（机械制造及其自动化专业论文）离心泵叶轮三维cad系统的研究与开发.pdf

北京工业大学工学硕士学位论文 摘要 离心泵是用量最大的泵，作为泵关键部件的叶轮，其叶片的制造技术和制造 质量直接影响到泵水力性能、汽蚀性能及运行稳定性。采用传统方法制造泵叶轮 叶片模具，不仅费时费力，而且制造精度差。而目前的水泵设计，不论是手工方 法还是计算机方法，还一直沿用着二维工程图来表示三维物体的做法。用这种方 法生成的模型几何数据不能直接用于计算机数控) j 1 3 i ( c n c ) ，有限元分析、流动 分析、性能试验和模具设计等。很显然，用2 d 工程图描述3 d 产品模型的做法， 已不能满足现代c a d 与c a m 的需要。随着现代制造技术的飞速发展，计算机 在我国泵行业中的应用已从c a d 日益向c a m 以及c a d c a m 的集成领域扩展。 将c a d c a m 用于叶轮叶片模具，无疑是泵制造技术进步中的重要一步。 针对上述我国泵c a d 的研究状况和发展趋势，本文建立了w i n d o w s 环境下 开放式、可扩充的新的能完成低、中和高比转速离心泵叶轮三维c a d 系统。该 系统运用面向对象的程序设计语言v i s u a lc + + ，选择当今世界上最流行的三维 设计软件p r o e n g i n e e r 为支撑软件，根据离心泵水力设计原则，完成离心泵叶轮 的设计计算和图形的绘制，并生成p r o e 接口文件，然后在p r o e 中实现离心泵 叶轮空间扭曲叶片的三维实体造型设计，并完成整个泵的结构装配和机构仿真。 从而摒弃了传统生成叶轮二维木模图的方法，实现人机交互，c a d c a m 一体 化。主要研究工作和成果有： f 1 1 根据离心泵水力设计原理，以一元流动理论为基础，运用人们在长期实 践中总结的一套水力参数计算方法，将传统的水泵叶轮制图过程进行数学分析， 使之解析化和算法化，并采用了一些新的数值计算方法，使上述算法与数据结构 和程序设计方法统一于程序设计之中，最后用计算机来完成水泵叶轮的计算和绘 图工作，从而提高设计精度和效率。 f 2 ) 采用了面向对象的开发工具v i s u a lc + + 进行离心泵的水力设计，完成 了从离心泵基本尺寸的输入、计算到叶轮轴面图生成这一整套的参数化c a d 过 程。 f 3 1 采用了模块化、参数化和功能开放式的设计思想，为系统设计了直观、 简洁和标准的w i n d o w s 人机对话界面，更大程度上满足了使用者的要求。 ( 4 ) 能将设计好的叶片型值点数据输出成p r o e 接口文件，以便在p r o e 中 调用，完成最终的三维造型设计；并将本软件应用于实例，完成了大连四方电泵 有限公司的整个屏蔽电结构设计和机构仿真，进一步证实了本软件的正确性和适 用性。 关键词离心泵；叶轮；c a d 三维；p r o e 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t c e n t r i f u g a lp u m pi sm o s tw i d e l yu s e di np u m pi n d u s t r y i t sk e yc o m p o n e n ti s i m p e l l e r , w h o s e m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y a n d q u a l i t y o ft h eb l a d e d i r e c t l y i n f l u e n c eh y d r a u l i cp e r f o r m a n c e ，c a v i t a t i o ne f f e c ta n ds t a b i l i t yo ft h ep u m p u s i n g t r a d i t i o n a lm e t h o dt op r o d u c eb l a d em o l di s n o to n l yt r o u b l e s o m e ，b u th a sp o o r p r e c i s i o n h o w e v e r , t h e c u r r e n tp u m pd e s i g nm e t h o d s ，h a n d w o r ko rc o m p u t e r m e t h o d s t i l lu s e2 一dd r a w i n gt os h o w3 - dp r o d u c t t h ep r o d u c tg e o m e t r i cd a t a c r e a t e db yt h i sm e t h o dc a nn o tb ed i r e c t l ya p p l i e di nc n cm a n u f a c t u r i n g ，f e a ，c f d ， p e r f o r m a n c et e s ta n d m o l dd e s i g n ，e t e s ot h i sm e t h o dc a nn o tm e e tt h ed e m a n