基于SolidWorks的雙流道吸魚泵三維實體造型研究

楚樹坡，諶志新,，譚永明，劉　平

(1 青島海洋科學與技術(shù)國家實驗室，山東 青島 266237；2 中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092)

吸魚泵最早應(yīng)用于拖網(wǎng)和圍網(wǎng)等捕撈作業(yè)中的漁獲在海上及港口轉(zhuǎn)運、卸載操作等[1-2]。因吸魚泵具有自動化程度高、工作效率高、勞動強度低、操作人員少等優(yōu)點[3-4]，在魚類的換池、分級、放養(yǎng)、起捕等過程中具有廣闊的應(yīng)用前景。這些漁業(yè)活動要求不能對魚體造成損傷，確保魚類存活率。開發(fā)出結(jié)構(gòu)、性能優(yōu)異的吸魚泵以提高魚類的無損傷率及存活率是當前研究的熱點[5-6]。國外吸魚泵的研制使用始于20世紀50年代，中國20世紀60年代才開始開發(fā)和使用吸魚泵[6]。目前，世界范圍內(nèi)普遍使用的吸魚泵結(jié)構(gòu)形式主要有3種，即離心式、真空式和射流式[6-17]。其中，離心式吸魚泵又可細分為螺旋式、雙葉片式兩種結(jié)構(gòu)形式。離心式吸魚泵的顯著優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，工作效率高。然而，魚類通過雙葉片吸魚泵的過程中，容易受到葉片進口端的機械切割作用而損傷，損傷率較高，限制了雙葉片吸魚泵的大范圍推廣應(yīng)用。

雙流道泵是一種特殊的離心泵，主要用于輸送含有固體顆粒和纖維的流體，在市政、環(huán)保、化工等行業(yè)中應(yīng)用廣泛[18]。雙流道泵的葉輪又稱無葉片葉輪，由兩個呈空間扭曲的通道組成，從葉輪進口到出口，通道寬敞、圓滑，介質(zhì)通過能力強、無堵塞性好。鑒于此，將雙流道泵用作吸魚泵，可避免葉片對魚類的機械損傷，因而雙流道吸魚泵可作為雙葉片吸魚泵的理想替代形式。

文章介紹了雙流道吸魚泵的水力設(shè)計方法以及采用SolidWorks進行三維造型的詳細過程，對于深入開展雙流道吸魚泵性能研究，以及在深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖和遠洋漁業(yè)中進行推廣應(yīng)用具有重要意義。

1　雙流道吸魚泵水力設(shè)計

雙流道吸魚泵水力設(shè)計包括葉輪和蝸殼的設(shè)計。雙流道葉輪屬于離心式葉輪，其主要幾何參數(shù)的計算可采用速度系數(shù)法，但其葉輪流道設(shè)計方法與葉片式葉輪的葉片設(shè)計方法有很大不同[18]。

1.1　雙流道葉輪的水力設(shè)計方法

雙流道葉輪的水力圖由兩個視圖(軸面圖和平面圖)以及數(shù)個流道截面圖組成。雙流道葉輪軸面圖通常表示成圖1的形式。其與葉片式葉輪軸面圖的區(qū)別在于后蓋板圓弧半徑R2及進口直徑Dj不同。

圖1　雙流道葉輪軸面圖

葉輪軸面圖的幾何參數(shù)有進口直徑Dj、出口直徑D2、出口寬度b2、前蓋板圓弧半徑R1、后蓋板圓弧半徑R2、前蓋板傾角T1、后蓋板傾角T2以及進口位置L，其中最重要的幾何參數(shù)是D2、b2。

雙流道葉輪平面圖是軸面圖的A-A剖面圖，包括流道中線OO′、內(nèi)流道、外流道(相當于葉片式葉輪的吸力面和壓力面)、出口邊，見圖2。

圖2　雙流道葉輪平面圖

雙流道葉輪流道截面可以是圓形、矩形或橢圓形。進口截面一般為圓形，其他截面通常采用橢圓形。雙流道葉輪流道的空間形狀是由軸面圖形狀、流道截面面積變化規(guī)律和平面圖流道中線方程共同決定的。流道截面面積可以按直線或圓弧規(guī)律變化(圖3)。研究表明，當比轉(zhuǎn)速ns<150時，流道截面面積可按直線規(guī)律變化；當比轉(zhuǎn)速ns≥150時，若流道截面面積仍按直線規(guī)律變化，葉輪平面圖設(shè)計將變得非常困難，此時流道截面面積應(yīng)按圓弧規(guī)律變化[18]。

