基于Solid Edge的離心泵復雜閉式葉輪三維設計

尤 寶，王靈水，陳亞濤

（洛陽雙瑞特種裝備有限公司，洛陽 471000）

基于Solid Edge的離心泵復雜閉式葉輪三維設計

尤 寶，王靈水，陳亞濤

（洛陽雙瑞特種裝備有限公司，洛陽 471000）

介紹了采用Solid Edge軟件進行閉式葉輪的設計方法，給出了如何從現(xiàn)有逆向數(shù)據(jù)到二維葉輪平面設計，最后到葉輪三維模型的設計方法，對過程中數(shù)據(jù)處理等關鍵提出了合理的解決方法，通過實例的操作實施，為復雜閉式葉輪三維設計提供了簡單可行的方法路徑。

離心泵；閉式葉輪；三維模型；Solid Edge

0 引言

Solid Edge軟件是Siemens PLM Software公司面向中端市場推出的Velocity series解決方案中的三維CAD軟件，Velocity series軟件包括Solid Edge、Femap、CAM Express和Teamcenter Express共4個產(chǎn)品，涵蓋了產(chǎn)品開發(fā)過程中的產(chǎn)品設計、仿真分析、數(shù)控加工和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理[1]。

泵是應用非常廣泛的通用機械，其中離心泵是國民生產(chǎn)中最常見的一類泵，如圖1所示。葉輪是離心泵的核心關鍵部件，也是離心泵中的轉子部件，葉輪的設計是離心泵的設計核心工作，將直接決定離心泵的流量、揚程、效率、氣蝕等性能[2]。目前, 工程用離心葉輪的設計仍采用傳統(tǒng)的一維、二維半經(jīng)驗的設計方法, 所設計葉輪的性能對設計者的經(jīng)驗有很大的依賴性[3]，隨著計算機及專業(yè)泵設計軟件的開發(fā)應用，泵葉輪設計逐步被全流場三維數(shù)值模擬設計所取代，后者以現(xiàn)有CFD模擬軟件為基礎，模擬結果更接近設計工況條件，同時縮短了設計開發(fā)周期。三維數(shù)值模擬的基礎以準確的三維葉輪模型為基礎，本文以現(xiàn)有復雜閉式葉輪逆向數(shù)據(jù)為基礎，基于Solid Edge軟件研究葉輪三維模型的設計方法。

圖1 離心泵整機三維模型

1 閉式葉輪的結構與設計圖紙

閉式葉輪是指將葉片通過前后蓋板封閉的葉輪，如圖2所示。閉式葉輪主要由前蓋板、葉片、后蓋板及副葉片組成。

圖2 閉式葉輪軸面圖與葉輪三維模型

葉輪的設計主要根據(jù)泵使用現(xiàn)場工況要求，對葉輪進行初步的尺寸設計，目前主要采用采用傳統(tǒng)的一維、二維半經(jīng)驗的設計方法，初步完成葉輪的水力模型參數(shù)值。設計完成的水力模型主要包括水力參數(shù)表、葉輪水力模型圖，葉輪軸面圖。

2 葉片水力模型的設計

本文以逆向測繪離心泵葉輪設計數(shù)據(jù)結果為基礎，進行基于Solid Edge軟件的三維逆向結構設計。其中葉片的水力模型的創(chuàng)建是葉輪三維模型創(chuàng)建的關鍵所在，為更好的實現(xiàn)葉片的三維造型，需要熟悉葉片的水力模型繪制過程。圖3為葉輪葉片模型逆向木模示意圖，該模型是將圖2中的葉輪前蓋板去除后，單個葉片放置在后蓋板上，采用葉輪軸線中心做等角度發(fā)散射線與水平等高線將葉片兩個面各坐標點進行定位，這樣就將空間葉片水力模型分解到二維平面圖形中。以下為本次選擇葉輪葉片的水力設計參數(shù)，具體參數(shù)如表1及圖4所示。表1與圖4需配合作相互參照，在圖4左圖中，其中a線條代表葉片與前蓋板交線，b線條代表葉片與后蓋板交線，x-x'為葉輪軸心線, c-c'為葉片出口邊中心線，在圖中1、2、3、4、5、6號線為間距5mm、7.5mm、7.5mm、7mm、7mm垂直于葉輪軸心線x-x'的高度線(h)，5號高度線與葉片出口邊中心線c-c'重合，a、1、2、3、4、5、6、b均為葉片工作面（凸起面）上線條；a'、1'、2'、3'、4'、5'、6'、b'為葉片背面（凹面）線條，其中a'、 b'分別表示葉片背面與前、后蓋板的交線，1'、2'、3'、4'、5'、6'之間等高間距與工作面1、2、3、4、5、6對應一致。在圖4右圖中，0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ以葉輪軸心c-c'的投影點e為中心，以均分θ=10°等夾角的射線與葉片工作面的相交線，0'、Ⅰ'、Ⅱ'、Ⅲ'、Ⅳ'、Ⅴ'、Ⅵ'、Ⅶ'、Ⅷ'、Ⅸ'、Ⅹ'、Ⅺ'為10°射線與葉片背面形成交線，在該葉片水力模型中，葉片被包含在110°的射線夾角范圍內。

