基于Solid Edge的离心泵复杂闭式叶轮三维设计

2017-06-15王灵水陈亚涛

制造业自动化 2017年5期

关键词：样条离心泵水力

尤宝，王灵水，陈亚涛

（洛阳双瑞特种装备有限公司，洛阳 471000）

基于Solid Edge的离心泵复杂闭式叶轮三维设计

尤宝，王灵水，陈亚涛

（洛阳双瑞特种装备有限公司，洛阳 471000）

介绍了采用Solid Edge软件进行闭式叶轮的设计方法，给出了如何从现有逆向数据到二维叶轮平面设计，最后到叶轮三维模型的设计方法，对过程中数据处理等关键提出了合理的解决方法，通过实例的操作实施，为复杂闭式叶轮三维设计提供了简单可行的方法路径。

离心泵；闭式叶轮；三维模型；Solid Edge

0 引言

Solid Edge软件是Siemens PLM Software公司面向中端市场推出的Velocity series解决方案中的三维CAD软件，Velocity series软件包括Solid Edge、Femap、CAM Express和Teamcenter Express共4个产品，涵盖了产品开发过程中的产品设计、仿真分析、数控加工和产品数据管理[1]。

泵是应用非常广泛的通用机械，其中离心泵是国民生产中最常见的一类泵，如图1所示。叶轮是离心泵的核心关键部件，也是离心泵中的转子部件，叶轮的设计是离心泵的设计核心工作，将直接决定离心泵的流量、扬程、效率、气蚀等性能[2]。目前, 工程用离心叶轮的设计仍采用传统的一维、二维半经验的设计方法, 所设计叶轮的性能对设计者的经验有很大的依赖性[3]，随着计算机及专业泵设计软件的开发应用，泵叶轮设计逐步被全流场三维数值模拟设计所取代，后者以现有CFD模拟软件为基础，模拟结果更接近设计工况条件，同时缩短了设计开发周期。三维数值模拟的基础以准确的三维叶轮模型为基础，本文以现有复杂闭式叶轮逆向数据为基础，基于Solid Edge软件研究叶轮三维模型的设计方法。

图1 离心泵整机三维模型

1 闭式叶轮的结构与设计图纸

闭式叶轮是指将叶片通过前后盖板封闭的叶轮，如图2所示。闭式叶轮主要由前盖板、叶片、后盖板及副叶片组成。

图2 闭式叶轮轴面图与叶轮三维模型

叶轮的设计主要根据泵使用现场工况要求，对叶轮进行初步的尺寸设计，目前主要采用采用传统的一维、二维半经验的设计方法，初步完成叶轮的水力模型参数值。设计完成的水力模型主要包括水力参数表、叶轮水力模型图，叶轮轴面图。

2 叶片水力模型的设计

本文以逆向测绘离心泵叶轮设计数据结果为基础，进行基于Solid Edge软件的三维逆向结构设计。其中叶片的水力模型的创建是叶轮三维模型创建的关键所在，为更好的实现叶片的三维造型，需要熟悉叶片的水力模型绘制过程。图3为叶轮叶片模型逆向木模示意图，该模型是将图2中的叶轮前盖板去除后，单个叶片放置在后盖板上，采用叶轮轴线中心做等角度发散射线与水平等高线将叶片两个面各坐标点进行定位，这样就将空间叶片水力模型分解到二维平面图形中。以下为本次选择叶轮叶片的水力设计参数，具体参数如表1及图4所示。表1与图4需配合作相互参照，在图4左图中，其中a线条代表叶片与前盖板交线，b线条代表叶片与后盖板交线，x-x'为叶轮轴心线, c-c'为叶片出口边中心线，在图中1、2、3、4、5、6号线为间距5mm、7.5mm、7.5mm、7mm、7mm垂直于叶轮轴心线x-x'的高度线(h)，5号高度线与叶片出口边中心线c-c'重合，a、1、2、3、4、5、6、b均为叶片工作面（凸起面）上线条；a'、1'、2'、3'、4'、5'、6'、b'为叶片背面（凹面）线条，其中a'、 b'分别表示叶片背面与前、后盖板的交线，1'、2'、3'、4'、5'、6'之间等高间距与工作面1、2、3、4、5、6对应一致。在图4右图中，0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ以叶轮轴心c-c'的投影点e为中心，以均分θ=10°等夹角的射线与叶片工作面的相交线，0'、Ⅰ'、Ⅱ'、Ⅲ'、Ⅳ'、Ⅴ'、Ⅵ'、Ⅶ'、Ⅷ'、Ⅸ'、Ⅹ'、Ⅺ'为10°射线与叶片背面形成交线，在该叶片水力模型中，叶片被包含在110°的射线夹角范围内。

由于10°射线与各高度线相交在叶片工作面或背面形成唯一空间坐标点，所以采用叶轮轴心线x-x'到空间坐标点的直线距离来表达该点距叶轮轴心线的半径r，该半径形成了表1中的数值，在图4右图中表示中心点e到各相射线相交点的距离。表1中列表示各射线，行表示前后盖板及各高度线，表中不显示各高度线之间的间距，间距在图4左图中表示。

在图4左图中，叶片工作面射线对应图中实线，叶片背面对应图中虚线，相同罗马数字工作面与背面之间形成的间距即为同一射线截取的叶片的厚度，如图中Ⅰ（工作面）与Ⅰ'（背面）形成的阴影区域即为10°射线切割叶片形成的叶片真实厚度。

图3 叶片水力模型木模示意图

表1 叶轮叶片水力参数表

图4 叶片水力模型图

3 叶片水力模型数据处理

由于叶轮水力模型中各空间参数点均由辐射线夹角θ、点到叶轮轴心线半径r及各点所在高度线距离h表示。Solid Edge软件为方便快速数据导入，提供了基于EXCEL表格的数据途径，具体方法在文章后续4.1中介绍。在Solid Edge软件导入数据前，首先在EXCEL表中将点坐标转换为（X Y Z），其中：

定义：X=rcos(θ 3.14/180)在EXCEL中表达为公式：X=rcos[θ pI()/180]；

Y= rsin(θ 3.14/180)在EXCEL中表达为公式：Y=rsin[θ pI ()/180]；

Z=h；

下面以该叶轮叶片工作面参数为例进行坐标点转换，其中Z=h点的取值定义如下：在图4左图中， 0 、0'作为θ=0°起始线，θ角的正负可任意取，但叶片工作面与背面一致即可；取叶片出口边中心线c-c'为Z=0，即5号线为高度线的0平面，其中Z值正向指叶轮前盖板方向；叶片与前、后盖板交点的起始点与最低点Z值，该值需要在图4左图中作图测量尺寸，如工作面a线条（叶片与前盖板交线）交点Z值作图测量值为31.7mm，工作面b线条（叶片与后盖板交线）最低点Z值作图测量值为-16.96。表2为叶片工作面与叶片背面坐标点转换数值表，取小数点后两位有效数字，其中θ0、θ1、θ2等下标表示0°、10°、20°夹角。

表2 工作面水力参数坐标转换

续（表2）

完成图纸坐标点的转换以后，基于Solid Edge软件需要将参数作单独样条曲线EXCEL表导入软件，基于对Solid Edge软件数据处理及叶片水力曲面设计需要，采用辐射角θ0、θ1等角度来划分单独样条曲线，如表3所示为θ0单独一条样条曲线点，其余θ1到θ8类似。由于θ9、θ10、θ11样条曲线只有两个点，数量过少，需要通过插值法来增加中间点形成连续样条曲线。表4、表5、表6为插值形成的θ9、θ10、θ11单个样条曲线。