圖3　流道截面面積變化規(guī)律

平面圖流道中線非常關(guān)鍵，其形狀直接決定了內(nèi)流道和外流道的形狀，對泵的性能影響較大。平面圖流道中線應(yīng)平順、光滑，通常采用變異阿基米德螺旋線[19]：

r=aθm

(1)

式中：r—極半徑，m；a—螺旋系數(shù)，a=D2/(2φ)，其中φ為平面圖流道中線包角，與比轉(zhuǎn)速ns有關(guān)，φ隨比轉(zhuǎn)速ns的增大而減小；θ—螺旋角，rad；m—系數(shù)，與比轉(zhuǎn)速ns有關(guān)，m隨比轉(zhuǎn)速ns的增大而增大(圖4)[19]。

圖4　包角φ、系數(shù)m與比轉(zhuǎn)速ns的關(guān)系

對于雙流道葉輪的設(shè)計，外流道型線的形狀是水泵性能優(yōu)劣的主要因素之一，對水泵揚程、效率影響較大。雙流道葉輪能量的轉(zhuǎn)換主要通過外流道完成，其作用等同于葉片泵的葉片，因而外流道的設(shè)計也是雙流道葉輪設(shè)計的關(guān)鍵之一。在外流道型線繪制過程中可以參照雙葉片葉輪直葉片的繪制方法。

在雙流道葉輪的設(shè)計過程中，應(yīng)注意以下結(jié)構(gòu)參數(shù)的相互協(xié)調(diào)：流道中線螺旋線參數(shù)的選取，流道中線包角的確定，流道截面面積的變化規(guī)律，內(nèi)外流道型線的繪制方法等。選取得當，可得到無過載的性能曲線。任何結(jié)構(gòu)參數(shù)選取不當，都有可能造成葉輪性能不佳或模型制造失敗等問題。尤其是內(nèi)流道型線的繪制，如繪制方法有誤，可能出現(xiàn)葉輪的平面圖、流道截面與葉輪木模三者不相符的情況[20]。

1.2　雙流道蝸殼的水力設(shè)計方法

工業(yè)中常用的蝸殼壓水室形狀有螺旋形、半螺旋形和環(huán)形三種形式[21](圖5)。

圖5　蝸殼壓水室形狀

工業(yè)雙流道泵用得最多的壓水室是螺旋形，優(yōu)點是性能好、高效區(qū)寬等，缺點是隔舌間隙小，容易造成堵塞，嚴重時甚至會損壞葉輪和隔舌。環(huán)形壓水室隔舌間隙大，不容易造成流體中固體的堵塞，且工況改變時泵效率的降低沒有其他形式的壓水室敏感。魚體通過吸魚泵時，在隔舌處最容易受到損傷[22]，故將雙流道吸魚泵的蝸殼壓水室設(shè)計成環(huán)形比較好。蝸殼截面形狀一般為矩形、梯形或半圓形，蝸殼截面形狀對泵性能沒有明顯的影響[21]。雙流道蝸殼的主要幾何參數(shù)有基圓直徑、基圓進口寬度、隔舌角。

2　雙流道吸魚泵三維造型實例

雙流道葉輪木模圖由兩個視圖(軸面圖和平面圖)以及數(shù)個流道截面圖組成。雙流道葉輪的流道形狀由流道中線、流道截面形狀以及流道截面的位置決定。雙流道葉輪造型比較特殊，設(shè)計實踐證明，從木模圖到實際木模制作，無法形成雙內(nèi)流道是較為常見的失敗情況。單從雙流道葉輪木模圖無法發(fā)現(xiàn)設(shè)計的成敗，在實際木模制作之前應(yīng)采用三維實體造型來檢驗設(shè)計是否成功。另外，建立三維實體模型也是進行流體動力學數(shù)值模擬以及3D打印等的前提。

2.1　二維水力模型

設(shè)計參數(shù)如下：流量為400 m3/h，揚程為10.5 m，轉(zhuǎn)速為950 r/min。經(jīng)計算，比轉(zhuǎn)速為198。前蓋板傾角設(shè)計為87°，后蓋板傾角設(shè)計為90°。流道中線包角設(shè)計為145°，采用變異阿基米德螺旋線繪制，系數(shù)m取2.4。經(jīng)水力計算，葉輪進口直徑為202 mm，葉輪出口直徑為432 mm，葉輪出口寬度為109 mm。流道中線分為7段，流道截面面積按圓弧規(guī)律變化，流道截面形狀為橢圓形。葉輪軸面圖、平面圖以及流道中線各分點截面圖的繪制方法可參考文獻[23-27]，最終繪制結(jié)果見圖6。蝸殼壓水室形狀設(shè)計為環(huán)形，基圓直徑為500 mm，基圓進口寬度為175 mm，蝸殼截面形狀為半圓形，流體切向排出。