由于10°射線與各高度線相交在葉片工作面或背面形成唯一空間坐標點，所以采用葉輪軸心線x-x'到空間坐標點的直線距離來表達該點距葉輪軸心線的半徑r，該半徑形成了表1中的數(shù)值，在圖4右圖中表示中心點e到各相射線相交點的距離。表1中列表示各射線，行表示前后蓋板及各高度線，表中不顯示各高度線之間的間距，間距在圖4左圖中表示。

在圖4左圖中，葉片工作面射線對應圖中實線，葉片背面對應圖中虛線，相同羅馬數(shù)字工作面與背面之間形成的間距即為同一射線截取的葉片的厚度，如圖中Ⅰ（工作面）與Ⅰ'（背面）形成的陰影區(qū)域即為10°射線切割葉片形成的葉片真實厚度。

圖3 葉片水力模型木模示意圖

表1 葉輪葉片水力參數(shù)表

圖4 葉片水力模型圖

3 葉片水力模型數(shù)據(jù)處理

由于葉輪水力模型中各空間參數(shù)點均由輻射線夾角θ、點到葉輪軸心線半徑r及各點所在高度線距離h表示。Solid Edge軟件為方便快速數(shù)據(jù)導入，提供了基于EXCEL表格的數(shù)據(jù)途徑，具體方法在文章后續(xù)4.1中介紹。在Solid Edge軟件導入數(shù)據(jù)前，首先在EXCEL表中將點坐標轉換為（X Y Z），其中：

定義：X=rcos(θ 3.14/180)在EXCEL中表達為公式：X=rcos[θ pI()/180]；

Y= rsin(θ 3.14/180)在EXCEL中表達為公式：Y=rsin[θ pI ()/180]；

Z=h；

下面以該葉輪葉片工作面參數(shù)為例進行坐標點轉換，其中Z=h點的取值定義如下：在圖4左圖中， 0 、0'作為θ=0°起始線，θ角的正負可任意取，但葉片工作面與背面一致即可；取葉片出口邊中心線c-c'為Z=0，即5號線為高度線的0平面，其中Z值正向指葉輪前蓋板方向；葉片與前、后蓋板交點的起始點與最低點Z值，該值需要在圖4左圖中作圖測量尺寸，如工作面a線條（葉片與前蓋板交線）交點Z值作圖測量值為31.7mm，工作面b線條（葉片與后蓋板交線）最低點Z值作圖測量值為-16.96。表2為葉片工作面與葉片背面坐標點轉換數(shù)值表，取小數(shù)點后兩位有效數(shù)字，其中θ0、θ1、θ2等下標表示0°、10°、20°夾角。

表2 工作面水力參數(shù)坐標轉換

續(xù)（表2）

完成圖紙坐標點的轉換以后，基于Solid Edge軟件需要將參數(shù)作單獨樣條曲線EXCEL表導入軟件，基于對Solid Edge軟件數(shù)據(jù)處理及葉片水力曲面設計需要，采用輻射角θ0、θ1等角度來劃分單獨樣條曲線，如表3所示為θ0單獨一條樣條曲線點，其余θ1到θ8類似。由于θ9、θ10、θ11樣條曲線只有兩個點，數(shù)量過少，需要通過插值法來增加中間點形成連續(xù)樣條曲線。表4、表5、表6為插值形成的θ9、θ10、θ11單個樣條曲線。