do f m o r d e nc a d c a m w i t l t h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fm o d e mm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y ，c o m p u t e ra p p l i c a t i o n i no u rp u m pi n d u s t r yi s i n c r e a s i n g l ye x p a n d i n g f r o mc a dt oc a ma n dt h ei n t e g r a t i o n f i e l do fc a d c a m ，s oi n t r o d u c i n g c a d c a mt o b l a d em o l di s u n d o u b t e d l y t h em o s t i m p o r t a n ts t e p i n p u m p m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y a d v a n c e m e n t s b a s e do nt h e p u m p c a dr e s e a r c hs t a t u sa n d d e v e l o p m e n t d i r e c t i o n a b o v e m e n t i o n e d ，a no p e n ，e x p a n d a b l ea n d r e n e w e dc e n t r i f u g a lp u m pc a d s y s t e mi s e s t a b l i s h e d i nt h ee n v i r o n m e n t o f w i n d o w s b yu s i n g t h e o b j e c t o r i e n t e d p r o g r a m m i n gl a n g u a g ev i s u a lc 十+ a n ds u p p o r t i n gw i t hp r o e n g i n e e r ，w h i c hi st h e m o s tf a s h i o n a b l e3 d d e s i g ns o f t w a r e ，t h es y s t e m c a n d e s i g n t h e3 - dc o o r d i n a t e p o i n t o ft h eb l a d ea n dc r e a t et h ei n t e r f a c ef i l eo fp r o e w h i c hc a nb et r a i l s f e r r e di np r o et 0 a c h i e v e3 0m o l d i n go ft h et w i s t e db l a d e 。s t r u c t u r e a s s e m b l y a n dm e c h a n i s m s i m u l a t i o no ft h ew h o l ep u m p s ot h i sm e t h o d ，a b a n d o n i n gt h et r a d i t i o n a li m p e l l o r 2 一dw o o d e n - m o l dd r a w i n g ，r e a l i z e sh u m a nc o m p u t e ri n t e r f a c ea n di n t e g r a t i o no f c a d c a m t h em a i nr e s e a r c hw o r ki nt h et h e s i si sa sf o l l o w s ： ( 1 b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fc e n t r i f u g a l - p u m ph y d r a u l i cd e s i g n ，t h et h e o r yo f o n e d i m e n s i o n a ln o w i n ga n dt h eh y d r a u l i cp a r a m e t e re v a l u a t i o nt h a tb es u m m a r i z e d b yp e o p l eo v e rl o n gp r a c t i c e ，t h e c o n v e n t i o n a lw a t e r - p m n pi m p e l l e rd e s i g n p r o c e s s i sr e v o l u t i o n i z e da n da r i t h m e t i z e d b ym a t h e m a t i c a la n a l y s i s w i t