得到剩下的各个平面所对应的交叉点的极坐标值，即完成三维数字模型的离心泵叶轮水力图的生成。

本发明的有益效果：

本发明可直接根据离心泵叶轮的三维模型反求水力图，同时，对于叶片迎水面的液体流速利用计算机来仿真计算更为准确，为后续的叶片表面流体动力负荷的测量提供更为直接的数据，此外为设计过程中的最优方案选取提供可量化的数据支持，克服了传统一元设计理论的不足之处，使离心泵叶轮的水力图求解速度更快，精度更高。

附图说明

图1是本发明方法中三维数字模型的实体结构示意图。

图2是本发明方法的水力图中木模截线的求解窗口图。

图3是本发明方法绘制的木模图。

图4是本发明方法中轴面截线求解示例图。

图5是本发明方法绘制的轴面图。

图6是在本发明方法的水力数据表中，各数据点的坐标求解示例图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

离心泵叶轮的水力图设计包括三个主要部分：木模图、轴面图和水力点数据表。本发明在绘制木模图时，首先将单个叶片实体从叶轮三维模型中分离出来，然后在SolidWorks软件中建立一组等距(或不等距)的轴垂面，通过该组轴垂面分别与叶片工作面和背工作面求交叉曲线，即可快速得到木模图中前、后工作面的木模截线。最后通过几何投影和添加适当的辅助线标识，即可方便地得到叶片水力图中的木模图。

轴面图的绘制采用计算机辅助、通过人机交互的形式完成。首先由用户指定叶片各轴截面、工作面、背工作面以及叶轮旋转中心，然后通过程序自动求解轴截面与工作面、背工作面的交叉曲线，再以旋转中心轴为基准对该曲线进行旋转，得到一系列旋转曲面。指定的截平面实质上是轴面截线的投影平面，通过截平面与生成的旋转曲面求交叉曲线，实质上是将所有轴面截线旋转投影到截平面上，最后再通过几何投影输出到工程图中。前后盖板的轮廓线可以通过转换实体的形式，将盖板轮廓线输出到工程图中，完成轴面图的绘制。

水力数据表表示的是轴截面与工作面以及背工作面，轴垂面与工作面以及背工作面分别生成的交叉曲线的交点极半径值，其实质是求解任意两条空间曲线的交点坐标，并在指定的坐标系中转换成极坐标的形式输出。本发明在求解这些交叉点的坐标时，主要采用SolidWorks软件提供的API函数自动进行求解。该算法求解速度快、结果精度高。当三维模型发生变更时，相应水力数据点的更新速度非常快，有效避免了在二维水力图上直接测绘所带来的困难。

本发明的方法具体包括如下步骤：

步骤1：通过三维建模软件(solidworks)打开预设的离心泵叶轮三维模型，如图1所述；

步骤2：在三维建模软件中建立一组与离心泵叶轮的旋转轴相垂直且与离心泵叶轮的三维模型表面相交的平面1，该组平面1与离心泵叶轮三维模型中叶片模型2的迎水面和背水面相交，得到两组交叉曲线3，这两组交叉曲线3即为离心泵叶轮木模图中的木模截线，如图2所示；

步骤3：对两组交叉曲线3沿离心泵叶轮旋转轴方向投影，得到离心泵叶片轴向投影面4，然后以离心泵叶轮旋转轴的轴心为原点，做多条辅助射线5，相邻两个辅助射线5之间的夹角相等且为预设值，即可得到如图3所示的离心泵叶片的木模图；图3中左半部分为叶片迎水面(即工作面)的木模图，右半部分为叶片背水面(即背工作面)的木模图从左向右镜像对称所得，将其反映在同一图中；

步骤4：开始绘制轴面图，如图4所示，在离心泵叶轮三维模型中任取一个离心泵叶轮旋转轴的轴截面6，该轴截面6与离心泵叶轮三维模型中叶片模型2的迎水面和背水面相交，得到截交线7，将截交线7绕离心泵叶轮旋转轴旋转，生成旋转曲面8；

步骤5：在离心泵叶轮三维模型中取离心泵叶轮旋转轴的多个轴截面6，相邻两个轴截面6之间的夹角相等且为预设值，每个轴截面6与叶片模型2相交得到的截交线7均按照步骤4的方式得到一个对应的旋转曲面8，即得到了一组旋转曲面8；

步骤6：用另取的一个轴截面6去截形成的这一组旋转曲面8，在该另取的一个轴截面6上得到一组曲线10；

步骤7：将步骤6中另取的一个轴截面6以及步骤6中得到的一组曲线10沿离心泵叶轮旋转轴同时旋转，旋转到水平面内，再在上述水平面内添加相互平行的多条辅助直线9，即可得到图5所示的离心泵叶轮水力图中的轴面图；

步骤8：开始获取离心泵叶轮三维模型中叶片模型2的水力数据表，首先，启动三维建模软件中水力图设计插件；

步骤9：如图6所示，通过上述水力图设计插件，在步骤2中得到的一组平面1中任意选取一个平面1，该平面1与离心泵叶轮三维模型中叶片模型2的迎水面相交得到第一曲线11，在离心泵叶轮三维模型中任取一个离心泵叶轮旋转轴的轴截面6与离心泵叶轮三维模型中叶片模型2的迎水面相交得到第二曲线12，上述第一曲线11和第二曲线12相交得到交叉点13，该交叉点13即为离心泵叶轮三维模型中叶片模型2的水力数据表的一个取样点，该取样点的坐标即为离心泵叶轮三维模型中叶片模型2的水力数据表中的一个水力数据点坐标值；

