（机械电子工程专业论文）离心泵叶轮cad与快速建模技术研究.pdf

摘要 离心泵叶轮是离心泵的关键部件，它的设计速度和度量直接影响产品的开发周期和 产品竞争力。本文在详细了解国内外叶轮c a d 应用的基础上，针对目前叶靴a d 的研究和 应用现状的不足，采用参数化技术，开发了离心泵叶轮c d 与快速建模系统。该系统运用 面向对象的程序设计语言v i s u a lb a s i c 编写，选择当今世界上流行的三维设计软件 s o l i d 再o r k s 为支撑软件，根据离心泵水力设计原理，完成离心泵叶轮的设计计算和图形 的绘制，并能跟据叶轮水力模型在s o l i d w o r k s 中实现离心泵叶轮叶片的三维实体造型， 实现人机高度交互，为离心泵叶轮c d c m 一体化打下了坚实的基础。全文内容如下： 第一章介绍了c d 技术发展史和现代c a d 的技术特点，叶轮c a d 软件应用和开发现状， 指出了软件应用方面的不足，阐明了本课题的意义 第二章根据离心泵水力设计原理，以一元流动理论为基础，详细介绍叶轮水力设计 制作的全过程，包括从离心泵主要设计参数和结构方案的确定，到叶轮主要尺寸的选择 和计算，再到轴面图的绘制及时片绘型。并据此写出了离心泵叶轮c a d 流程。 第三章根据上述离心泵水力设计原理，完成从离心泵基本参数的输入到叶轮轴面投 影图的绘制等一系列c a d 算法流程，同时对叶轮流道参数化建模进行了研究，探讨了叶轮 流道建模方面的关键技术并建立了叶轮轴面流道的参数化模型，使模型具有直接参数驱 动的能力，在很大程度上提高了叶轮轴面流道的设计精度与效率 第四章对叶片绘型方法进行了研究，运用保角变换法完成从流线分点到叶轮水力模 型( 木模截线图) 输出等一系列c a d 过程，实现了离心泵叶轮的模块化设计，为离心泵叶轮 的快速建模做好准备。 第五章为改善离心泵叶轮二维水力模型不能充分直观表达叶轮三维模型的缺点，对 离心泵叶轮快速建模方法进行了深入研究，提出了一种基于叶轮木模截线图对叶轮进行 快速三维建模的高效算法。 第六章是本文研究工作的实现与应用，介绍了离心泵叶t 仑c a d 与快速建模系统，并通 过实例证明了该系统在实际应用中的适用性与可靠性。 第七章总结了本论文的主要研究成果，并指出了一些有待于进一步深入研究的问题。 关键词：离心泵，叶轮，c a d ，参数化，模型，三维 当耋耋三查茎璺圭兰簦笙兰垒! ! 筌 a b s t r a c t q 瓣州p u m pi m p e l l e ri sak 掣c o m p o n e n tw h o s ed e s i g n i n gs p a ti a lq u a l i t yd i r e c t l y i n f l u e n c et h ed e v e l o p m e n tp e r i o da n dt l a ec o m p e t i t i o na b i l i t yo f p r o d u c t i o n t h ea p p l i c a t i o mo f i m p e l l e rc a da th o m ea n da b r o a da n di t sd e f i c i e n c y 犯d l r x , tb a s e do nt h ed e t a i l e d i n v e s t i g a t i o n s b ya d o r 曲a gt b ep a m e t e , _ i z e ( 1m o d d 啦t e c h n i q u e , t h ec c 曲删lu m p i m g e u e rc a da l a dr a p i dm o d e t i n gs y s t e m i sd e v d o l 似1 b y 啦t h eo 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 l l g l l a g ev i s u a lb a s i ca n ds u p p o r t e dw i t hs o l i d w o r k s , t l a es y s t e mc 孤f i n i s ht h e d e s i 嘲a n dd r a w i n go f c e n t r i f u g a llu m pi m p e l l e r , 卸a dc 融a c h i e v et h e3 dm o d e l k n go f t l a e i m p e l l e r b a s e d o n t l a e h y d r a u l i c m o d e l i n g i n s o l i d w o r k s t l a e d e t a i l c o n t e n t s i s a s f o l l o w s ： i nt i l ef i r s te l , a p t e r , t h ed e v e l o p m e n t , t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ea 田：r e ms t a t u so fi m p e l l e r c a d a 肥i n t r o d u c e d 1 f i 砖d e f i c i e n c yo ft h ec a d f i 】峨i s 锄a l y 碱f i m l l yt h ep r o j e d s i g n i f l e a a c e , m a i nr e s e a r e l ac o n t e l l l sa r ep r o v i d e d t h es e c o n dc h 印t c fi n t r o d u c 燃t h ew h o l ep r o c e s so fl a y d r a u l i ed e s i g n i n go fi m p e l l e ri n d e t a i lb a s e do no n e - d i m e n s i o n a lf l o w i n gt k 幻巧a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f e e , l l r i f l j g a lp t n n p i m p e l l e rl a y d r a u l i ed e s i g n i g , f r o ma s c c r t a j l m a c n to f m a i np a r a m e t e r sa n ds m l e t l j r a lc o n c e p tt o t h ed r a w i n go f a x i a lp r o j e c t i o na n dt h eb l a d e t h e ni tg i v e st h ec a d 燃i s i 】呜o f m r i f h g a l p u m p i m p e l l e r w i t h r e f e r e n c e t o t h e a b o v e c h a p t e r3f i n i s h e sas e r i e so f a l g o r i t h mo r o e e s s i n gf r o mi n p u t so f t h e b a s i cp a r a m e t e r st o t h ed r a w i n go fa x i a lp r o j e c t i o n , a n dh a sar e s e a r c ho nm o d e l i n go f t h ei m p e l l e ra x i a ls p r u e i t b u i l d st l a ep a 瑚m c t 蒯m o d e la n dm a k e st b em o d e lc a l lb ed r i v elb yp a r a m e t e r sd i r e c t l y , a n d l a r g e l yi m p r o v e s t h ed e s i g na c c u r a c ya n de t t i e i e n e yo f i m p e l l e ra x i a ls p r u e c b a 弦4h a s ar e s e a r c ho nt h ei n c t h o do f d r a w i n gb l a d e , a n de o m p l i s h e st h es e r i e so f c a dp r o c e s s i n gf r o ms p l i t 她嗣舶簋哑l i l 】旧t oo u t p u t so fh y d r a u l i cm o d e lo fi m p e l l e r , “盈l i z e s t h em o d u l a r i z a t i o nd e s i g n i n go fc e n t , i f u g a lp 咖 1 pi m p e l l e r , a n dp r e p a r e sf o rf a s tm o d e l i n go f t h ei m p e l l e r c 1 1 印t e r5h a sad e e pr e s e a r c ho nt h em e t h o df o rf a s tm o d e l i n go fe , 倒r i f u g a llu m p i m p e l l e r , a n db r i n gf o r w a r dae f f e c t u a la l g o r i t h mf o rf a s tm o d e l i n go fi m p e l l e rb a s e d0 1 1t h e d r a w i n go f w o o dp a l t e m 岫e r s a l t h a i 6i