ht h ec r e a t i v e n u m e r i c a lc o m p u t a t i o na n dt h eu n i f i c 嬲o nw i t hd a t as t r u c t u r ea n dp r o g r a m m i n g d e s i g nm e t h o d ，t h i ss y s t e r mc a np e r f o r md e s i g na n dd r a w i n go f t h ei m p e l l e ru s i n g c o m p u t e r , w h i c hg r e a t l yi m p r o v e s t h ed e s i g np r e c i s i o na n d e f f i c i e n c y ( 2 ) b yu s i n gt h eo b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g t o o lv i s u a lc + + ，t h i ss y s t e mc a n a c h i e v et h ew h o l ep a r a m e t e r i z e dc a dw o r kf r o mp u m pb a s i c d i a m e t e r i m p u t ， c o m p u t a t i o n t od r a w i n go f i m p e l l e r 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 3 ) t h e m o d u l a r i z a t i o n ，p a r a m e t e r i z a t i o n a n d f u n c t i o n o p e n i n gd e s i g n p h i l o s o p h y i s p r o p o s e d a n da s t r a i g h t f o r w a r d ，c o n c i s e a n ds t a n d a r dw i n d o w s h u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c ei sd e s i g n e df o rt h es y s t e m ，w h i c hg r e a t l ym e e tt h en e e do f u s e r s ( 4 ) t h eb l a d ec o n t r o l p o i n td a t ac a nb em a d ei n t oi n t e r f a c ef i l eo f p r o e w h i c h c a nb et r a n s f e r r e di np r o et o a c h i e v e3 - dm o l d i n go ft h et w i s t e dn a d ea n da n e x a m p l ei sa p p l i e d t ot h es o f t w a r et om a k es t r u c t u r ed e s i g na n dm a c h i n e s i m u l a t i o no f c a n n e d m o t o r p u m p o fd a l i a ns i f a n gm o t o r - p u m p c o l t d ，w h i c hf u r t h e r a p p r o v e sc o r r e c t n e s sa n da p p l i c a b i l i t yo f t h i ss o f t w a r e k e y w o r d s c e m f i f u g a lp u m p ；i m p e l l e r ；c a d ；3 - d ：p r o e - - l l i - - 独剑性声明 奉人声筏繇璺交数论文是我个人在等嚣豢母下避行懿磷炎工箨及鼗褥静疆 究成果。尽我所知，除了文中特别加以榕注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成暴，也不穗含为获褥托索工监大学或其它教育梳稳 的学位躐证书丽使用过的材料。与我一阉工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并袭示了谢意 鼢咎飘虹 关于论文使鬻授权的说髓 本人完全了解北京正业大举有关保留、使用学位论文的规斑。即：学校有权 傈蟹送交论文鹣裹露释，意诲论文蔌蚕翮爨簧瀛；擎授爵鞋公套论文黪垒都或部 分内容，可以聚崩影印、缩印戚其他复制手段僳存论文。 ( 僚密孽论文在解密后应满守_ 逡蕊悫) 签名： 导师签名：4 垒缒i i i i ：竺鱼蔓 北京工业大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 泵怒我国三大机械产品之一，由于泵类产品多品种、多规格，设计工作量较 大。