表3 θ0樣條曲線點

表4 θ9樣條曲線點

表5 θ10樣條曲線點

表6 θ11樣條曲線點

4 數(shù)據(jù)導入軟件處理

本文使用設計軟件為Solid Edge ST8。為實現(xiàn)三維模型的快速創(chuàng)建與修改，Solid Edge軟件提供有同步建模與順序建模兩種建模方式。針對葉片水力模型的創(chuàng)建，為保證后續(xù)點與曲面的處理與修改，建議使用順序建模方式。

4.1 數(shù)據(jù)導入

首先在Solid Edge軟件下創(chuàng)建GB零件，通過曲面處理模塊下的關鍵點（其圖標為關鍵點），下拉菜單中的按表創(chuàng)建曲線（其圖標為按表創(chuàng)建曲線），選擇插入對象中的瀏覽，依次選擇編輯好的單個EXCEL樣條曲線表，將θ0到θ11數(shù)據(jù)點逐一導入軟件，形成圖5所示葉片全部工作面樣條曲線。

圖5 葉輪完整工作面樣條曲線

4.2 曲面處理

圖6 采用藍面形成葉片工作面

圖7 葉片工作面完整曲面

采用同樣的方法將葉片背面樣條曲線表導入軟件后，形成完整的葉片背面樣條曲線，最終形成圖8所示葉片工作面與背面。

圖8 葉片工作面與背面完整曲面

4.3 工作面與背面連接

將葉片水力工作面與背面創(chuàng)建好以后，采用曲面處理模塊下的關鍵點（其圖標為關鍵點），關鍵點下拉菜單中的關鍵點曲線（其圖標為關鍵點），將葉片工作面與背面曲面四個端點用關鍵點曲線連接，如圖9所示。

圖9 工作面與背面關鍵點連接

4.4 縫合葉片工作面與背面

將工作面與背面四個端點用關鍵點曲線連接后，采用曲面處理模塊下的有界（其圖標為有界），在彈出窗口選擇“單一”，單獨對葉片上下面邊與進口邊與出口邊進行選擇，形成封閉曲面，如圖10所示。

圖10 葉片工作面與背面形成完整曲面

圖11 縫合實體化葉片

圖12 陣列形成的三維模型

完成葉片的整列后，根據(jù)測繪葉輪軸面圖，如圖13所示，在主頁模塊下草繪環(huán)境中，選擇軸面基準平面，根據(jù)圖13繪制葉片前后蓋板，完成后進行整體縫合，對葉片入口邊與葉片與前后蓋板相交處進行倒圓角處理，至此葉輪的設計全部完成，最終葉輪效果圖如圖14所示。

圖13 葉輪軸面圖圖

圖14 葉輪三維模型

5 結論

通過對離心泵葉輪葉片的逆向數(shù)據(jù)點及繪圖分析，基于Solid Edge軟件良好的人機交互界面和數(shù)據(jù)到曲面處理優(yōu)勢，采用EXCEL表作為數(shù)據(jù)處理的主要工具與接口，實現(xiàn)了葉片的快速逆向設計，該方法處理數(shù)據(jù)簡

【】【】單過程簡單易于操作，可在類似葉輪的產(chǎn)品設計中得到廣泛應用。

[1] 王勁,穆安樂,趙宏偉,等.基于Solid Edge的零件管理數(shù)據(jù)處理技術[J].機械設計與研究,2010(12)：68-74.

[2] 關醒凡.現(xiàn)代泵理論與設計[M].北京：中國宇航出版設計,2011：241.

[3] 張人會,楊軍虎,李仁年,離心泵葉輪的參數(shù)化設計[J].排灌機械,2009,27(5)：310-313.

The 3D design of centrifugal pump closed impeller based on Solid Edge

YOU Bao, WANG Ling-shui, CHEN Ya-tao

TH31

：A

：1009-0134(2017)05-0107-06

2017-01-19

尤寶（1986 -），男，甘肅人，工程師，本科，主要從事機械相關產(chǎn)品設計與開發(fā)工作。