SolidWorks的离心泵叶轮水力图绘制方法研究与实现

blue8wing · 发表于 2009-11-27 08:37:35

经典图书

引言
离心泵是通过旋转泵的叶轮产生的离心力带动流体的转动来完成流体的输送，主要由叶轮、泵壳和轴封装置构成。叶轮是离心泵的核心部件。泵的基本性能、汽蚀性能以及特性曲线的形状均与叶轮的水力设计有着密切的关系。水力计算是水力设计的第一步，也是水力设计的关键，其计算结果直接决定着离心泵性能的优劣。[1]

目前，国内离心泵水力设计大多基于一元设计理论的传统设计方法，采用速度系数法和相似设计法进行水力模型设计。文献[2]中对离心泵叶轮设计方法的现状和发展趋势做了详细研究，归纳起来为基于一元设计理论的离心泵叶轮传统设计方法；基于CFD的现代设计方法和全三元反设计方法。基于一元设计理论的离心泵叶轮传统设计方法，首先进行水力设计，生成木模图；然后进行样机试制；再根据样机的性能测试结果反复进行修正设计；最后生产加工。采用传统方法制造叶轮、叶片模具，不仅费时费力，而且制造精度差。从发展趋势来看，以三维CFD和全三元反设计方法为基础的离心泵叶轮三维反求设计必将成为主流。
1 基于三维叶轮模型的水力图绘制方法存在的问题
据调查，国内大多数中小型泵企业多采用二维CAD系统进行设计，少数企业虽然已经采用了三维CAD、CAE软件进行泵和叶轮的实体造型及流场分析，但在二维加工图特别是水力图绘制时，仍然依赖于二维CAD软件。叶轮水力图主要包括轴面图和木模图两大部分。根据对轴面图和木模图上的数据点进行测绘，可以得到叶轮工作面和背工作面上各轴垂面与轴截面相交处交点的极坐标值，并绘制成表格。完整的叶轮水力图如图1所示。结合在泵企业的CAD实施经历，笔者分析直接从三维叶轮模型生成水力图主要存在以下三个问题。

图1 叶轮水力图
1.1 木模图中工作面及工作背面的木模截线难以绘制
叶轮叶片的数据信息主要由叶片木模图提供。叶片木模图是用一组等距(或不等距)的轴垂面去截叶片工作面和背工作面而得到的木模截线。具体作图步骤可参考文献[3]。从三维叶轮模型生成木模图时，用户通过手工操作的方法，求解各轴垂面与工作面和背工作面的截线，最后经过手工调整工作面、背工作面的投影图位置来生成完整的木模图。整个绘图过程比较复杂，用户需要进行大量的重复性操作，而且对工作面和背工作面的投影图位置难以做到准确定位。
1.2 轴面图无法通过三维CAD系统的正投影关系直接生成
从几何角度来讲，轴面图是用一组相隔一定角度的、过叶轮旋转中心轴的截面（轴截面）去截叶片工作面和背工作面，再将所有截交线旋转投影到同一平面后得到的一组曲线，即轴面截线，最后再添加前后盖板的轮廓曲线，即可完成轴面图的绘制。然而目前绝大多数三维CAD软件在生成工程图时，只支持垂直投影，不支持旋转投影，所以通过手工操作的方式难以直接从叶轮的三维模型生成轴面图。
1.3 水力图中数据表的测绘过于复杂，而且不精确，数据更新非常困难
从理论上讲，叶轮的水力图中并不包含测绘数据表。很多工程师在设计叶轮的三维模型时，为了准确作出构成扭叶片曲面的各型值曲线，需要先从水力图上进行数据点的测绘，然后再进行曲线的绘制。该测绘是直接从二维水力图上进行，测绘人员需要测量每一个轴截面、轴垂面与叶片工作面、背工作面生成的交叉曲线的交点坐标。整个测绘过程不仅复杂，而且非常耗时，测量的数据精度也不高，往往会因为测绘时产生的错误数据而无法得出正确的叶片曲面外形。三维模型设计完成后，叶片曲面的光滑程度直接反应了水力模型的优劣。设计师可以直接调整叶片的三维模型来得到更加光滑的曲面形状，这种对三维模型的调整实质上是对水力模型的更改。然而，手工测绘所得的数据表却无法做到数据的关联更新。
2 基于SolidWorks 的叶轮水力图绘制方法
离心泵叶轮的传统设计方法是首先进行水力图设计，再根据实际需要选择是否进行三维模型设计。基于SolidWorks 的叶轮水力图绘制方法采用的是反求设计的思想，即首先存在叶轮三维模型的前提下，再根据叶轮的三维模型生成水力图。
2.1 木模图的绘制
根据叶片木模图的要求，用户首先在SolidWorks软件中建立一组等距(或不等距)的轴垂面。木模图中叶片工作面与背工作面的木模截线是由所有轴垂面分别与叶片工作面、背工作面通过面面相交得到的交叉曲线。在SolidWorks软件中提供了非常方便的求解交叉曲线的工具。用户只需调用“交叉曲线”工具，再分别拾取所有的轴垂面与工作面、背工作面，即可自动得到所有的木模截线，如图2所示。

