高速多级离心泵叶片参数化造型设计

1、26石 油 机 械CH I NA PETROLEU M M ACH I NERY2008年 第36卷 第5期设计计算高速多级离心泵叶片参数化造型设计周卫东 李罗鹏 王瑞和 沈忠厚 董正祥11112(1 中国石油大学 华东 2 中原油田技术监测中心摘要 针对井底增压钻井离心泵叶片的设计问题, 提出一种新的离心泵叶片参数化造型设计方法。该方法采用VB 语言和Pr o /E相结合, 应用三次Bezi e r 曲线来构造离心泵叶片型线, 其关键是根据Bezier 的端点性质控制多边形的构造。给出了针对离心泵叶片的设计流程框图和设计实例。实际应用表明, 这种参数化设计方法为相似产品的快速设计开辟了一种行

2、之有效的途径, 可避免设计中大量的重复劳动。关键词 离心泵叶片 VB Pr o /E 参数化设计赘述, 而着重介绍叶片的建模。为了实现叶轮的参数化设计, 笔者采用三次B ezier 曲线构造了叶片型线, 取代了以往用1段或者几段圆弧逼近的方法, 不仅提高了精度, 同时极大地方便了编程。工程上常用的三次Bezier 曲线方程的展开式为32x (t =x 0(1-t +3x 1t(1-t +3x 2t (1-t +x 3t32322引 言参数化设计是机械设计领域一种很有发展前途的设计方法1, 它又称为尺寸驱动设计, 是以一种全新的思维方式来进行产品的创建和修改设计的方法。目前, 参数化设计最常用的

3、方法是通过有经验的用户或二次开发软件工程师采用系统提供的内嵌编程语言或二次开发语言接口来定义产品的参数化模型, 并支持对参数化模型库的建立、管理和使用。但是, 这种方法对用户的编程水平要求很高, 故在实际应用中存在一定的困难, 这也是参数化设计方法至今难以在机械工程师中推广的重要原因之一。笔者以井底增压钻井离心泵叶片的参数化设计为例, 提出一种全新且简单易行的参数化设计方法, 即通过VB 编程的方式首先把待设计零件所有的结构参数计算出来, 然后通过VB 中的文件操作与转换, 把这些影响零件造型的关键参数保存成CAD 软件可以识别的文件格式, 再建立一个该零件的通用三维参数化模型(建立时无需考虑

4、具体尺寸, 最后通过在C AD 软件中读取这些结构参数文件, 从而改变通用模型的造型, 实现参数化设计。到目前为止, 还没有这种设计方法的相关报道, 因此可以说是笔者的一个创新研究。y (t =y 0(1-t +3y 1t(1-t +3y 2t (1-t +y 3t23z (t =0曲线控制多边形的端点位置决定了B ezier 曲线的形状, 因此控制多边形顶点位置的选取是构造曲线的基础和关键, 曲线的端点性质2是构造控制多边形的理论依据。现介绍根据Bezi e r 曲线的端点性质构造控制多边形的方法。叶片主要结构参数计算出来后, 在叶轮平面投影图上绘制直线L 1, 令L 1与水平线L 3的夹角

5、为进口结构角 1; 再绘制直线L 5, 令其与y 轴的夹角为叶片包角 , 同时与叶片出口直径交于点P 3; 过P 3点作直线L 4垂直于L 5, 同时作直线L 2, 令L 2与L 4的夹角为叶片出口结构角 2。L 1与L 2交于B 点, 通过多边形P 0BP 3可构造出1条二次Bezier 曲线, 为了保证设计精度, 还需要在此基础上构造三次Bezier 曲线。为了使构造出来的曲线各个位置的曲率比较平缓的连续变化, 分别选取线段P 3B 与P 0B 的中点P 2、P 1, 连接2个中点, 则多边形P 0P 1P 2P 3即为三次Bezier 曲线的控制多边形, 见图1。叶片参数化建模离心泵叶轮

6、主要包含叶片、前盖板与后盖板3部分, 前盖板与后盖板的建模非常简单, 在此不再 2008年 第36卷 第5期周卫东等:高速多级离心泵叶片参数化造型设计27人为干涉。由于离心泵设计中需要查阅大量的图表, 为了提高程序的性能, 笔者把设计过程中涉及到的所有图线都拟合成为高次多项式, 同时把所有的表格通过VB 中的se lect case 语句编入程序轮的无纸化设计。1 关键技术建模完成后, Pro /E会自动创建模型的尺寸约束参数名, 并以d 0、d 1、d 2、 、d n 等系统默认的符号予以标定, 这组约束参数用以控制三维模型图1 叶片型线的构造4,从而完全脱离了设计手册, 真正地实现了离心泵

