岳　健， 郝　嬌， 孫　鐵， 張素香

(遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

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基于Pro/E的離心泵葉輪與蝸殼實(shí)體造型研究

岳健， 郝嬌， 孫鐵， 張素香

(遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

葉輪與蝸殼是離心泵重要的組成部分，它們的制作精確程度和耦合性直接影響離心泵水利性能。為能更好地改善葉輪與蝸殼耦合處產(chǎn)生的流動(dòng)損失，以Pro/E為設(shè)計(jì)平臺(tái)，提出葉輪木模圖及蝸殼二維投影圖的分析及測(cè)繪方法，結(jié)合Pro/E中“偏移坐標(biāo)系基準(zhǔn)點(diǎn)”等命令，實(shí)現(xiàn)葉輪扭曲葉片及蝸殼的實(shí)體精準(zhǔn)造型，并通過Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬。壓力和速度分布圖顯示葉輪與蝸殼耦合處壓力和速度呈均勻規(guī)律性變化，揚(yáng)程計(jì)算顯示符合設(shè)計(jì)要求。分析結(jié)果證明，此種繪圖方式不僅精確、快速、靈活，還能夠改善葉輪與蝸殼耦合處的流動(dòng)損失，為后續(xù)流場(chǎng)數(shù)值分析奠定基礎(chǔ)。

葉輪；蝸殼；Pro/E；耦合性；實(shí)體造型

離心泵是一種廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)中各個(gè)領(lǐng)域的通用機(jī)械，葉輪和蝸殼都是離心泵重要的過流部件[1]。葉輪是將原動(dòng)機(jī)的能量傳遞給所輸送的液體；蝸殼是將從葉輪流出的液體收集起來實(shí)現(xiàn)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能的能量轉(zhuǎn)換[2]。離心泵中存在各種能量損失，液體由葉輪進(jìn)入蝸殼在耦合處就存在流動(dòng)能量損失，它們的設(shè)計(jì)及制造質(zhì)量會(huì)直接影響水利效率和機(jī)組的穩(wěn)定性。人們?yōu)榱颂岣咚释鶎⑷~片設(shè)計(jì)成復(fù)雜的扭曲形狀，但葉片在設(shè)計(jì)時(shí)大多通過速度系數(shù)法與保角變換法確定葉片尺寸、型線，這兩種方法需要較豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并且存在大量的不確定因素，在實(shí)際生產(chǎn)中要反復(fù)的進(jìn)行驗(yàn)證、修改，整個(gè)過程費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。近年來，為解決這一問題，模型參數(shù)實(shí)體化軟件發(fā)展越來越成熟，Pro/E、UG等軟件它們都具有造型、數(shù)控加工、模具設(shè)計(jì)等功能模塊，為實(shí)現(xiàn)CAD/CAM一體化提供了良好的條件。Pro/E是一套由設(shè)計(jì)至生產(chǎn)的機(jī)械自動(dòng)化軟件，是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個(gè)基于參數(shù)化、特征化的實(shí)體造型系統(tǒng)[3-5]?；赑ro/E軟件的這些特點(diǎn)，魏佳廣等[6]對(duì)離心泵空間扭曲葉片進(jìn)行參數(shù)化實(shí)體造型研究；千勃興等[7]對(duì)扭曲葉片光順程程度分析、修整方法進(jìn)行研究。本文對(duì)扭曲葉片及蝸殼進(jìn)行參數(shù)化實(shí)體造型研究，改善葉輪與蝸殼動(dòng)靜耦合問題而產(chǎn)生的流動(dòng)損失，并對(duì)離心泵整機(jī)數(shù)值模擬，驗(yàn)證結(jié)果充分證明此種繪制方法精確、靈活，提高了液體流動(dòng)穩(wěn)定性，減少能量損失。

1　空間扭曲葉片三維建模

選用離心泵初始設(shè)計(jì)參數(shù)為：Q設(shè)=140 m3/h，H設(shè)=30 m，n設(shè)=1 450 r/min，葉輪進(jìn)口直徑D1=138 mm，葉輪出口直徑D2=317 mm，葉輪出口寬度b2=19 mm，葉片數(shù)為6片，圖1為葉輪木模圖(葉片剪裁圖)，表1為讀取的葉片型值點(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.1木模圖分析

