莊宿國(guó)，羅 鵬，侯寧濤，楊霞輝

（西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安710100）

0 引言

誘導(dǎo)輪屬于軸流式葉輪，用于提高離心泵的汽蝕性能，其本身也可以在一定程度的汽蝕狀態(tài)下工作。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究表明：在改善泵汽蝕性能的諸多措施中，在泵的吸入口加裝誘導(dǎo)輪效果最為顯著[1－4]。

誘導(dǎo)輪的設(shè)計(jì)精度要求較高，且由于其包角較大及葉片型線變化規(guī)律復(fù)雜等因素，在設(shè)計(jì)時(shí)不易觀察流道或葉片的空間形狀，因此誘導(dǎo)輪三維造型有助于及時(shí)反饋設(shè)計(jì)信息，提高誘導(dǎo)輪水力設(shè)計(jì)的精確性，并且隨著CFD技術(shù)和快速成型技術(shù)的迅速發(fā)展，誘導(dǎo)輪參數(shù)化三維造型軟件的開(kāi)發(fā)具有重要的研究?jī)r(jià)值和工程意義[5－6]。張濤、郭曉梅等對(duì)誘導(dǎo)輪三維造型方法進(jìn)行了相關(guān)研究，但未涉及到三維造型的參數(shù)化方面[7-8]。

選用Pro/E為開(kāi)發(fā)工具、Pro/TOOLKIT為二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)、采用C++為編程語(yǔ)言[9]，開(kāi)發(fā)了誘導(dǎo)輪的參數(shù)化三維造型軟件（PIND-3D），實(shí)現(xiàn)誘導(dǎo)輪三維造型的參數(shù)化，進(jìn)一步提高了誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。

1 誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)分析

典型的誘導(dǎo)輪二維水力圖如圖1所示，設(shè)計(jì)時(shí)首先根據(jù)輪轂進(jìn)口直徑dh1、輪轂出口直徑dh2、輪緣直徑Dy、輪轂軸向長(zhǎng)度hh、葉片數(shù)Z、進(jìn)口修圓半徑R以及包角φ等數(shù)據(jù)繪制誘導(dǎo)輪的軸面圖和徑向圖，然后繪制誘導(dǎo)輪葉片的型線展開(kāi)圖，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和要求進(jìn)行葉片背面加厚和相應(yīng)的倒角處理。

圖1 誘導(dǎo)輪水力圖Fig.1 Hydraulic design drawings of inducer

2 建立誘導(dǎo)輪三維實(shí)體模版

在對(duì)誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行誘導(dǎo)輪的三維造型，步驟如下：

1）根據(jù)型線展開(kāi)圖尺寸數(shù)據(jù)，計(jì)算誘導(dǎo)輪葉片型線各點(diǎn)的圓柱坐標(biāo)（R，θ，Z），其中輪緣進(jìn)口修圓部分按軸面圖及徑向圖尺寸計(jì)算，并將各點(diǎn)擬合成空間曲線，如圖2（a）所示。

2） 將空間曲線以邊界混合命令生成曲面，并合并各曲面，如圖2（b）所示，保證曲面封閉。

3）生成葉片實(shí)體，并根據(jù)葉片數(shù)進(jìn)行陣列，如圖 2（c）所示。

4） 根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸，建立輪轂，如圖2（d）所示。

在進(jìn)行誘導(dǎo)輪三維造型的過(guò)程中，進(jìn)行尺寸標(biāo)注，實(shí)現(xiàn)幾何圖形的全約束，保證設(shè)計(jì)參數(shù)與三維模型設(shè)計(jì)變量相互對(duì)應(yīng)。

圖2 誘導(dǎo)輪三維造型步驟Fig.2 Steps of inducer three-dimensional sculpting

3 誘導(dǎo)輪參數(shù)化三維造型軟件開(kāi)發(fā)