随蛰计算机技术的应用和发鼹，泵类c a d 应用软件的开发，便具鸯很强的 实用价慎。泵的蕊代纯设计方法( 水力设计、三维实体造型、流动分析、性能试 验集成软件系统) 在我国祭行业还处于起点，这严熏影响了泵行业新产品的发展。 针对当前蕊状，有必要撬密薪静设计方法，觚丽推进泵c a d 软牟的开发。 1 1 课题背景 1 1 1 机械c a d c a m 的应用和发展 电子讨算机是现代科学技术发展的重大成就之一，现已普及应用到各个领 域，以电子计算机为主要技术手段，将大大减轻科技人员的脑力劳动和体力劳动， 甚至能够完成人力所不及的工作，从而促进科学技术和生产的发展。在机械制造 领域中，随着市场经济的发展，用户对各类产品的质量，产品更新换代的速度， 以及产品从设计、制造到投放市场的周期都提出了越来越高的要求。在当今高效 益、高效率、高技术竞争的时代，要适应瞬息万变的市场要求，提高产品质量， 缩短生产周期，就必须采用先进的制造技术。计算机与机械制造技术相结合与渗 透，产生了计算机辅助设计与辅助制造( c o m p e e ra i d e dd e s i g n a n d m a n u f a c t u r i n g ) 这样一门综合性的应用技术，即c a d c a m 。它具有高智力、 知识密集、综合性强、效益高等特点，是当前世界上科技领域的前沿课题。 c a d c a m 技术的发展，不仅改变了人们设计、制造各种产品的常规方式，有利 于发挥没计人员的创造性，还将提高企业的管理水平和市场竞争能力。特别是近 二十年来，随着计算机技术的迅速发展，c a d c a m 技术以其短的设计周期和高 的设计质量给企业带来了巨大的经济效益，越来越多的人认识到c a d c a m 是 一种巨大的生产力，因而被广泛应用于机械、电子、航空、航天、汽车、船舶、 纺织、石油、化工、制药、冶金及轻工等行业，成为当代最杰出的工程技术成就 之一。 在c a d 软件发展初期，c a d 的含义仅仅是图板的替代品，即：意指c o m p u t e r a i d e dd r a w i n g ( o rd r a f t i n g ) 而非现在我们经常讨论的c a d ( c o m p u t e ra i d e d d e s i g n ) 所包含的全部内容。c a d 技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到 7 0 年代末期，以后作为c a d 技术的一个分支而相对单独、平稳地发展。早期应 用较为广泛的是c a d 软件，近十年来占据绘图市场主导地位的是a u t o d e s k 公司 i 寡工照大学工学臻士学往论文 ! ! ! ! ! ! ! _ _ ! ! ! ! ! ! _ 2 1 1 1 1 1 _ ! ! ! = = _ ! ! ! ! ! ! _ ! ! ! ! ! ! 的a u t o c a d 软件。在今天中豳的c a d 用户特别是初期c a d 用户中，二维绘图 仍然占有相当大的比重。 随着工业生产弱发震，产菇夔凌笈与终褥| 三| 趋复杂，传统弱产鑫开发方式已 不褥适应企业对产品的时间、质量、成本的簧求，而且f 陡难用二维图纸去描绘三 维窀间机构运动和进行产品装酉己干涉检蠢等工作，因为其工作流程是按顺序进行 的。缀多对候是镣模具做出来了，对产品避行试装配时才发现干涉或设诗不合理 等联象。在设诗早期不麓全瑟考虑下游过程静要求，觚藤经产晶设计存在镁多获 陷，造成设计修改工作量大，开发周期长，成本高。虽然二维c a d 系统，它可 以帮助设计人员把图纸画得规范、漂亮，撼离绘图效率的同时也便于湖纸以后的 嫠蔽及管瑾，在毽簿烫扳”懿锈缓酸段功不霹拣。毽二线c a d 系统与传统熬手 工绘图一样，对减少产品设计错误、设计受改和返工现象并无重大影响，对企业 最需要的设计质艇并没有多大的提高。 八十年代，阑琢竞争更棚激烈，c a d c a m 技术作为计算机集成制造系统 c l m s 重要缀藏部分之一，已耩予当羲交黼瓣离稀技蕊薅，著成为簿爨个莺家 科技进步和工业现代化水平的一项重要标志之一。世界上许多发达国窳都投入相 当的资金进行c a d 技术的研究和开发，研制了一些著名的三维c a d 系统，如 美溪p a r a m e t r i c 公司瓣三维软搏产品p r o e n g i n e e r ，美溺e d s 公司麴u g ，法国 达索d a s s a u l 公嘲开发的c a t 弧，等等，嗣它可方便地设计出所见即所得的三维 实体产品模型。有了三维实体模型，可以进行装配和干涉检查；可以对重要零部 件进行有限元分车厅与优化设计( c a e ) ；可以进行工艺规程生成( c a p p ) ；可以 送行数控热工( c a m ) ；霹滋遴嚣茯速袋溅，在骰模其之蓠藏霹蔽拿翻实物零箨 进行装配及测试；可以启动三维、二维关联功能，由三缎直接自动生成二维工程 图纸；可以进行产品数据共黎与集成等等。这是二维绘阁无法比拟的。 要提高割造她零平，登爨葵有意遂的设诗工具。琏麓计冀极硬 牛瞧糍豹不辑 掇商，加上三维软件造型功麓的不断完善，c a d 已完成从二维绘强转向三维设 计，产生了质的飞跃，到了三维c a d 的实用阶段。