7、叶控制多边形构造完成后通过计算可以得出点P 0、P 1、P 2、P 3的坐标值P 0(x 0, y 0 、P 1(x 1, y 1、P 2(x 2, y 2 、P 3(x 3, y 3 分别为x 0=0y 0=R 1R 1-R 2si n tan ( - 2 +cos x 1=2tan 1+2tan ( - 2 y 1=R 1-R 1tan 1-R 2sin tan ( - 2 +cos tan 12tan 1+2tan ( - 2x 2=2R 1-R 2sin tan ( - 2 +co s -R 2si ntan 1+tan ( - 21y 2=R 2co s +R 1-2R 1tan n

8、 tan ( - 2 +cos tan 11-R 2sitan 1+tan ( - 2 x 3=-R 2siny 3=R 2cos任意选取一组设计要求, 如转速、轴功率、排量、扬程等, 代入叶轮参数计算公式(请参考离3心泵理论相关书籍, 计算出叶轮参数, 再将计算出来的叶轮参数代入点P 0、P 1、P 2、P 3的坐标表达式, 得出符合设计要求的三次Bezi e r 方程, 把方程写入Pro /E, 绘制出叶片型线, 然后通过扫描混合、加厚、阵列等命令最终得到叶片的三维实体模型。前盖板与后盖板的建模方法也是如此。待3部分的模型建立之后, 在Pro /E中组装起来就得到了叶轮完整的实体模型, 以

9、备设计时调用。的几何 尺寸和拓扑关系, 与用户创建的参数无关1。所以要使设计者建立的设计参数能够控制三维模型, 必须使两者相关联, 否则无法实现程序的参数化功能。笔者采用的方法为:程序计算出叶轮的结构参数后, 通过VB 中的文件读取操作把这些参数的前缀自动修改成Pro /E创建的模型尺寸约束参数的名称, 再把它们以Pro /E可以识别的文件格式保存在指定的路径下, 供Pro /E调用。2 设计流程笔者拟定的设计流程框图如图2所示。图2 设计流程框图3 设计实例一井底增压钻井中所使用的高速多级离心泵的设计要求:外径130mm 、流量2 7L /s 、总扬程为2200m 、轴功率130k W 、转

10、速4200r/mi n , 计算出来的叶轮结构参数如图3所示。点击 下一步 后进入文件操作界面, 见图4。在文件操作界面中依次点击 生成叶轮参数文件 、 生成叶片型线参数方程 、 启动Pro /E 按钮, 然后通过前面介绍过的设计流程最终得到符合设计要求的叶轮, 见图5。为了便于比较, 图中关键技术及设计实例笔者把所有的结构参数计算公式编入程序, 因此叶轮结构参数的计算完全由程序自动完成, 不需 28石 油 机 械2008年 第36卷 第5期把前盖板设置成透明状态。图6 设计实例二图3 叶轮结构参数结 论(1 笔者首次提出一种新的离心泵叶轮设计方法, 该方法通过VB 语言和Pro /E相结合,

11、 并应用三次Bezier 曲线来构造叶片型线, 极大地方便了计算机自动绘图, 为参数化设计提供可靠的保证; (2 采用Bezier 曲线构造叶片型线的关键是控制多边形的构造, 而理论依据为曲线的端点性质;(3 参数化设计的关键步骤是生成Pro /E可图4 文件操作界面识别的文件, 而这一步骤的基础是VB 中的文件操作方法;(4 参数化设计方法为相似产品快速设计开辟了一种行之有效的途径, 可避免大量重复劳动。参 考 文 献1 林龙震 P ro /ENGI N EER W il dfire 2 0高级设计 北京:电子工业出版社, 出版社,2005:64-1032 张全伙, 张剑达 计算机图形学 北

12、京:机械工业2003:62-652003:3 陈乃祥 离心泵 北京:机械工业出版社,图5 设计实例一35-1024 郭 静 V isua l B asi c 可视化程序设计 北京:中国铁道出版社,2006:12-454 设计实例二井底增压钻井中所使用的高速多级离心泵设计要求:外径130mm 、流量3L /s、总扬程3000m 、轴功率140k W 、转速6000r/mi n 。设计过程中, 只需要在程序起始界面中输入上述要求, 再重复实例一中的流程, 几分钟就可以得到符合要求的设计结果, 见图6。通过图5与图6的比较可以看出, 随着转速的提高与扬程的增大, 叶片的曲率变大, 也就是说叶片的弯曲程度减小了。上述这种参数化设计方法不仅可用于井底增压钻井离心泵叶轮的设计, 原则上可以应用于任何相似系列化叶轮零件的设计, 具有较广阔的应用空间。第一作