n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o r la n da p p f i e a l i o no fa i l 即簧砸妇i nt h i s 弘驴a n d i l l u s t r a t e st h ec e n t r i f u g a lp 咖叩i m p e l l e rc a da n df a s tm o 拙l gs y s t e m , a n dt h e np r o v e st h e a p p l i c a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h i ss y s t e mi nt h ep r a e l i e a la p p l i c a t i o nb ys o m ee x a m p l e s i nc h a p t e r7 a l lt h er e s e a r c hc o n t e n t s s m , m r i z 她a n ds o m ea d v i s e s 鼬g i v e nf o rt h e f u t u r eo f l h ep 啊e c td e 印r 岱e a r c h k e yw o r d s ：c e n t r i t 嘲p u m p ；i m p e l l e r ；, c a d ：p a r a m e t e f i z a f i o n ；m o d e l ；t h r e ed i m e n s i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同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 表示了谢意。 研究生签名：时间：年月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 阳瞎的学位论文在解密后应遵守此协议) 时间：年月日 时间；一7 年多月，j 一日 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 信息技术及其它高新技术的发展、应用及逐步融合，为企业产品的开发与创新开辟 了有效的途径。c a d ( c o m p u 删d c dd e s i g n ) 技术具有工程及产品的分析计算、几何建模、 仿真与试验、绘制图形、工程数据库管理和生成设计文件等功能，其广泛应用已经引起 了一场工程设计领域的技术革命。特别是近2 0 年来，由于计算机硬件性能的不断提高， 以c a d 技术为代表的信息技术在产品开发中的深入应用，开创了崭新的产品开发模式一一 数字化产品设计，由此所带来的设计观念、设计方法、组织形式的全面创新，将迎来机 械产品设计的现代化”w 1 1 机械c d 国内研究现状及发展趋势 1 1 1 队d 的发展历程 c a d 技术作为信息技术的一个重要组成部分，对加速工程和产品的开发、缩短设计 制造周期、提高质量、降低成本、增强企业市场竞争能力与创新能力等方面发挥着重要 作用。目前c a d 技术的应用水平已经成为衡量一个国家，一个企业的技术水平的重要标 j 卧。 在四十多年中，c a d 技术经历了5 个主要发展阶段【1 1 l ： ( 1 ) 初始准备阶段( 2 0 世纪5 0 年代) 。1 9 5 9 年1 2 月韬叫i t 召开的一次计划会议上，明 确提出了c a d 的概念，对以后c a d 的发展起了很大的作用。这一阶段主要特点是提出c a d 设想，为c a d 研制试验提供了硬、软件的准备工作。 ( 2 ) 研制试验阶段( 2 0 世纪6 0 年代) 第一件是美国m i t 林肯实验室的博士研究生 i e s u t h e r l a n d 发表的博士论文“s k e t c h p a d 一一人机交互的图形系统它首次提出了 计算机图形学、交互技术、分层存储的数据结构等新思想，从而为c a d 的应用打下了理论 基础；第二件是1 9 6 4 年美国通用汽车公司和i b m 公司成功开发了用于汽车前玻璃线性设计 的n a c i 系统，这是c a d 最早用于具体对象的系统。此后c a d 在世界范围内得到迅速而全 面的发展。 ( 3 ) 技术商品化阶段( 2 0 世纪7 0 年代) 。在此阶段c a d 技术开始实用化，从二维的电 路设计到三维的飞机、汽车等设计，出现了很多开发c a d 系统的软件公司，一些国外大公 司开始在c a d 技术应用中取得效益。这个年代末，c 臌术进入了大多工程和产品设计的 领域。 ( 4 ) 高速发展阶段( 2 0 世纪8 0 年代) ( 5 ) 全面普及阶段( 2 0 世纪9 睥代) 。随着c a d 技术的发展，其系统性能提高，价格 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 降低，c a d 开始在设计领域全面普及，成为工程界必不可少的设计工具。 1 1 2 机械c a d 国内研究现状 2 0 世纪9 0 年代初，中国的c a d 软件市场基本上由国外产品所垄断。