誘導(dǎo)輪參數(shù)化三維造型流程如圖3所示，它包括手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)和讀入PIND-2D（誘導(dǎo)輪二維水力設(shè)計(jì)軟件，目前集成于PCAD軟件中）[10]數(shù)據(jù)兩個(gè)模塊，數(shù)據(jù)滿足條件后，軟件會(huì)自動(dòng)生成三維造型。以讀入PIND-2D數(shù)據(jù)為例，首先應(yīng)用PCAD的PIND-2D模塊進(jìn)行誘導(dǎo)輪的二維水力設(shè)計(jì)，然后讀取二維水力設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)并判斷幾何尺寸是否完全封閉，接著通過(guò)主函數(shù)對(duì)三維實(shí)體模版各尺寸參數(shù)進(jìn)行更新并通過(guò)尺寸驅(qū)動(dòng)重新生成需要的三維實(shí)體[11]。

圖3 軟件開(kāi)發(fā)流程圖Fig.3 Flow chart of software development

3.1 讀取并檢查數(shù)據(jù)

在PCAD中進(jìn)行二維水力設(shè)計(jì)后得到誘導(dǎo)輪的二維水力模型。PCAD中誘導(dǎo)輪程序是通過(guò)定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體來(lái)保存三維造型所需的數(shù)據(jù)，相關(guān)函數(shù)為getdata()和savedata()。

在本程序中定義同樣結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體來(lái)獲取水力設(shè)計(jì)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，然后把讀取的結(jié)構(gòu)體中的數(shù)據(jù)賦給相應(yīng)的控制參數(shù)。讀取輪轂進(jìn)口直徑dh1、輪轂出口直徑dh2、輪轂軸向長(zhǎng)度hh、沿輪轂型線展開(kāi)的各點(diǎn)坐標(biāo)及沿輪緣型線展開(kāi)的各點(diǎn)坐標(biāo)等數(shù)據(jù)。因?yàn)樾枰ㄟ^(guò)曲面建立誘導(dǎo)輪的實(shí)體特征，所以要判斷是否可以形成完全封閉的曲面。

3.2 接口程序開(kāi)發(fā)

在Pro/E平臺(tái)上利用Pro/TOOLKIT為開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)交換時(shí)，需要考慮程序與Pro/E以及同用戶之間的交互性問(wèn)題。利用MFC強(qiáng)大對(duì)話框功能實(shí)現(xiàn)程序與用戶的交互，應(yīng)用同步DLL方法實(shí)現(xiàn)程序與Pro/E 同步[12]。

3.3 主要函數(shù)

Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序的核心是用戶初始化函數(shù)user_initialize()和用戶結(jié)束中斷函數(shù)user_terminate()。user_initialize()函數(shù)是Pro/E和Pro/TOOLKIT的通信入口，在該函數(shù)中設(shè)置用戶的交互接口，如設(shè)置菜單、調(diào)用對(duì)話框或直接調(diào)用所需函數(shù)等[13]。程序的主要部分如下：

對(duì)誘導(dǎo)輪三維模型中的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行賦值時(shí),必須一一對(duì)應(yīng)。更新賦值后即可進(jìn)行模型再生。誘導(dǎo)輪參數(shù)化造型主要控制函數(shù)為inducer()，程序的主要部分如下：

3.4 加載、運(yùn)行及卸載

注冊(cè)Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序，就是向Pro/E系統(tǒng)提供該程序的相關(guān)信息。注冊(cè)文件是一個(gè)文本文件，注冊(cè)文件名為protk.dat，保存在＜盤(pán)符：＞程序子目錄。

選擇Pro/E的工具/輔助應(yīng)用程序菜單項(xiàng)，選擇“注冊(cè)”按鈕注冊(cè)應(yīng)用程序。注冊(cè)成功后選擇“啟動(dòng)”按鈕運(yùn)行應(yīng)用程序。圖4（a）為注冊(cè)PIND-3D應(yīng)用程序的界面。如果在注冊(cè)文件中包含了多個(gè)應(yīng)用程序的注冊(cè)內(nèi)容，則在列表框中顯示相應(yīng)的應(yīng)用程序名[14]。

