基于SolidWorks的双流道吸鱼泵三维实体造型研究

楚树坡，谌志新,，谭永明，刘　平

(1 青岛海洋科学与技术国家实验室，山东 青岛 266237；2 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092)

吸鱼泵最早应用于拖网和围网等捕捞作业中的渔获在海上及港口转运、卸载操作等[1-2]。因吸鱼泵具有自动化程度高、工作效率高、劳动强度低、操作人员少等优点[3-4]，在鱼类的换池、分级、放养、起捕等过程中具有广阔的应用前景。这些渔业活动要求不能对鱼体造成损伤，确保鱼类存活率。开发出结构、性能优异的吸鱼泵以提高鱼类的无损伤率及存活率是当前研究的热点[5-6]。国外吸鱼泵的研制使用始于20世纪50年代，中国20世纪60年代才开始开发和使用吸鱼泵[6]。目前，世界范围内普遍使用的吸鱼泵结构形式主要有3种，即离心式、真空式和射流式[6-17]。其中，离心式吸鱼泵又可细分为螺旋式、双叶片式两种结构形式。离心式吸鱼泵的显著优点是结构简单，工作效率高。然而，鱼类通过双叶片吸鱼泵的过程中，容易受到叶片进口端的机械切割作用而损伤，损伤率较高，限制了双叶片吸鱼泵的大范围推广应用。

双流道泵是一种特殊的离心泵，主要用于输送含有固体颗粒和纤维的流体，在市政、环保、化工等行业中应用广泛[18]。双流道泵的叶轮又称无叶片叶轮，由两个呈空间扭曲的通道组成，从叶轮进口到出口，通道宽敞、圆滑，介质通过能力强、无堵塞性好。鉴于此，将双流道泵用作吸鱼泵，可避免叶片对鱼类的机械损伤，因而双流道吸鱼泵可作为双叶片吸鱼泵的理想替代形式。

文章介绍了双流道吸鱼泵的水力设计方法以及采用SolidWorks进行三维造型的详细过程，对于深入开展双流道吸鱼泵性能研究，以及在深海网箱养殖和远洋渔业中进行推广应用具有重要意义。

1　双流道吸鱼泵水力设计

双流道吸鱼泵水力设计包括叶轮和蜗壳的设计。双流道叶轮属于离心式叶轮，其主要几何参数的计算可采用速度系数法，但其叶轮流道设计方法与叶片式叶轮的叶片设计方法有很大不同[18]。

1.1　双流道叶轮的水力设计方法

双流道叶轮的水力图由两个视图(轴面图和平面图)以及数个流道截面图组成。双流道叶轮轴面图通常表示成图1的形式。其与叶片式叶轮轴面图的区别在于后盖板圆弧半径R2及进口直径Dj不同。

图1　双流道叶轮轴面图

叶轮轴面图的几何参数有进口直径Dj、出口直径D2、出口宽度b2、前盖板圆弧半径R1、后盖板圆弧半径R2、前盖板倾角T1、后盖板倾角T2以及进口位置L，其中最重要的几何参数是D2、b2。

双流道叶轮平面图是轴面图的A-A剖面图，包括流道中线OO′、内流道、外流道(相当于叶片式叶轮的吸力面和压力面)、出口边，见图2。

图2　双流道叶轮平面图

双流道叶轮流道截面可以是圆形、矩形或椭圆形。进口截面一般为圆形，其他截面通常采用椭圆形。双流道叶轮流道的空间形状是由轴面图形状、流道截面面积变化规律和平面图流道中线方程共同决定的。流道截面面积可以按直线或圆弧规律变化(图3)。研究表明，当比转速ns<150时，流道截面面积可按直线规律变化；当比转速ns≥150时，若流道截面面积仍按直线规律变化，叶轮平面图设计将变得非常困难，此时流道截面面积应按圆弧规律变化[18]。