在政府的积极支持 和引导下，中国c a d 技术的开发和应用t - 9 0 9 代中后期取得了长足的发展，除对许多国外 软件进行了汉化和二次开发以外，还诞生了不少具有独立版权的c a d 系统，如开日c d 、 高- 华c a d 、p i c a d 等，打破了国外产品一统天下的局面。同时，c a d 软件产品也从单一的二 维绘图软件发展到涵盖c a d 、c a p p 、c a e 、c 枷、p 蹦和e r p 等方面的系列化产品。尽管在 c a d 找* 的研究、开发和推广上取得了较大的进展，但中国的c a d 技术在应用的广度和深 度上与工业发达国家相比仍然存在较大差距，严重制约了c a d e t 术在中国机械制造业中发 挥更大作用。 1 ) 国内自行开发的c a d 软件，市场占有率较低。一方面是由于国外软件的市场成熟； 另一方面更为主要的原因是，国内的c a d 软件功能单一，集成化程度低、性能稳定性差， 缺乏竞争力。 2 ) c a d 技术的应用广泛只是停留于“基于图纸阶段”的计算机辅助制图，也就是说 c a d 系统仅仅是图板的代替品，设计人员借助c a i ) 来摆脱传统的手工制图，将工程设计图 看成“点、线、圆弧”等二维几何元素的集合，c a d 系统的深层次应用不到位：不能对设 计意图进行捕捉，不能表达或提取完整的技术和生产管理信息，不能为设计人员提供设 计过程的指导，不能提供产品在其全生命周期的各个阶段中的各种实践经验，专家知识 以及其它相关的信息。 1 1 3 机械c a d 发展趋势 1 集成化 在生产制造型企业中，设计、工艺编制、制造与管理构成了主要的生产活动，c a d 技术是企业采用先进制造技术的基础，所以，建立在开放性、分布式工作站网络上的c a d 集成化系统是c a d 技术发展的主要趋势之一。集成化是多角度、多层次的 工程设计领域中c d 与c a p p 、c 删之间的集成。这种集成可以是一个c a d 系统内部各 模块之间的集成，也可以是多种c a d 系统之间的集成，或者是工程设计领域中c a d 与c a p p 、 c a m 之间的集成。应用c a p p 、c a m 、m i s 等单元智能技术，并在各个系统应用的基础上建 立企业级信息集成系统，应用先进制造技术，真正从整体上提高效率，降低成本。 2 标准化 由于历史上c a d 、c a m 软件最初开发过程中的孤岛效应，导致了它们数据表示格式的 不统一，使用不同系统、不同模块间的数据交换难于进行，影响了c d c 枷的集成，因 2 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 此国际上提出了通用的数据交换规范如：i g e s 标准和s t e p 标准， 吏c a d 软件建立在这些标 准上，以实现系统的开放性、可移植性、可互连性。 3 智能化 随着人工智能技术的发展，将人工智能的思想、方法和技术引入到传统的c a d 系统， 模拟人脑推理分析，提出设计方案和策略以知识和知识工程为基础的专家系统的出现。 推动了c a d 系统的智能化。基于知识的设计仓库能及时准确地向设计人员提供产品开发所 需的信息与帮助，解决产品设计中对知识的需求问题。同时利用动态导航技术实现c a d 系统操作的人性化、智能化，如自动对图形进行捕捉、提示，自动标注尺寸关系，自动 检查图形的过约束和欠约束，使用户有更多的精力和时间投入到创造性的工作中 4 参数化 随着计算机软硬件技术的飞速发展，c d 技术从二维平面绘图发展到三维产品建模， 随之也就产生了三维线框造型、曲面造型以及实体造型技术如今参数化及变量化设计 思想和特征造型代表了当4 - c a d 技术的发展方向。新的c a d 系统增加了参数化和变量化设 计模块，使得产品的设计图可以随着某些结构尺寸的修改和使用环境的变化而自动修改 图形，这可以减少大量的重复劳动，减轻设计工作量。 5 网络化 网络技术是计算机技术和通讯技术相互渗透而又紧密结合的产物，c a d 技术作为计 算机应用的一个重要方面，同样离不开网络技术当前基于w e b 的c a d 技术是c a d 技术研 究领域的又一热点。 1 2 离心泵c a d 国内外研究状况及发展趋势 1 2 1 国外泵类c a d 研究状况“1 国外水泵c a d 目前已具备相当水平，并逐步得到广泛的推广应用。其主要技术特点 是： ( 1 ) 在软件方面，比较注重支撑软件的选择。软件开发的起点高，重复性少，发展较 快；系统软件在c a d 工作站几乎都采用 n i x 操作系统，开发语言倾向于面向对象的c + + 语言。 ( 2 ) 在硬件方面，逐渐实现了从小型机到工作站的转变，充分利用工作站可以处理大 规模的应用程序，而且运行速度快的特点，进一步推动了泵c a d 的发展。 ( 3 ) 注重c a d 和c a m 的结合。如欧洲三大泵制造商之一的英国威尔泵公司( w e i r p 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，c a d 系统输入参 数后，可以直接输出刀具的走刀路线，并在图形的终端模拟刀具的行进轨迹，进而实现 部件的仿真加工。 