用三维c a d c a m 系统进行 产黯开发，从根本上改变了过去手工绘图，凭图纸组织整个生产过稷的技术管理 方式。浚计稳惑的表这舀二缭疆绥演交或熊在诗算穰摸羧显示零终三缭实薅穰墼 的虚拟产品( 艘拟样机) ，这是种新的设计和生产技术管理体制，怒提高企业 竞争能力主要手段之一。 1 1 2 泵永力设计的现状 泵楚我国三大机械产品之，在国鼹经济蒜部门中，凡是商液体的地方，就 骞裘在王露，意在给承搂承及农鼗工程、瓣髂鬏粒滚舔辘送王疆、焉演健工、靛 一2 一 北京工业大学工学硕士学位论文 空靛天羊珏靛海工程、爨源工程帮车辆工程等雹疑经济舞个部门豁套广泛翡应鼹， 而且随着科学技术的发展，其应用范围正在迅速扩大。据不完全统计，泵的电能 消耗约占全国电能消耗的2 1 以上，而煤矿生产中排水泵的能耗由占煤矿总电耗 的3 5 。由此可知，大力降低泵的能耗，提高泵的效率，优化泵的设计和制造对 我国能源的节约，加速四化建设具有重要意义。 泵的品种及规格繁多，结构形式多样且复杂，尤其是叶片泵，由于叶片是三 维空间几何形状，且受到泵的各种性能参数的影响，直接关系到泵的运行效率和 使用寿命，因此设计量大且复杂。而目前的水泵设计，不论是手工方法还是计算 机方法，还一直沿用着二维工程图来表示三维物体的做法。这种做法具有很大的 缺点，当在一个视图上对某一个尺寸的修改，不能自动反映在其他对应的视图上， 更不能自动更新零件、装配的所有工程图。同时，用这种方法生成的模型几何数 据不能直接用于计算机数控j j n i ( c n c ) ，有限元分析、流动分析、性能试验和模 具设计等。这样，势必造成c a d 与c a m 的脱节。很显然，用2 d 工程图描述 3 d 产品模型的做法，已不能满足现代c a d 与c a m 的需要。随着计算机集成制 造系统( c i m s ) 的发展，迫切要求直接进行产品的三维造型，即用真三维的几何数 据对产品进行描述和设计。因此，具体研究并实施零部件的真三维造型方法，是 目前水泵c a d c a m 系统亟待解决的问题之一。 1 2 国内外研究状况及发展趋势 1 2 1 国外泵c a d 研究状况 目前国外泵的c a d ，c a m c a e 技术日趋成熟，并已得到了广泛的推广应用。 国外水泵c a d 的应用软件都是保密性质的。他们的c a d 软件比较注重支撑软 件的选择，所以它们软件开发的起点较高、发展较快。引入支撑软件可以使泵 c a d 软件的开发从高层次开始，而不必再花费人力、才力、时间去做最基本的 工作。在硬件方面，国外泵c a d 己逐渐实现了由小型机向工作站的转变，同小 型机相比，由于工作站可以处理大规模的应用程序，而且运行速度快。因此工作 站的引入更进一步的推动了泵c a d 的发展。在系统软件方面，国外泵c a d 工 作系统几乎均采用u n i x 操作系统，在使用高级语言开发c a d 应用软件方面， 国外趋向于使用c c + + 语言。国外水泵c a d 技术方面的特点是： ( 1 1 注重c a d 、c a m 的结合如英国威尔泵业公司( w i rp u m p s l t d ) 的两套c a d 系统靠i g e s ( 初始图形交换系统) 进行数据的双向传输。两套系 统均有c a m 接口，在c a d c a m 集成系统的控制下，可直接输出刀具的走刀路 线，并在图形终端上模拟刀具的行进轨迹，然后将数据送至仿形铣床加工叶片， 北京工业大学工学硕士学位论文 两轴半仿形铣床是专为c a d 系统所配，用于加工叶片等具有流线型的部件，从 而保证加工出来的部件实际尺寸与设计尺寸相一致【8 】。 ( 2 ) c a d 技术内容广泛包括水力设计、性能预测、有限元分析等诸多 方面。据报道，威尔泵业公司的c a d 系统设计一台多级离心泵，全过程仅需几 十分钟。 1 2 2 国内泵c a d 研究状况 鬓内在辊拨c a d 技术方嚣熬骚究始子七十年代中期，靛空秘造憝救是应翘 c a d 技术较早的部门。八十年代初，一魍大型企业开始号进国外成套的c a d 系 统。丸十年 弋以厝，工她领域开始采用c a d 技术进行辅助设计，大大提高了设 计质量，取得了定的经济效掼。各大专院校也对c a d 技术避行了大避研究， 并取得了一定的成果，尤其是在水力设计方面，在采用一元设计理论进行二维水 力设计和绘型方葡已经比较成熟。由于经济的原因，国内大多觳设计入员都在微 机上进行泵的辅助设计。一般选用w i n d o w s 环境及各种高级语富，如b o r l a n dc + + ，v i s u a ic + + 等遴行编程。国内静浆c a d 软件己进入工耩实糟阶段，正逐 步代替手工水力设计。与国外水泵c a d 相比，国内水裂c a d 未能选用完善的 c a d 绘图支撑软件，承力图只能在捂窥静输崮设备上输出，冀摆广痰稍受虱袋 制，且豳内水裂c a d 涉及的内容不广，仅局限于水力设计和叶片绘型。 为了键避c a d 技零戆发袋，强家己把发展c a d 技术续入国家重点发矮计 划之中。同时c a d 行业的技术人员应密切注意国外的技术发展动态以开发出具 有鑫主版权、惫遵夔专敫位c a 葑应用较l 孛，逐步摧囊强内c a 转魏发袋。 1 2 。