步骤10：通过三维建模软件中的应用程序编程接口(API)函数，计算得到上述水力数据点坐标值的极坐标值；

步骤11：用同步骤9相同的方式得到步骤2中的一组平面1中剩下的各个平面1所对应的交叉点13，然后得到上述剩下的各个平面1所对应的交叉点13的坐标值，然后用步骤10的方式得到剩下的各个平面1所对应的交叉点13的极坐标值，即完成三维数字模型的离心泵叶轮水力图(木模图、轴面图和水力点数据表)的生成。

上述技术方案中，所述步骤3中的辅助射线5和步骤7中的辅助直线9的条数相等，上述辅助射线5和辅助直线9的具体设置个数根据精度要求确定。

上述技术方案中，所述步骤3中相邻两个辅助射线5之间的夹角相等且夹角范围为5～20°。

上述技术方案中，所述步骤7中相邻两条辅助直线9之间的间距相等。

本发明根据叶轮的三维数字模型反求叶轮的水力图及各截面相交处的水力数据点参数，它是通过计算机辅助操作，在叶轮三维模型基础上，分别建立一组轴垂面和轴截面，与叶片前、后工作面求交，通过面面相交得到交叉曲线，交叉曲线通过旋转变换、投影变换以及利用SolidWorks API函数，可以分别得到叶轮水力图中的轴面图、木模图和水力点数据表，极大地提高工作效率。本发明提供的方法是提高泵效率的更经济有效地方法，是降低设计成本、缩短开发周期和提高自主开发能力的重要工具。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种基于三维数字模型的离心泵叶轮水力图生成方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：通过三维建模软件打开预设的离心泵叶轮三维模型；

步骤2：在三维建模软件中建立一组与离心泵叶轮的旋转轴相垂直且与离心泵叶轮的三维模型表面相交的平面(1)，该组平面(1)与离心泵叶轮三维模型中叶片模型(2)的迎水面和背水面相交，得到两组交叉曲线(3)，这两组交叉曲线(3)即为离心泵叶轮木模图中的木模截线；

步骤3：对两组交叉曲线(3)沿离心泵叶轮旋转轴方向投影，得到离心泵叶片轴向投影面(4)，然后以离心泵叶轮旋转轴的轴心为原点，做多条辅助射线(5)，相邻两个辅助射线(5)之间的夹角相等且为预设值，即可得到离心泵叶片的木模图；

步骤4：开始绘制轴面图，在离心泵叶轮三维模型中任取一个离心泵叶轮旋转轴的轴截面(6)，该轴截面(6)与离心泵叶轮三维模型中叶片模型(2)的迎水面和背水面相交，得到截交线(7)，将截交线(7)绕离心泵叶轮旋转轴旋转，生成旋转曲面(8)；

步骤5：在离心泵叶轮三维模型中取离心泵叶轮旋转轴的多个轴截面(6)，相邻两个轴截面(6)之间的夹角相等且为预设值，每个轴截面(6)与叶片模型(2)相交得到的截交线(7)均按照步骤4的方式得到一个对应的旋转曲面(8)，即得到了一组旋转曲面(8)；

步骤6：用另取的一个轴截面(6)去截形成的这一组旋转曲面(8)，即可在该另取的轴截面(6)上得到一组曲线(10)；

步骤7：将步骤6中另取的一个轴截面(6)以及步骤6中得到的一组曲线(10)沿离心泵叶轮旋转轴同时旋转，旋转到水平面内，再在上述水平面内添加相互平行的多条辅助直线(9)，即可得到离心泵叶轮水力图中的轴面图；

步骤8：开始获取离心泵叶轮三维模型中叶片模型(2)的水力数据表，首先，启动三维建模软件中水力图设计插件；

步骤9：通过上述水力图设计插件，在步骤2中得到的一组平面(1)中任意选取一个平面(1)，该平面(1)与离心泵叶轮三维模型中叶片模型(2)的迎水面相交得到第一曲线(11)，在离心泵叶轮三维模型中任取一个离心泵叶轮旋转轴的轴截面(6)与离心泵叶轮三维模型中叶片模型(2)的迎水面相交得到第二曲线(12)，上述第一曲线(11)和第二曲线(12)相交得到交叉点(13)，该交叉点(13)即为离心泵叶轮三维模型中叶片模型(2)的水力数据表的一个取样点，该取样点的坐标即为离心泵叶轮三维模型中叶片模型(2)的水力数据表中的一个水力数据点坐标值；

步骤10：通过三维建模软件中的应用程序编程接口函数，计算得到上述水力数据点坐标值的极坐标值；

步骤11：用与步骤9相同的方式得到步骤2中的一组平面(1)中剩下的各个平面(1)所对应的交叉点(13)，然后得到上述剩下的各个平面(1)所对应的交叉点(13)的坐标值，然后用步骤10的方式得到剩下的各个平面(1)所对应的交叉点(13)的极坐标值，即完成三维数字模型的离心泵叶轮水力图的生成。

2.根据权利要求1所述的基于三维数字模型的离心泵叶轮水力图生成方法，其特征在于：所述步骤3中的辅助射线(5)和步骤7中的辅助直线(9)的条数相等。

3.根据权利要求1或2所述的基于三维数字模型的离心泵叶轮水力图生成方法，其特征在于：所述步骤3中相邻两个辅助射线(5)之间的夹角相等且夹角范围为5～20°。

4.根据权利要求1或2所述的基于三维数字模型的离心泵叶轮水力图生成方法，其特征在于：所述步骤7中相邻两条辅助直线(9)之间的间距相等。