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 ( 4 ) 技术内容广泛，包括水力设计，性能预测，优化设计，功能模块化技术，数据库 管理，有限元分析等。 1 2 2 国内泵类c a d 研究状况 国内水泵c a d 的研究始于上世纪7 0 年代，清华大学、沈阳水泵研究所、江苏大学、 中国农业大学等先后展开了这个方面的研究，取得了一定的进展，不同程度的实现了泵 的c a d 。如江苏大学开发的p c a d 等，一定程度上满足了生产用户的要求，在应用中体现 了c a d 技术的优点。此外国内泵c a d 的研究内容也逐渐广泛，从单一的离心泵研究到其 他各类泵的广泛研究，从单纯的水力设计软件开发到系列泵结构c a d 的研究，从二维水 力设计到三维造型模块的研究等，都取得了一定进展，有力地推动了泵技术的应用和发 展。但目前大多未能实现水力设计、叶片绘型、结构设计、三维造型一体化要求，尚无 一套完整的从初始设计到快速三维建模的c a d 系统。 综观我国泵c a d 技术的发展与国外相比，由于起步较晚，总体应用水平还较低，没 有完全体现c a d 技术的特点，尚存在以下不足： ( 1 ) 三维造型研究较少。国内泵c a d 的研究主要集中在二维水力设计，而随着计算机 集成制造技术( c i 惦) 在水泵制造中的应用，三维造型将成为c i m s 技术的关键所在。 ( 2 ) 系列泵结构c a d 研究较少。随着泵c d 技术的广泛研究，泵结构c a d 的研究具有 广泛的使用空间和极大的应用价值，可以大大提高系列产品的开发速度和质量。 ( 3 ) c a m 技术发展缓慢。加工路线仍以木模工手工刻制叶轮叶片模具来进行铸造的方 法，加工精度低，已经不能满足技术进步的需要 “) 缺乏合作，研究方向相互重复各研究单位横向合作较少，做了很多重复性的工 作，既造成资源浪费也影响了泵c a d 的研究速度，同时也给用户的使用维护带来了纷杂 不便。 1 2 3 泵类c 加的发展趋势 随着计算机技术的迅速发展和现代泵设计的不断完善，未来泵c a d 的发展将呈现以 下趋势： ( 1 ) c a d 三维造型软件的开发。现有的水力设计软件在完成水力设计以后，基本上没 有进行三维实体造型和c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，计算流体力学) 分析的功能。 而水力设计的完成己为三维造型提供了足够的三维信息。设计者可以借助支撑软件，充 分利用这些信息来完成三维实体造型。这样就可以进行流道和叶片的技术评估及强度、 有限元分析等计算工作。 ( 2 ) 优秀支撑软件的选用。为了加速泵c a d 的开发过程，必须选择功能强大的图形支 4 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 撑软件，如高版本的s o l i d w o r k s 、p r o e 、u g 等 ( 3 ) 面向对象的高级开发语言。如v b ，v b a 等他们和支撑软件( s o l i d w o r k s ) 融为一体， 开发环境良好，易于调试且功能强大。 ( 4 ) c a d 与c a p p 和c a m 系统集成未来机械行业的发展方向将是c i m s 系统 ( 5 ) c a d 与c f i ) 技术相结合把泵的三维实体以特定的文件格式输出到c f d 软件中， 就可以进行速度场和压力场分析，对泵的性能进行预测，验证设计结果，降低泵产品的 设计制造费用，甚至还可以直接利用c f d 的反问题进行水力设计 ( 6 ) 泵结构c a d 软件的开发。泵结构c a d 的研究具有广泛的使用空间和极大的应用价 值，可以大大提高系列产品开发的速度和质量 伴随机械c a d 技术的迅速进步，按照现代泵的设计理论和方法开发泵类c a d 软件， 实现水力设计、立体造型，流场分析，有限元分析及数控加工一体化乃是今后泵行业新 产品开发的大势所趋。 1 3 课题的来源及研究意义 1 3 1 课题的来源 本课题来源于山东理工大学机械工程学院的山东省科技攻关项目“泵类产品关键部 件快速样机技术研究” 1 3 2 课题的研究意义 泵类产品是一种典型的小批量、多品种的机械产品，其用途广泛，用户覆盖面大， 在不同领域、不同应用场合对泵类产品的外形结构、工作性能均会有一些特殊的要求。 目前市场对泵类产品的需求特点是：1 ) 标准泵类产品的订货日益减少，适应用户要求的特 殊订货大量增加：2 ) 对产品的结构、性能等要求越来越高；3 ) 对产品的订货周期要求越 来越短。为适应市场需求，迫切需要采用现代化的设计手段提高泵类产品的竞争能力。 泵的生产厂家众多，仅省内具备一定生产规模的水泵厂就有近百家，大多数设计任 务繁重，而产品设计能力又相对较弱。一名熟练的工程师设计一台单级泵约需要4 5 天左 右，很难满足用户的订货要求。水泵设计成功的关键在于流道设计，流道设计过程中需 要处理大量的自由曲线和自由曲面，计算量大，精度要求高。