图2 通过交叉曲线求解木模截线
根据叶片的三维模型可以自动投影生成二维工程图。将三维模型中生成的木模截线显示到工程图中，并通过画线、阵列的方式得到所有的轴截面线条。对于背工作面的视图，可以采用相同的方法得到。用户还可以通过SolidWorks 中的“旋转工程视图，对齐工程视图”命令将工作面与背工作面两个视图进行定位，最终可以得到如图3所示的木模图。通过此方法生成叶片的木模图，不仅准确、方便，而且能实现叶片三维模型与二维木模图的关联，有效解决了传统设计方法中水力图与三维模型数据的孤立性。

图3 叶片木模图

2.2 轴面图的绘制
轴面图的绘制采用计算机辅助、通过人机交互的形式完成。具体设计流程如图4所示。

图4 轴面图的绘制流程
通过人机交互的方式指定叶片各轴截面、工作面、背工作面以及叶轮旋转中心后，通过程序自动求解轴截面与工作面、背工作面的交叉曲线，然后对曲线旋转，得到一系列旋转曲面。指定的截平面实质上是轴面截线的投影平面，通过截平面与生成的旋转曲面求交叉曲线，实质上是将所有轴面截线旋转投影到截平面上，最后再输出到工程图中，前后盖板的轮廓线可以通过转换实体的形式，将盖板轮廓线输出到工程图中，完成轴面图的绘制。生成的轴面图如图5所示。软件的工作界面如图6所示，

图5 程序生成的轴面图

图6 轴面图绘制界面
2.3 水力数据表的自动生成
水力数据表表示的是轴截面与工作面以及背工作面、轴垂面与工作面以及背工作面分别生成的交叉曲线的交点极半径值，其实质是求解任意两条空间曲线的交点坐标，并在指定的坐标系中转换成极坐标的形式输出，如图7所示的示意图。

图7 水力数据表交点示意图
笔者在求解上图中交叉点的坐标时，参考了文献[4]的理论分析依据，主要采用SolidWorks软件中提供的API函数求解，该求解函数对算法模型进行了封装，用户不需要对该算法进行深入的研究，只需按API函数的规则进行调用即可。该算法求解速度快、结果精度高。当三维模型发生变更时，相应水力数据点的更新速度非常快，有效避免了在二维水力图上直接测绘所带来的困难。求解水力数据表所用的部分API函数如下。软件的工作界面如图8所示。

图8 水力数据表生成界面
3 结语
优秀的叶轮水力模型能够保证叶轮设计的可靠性和实用性。本文在吸取现有离心泵叶轮设计方法的基础上，通过反求设计，利用SolidWorks软件提供的辅助功能，结合软件开发的方式，有效实现了在现有三维模型的基础上，生成二维水力图及相关测绘数据，解决了通过手工方法绘制水力图的困难之处，大大提高了出图效率，对离心泵叶轮的全三元反设计方法也有较强的参考意义。