图3　流道截面面积变化规律

平面图流道中线非常关键，其形状直接决定了内流道和外流道的形状，对泵的性能影响较大。平面图流道中线应平顺、光滑，通常采用变异阿基米德螺旋线[19]：

r=aθm

(1)

式中：r—极半径，m；a—螺旋系数，a=D2/(2φ)，其中φ为平面图流道中线包角，与比转速ns有关，φ随比转速ns的增大而减小；θ—螺旋角，rad；m—系数，与比转速ns有关，m随比转速ns的增大而增大(图4)[19]。

图4　包角φ、系数m与比转速ns的关系

对于双流道叶轮的设计，外流道型线的形状是水泵性能优劣的主要因素之一，对水泵扬程、效率影响较大。双流道叶轮能量的转换主要通过外流道完成，其作用等同于叶片泵的叶片，因而外流道的设计也是双流道叶轮设计的关键之一。在外流道型线绘制过程中可以参照双叶片叶轮直叶片的绘制方法。

在双流道叶轮的设计过程中，应注意以下结构参数的相互协调：流道中线螺旋线参数的选取，流道中线包角的确定，流道截面面积的变化规律，内外流道型线的绘制方法等。选取得当，可得到无过载的性能曲线。任何结构参数选取不当，都有可能造成叶轮性能不佳或模型制造失败等问题。尤其是内流道型线的绘制，如绘制方法有误，可能出现叶轮的平面图、流道截面与叶轮木模三者不相符的情况[20]。

1.2　双流道蜗壳的水力设计方法

工业中常用的蜗壳压水室形状有螺旋形、半螺旋形和环形三种形式[21](图5)。

图5　蜗壳压水室形状

工业双流道泵用得最多的压水室是螺旋形，优点是性能好、高效区宽等，缺点是隔舌间隙小，容易造成堵塞，严重时甚至会损坏叶轮和隔舌。环形压水室隔舌间隙大，不容易造成流体中固体的堵塞，且工况改变时泵效率的降低没有其他形式的压水室敏感。鱼体通过吸鱼泵时，在隔舌处最容易受到损伤[22]，故将双流道吸鱼泵的蜗壳压水室设计成环形比较好。蜗壳截面形状一般为矩形、梯形或半圆形，蜗壳截面形状对泵性能没有明显的影响[21]。双流道蜗壳的主要几何参数有基圆直径、基圆进口宽度、隔舌角。

2　双流道吸鱼泵三维造型实例

双流道叶轮木模图由两个视图(轴面图和平面图)以及数个流道截面图组成。双流道叶轮的流道形状由流道中线、流道截面形状以及流道截面的位置决定。双流道叶轮造型比较特殊，设计实践证明，从木模图到实际木模制作，无法形成双内流道是较为常见的失败情况。单从双流道叶轮木模图无法发现设计的成败，在实际木模制作之前应采用三维实体造型来检验设计是否成功。另外，建立三维实体模型也是进行流体动力学数值模拟以及3D打印等的前提。

2.1　二维水力模型

设计参数如下：流量为400 m3/h，扬程为10.5 m，转速为950 r/min。经计算，比转速为198。前盖板倾角设计为87°，后盖板倾角设计为90°。流道中线包角设计为145°，采用变异阿基米德螺旋线绘制，系数m取2.4。经水力计算，叶轮进口直径为202 mm，叶轮出口直径为432 mm，叶轮出口宽度为109 mm。流道中线分为7段，流道截面面积按圆弧规律变化，流道截面形状为椭圆形。叶轮轴面图、平面图以及流道中线各分点截面图的绘制方法可参考文献[23-27]，最终绘制结果见图6。蜗壳压水室形状设计为环形，基圆直径为500 mm，基圆进口宽度为175 mm，蜗壳截面形状为半圆形，流体切向排出。