人工设计往往采用近似方 法，难以保证设计精度和所设计水泵的效率，致使设计失败，浪费大量的人力物力，所 以为了解决以上矛盾泵类设计必须与c a d 技术相结合。 鉴于上述分析，本课题要完成的是一整套通用型新颖实用的离心泵叶轮c a d 与快速 建模系统，用以实现离心泵叶轮设计、绘型( - - 维) 和实体造型( 三维) 的计算机化， 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 可大大缩短离心泵的研制周期，提高设计精度，增强产品的可靠性和竞争力 该c a d 系统完成以后设计速度可以提高5 1 0 倍，设计精度提高1 至2 个数量级， 并可进行更精确的水力设计和局部优化，所以设计离心泵的工作效率将明显提高。对于 提高我国离心泵产品的设计制造水平和促进水泵行业的技术进步也将起到巨大的推动作 用。 1 4 课题的主要研究内容 本文以离心泵叶轮为研究对象，建立了w 埘b 孵环境下开放式、可扩充的能完成低、 中和高比转速离心泵叶轮c a d 与快速建模系统。该系统运用高级程序设计语言s u a l b a s i c ，选择当今世界上流行的三维设计软佴：s o l i d w o r k s 为支撑软件，根据离心泵水力设 计原理，完成离心泵叶轮的设计计算和图形的绘制，通过s o l i d w o r k s a p i 函数的调用，在 s o l i d w o r k s 中输出二维工程图并实现离心泵叶轮空间扭曲叶片的三维实体造型设计，绘 图过程实现了高度人机交互。 本论文主要研究内容为： ( 1 ) 根据离心泵水力设计原理，以一元流动理论为基础，运用设计人员在长期实践中 总结的一套水力参数计算方法，对传统的水泵叶轮设计过程进行数学分析，使之解析化 和算法化，并采用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设计和绘图工作。 ( 2 ) 采用高级编程语言v i 蜘i a lb a s i c6 o 进行离心泵的水力设计，以完成从离心泵基本 尺寸的输入、计算到轴面截线图、木模截线图的绘制。 ( 3 ) 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 m d o w s 人机对话界面。 “) 为此系统设计与s o l i d w o r k s 的接口【”，以便s o h d w o r k s 进行二维工程图的输出并 完成叶轮快速建模，即叶轮的三维造型设计 本论文共分为七章，组织结构如图1 - 1 所示。其中，第二章是全文的理论基础，第三、 四、五章是离心泵叶轮c a d 与快速建模系统各阶段的设计过程研究，第六章是本文研究工 作的实现与应用。 6 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 之乡 l第二章离心泵叶轮设计原理与c d 流程 迫多之多 之乡 第三章 卜 第四章 卜 第五章 离心泵叶轮流道离心泵叶轮叶片离心泵叶轮快速 设计技术研究 绘型技术研究 1 建模技术研究 七乡之乡之多 第六章离心泵叶轮c d 与快速建模系统开发 之乡 第七章结论与展望 图1 - 1 论文的组织结构 7 山东理工大学硕士学位论文第二章离心泵叶轮设计原理与c a d 流程 第二章离心泵叶轮设计原理与c a d 流程 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 叶形。本章详细介绍了叶轮水力设计制作的全过程，其c d 系统就以此为基础。 2 1 离心泵的基本设计理论 2 i 1 离心泵内液体流动分析 研究泵内液体流动规律，为的是找出液体的流动与流道的几何形状之间的关系，确 定适宜的流道形状，以便获得符合要求的水力性能。液体在叶轮内的流动状态较为复杂， 它在流过叶轮的同时又被叶轮强迫着起转动，使得研究和分析比较困难，叶片泵的基 本理论也主要集中在叶轮流道中液体运动规律的研究和叶轮的水力设计上。 叶轮流道几何形状通常用轴面投影图( 图2 - 1 a ) 和平面投影图( 图2 - l b ) 表示前者将 叶轮流道用圆柱投影法投影在用过旋转轴线的平面上。后者是将流道投影于垂直轴线的 平面上【1 2 l 。 )w 图2 _ 1 叶轮投影图 分析离心泵叶轮流道中液体流动规律时，我们暂且引用以下3 点假设： 1 通过叶轮的液流，可以看成是无数层流面的总和，每层流面的流动互不相干； 2 叶轮叶片数z 为无穷多； 3 液体在叶片间的流动呈轴对称。 根据第一点假设，可以将整个液流分离成单个流面来研究。流面是液体质点运动迹 线流线，绕叶轮轴心线回转一周所形成的，流线必在流面上( 图2 - 2 ) 。根据第二点假 山东理工大学硕士学位论文 第二章离心泵叶轮设计原理与c a d 流程 设可以认为叶轮的叶片是一些无厚度的骨线，液体质点相对运动轨迹与叶片骨线的形状 完全一致，这样，绘出液体相对运动轨迹也就得到了叶片的骨线。第三点假设说明在同 一半径的圆周上液体质点有相同大小的速度。每层流面上的流线形状完全相同，每层 流面只需研究一条流线即可 2 1 2 离心泵的损失和效率4 j 图2 - 2 流面和流线 离心泵在把机械能传递给液体的过程中，伴有各种能量的损失，损失的大小用效率 来衡量，它的能量损失包括以下几种： 1 机械损失和机械效率 离心泵的机械损失。