如果在注冊(cè)文件中設(shè)置ALLOW_STOP為T(mén)RUE，可以手動(dòng)中止應(yīng)用程序的運(yùn)行即卸載。選擇需終止運(yùn)行的應(yīng)用程序，先選擇“停止”按鈕，再單擊“刪除”按鈕，如圖4（b）所示。

圖4 運(yùn)行或卸載輔助應(yīng)用程序Fig.4 Auxiliary procedures of running or unload

4 誘導(dǎo)輪三維造型軟件的設(shè)計(jì)實(shí)例

圖5為使用PIND-3D軟件的誘導(dǎo)輪實(shí)體和水體的三維造型。該誘導(dǎo)輪的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：Qi=22.2 L/s，Hi=2.8 m，n=1 450 r/min。

圖5 誘導(dǎo)輪三維造型實(shí)例Fig.5 Instance of inducer three-dimensional sculpting

由圖5可知，軟件生成的誘導(dǎo)輪的三維模型過(guò)渡光滑且Pro/E光順性檢查表明葉片表面光順性良好，可以滿足工程應(yīng)用的要求。

5 結(jié)論

分析了誘導(dǎo)輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，成功建立了誘導(dǎo)輪實(shí)體模型，開(kāi)發(fā)了誘導(dǎo)輪三維造型的參數(shù)化軟件。應(yīng)用實(shí)例表明，軟件運(yùn)行結(jié)果可靠且具有良好的通用性；為誘導(dǎo)輪水力設(shè)計(jì)檢查提供了保障，進(jìn)一步提高了誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量；同時(shí)，提高了誘導(dǎo)輪數(shù)值計(jì)算的效率，縮短了誘導(dǎo)輪的研制周期。

[1]莊宿國(guó).誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)方法及其在船用泵的應(yīng)用[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2012.

[2]關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè)[M].北京:宇航出版社,1995.

[3]劉厚林,莊宿國(guó),俞志君,等.JW200-1000-315型離心泵誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2011,39(12):14-17.

[4]朱祖超.低比轉(zhuǎn)速高速離心泵的理論與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007．

[5]FUJII A,MIZUNO S,HORIGUCHI H,et al．A method for the suppression of rotating cavitation by an accumulator at the inlet of an inducer[J].Journal of Fluid Science and Technology,2008,3(7):838-845.

[6]YOSHIDA Y,TSUJIMOTO Y,KATAOKA D,et al.Effects of alternate leading edge cutback on unsteady cavitation in 4-bladed inducers[J].Journal of Fluids Engineering-Transactions of the ASME,2001,123(4):762-770.

[7]張濤.誘導(dǎo)輪CAD優(yōu)化設(shè)計(jì)及內(nèi)部三維流場(chǎng)分析[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué),2003.

[8]郭曉梅,李增芳,王鐵流,等．基于Pro/E誘導(dǎo)輪三維造型的研究與應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械,2009,30(3):174-176.

[9]李世國(guó).Pro/TOOLKIT程序設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[10]莊宿國(guó),劉厚林,俞志君,等.誘導(dǎo)輪水力設(shè)計(jì)及其CAD軟件開(kāi)發(fā)[J].流體機(jī)械,2011,39(7):50-54．

[11]張繼春.Pro/ENGINEER二次開(kāi)發(fā)實(shí)用教程[M].北京:北京大學(xué)出版社,2003.

[12]吳賢芳,談明高,劉敏,等.雙流道泵葉輪參數(shù)化三維造型[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2009(11):103-106.

[13]劉厚林,談明高.雙流道泵[M].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)出版社,2012.

[14]劉敏.泵的參數(shù)化三維造型及其軟件開(kāi)發(fā)[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2006.