2.2　三维实体造型

SolidWorks是基于Windows开发的三维CAD系统，具有强大的实体、曲面建模功能，可以实现复杂三维零件实体以及空间曲面造型。本研究采用SolidWorks进行双流道吸鱼泵三维实体造型，具体过程如下。

(1)在上视基准面草图中绘制出前后盖板型线后，根据盖板厚度，采用等距实体形成叶轮外轮廓，然后将叶轮外轮廓绕中心轴旋转一周形成叶轮基础实体(图7 a)。

(2)在上视基准面草图中绘制出前后盖板型线后，绘制一系列与前后盖板相切的圆，将圆心用样条曲线依次连接起来就得到轴面图中的流道中线，这样得到的流道中线比较精确。将得到的轴面图流道中线绕叶轮中心轴旋转一周形成曲面。在右视基准面草图中采用参数性方程式曲线绘制变异阿基米德螺旋线，即平面图中的流道中线，参数方程如下：

(2)

式中：xt—横坐标；yt—纵坐标；m—系数，与比转速ns有关；φ—平面图流道中线包角；t—自变量，t∈[0,φ/360]。将变异阿基米德螺旋线投影到曲面上就得到空间流道中线(图7 b)。

(3)过流道中线上各分点分别作与空间流道中线垂直的参考平面i、与叶轮中心轴垂直的参考平面ii，然后在参考平面i上绘制相应的流道截面椭圆，其中参考平面i与ii的交线则为流道截面椭圆的一个轴。绘制的截面1见图7 c。绘制完成各流道截面后，采用放样切除的方法依次选择各流道截面作为轮廓，选择空间流道中线作为放样切除中心线，从而得到单个内流道。由于流道空间扭曲，第一次尝试放样切除后得到的内流道不一定光滑，特别是叶轮从进口到开始形成双流道段，一般需进一步调整方可得到光滑的内流道，甚至有时需要舍弃某个严重影响流道光滑的截面。单个内流道形成后，采用圆周阵列以形成双

内流道，接下来检查阵列结果是否能够形成有效的双流道。如果没有形成，则通过调整流道截面面积，还不能满足时，则需重新设计。

(4)外流道与内流道应光滑过渡。外流道分两段绘制。首先在右视基准面草图中绘制外流道工作面型线H(图6)，然后过型线H端点(内外流道分界点)作同时与型线H、右视基准面垂直的参考平面，在该参考平面上绘制外流道截面矩形，矩形的宽度为叶轮出口宽度，矩形长度大于型线H端点与叶轮直径圆上相应点之间的距离即可。采用扫描切除的方法，以截面矩形为轮廓，以型线H为路径，即可得到叶轮外流道的后半段。接下来采用放样切除的方法选择外流道截面矩形、内流道最后一个截面椭圆作为轮廓即可得到叶轮外流道的前半段，从而形成完整的单个流道。其后采用圆周阵列形成完整的双流道叶轮(图7 d)。

(5)蜗壳压水室形状为环形，截面为半圆形，结构比较简单，故蜗壳的造型过程不再赘述，绘制的蜗壳见图7 e。

(6)将绘制好的叶轮及蜗壳实体进行装配，便得到了完整的双流道吸鱼泵。

图6　双流道叶轮水力图

图7　双流道吸鱼泵三维造型过程

3　结论

研究表明，采用SolidWorks进行双流道吸鱼泵三维造型是切实可行的。双流道叶轮的流道形状是由流道中线、流道截面形状以及流道截面的位置决定的。双流道叶轮是三维造型中最为复杂，同时也是最容易出现问题的地方。采用SolidWorks中的参数性方程式曲线可以绘制精确的平面流道中线，进而可以得到精确的空间流道中线。由于双流道空间扭曲，初次绘制得到的内流道不一定光滑，特别是叶轮从进口到开始形成双流道段，一般需进一步调整方可得到光滑的内流道。还应检查是否能够形成有效的双流道，如果没有形成则需要调整流道截面面积，还不能满足时，则需重新设计。

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