由两部分组成，第一部分是离心泵的轴承和密封装置处的机 械摩擦损失 0 ；另一部分则是所谓的圆盘损失0 ，即叶轮在转动时因其前后盖板表 面与液体之问的摩擦而造成的损失 机械损失的大小用机械效率来衡量，设离心泵的轴功率为，则叶轮传递给通 过叶轮的液体的功率为m = 一_ ，一般称m 为水力功率，其公式为： = p g q , 珥 ( 2 一1 ) 机械效率为： = n h = 等- l _ 鲁( 2 - 2 ) 2 容积损失和容积效率 在离心泵内，由于叶轮出口处的压力高于进口处的压力，该压力使得一部分液体通 过叶轮后又从泵腔经叶轮密封环间隙回流到叶轮入口；另一部分液体则从密封处泄漏到 离心泵外；在多级泵中，两级叶轮之间和轴向力平衡装置处也存在泄漏。这样，通过叶 轮的流量q ，并未全部被输送到离心泵出口。由于这种损失是以减少离心泵的理论流量的 形式出现的，所以一般称为容积损失，容积损失的大小用容积效率仉来衡量： 9 山东理工大学硕士学位论文第二章离心泵叶轮设计原理与o d 流程 仉= 等糍产= 篇= 詈 c 猢， 式2 3 中：q ：离心泵的实际流量m 3 s ； q i ：理论流量矿，s q ：泄漏量，s；e ：理论扬程珊。 3 水力损失和水力效率 液体在离心泵进口到出口的流动过程中会产生各种水力损失，例如进口撞击损失、 沿程损失、边界层分离损失、二次流损失和混合损失等，这些损失都要消耗液体的能量。 单位重量液体在流经泵过流部件中损失的能量称为水力损失，用h 表示。故离心泵最终 获得的能量为日= 耳一h 水力损失的大小用水力效率来巩来衡量： 仇= 麓= 苦 c z 咖 4 离心泵总效率 离心泵的总损失是上述三种损失之和，离心泵的效率为输出功率札与输入功率n 之 比，即： ，7 墨n = 趔n = 盟n 署若嘲巩 ( 2 _ 5 ) 。 晓h 。 2 1 3 离心泵相似理论及应用 z l 从上面的叙述可知，离心泵内的流动是非常复杂的，即便是设计工况，现有的理论 也无法精确预测离心泵内的流动，因而也不可能预测离心泵性能。因此，目前离心泵的 设计过程很大程度还必须依靠统计资料和模型试验，相似理论, - j - 用于以下几方面： 1 、对现有大量性能良好的离心泵，可以按相似原理统计出一些经验系数，用以进行 离心泵设计。 2 、对于设计出的离心泵需要进行试验来确定是否达到要求。如果所设计的是大型泵， 由于经济或技术条件的限制，往往不能对实型泵进行试验，这时利用相似理论，将实型 缩成小模型进行试验，也可推测实型性能。 从流体力学知道两个力学相似的液流必须满足几何相似、运动相似和动力相似。对 于离心泵来说，只要满足几何相似和运动相似，则动力相似也自然满足因为离心泵内 液体的重力可以忽略，压力项是由几何相似而满足；粘性力相似也由于离心泵内雷诺数 很大，一般处于自模拟区而近似满足。因此在离心泵中，一般不考虑动力相似而只根据 几何相似和运动相似来推导静心泵的相似定律。 山东理工大学硕士学位论文 第二章离心泵叶轮设计原理与c a d 流程 2 2 离心泵的水力设计原理【l l 2 2 1 离心泵水力设计的任务及要求 1 、水力设计的任务 离心泵的过流部件包括吸水室、叶轮和压水室。离心泵水力设计的基本任务是根据 给定的扬程、流量、汽蚀余量、效率等设计参数，设计出具有良好能量特征和汽蚀特征 的离心泵过流部件形状其中最关键的就是叶轮部件。 l 一吸入室2 一叶轮3 一压出室 图2 _ 3 离心泵过流部件 2 、现代离心泵水力设计的要求 为保证所设计的静凸泵具有良好的能量特性和汽蚀特性，现代离心泵的水力设计提 出了更高的要求： 1 ) 应使离心泵内的水力损失最小，以保证离心泵具有最高的水力效率。 水流过离心泵过流部件时，会产生各种损失。例如：在叶轮入口处的冲击损失、叶片 表面的沿程损失、叶片出口处负压损失、叶轮内部二次流损失、压水室入口损失、压水 室出口段的扩散损失等，水力设计的任务之一就是确定最佳的过流部件尺寸、形状，使 离心泵在不同工况下工作时，离心泵内各种水力损失和最小。 2 ) 应保证离心泵具有必要的汽蚀性能。 离心泵的汽蚀性能是项很重要的指标。汽蚀不仅会破坏叶轮的流道表面，而且影 响离心泵的运转特性，当汽蚀严重时，离心泵的流量、扬程、效率均会下降，还会伴随 噪声和振动，使离心泵不能正常运行近年来，为了减小离心泵的体积和重量，一般倾 向于提高离心泵的转速，但转速的提高必然造成汽蚀性能的下降，因此，在设计中，如 何保证静凸泵具有良好的汽蚀性能是一项重要课题。 3 ) 应使离心泵具有符合要求的性能曲线。 离心泵是一种通用机械，其应用范围很广，不同的使用条件，对其性能曲线有不同 的要求。在非设计工况下使用时，要求离心泵高效范围广；为保证离心泵系统的运行稳 定，要求减小离心泵性能曲线上出现的驼峰；低比转数离心泵要求离心泵功率曲线尽量 平坦，并具有极大值。 山东理工大学硕士学位论文 第二章离心泵叶轮设计原理与c a d 流程 4 ) 泵在工作时应具有振动小、噪声低、可靠性高等优点。 5 ) 泵的结构和材料应能适合所抽送介质的性质。 