基于补面法和UG的离心泵蜗壳三维模型设计研究

余鸿刚, 王正初, 卢圣殴, 倪晨超

（台州学院 航空工程学院，浙江 台州318000）

0 引言

离心泵蜗壳又称离心泵螺旋压水室，是离心泵将流经叶片的流体动能转化为压力能的过流部件，其主要工作方式为收集离心泵叶轮所流出的液体，并输送到排出口或下一级叶轮吸入口[1]。离心泵蜗壳的形状参数决定了流体能量的损失大小，直接影响了离心泵的工作性能[2]。隔舌是将蜗壳螺旋段和扩散段隔开的部位，对蜗壳的加工制造及整个流道数值的仿真模拟起着关键性作用[3]。利用UG软件创建由参数驱动的蜗壳的三维模型，能够高质量、高精准地体现蜗壳的三维参数，为后续的数值模拟奠定良好基础。

已有不少文献都介绍到了蜗壳的三维造型方法和过程，但是都存在一定的问题。文献[4]中主要讲解蜗壳工程图及各个断面的对应于UG中螺旋段的造型过程，但其隔舌的绘制描述比较简略，结果也不够精准，并且其在UG中每各断面都要进行建立平面后绘制，比较费时。文献[5]重点体现了蜗壳由二维绘制成三维模型的过程及蜗壳的过渡段的准确度对其参数化的重要性，但过渡段的建模方法具有一定局限性。文献[6]提到利用片体缝合的方法绘制隔舌，结合布尔计算绘制的蜗壳相对比较精准，但具体步骤并不完整，没能完整地将片体的生成方式体现出来，且该方法对蜗壳的形状有一定要求，存在局限性。本论文提出的基于补面法和UG的离心泵蜗壳三维模型设计方法较好地解决了上述的问题。

1 工程实例

以1个一级单级离心泵蜗壳为例（如图1），将蜗壳分为螺旋段（1～8断面），扩散段（9～10断面）和过渡部分及隔舌，基圆直径为170 mm，蜗壳进口宽度为12 mm，隔舌安放角约30°，出口直径为40 mm，扩散段长为93 mm。现分步进行三维模型设计。

图1 蜗壳各断面示意图

2 基于UG的离心泵蜗壳模型设计方法

2.1 蜗壳的工程图的预处理

1）对图1中断面调用“平移”（“”为引用CAXA命令），将各个完成缩放至1:1的断面移动到蜗壳轮廓线对应位置，并将每个断面补全成封闭图形，如图2所示。最后将整个图形的中心移至CAXA绘图中心方便导入UG。

2）在所导入的二维工程图（如图2）的基础上，调用“移动对象”中的“角度”（“”为引用UG中的命令，下同）将所有断面旋转至垂直于基圆所在平面，如图3所示。

3）调用“移动对象”中的“将轴与矢量对齐”将所有断面准确定位到其三维空间位置上，如图4所示。

4）删去多余的轴线，完成预处理，如图5所示。

图2 CAXA中的蜗壳断面处理图

图4 UG中的蜗壳断面处理图b

图5 UG蜗壳断面处理图c

2.2 蜗壳三维设计模型设计

蜗壳螺旋段、扩散段轮廓线均是圆滑的曲线，各断面轮廓线为倒圆角的梯形，扩散段由第8断面至蜗壳出口，由类椭圆的样条曲线光滑过渡为圆。隔舌为螺旋段与扩散段圆滑过渡位置，其形状应同蜗壳轮廓线相适应。为准确表达模型特征，提高设计质量，对蜗壳螺旋段和扩散段采用“扫略”进行建模；对于隔舌，采用UG曲面建模。以下对上述两种操作进行描述。

2.2.1 扫略

首先进行螺旋段建模，调用“扫略”，截面线选择1～8各个断面（截面线的起始点和方向需要一致），引导线选择蜗壳基圆，同时注意方向。因各个断面在二维图样上补全方法是由对称得出，因此有着对称的点，界面选项差值可以选择“混合”，对齐选择“根据点”，绘制出螺旋段三维模型。

扩散段依旧采取“扫略”的手法，引导线选择蜗壳出口轮廓线。为保证选择界面曲线时的起始点和方向相同，在9～10断面及蜗壳出口截面在同一位置（最好在对称轴处）进行打断，再进行建模，如图6所示。

2.2.2 以补面法进行隔舌的建模

1）建立平面1，该平面与基圆所在平面的距离是蜗壳进口宽度的1/2，在平面上绘制基圆的投影弧线，如图7所示。

2）在 第9 断面添加平面2，在上面绘制辅助线（按实际需求以及经验选取适当长度，该长度应略长于蜗壳进口宽度），如图8所示。

3）调用“扫略”构建8断面和9断面上部分的片体，如图9所示。

4）调用“通过曲线组”构建小片体（如图10）后镜像使之对称。

5）在基圆所在平面用艺术样条以适当偏置量勾勒隔舌（如图11），拉伸内侧的艺术样条成工具片体（图12）。

6）利用工具片体修剪小片体，如图13所示。

7）在隔舌与蜗壳基圆相交处创建一个新的小断面（如图14）与第1断面进行“扫略”（如图15）（小断面的形状需要根据经验对比第1断面的形状来进行绘制）。

8）补全过渡段的所有面：a.调用“有界平面”构建第8断面和第9断面上部分的片体（如图16）；b.调用“通过曲线组”构建下半部分片体（如图17）、（如图18）；c.将过渡段所有片体进行“缝合”完成实体建模，如图19所示。

图6 蜗壳螺旋段及扩散段的扫略建模

图7 平面1

图8 第9断面辅助线（平面2）

图9 8-9断面间上部分片体

图10 通过曲线组构建小片体

图11 隔舌勾勒图

图12 裁剪的工具片体

图13 修剪后的小片体

图14 小断面

图15 第1断面与小断面的扫略建模

图16 第8、第9断面的有界平面

图18 8-9断面下半部分片体b

图19 片体缝合为实体图

图20 第9断面下部分和小断面的扫略建模

图21 蜗壳实体图

图22 蜗壳剖面图

9）对第9断面下部分和自行创立小断面进行“扫略”，如图20所示。

2.3 合并所有实体得到完整的蜗壳三维模型

最后将以上补面法得到的过渡段及蜗壳的螺旋段和扩散段进行布尔计算（合并），得到的蜗壳，由其剖面图可看出是个完整的实体，且在隔舌处体现出了光滑过渡的特征，如图21、图22所示。

3 结论

本文介绍的基于UG的离心泵三维模型设计，采用“扫略”、“通过曲线组”、“缝合片体”等曲面建模方法，使得蜗壳的实体模型完整且准确。关键的隔舌按照工程图及实际工程需求来进行绘制，所采取的补面思维在其他领域也较为常见，操作清晰明了并符合蜗壳过渡段能圆滑过渡螺旋段和扩散段的要求。同时在三维建模前进行的预处理，省去了每个断面都要建立平面并绘制的步骤，缩短了建模时间，提高了模型设计的质量，对蜗壳以及其他三维模型设计有一定借鉴意义。