3 泵c a d 存在酌不是和发展趋势： 尽饕基翦我鞫承泵c a d 熬磺究己取得了缀犬的成熙，但仍存在蕾诲多的不 足： 1 ) 并发谬富题前，大多数软俅鄙是采用c c 十十语畜来进行编程，但 到目前为止，现有的泵c a d 软件，界麟设计不符合标准，对话框层次不鲜明， 操作过程复杂。因此在开发语吉方面要尽量采用面向对象技术的程序米进行设 计，它与传统的结构傀程序设计不同，楚一种众新的软件设计方法。 ( 2 ) 数学模型在泵c a d 开发过程中水力设计部分最关键的是数学模烈 的建立，如侮瘸统一豹数学模整来归雅，这是关键，它笑系翻较释静安爝经e 数 学模型的建立主要是为了找出关键点，以便在轴面投影图的绘制过程中，可以通 过关穗点而后敬箕谴绘凿软 串来谲臻譬。关键煮懿确定，方法魄较多，霹良采掰 求解多元方程的办法来确定。 一毒一 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 曲面技术 近来来随着计算机的发展，叶轮和导叶已不仅仅满足于生 成叶片木模图，更重要的是要生成叶片的曲面模型，因为叶片木模图只给出了叶 片曲面( 工作面与背面) 的控制点，这是一组空间离效点，这组离散点不足以确定 叶片表面上任意一点的位置，因而必须得到描述叶片曲面形状的连实性数学函 数。但由于叶片曲面形状的复杂性，它是一种不能用二次方程来描述的自由曲面， 因而要找到数学模型是相当困难的。 ( 4 ) 三维支撑软件现有的水力设计软件大部分是基于二维绘图环境，尚 未融入三维实体模型可视化技术、优化产品的设计技术等，程序的可重用性及维 护程序的一致性较差。依靠现有的软件所得到的叶轮木模图上的线条大多是采用 多线段连接而成，未经过拟合处理，这样的线条不符合真正意义上的c a d 标准， 更不利于进行叶轮实体的三维模型重建；二维水力设计完成后不易直观地观察 流道或叶片的空间形状，在三维实体造型完成后可以进行初步的分析，如流道或 叶片的光顺性评估、强度分析、质心分析等，若不满意，可以进行修改。随着机 械产品制造技术的发展，计算机集成制造技术将会在泵业生产中得到应用，三维 造型系统是c i m s 中的关键技术之一。国内的泵c a d 软件大多是在a u t o c a d 平台上开发的，要进一步提高软件的功能和加速开发过程，需要选择功能更强的 支撑软件，如p r o e 、u g 等，将c a d 与c a p p 、c a m 系统进行集成，形成c i m s 、 c i m s 不仅可以大大缩短泵产品的设计和制造周期、还可以大幅度地提高产品的 质量，降低成本，从而提高产品的竞争力，促进我国泵设计、制造水平的进步。 ( 5 1c f i ) ( 流动数值计算) 分析现有的水力设计软件在完成水力设计后， 基本上没有进行c f d 分析，三维实体造型为产生c f d 的三维体贴网格奠定了基 础，在由c f d 分析得到的速度场和压力场进行分析基础上、可修改水力设计， 直至达到设计要求为止。通过c f d 技术来预测设计结果的好坏，减少泵产品试 制费用、甚至可以直接利用c f d 的反问题进行水力设计。 i 3 课题的来源 本课题来源于大连四方电泵有限公司技术部的工程研究项目。 1 4 课题的研究意义 离心泵是用量最大的泵，作为泵关键部件的叶轮，其叶片的制造技术和制造 质量直接影响到泵水力性能、汽蚀性能及运行稳定性。采用传统方法制造泵叶轮 叶片模具，不仅费时费力，而且制造精度差。随着现代制造技术的飞速发展，计 算机在我国泵行业中的应用已从c a d 日益向c a m 以及c a d c a m 的集成领域 扩展。将c a m 用于叶轮叶片模具，无疑是泵制造技术进步中的重要一步。 北京： 业大学工学硕士学位论文 目前，叶片水力设计c a d 的输出结果，一般仍然是给出二维的叶片木模图。 很显然，这种用2 d 工程图来描述3 d 产品模型的假三维造型的做法，已不能满 足现代c a d 与c a m 的需要。虽然近些年来，对水泵叶轮叶片三维造型的研究 报导已屡见不鲜，但大部分还是基于a u t o c a d 进行开发的，有的虽然在一些三维 软件上进行开的，但程序复杂，不易操作，有的只是针对圆柱形叶片，而没有对 空间扭曲叶片进行研究，等等。 利用一台具有计算机三维图形功能的计算机进行水泵设计，在设计过程中计 算机不仅可以绘制符合国家标准的零件图、装配图，实现结构的造型设计、完成 各个方面的计算与分析，还可以让设计人员进行动态模拟，如水泵运行原理的动 态模拟，主要构件的加工过程模拟，装配过程的模拟等a 这样不仅保证了产品设 计质量，而且缩短了设计周期，实现设计方案的最优化，并大大地缩短了泵产品 的生产周期，保证了产品的性能，强化了对千变万化的市场的快速反应能力。因 此，对泵三维c a d 系统的研究和开发，对推动我国泵c a d 的发展将具有重大 的意义。 1 5 课题的主要研究内容 针蹲上述我莲| 泵c a d 研究状嚣秘发展趋势，本文黻蹇，0 裂菇疆究对象，建 立w i n d o w s 环境下开放式、可扩充的新的能完成低、中和高阮转速离心泵叶轮 三维c a d 系统。该系辘运用露阿对象的程序设诗语富v i s u a lc + + ，选捶当今 赶界上疆流行静三维设计软件p r o e n g i n e e r 为嶷撑软件，根据离心泵水力设计原 则，完成离心戮时轮妁设计计冀和图形舱绘制，并生成p r o e 接口文 q = ，然后程 p r o e 中实瑶离心泵叶轮空间摇瓶盱片鹃三维察俸造型设；卡，井完成整个泵的编 构装配和机构仿真。