離心泵的葉片形狀主要有圓柱形和扭曲形。圓柱形葉片設(shè)計(jì)制造簡(jiǎn)單，水利效率相對(duì)較低，扭曲形葉片應(yīng)用越來越廣泛，扭曲葉片的木模圖如圖1所示，是由軸面投影圖與葉片模型截線圖組成。軸面投影圖原理是用一組等距或不等距的垂直于軸線的平面去切割葉片(圖1(a)中1-1、2-2……，為等距平行切割面間距為10 mm)，每個(gè)平面和葉片有兩條交線(工作面和非工作面)，把各截面和葉片工作面與背面的交線分別畫在平面圖中即為葉片模型截線。葉片模型截線圖是以一點(diǎn)O為圓心，以葉輪外緣半徑為半徑做葉輪外圓，并在其中作中心角為Δφ(圖1(b)中為10°)的軸線0°、10°、20°…，葉片的工作面、背面的木模線是以切割面與葉片背面的軸面交點(diǎn)到葉輪軸線的距離所繪制組成，如圖中切割面1-1與葉片背面0°、10°、20°、30°軸面相交于點(diǎn)k1,k2,k3,k4，它們到葉輪軸線距離分別為rk1、rk2、rk3、rk4(如圖1(a)所示)，再以O(shè)為圓心，rk1、rk2、rk3、rk4為半徑作圓弧，與軸線0°、10°、20°、30°分別相交于點(diǎn)k1、k2、k3、k4(如圖1(b)所示)，將這三點(diǎn)連成光滑曲線就得到切割面1-1截葉片背面的模型截線。葉片的平面投影輪廓線是葉片兩側(cè)分別與前后蓋板的交線形成的輪廓，揭去前蓋板能看到葉片背面與前后蓋板的交線、葉片工作面與前蓋板的交線及葉片與前蓋板的相交處(圖1(b)中陰影部分)。 揭去后蓋板能看到葉片工作面與前后蓋板的交線，葉片背面與后蓋板的交線，葉片與后蓋板的相交處(圖1(b)中陰影部分)。分析圖1中葉片模型截線圖，即測(cè)量每條葉片模型截線分別與角度線相交點(diǎn)到圓心O的值即為葉片型值點(diǎn)數(shù)據(jù)，如表1所示。例如rk1、rk2、rk3、rk4的值分別為表1中葉片非工作面第一行數(shù)據(jù)點(diǎn)。

圖1　葉輪木模圖

表1　葉片型值點(diǎn)數(shù)據(jù)

1.2葉片工作面和非工作面的創(chuàng)建

基于Pro/E軟件，采用從點(diǎn)到線，從線到曲面，再從曲面到實(shí)體的方法，實(shí)現(xiàn)葉輪空間扭曲葉片的三維實(shí)體造型。首先，使用“偏移坐標(biāo)系基準(zhǔn)點(diǎn)命令”，在彈出的對(duì)話框中把“參照”改為坐標(biāo)系，選用柱坐標(biāo)，將各條等高線的徑向數(shù)據(jù)點(diǎn)按照“等角度值”輸入，其中：(1) 角度值為葉片從進(jìn)水口到出水口處沿徑向分成16份(間隔角度10°)；(2) 每條角度線與葉片前后蓋板和等高線的交點(diǎn)到葉輪中心的距離為極軸半徑；(3) 選葉片軸面投影圖中葉片中線作為基準(zhǔn)，經(jīng)過測(cè)量得到各等高線在空間Z軸的高度值[8]，再結(jié)合表1中數(shù)據(jù)得到扭曲葉片基準(zhǔn)點(diǎn)，結(jié)果如圖2所示。

圖2　扭曲葉片基準(zhǔn)點(diǎn)輸入結(jié)果

使用“插入基準(zhǔn)點(diǎn)命令”，選取每個(gè)相應(yīng)點(diǎn)連接，構(gòu)成葉片工作面曲線，使用“邊界混合工具命令”，按造從入流到出流方向依次選取上述空間曲線，得到葉片工作面，結(jié)果如圖3所示。同理，對(duì)非工作面應(yīng)用同樣方法完成造型。

圖3　葉片工作面曲面

1.3葉片曲面整體完善及實(shí)體化

由于保角變換法得出的木模圖存在一定的誤差，由空間點(diǎn)連接成空間曲線再混合成曲面往往精度不高，要進(jìn)行光順檢查修正。對(duì)于在感觀上曲面不夠平滑處要從根源上檢查木模圖數(shù)據(jù)點(diǎn)的準(zhǔn)確性，增加或刪除部分?jǐn)?shù)據(jù)以保證在感官上曲面平滑，對(duì)于微小修正可以點(diǎn)擊插入-造型-使用直接操作編輯曲面形狀，對(duì)相關(guān)位置直接拖動(dòng)控制點(diǎn)位置進(jìn)行修正。工作面與非工作面修剪完成后使用“邊界混合工具命令”將其余四個(gè)面補(bǔ)全，然后使用“合并工具命令”將六個(gè)面兩兩依次合并形成一個(gè)封閉的曲面，再對(duì)封閉曲面進(jìn)行實(shí)體化得到單個(gè)實(shí)體葉片，并對(duì)入流口處使用“倒圓角命令”，最后將單個(gè)實(shí)體葉片使用“陣列工具命令”，將單個(gè)葉片陣列成6個(gè)葉片群，如圖4所示。