2.2　三維實體造型

SolidWorks是基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，具有強大的實體、曲面建模功能，可以實現(xiàn)復雜三維零件實體以及空間曲面造型。本研究采用SolidWorks進行雙流道吸魚泵三維實體造型，具體過程如下。

(1)在上視基準面草圖中繪制出前后蓋板型線后，根據(jù)蓋板厚度，采用等距實體形成葉輪外輪廓，然后將葉輪外輪廓繞中心軸旋轉(zhuǎn)一周形成葉輪基礎(chǔ)實體(圖7 a)。

(2)在上視基準面草圖中繪制出前后蓋板型線后，繪制一系列與前后蓋板相切的圓，將圓心用樣條曲線依次連接起來就得到軸面圖中的流道中線，這樣得到的流道中線比較精確。將得到的軸面圖流道中線繞葉輪中心軸旋轉(zhuǎn)一周形成曲面。在右視基準面草圖中采用參數(shù)性方程式曲線繪制變異阿基米德螺旋線，即平面圖中的流道中線，參數(shù)方程如下：

(2)

式中：xt—橫坐標；yt—縱坐標；m—系數(shù)，與比轉(zhuǎn)速ns有關(guān)；φ—平面圖流道中線包角；t—自變量，t∈[0,φ/360]。將變異阿基米德螺旋線投影到曲面上就得到空間流道中線(圖7 b)。

(3)過流道中線上各分點分別作與空間流道中線垂直的參考平面i、與葉輪中心軸垂直的參考平面ii，然后在參考平面i上繪制相應(yīng)的流道截面橢圓，其中參考平面i與ii的交線則為流道截面橢圓的一個軸。繪制的截面1見圖7 c。繪制完成各流道截面后，采用放樣切除的方法依次選擇各流道截面作為輪廓，選擇空間流道中線作為放樣切除中心線，從而得到單個內(nèi)流道。由于流道空間扭曲，第一次嘗試放樣切除后得到的內(nèi)流道不一定光滑，特別是葉輪從進口到開始形成雙流道段，一般需進一步調(diào)整方可得到光滑的內(nèi)流道，甚至有時需要舍棄某個嚴重影響流道光滑的截面。單個內(nèi)流道形成后，采用圓周陣列以形成雙

內(nèi)流道，接下來檢查陣列結(jié)果是否能夠形成有效的雙流道。如果沒有形成，則通過調(diào)整流道截面面積，還不能滿足時，則需重新設(shè)計。

(4)外流道與內(nèi)流道應(yīng)光滑過渡。外流道分兩段繪制。首先在右視基準面草圖中繪制外流道工作面型線H(圖6)，然后過型線H端點(內(nèi)外流道分界點)作同時與型線H、右視基準面垂直的參考平面，在該參考平面上繪制外流道截面矩形，矩形的寬度為葉輪出口寬度，矩形長度大于型線H端點與葉輪直徑圓上相應(yīng)點之間的距離即可。采用掃描切除的方法，以截面矩形為輪廓，以型線H為路徑，即可得到葉輪外流道的后半段。接下來采用放樣切除的方法選擇外流道截面矩形、內(nèi)流道最后一個截面橢圓作為輪廓即可得到葉輪外流道的前半段，從而形成完整的單個流道。其后采用圓周陣列形成完整的雙流道葉輪(圖7 d)。

(5)蝸殼壓水室形狀為環(huán)形，截面為半圓形，結(jié)構(gòu)比較簡單，故蝸殼的造型過程不再贅述，繪制的蝸殼見圖7 e。

(6)將繪制好的葉輪及蝸殼實體進行裝配，便得到了完整的雙流道吸魚泵。

圖6　雙流道葉輪水力圖

圖7　雙流道吸魚泵三維造型過程

3　結(jié)論

研究表明，采用SolidWorks進行雙流道吸魚泵三維造型是切實可行的。雙流道葉輪的流道形狀是由流道中線、流道截面形狀以及流道截面的位置決定的。雙流道葉輪是三維造型中最為復雜，同時也是最容易出現(xiàn)問題的地方。采用SolidWorks中的參數(shù)性方程式曲線可以繪制精確的平面流道中線，進而可以得到精確的空間流道中線。由于雙流道空間扭曲，初次繪制得到的內(nèi)流道不一定光滑，特別是葉輪從進口到開始形成雙流道段，一般需進一步調(diào)整方可得到光滑的內(nèi)流道。還應(yīng)檢查是否能夠形成有效的雙流道，如果沒有形成則需要調(diào)整流道截面面積，還不能滿足時，則需重新設(shè)計。

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