从稍摒弃了传统生成时轮二维木模图的方法，实现人机交互， e 删a m 一体往。 本论文主瓣研究内容为： ( ) 裱据离心泵永力设诗暴理，黻一元滚动理论兔罄醚，运壤天翻在长裳蜜 践中总绻的一爨水力参数计算方法，将传统的水泵叶轮制图过程进行数学分析， 健之餐孵证帮葵法耽，莠罴疆一些耨豹敲篷诗簿方法，霞主述葬法与数箨结搀舞 程序设计方法统于程序设计之中，最后用计辣机来完成水泵叶轮的计算和绘网 工霞。 ( 2 ) 对目前机械c a d 和离心泵c a d 研究现状和存在的问题进行深入的分 毒居，确定囊，祭靖轮c a d 系统瘦该罄决嚣重点海题。 ( 3 ) 采用面向对象的开发工具v i s u a lc + + 进行离心泵的水力设计，以完成 铁裹心泵基享尺寸夔输入、诗簿劐睁轮辍垂图坐藏这整套参数弛c a d 过程。 一6 + 一 第1 章绪论 ( 4 ) 采用模块化、参数化和功能开放式的设计思想，为系统设计直观、简洁 和标准的w i n d o w s 人极对话爨露。 ( 5 ) 为此系统设计与p r o e 的接 j ，以便p r o t e 调用熊设计好的叶片烈值点 数据，完成最终的三维造型设计。 ( 6 ) 将本软件应用于实例，介绍大连网方电泵有限公司的屏蔽电泵结构的整 个设计、制作过穰和机构仿真，以进一步诞实本软l 牛的正确性和适用性。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章离心泵叶轮水力设计 作为泵关键部件的叶轮，其叶片的制造技术和制造质量直接影响到泵水力性 能、汽蚀性能及运行稳定性。叶轮叶片是复杂的空间曲面体，其设计和制造复杂。 为了获得性能优良的叶型，传统的方法是先根据模型换算法或速度系数法计算出 流道、叶片轴面截线及木模截线，然后根据图纸制成模型，并在试验台上反复试 验，最终得出符合要求的n l + 形。本章就详细介绍叶轮水力设计制作的全过程，其 c a d 就以此为基础。 2 1 离心泵基本设计理论 2 1 1 叶轮几何形状及其表示方法 叶轮是由前盖板、后盖板和盖板之间的的叶片组成的，盖板表面通常是回转 黼藤。盱稔常褥祷铁、铸镧、会袅钢或其它槠辫裁成。分犟啜式时轮籁双凝式时 辖。双吸式叶轮为两个轮盏都肖吸入孔，液体从两侧同时进入叶轮，以掇高叶轮 载瀛萤。 母嚣畜三静n - 式：| 。素跨冀；2 + 攀麴率跨片，恣稼鏊秘影时片，靖冀 表露楚鼙两弯蠢囊煞；3 双麴察时片，毽楚空阗掇鏊咛冀，盱冀袋纛蹙潋囱弯藏 敬，繇空耀趁瓣。 为了完整而滴楚地表示叶轮的几何形状，现引进两个辅助平面( 平面和轴 蕊) 。平嚣是垂塞辍线羹平嚣，辘嚣是过辍心线静学囊，平瑟窝辍嚣懿胃璇终程 意多个。 毡)鞋) 麟靠t 时轮藏奠投影鞫 辩辘嚣投影b ) 半蠢投影 承力机械鞠过流部分采用鞠应静平磷嗣轴蕊投影寐表示。 一寒一 北京工业大学工学硕士学位论文 一、平面投影 和一般机械制图的侧视图棚同。在平蟊投影图上，反映径囱和圆周方位的形 状。叶轮的平面投影可以从叶轮前面或厢面( 包括去掉相应的盏板) 去投视。图 2 1 b 怒从叶轮藏厦( 囊掉前蘸扳) 投视的形状。 二、轴面投影 叶轮的轴面投影如图2 - l a 所示。轴面投影也就是圆弧投影。它是将要表示 的部分，以轴心线上的对应点为圆心，按其所在的半径沿圆弧投影在一个轴面上。 叶轮的轴面投影就如同用一个轴面去切割叶轮，因盖板是轴对称的，其剖面就是 其相应的轴面投影。但叶片的投影不用相应的剖面形式来表示，而是按圆弧投影 的方法将叶片的所有部分投影在轴面上。设想叶片是弹性材料制成的，叶片轴面 投影图，就是将叶片保持径向尺寸不变，旋贴在轴面上。其实叶片进、出i ：1 边的 轴面投影和盖板与轴面的交线就组成了整个叶片的轴面投影。至于叶片的弯曲情 况，要借助平面投影看出。 2 1 2 叶轮设计理论基础 设计叶轮的任务，在于给出符合流动规律的叶片形状。为此，应首先研究液 体在叶轮中的运动规律。我们把叶轮内的液流从前盖板到后盖板分成若干层，每 层相当于一个流面。液体只沿每层流动，层与层的液体不相互混杂。这样就把研 究叶轮内的流动就简化为几个流面上的流动的问题。每个流面上的流动可能不完 全相同，但研究方法是相同的。这样又进一步把研究叶轮内的流动，简化为研究 一个流面上的流动问题。 流面上液体相对运动的轨迹和叶片表面形状一致，即叶片与流面的交线就是 液体在叶轮中相对运动的流线。在相邻两叶片之间可以画出任意多个这样的流 线。假设叶片是无穷多且无限薄时，则这些流线的形状就完全相同。于是，只要 研究一条流线就行了。把几个流面上相对流线按规律排列起来，加上厚度就是叶 轮巾的叶片。这样，叶片可视为是由几条相对运动流线组成的。因此，研究叶轮 内的流动简化为研究沿相对流线的流动。 相对运动流线和给定的叶轮内的流动规律有关。实际上，叶轮内的流动是很 复杂的，在设计中对叶轮内的流动作了一系列假设，用具有不同规律的流动，代 替叶轮内的复杂的流动。就是所谓的一元、二元和三元理论设计叶片方法的基础。 一元理论假设流动是轴对称的，即每个轴面上的流动均相同。在同一个过水 断面上轴面速度均匀分布，因而轴面速度只随轴面流线一个坐标变化。二元理论 同样假设流动是轴对称的，但轴面速度沿同一个过水断面不是均匀分布的。