圖4　扭曲葉片

1.4葉輪流體域造型

由于數(shù)值模擬所研究的對(duì)象是葉輪流體域，因此建立草繪平面，根據(jù)軸面投影圖前后蓋板投影線旋轉(zhuǎn)成實(shí)體，再使用“外部切除工具命令”，使葉片與該實(shí)體剪切得到葉輪流體域，如圖5所示。

圖5　葉輪流體域

2　蝸殼三維建模

由于液體由葉輪傳遞到蝸殼往往因?yàn)槿~輪與蝸殼設(shè)計(jì)不完善會(huì)存在能量流動(dòng)損失，而降低流動(dòng)效率，為改善這一問題，提出蝸殼及隔舌位置的繪型方法，使液體在葉輪過渡到蝸殼流動(dòng)配合更順暢。

1) 以蝸殼中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，通過草繪繪制蝸殼二維投影圖，再做出第Ⅰ到第Ⅷ斷面與基圓的交點(diǎn)(PNT0-PNT7),如圖6所示。

2) 繪制第Ⅱ到第Ⅷ斷面的導(dǎo)引線，使用“掃描混合工具命令”，點(diǎn)擊創(chuàng)建曲面命令，依次在掃描引線上(PNT0-PNT7)點(diǎn)處草繪第Ⅰ到第Ⅷ斷面,如圖6所示。

3) 根據(jù)蝸殼水力模型圖數(shù)據(jù)繪制第Ⅸ與第Ⅹ斷面，再次使用“偏移坐標(biāo)系基準(zhǔn)點(diǎn)命令”，選用柱坐標(biāo)系，使用“插入基準(zhǔn)曲線命令”，連接所創(chuàng)建的點(diǎn)得到第Ⅸ到第Ⅹ斷面，再次使用“邊界混合工具”得到第Ⅸ斷面到蝸殼出口的形狀，如圖7(a)所示。

4) 對(duì)于隔舌位置本文采用修補(bǔ)法，首先利用“邊界混合工具命令”，選取第Ⅷ與第Ⅸ斷面做過渡曲面如圖7(b)所示，然后在草繪曲線1和2,如圖7(c)所示，在用“邊界混合工具命令”，選取圖7(c)中的兩段曲線進(jìn)行邊界混合操作，再草繪平面，繪制樣條曲線(此樣條曲線為隔舌形狀，由于葉輪出口與蝸殼進(jìn)口有一定間隔液體會(huì)有部分循環(huán)流動(dòng)及沖擊能量損失，因此，要按照流動(dòng)型線形狀設(shè)計(jì))，將樣條曲線從中心向兩側(cè)拉升,如圖7(d)所示，修剪曲面。草繪第Ⅰ和第Ⅸ斷面(未封閉)，進(jìn)行邊界混合，使隔舌部位封閉。最后，將所有曲面兩兩依次合并為一個(gè)閉合的曲面組，將曲面組實(shí)體化變成實(shí)體如圖8所示。

5) 葉輪與蝸殼存在間隔，數(shù)值模擬對(duì)象為流體域，所以必須要按照流體流線形狀設(shè)計(jì)(本文選用倒梯形)。

圖6　蝸殼二維投影圖

圖7　蝸殼細(xì)節(jié)組合圖

圖8　蝸殼實(shí)體

3　數(shù)值模擬級(jí)耦合處分析

將葉輪流體域與蝸殼組合如圖9所示，保存STP文件，并導(dǎo)入Gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于存在一些細(xì)面，所以對(duì)其進(jìn)行細(xì)面合并，采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為1 264 636個(gè)，保存MESH文件[9]。再導(dǎo)入Fluent軟件，使用清水為介質(zhì)，入口采用速度入口，通過計(jì)算入口速度為2.74 m/s，方向垂直進(jìn)口面，壁面和流道中的流體設(shè)置為旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，方向逆時(shí)針[10-12]。

圖9　實(shí)體組合

速度分布如圖10所示。由圖10可知，從葉輪進(jìn)口到葉輪出口，液體速度逐漸增大，在出口處達(dá)到最大之后，從耦合處開始速度逐漸遞減，沒有出現(xiàn)大幅度變化，蝸殼內(nèi)腔到外腔，速度一直平穩(wěn)變化，在隔舌處，由于有沖擊現(xiàn)象，出現(xiàn)較小的低速區(qū)，但并未見明顯逆流現(xiàn)象，在擴(kuò)散管內(nèi)出現(xiàn)規(guī)律性均勻減小，在出口處達(dá)到最小值，符合離心泵內(nèi)部實(shí)際液體流速變化情況。

