楚樹坡，諶志新,，譚永明，劉　平

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

吸魚泵最早應用于拖網和圍網等捕撈作業(yè)中的漁獲在海上及港口轉運、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)出結構、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，世界范圍內普遍使用的吸魚泵結構形式主要有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、雙葉片式兩種結構形式。離心式吸魚泵的顯著優(yōu)點是結構簡單，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，以及在深海網箱養(yǎng)殖和遠洋漁業(yè)中進行推廣應用具有重要意義。

1　雙流道吸魚泵水力設計

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

1.1　雙流道葉輪的水力設計方法

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，當比轉速ns<150時，流道截面面積可按直線規(guī)律變化；當比轉速ns≥150時，若流道截面面積仍按直線規(guī)律變化，葉輪平面圖設計將變得非常困難，此時流道截面面積應按圓弧規(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鍵，其形狀直接決定了內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，a=D2/(2φ)，其中φ為平面圖流道中線包角，與比轉速ns有關，φ隨比轉速ns的增大而減?。沪取菪?，rad；m—系數，與比轉速ns有關，m隨比轉速ns的增大而增大(圖4)[19]。

圖4　包角φ、系數m與比轉速ns的關系

對于雙流道葉輪的設計，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，因而外流道的設計也是雙流道葉輪設計的關鍵之一。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。

在雙流道葉輪的設計過程中，應注意以下結構參數的相互協(xié)調：流道中線螺旋線參數的選取，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。任何結構參數選取不當，都有可能造成葉輪性能不佳或模型制造失敗等問題。尤其是內流道型線的繪制，如繪制方法有誤，可能出現葉輪的平面圖、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，設計實踐證明，從木模圖到實際木模制作，無法形成雙內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)現設計的成敗，在實際木模制作之前應采用三維實體造型來檢驗設計是否成功。另外，建立三維實體模型也是進行流體動力學數值模擬以及3D打印等的前提。

2.1　二維水力模型

設計參數如下：流量為400 m3/h，揚程為10.5 m，轉速為950 r/min。經計算，比轉速為198。前蓋板傾角設計為87°，后蓋板傾角設計為90°。流道中線包角設計為145°，采用變異阿基米德螺旋線繪制，系數m取2.4。經水力計算，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]，最終繪制結果見圖6。蝸殼壓水室形狀設計為環(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一周形成葉輪基礎實體(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一周形成曲面。在右視基準面草圖中采用參數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，參數方程如下：

(2)

式中：xt—橫坐標；yt—縱坐標；m—系數，與比轉速ns有關；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，從而得到單個內流道。由于流道空間扭曲，第一次嘗試放樣切除后得到的內流道不一定光滑，特別是葉輪從進口到開始形成雙流道段，一般需進一步調整方可得到光滑的內流道，甚至有時需要舍棄某個嚴重影響流道光滑的截面。單個內流道形成后，采用圓周陣列以形成雙

內流道，接下來檢查陣列結果是否能夠形成有效的雙流道。如果沒有形成，則通過調整流道截面面積，還不能滿足時，則需重新設計。

(4)外流道與內流道應光滑過渡。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，結構比較簡單，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問題的地方。采用SolidWorks中的參數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，一般需進一步調整方可得到光滑的內流道。還應檢查是否能夠形成有效的雙流道，如果沒有形成則需要調整流道截面面積，還不能滿足時，則需重新設計。

□