6 ) 应能用最经济的工艺措施制造出所设计的泵产品 7 ) 泵还应具有满足人们审美要求的观点及符合人体工程需要的结构 8 ) 设计计算过程计算机化。 上述这些要求有时是相互矛盾的。比如在提高离心泵汽蚀性能时，通常会造成离心 泵效率下降，要综合地满足各方面要求是一项复杂的工作，因此要对水力计算方法进行 深入研究。 2 2 2 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 转速撑( 或由设计者确定) 4 装置汽蚀余量m 咯日a ( 或给定几何吸入高度) 5 效率卵( 要求达到的效率) 6 介质的性质p ( 温度、重度、含杂志情况、腐蚀性等) 7 对特性曲线的要求 平坦、陡降、是否允许有驼峰( 中高) 等 二、泵进出口直径的确定【5 】 1 泵进口直径的确定 泵吸入口径的确定主要取决于吸入管内的流速。根据国内外管路经济流速分析和有 关标准的规定，吸入管内最大流速般不超过5 米秒，最常用的流速为3 米秒左右， 管径大时，流速可适当选的大些。从提高泵的汽蚀性能的角度来看，希望泵吸入口的流 速慢些，但流速慢了管径就要取得大些，又不经济。因此，必须根据具体情况作综合分 析比较。常用的泵吸入口径、流量和流速的关系列于表2 - 1 对汽蚀性能要求较高的泵 ( 汽蚀比转数c 1 0 0 0 ) ，在吸入口径小于2 5 0 毫米时，建议取吸入口流速k = 1 0 1 8 米秒；在吸入1 ：3 径大于2 5 0 毫米时，建议取吸入口流速屹= 1 4 2 2 米秒。 表2 - 1 泵吸入口径、流量和流速的关系 进口直径o ) 4 05 0 6 58 01 0 01 5 0 2 0 02 5 03 0 04 0 0 单级泵流速1 3 7 51 7 72 12 7 63 5 32 8 3 2 1 52 8 3 流量 6 2 5 1 2 5 2 55 01 0 0 1 8 0 3 0 05 0 0 多级泵流速 1 3 7 51 7 72 12 5 432 “2 4 82 5 42 8 43 4 2 流量 6 5 21 2 5 2 5 4 68 5 1 5 5 2 8 04 5 07 2 01 5 0 0 山东理工大学硕士学位论文第二章离心泵叶轮设计原理与c d 流程 泵吸入口直径按下式确定： d , - - 胆( 2 - 6 ) v 匕石 2 泵出口直径的确定 l 般来说，低压泵的吸入口径和排出口径是相等的。但是，在压力较高或泵较大时， 出于对管路系统投资经济性的考虑，常取泵排出口径小于吸入口径，压力越高，差值越 大。一般推荐按以下经验公式计算： 口= ( 1 o 7 ) 见( 2 _ 7 ) 最终确定的泵吸入口和排出口直径，应符合标准直径。 三、泵转速的确定 确定泵转速时应考虑下面因素： 1 泵的转速越高，泵的体积越小，重量越轻，据此，应选择尽量高的转速 2 转速和比转数有关，所以转速应和比转数结合起来确定。 3 确定转速应考虑原动机的种类( 电动机、内燃机、汽轮机等) 和传动装置( 变速 传动等) 通常有点选择电动机直接联结传动、异步电动机的同步转速见表2 - 2 表2 - 2 异步电动机的同步转速见表 极对数 24681 01 2 同步转速( 转分) 3 0 0 01 5 0 01 0 0 07 5 06 0 05 0 0 电动机带负荷后的转速小于同步转速，通常按2 9 6 左右的转差率确定电动机的额定转 速。 四、汽蚀比转速的计算 汽蚀比转速的计算公式： “：丽56焉2n河,jq(2-8)c 2 丽函可 可知，转速n 和其基本参数n p s h , 和c 有确定的关系，如得不到满足，将产生汽蚀 对于一定的c 值，假设提高转速，则n p s h , 增加，当该值大于装置提供的装置汽蚀余量 n p s h o 时，泵便发生汽蚀。 按汽蚀条件确定泵转速的方法是选择c 值，按给定的装置汽蚀余量n p s h o 或者按几 何安装高度王乙，计算汽蚀条件允许的转速，所采用的转速应小于汽蚀条件允许的转速。 即： 万 c n p s h ；一4 ( 2 - 9 )万 ；一 5 6 2 q 当奎翌三查茎堡圭兰竺篁耋耋三耋塞窑至竺丝兰盐墨耋主三竺鎏堡 式2 _ 9 中：n p s h , = n p s h a k ( 足一考虑汽蚀的安全余量) ； n p s h o = p ，o 千月二一e h , 一号( 倒灌装置取+ 以) 五、计算比转数巩，确定泵的水力方案( 单吸、双吸、单级、多级等) 比转速的公式为： 吃= 可3 6 5 n q r q ( 2 一l o ) 1 在以= 1 5 0 2 5 0 的范围，泵的效率最好，当一 9 0 、压= 9 0 及屈 9 0 。 对于压缩机来讲，出口安放角厦是有大于9 0 的，而对于水泵来讲，属均小于9 0 ，对 于一般水泵，压= 2 0 3 0 ，高比转数叶轮取小值，低比转数叶轮取大值。混流泵叶轮 叶片出口角可取2 0 ，也可适当再小一些，但不小于1 5 。，低比转数离心泵叶轮叶片出口 安放角可取3 0 ，如比转数特别低，叶片数z 很多，则出口安放角届可大于3 0 ，可大 到4 5 。5 0 。，叶片出口安放角屈的具体选定，与叶片数有关。 长期生产实践经验指出，叶片泵叶轮叶片的出口安放角厦应选在1 5 4 5 左右，而 一般最常见的叶轮，其屈= 2 0 3 0