圖10　整體速度分布圖

壓力分布如圖11所示。由圖11可知，從葉輪進(jìn)口到葉輪出口壓力按照從小到大規(guī)律逐漸增大，在葉輪出口與蝸殼進(jìn)口耦合處壓力分布圖顯示沒有明顯波動(dòng)，仍然按照規(guī)律有層次的變化，蝸殼中壓力逐漸增大在隔舌處未見明顯壓力無規(guī)律變化。從整體上看，由葉輪進(jìn)口處壓力最小，到蝸殼出口處壓力增加到最大，內(nèi)部壓力有層次規(guī)律變化，沒有明顯的壓力無規(guī)律波動(dòng)，符合離心泵內(nèi)部實(shí)際液體壓力變化情況。

圖11　整體壓力分布圖

由質(zhì)量加權(quán)平均報(bào)告可知，進(jìn)口壓力pin=722.75 Pa，出口壓力pout=294 772.06 Pa，根據(jù)外特性揚(yáng)程計(jì)算，離心泵揚(yáng)程計(jì)算公式如下：

實(shí)際設(shè)計(jì)揚(yáng)程為30 m，說明模型與實(shí)際符合。

通過分析，在速度方面，液體從葉輪流到蝸殼，在耦合處速度呈規(guī)律性均勻減小，沒有大幅度湍流變化。壓力方面，在耦合處附近沒有壓力跳躍性波動(dòng)，按照正常規(guī)律性增加。外特性計(jì)算表明，模型揚(yáng)程與設(shè)計(jì)揚(yáng)程相吻合，模型精準(zhǔn)。由此可以看出，此種繪圖方法不僅方便、快速，而且改善了由于葉輪(動(dòng)組件)與蝸殼(靜組件)之間存在的動(dòng)靜耦合問題而造成的流動(dòng)能量損失,使后續(xù)流場(chǎng)模擬結(jié)果更加精確、減小誤差。

4　結(jié)束語

為改善葉輪與蝸殼耦合處的過流能量損失，提高流動(dòng)效率，本文通過分析及測(cè)繪水力模型圖，以提取相關(guān)參數(shù)化數(shù)據(jù)為依據(jù)，結(jié)合Pro/E的相關(guān)功能，能夠快速、精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)實(shí)體造型。不僅在數(shù)值模擬方面為后續(xù)流場(chǎng)分析提供幫助，而且也為設(shè)計(jì)和修改新型扭曲葉片及具有長(zhǎng)短葉片的葉輪提供繪型參考，在新型高效離心泵的設(shè)計(jì)上節(jié)省了生產(chǎn)試驗(yàn)的人力、物力、財(cái)力。

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(編輯王亞新)

Research on Parametric Modeling of Centrifugal Pump Impeller and Volute Coupling Based on Pro/E

Yue Jian， Hao Jiao， Sun Tie， Zhang Suxiang

(SchoolofMechanicalEngineering，LiaoningShihuaUniversity，F(xiàn)ushunLiaoning113001，China)

The impeller and volute are important parts of centrifugal pump.Their degree of precision and coupling production directly affect the performance of centrifugal pump water conservancy.In order to improve the flow loss generated atthe impeller and volute coupling, Pro/E is taken as the design platform. the analysis and mapping method of impeller and volute Wooden patterns 2-D projection are put forward. Combined with Pro/E in the "offset coordinate datum point command" commands, the twisted blade and volute impeller entity modeling precision are realized through Fluent numerical simulation. The pressure and velocity distribution of impeller and volute coupling shows that pressure and velocity are uniform regularity, and head of delivery calculation shows that the design requirements meet design requirement.The analysis results show that this method is not only drawing accurate, but also is fast and flexible, and it can improve the flow loss of the coupling of the impeller and the volute, which lays the foundation for further numerical analysis.

Impeller； Volute； Pro/E； Coupling； Solid modeling

1006-396X(2016)02-0089-06

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn

2015-11-17

2016-01-12

中國石油化工股份有限公司科技公關(guān)項(xiàng)目(311084)。

岳健(1989-)，男，碩士研究生，從事高效節(jié)能石化裝備的研究與開發(fā)；E-mail:yuejian5232@sina.com。

孫鐵(1964-)，男，碩士，教授，從事高效節(jié)能石化裝備的研究與開發(fā)；E-mail:15141366088@139.com。

TE974; TH311

Adoi:10.3969/j.issn.1006-396X.2016.02.017