这样， 轴面速度随轴面流线和过水断面形成两个坐标而变化。可见，一元和二元理论都 北京工业大学工学硕士学位论文 是以无隈时片鼗鞭设为蘩稿。丽三元理论怒以霄隈时片数为瑟础。弦设滚动不是 毯对拣楚，每令獭瑟兹滚瀵否不糕嗣，努羚，沿瓣一过隶瑟瑟毒囊嚣滚速落不是不 淘匀分蠢靛。这样，辕瑟速度蘧辘瑟、辍瑟流绞霸过永新弱三个垡标变纯。 目前对于离心泵，大都按一元理论设计。因为它长期以来为人们所熟悉，积 鬃了事嘉懿设计经验，憋结了许多设诗秘缀骏系数，设计效莱媳缀好。本文采蹋 的设计方法均基于元流动的假设。 2 2 离心泵的永为设计 离心泵的水力设计属于过流部件水力计算的反问题。它主隳解决兰方面问 趱 f 1 ) 过滚部传的主攒参数，鞋及部箨器部势魏最佳e 倒。 f 滚鍪设诗，选定在隶力设嚣遥程中繇途怒熬过滤部释鹣流动燕拷；镶翅 时轮前焉流动环爨躺分布及轴面避度豹分布；这貉分布均为设计前韶假定。 ( 3 ) 叶轮叶片及流道的型线设计，提供过流部件的加工木模图。 下面就详细讲述其主要设计的步骤。 2 2 1 泵主要设计参数和结构方案的确定 一、提供设计的数据和要求 ( 1 ) 流量q ( 2 ) 扬程日 ( 3 ) 转速n ，由设计者根据通用电动机的转速确定 ( 4 ) 装置汽蚀余量n p s h a ( 5 ) 效率叩，一般为要求达到的效率 ( 6 ) 介质的性质p ，例如密度、温度、含沙量和腐蚀性等 ( 7 ) 对性能曲线的特殊要求 二、泵进出口直径的确定 1 进口直径 泵进口直径也叫泵吸入口径，是指泵吸入法兰处的管的内径。吸入口径由合 理的进口流速确定。泵的进口流速一般为3m s 左右。从制造经济性考虑，大型 泵的流速取大些，以减小泵的体积，提高过流能力。从提高抗汽蚀性能考虑，以 减小流速。常用的泵吸入口径、流量和流速的关系见表2 1 。对抗汽蚀性能要求 高的泵，在吸入口径小于2 5 0i r l i r l 时，可取吸入流速v s = 1 0 1 8 州s ；在吸入口 第2 章离心泵叶轮水力设计 三烹竺! ! ! 苎燃! ! ! 苎燃皇! ! = 懋嚣竺! ! ! 燃兰! ! ! 苎懋! ! ! 苎烹竺! ! 竺苎兰! ! ! 苎憋= ! ! ! 烹篡! ! ! 径大于2 5 0 m m 时，可取k = 1 4 2 2m s 。 表2 - 1 泵避窭蒎速瓣选择 进口直释( m m ) 4 05 06 5 8 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 4 0 0 流速m s1 3 7 51 7 72 ，l2 ，7 63 。5 32 8 32 + 1 52 s 3 革缀泵 流量m 3 h6 2 5 1 2 5 2 55 01 0 01 8 03 0 05 0 0 波速m s1 3 7 5l ，7 72 12 ，5 432 。4 42 4 82 。5 42 ，8 43 4 2 多缀泵 流量m 3 ，h 6 5 21 2 52 54 68 51 5 5 2 8 04 5 07 2 01 5 0 0 选定吸入流速后，按下式确定 d ：胆 。 v 聊， 2 。滋日壹经 泵的出口直径也叫泵的排出口径，是指泵排出法兰处管的内径。对于低扬程 裂，摊出翻径可以与吸入明经相同；对于凑扬程裂，为减小泵的体积积搀爨管路 直径，可取排出口径小于暇入口径，一般舣 d d 一( 1 o 7 ) 鼠 三、紧转速的确定 确定浆转速应考率下颓因素： ( 1 ) 裂转速越商，体积越小，霞量越辍，据魏应选择尽量高酌转速 f 2 1 转速和比转速有关，而比转速和效率有关，所以转速应和比转速结合起 粟确定； ( 3 ) 确定转速应考虑原动机的种类( 电动机、内燃机、气轮机等) 和传动装 簧( 疫带转动、嚣轮传动、滚力耩台黄动簿) ； ( 4 ) 转速增高，过流部件的磨损加快，机组的振动、噪声变大。 逶常俊先选择邃动撬瀣接联缭绩动，器步邀动懿熬弱步转速鬟于表2 - 2 。 表2 - 2 电动机同步转谯 缀对数 246 8l o1 2 同步转速m 3 0 0 01 5 0 0 1 0 0 07 5 06 0 05 0 0 电动壤荣负蕊磊的转遮小于囝步转速，通常羧2 左右匏游鸯率确定魄动极 的额定转速 n = n o ( 1 - s ) 武中r 滑查率( ) 四、汽蚀比转速的计冀 汽蚀比转速公式： 北京上业大学工学硕士学位论文 ! ! ! = _ o ! ! _ ! ! ! ! = ! ! ! o _ ! ! ! ! = ! ! ! ! _ = ! ! ! _ ! ! ! ! ! ! = ! 皇鼍! ! ! ! ，5 6 2 n q j 。一1 函万 式中卜裂的吸入v 1 数 5 根掘c 值及n p s h r ，可以计鳞汽蚀条件所允许的泵的转速 c n p s h ，辨 理 = = o 5 6 2 4 q u ， 蠹、诗冀毙转遮槐，确定泵麓零办方寨 比转速n s 的计算公式为 。：3 6 5n , f q l j ( h i s ) 4 式串卜多缀泵匏级数 、 在确定比转速时威考虑下列因素： ( 1 ) 瑰= 2 棼2 1 0 ，泵静麓率最疯，m 8 0 当”s 9 0 。p 2 。9 0 。 并致较大德冒，尉一盆槛麓曲线会氆现驼蝾现象，使离心塞运行不稳定。为了得 到较高的效率。：。一般取1 8 。4 0 。 选择。应考虑下列因素： ( 1 ) 低比转遴泵