基于OpenCASCADE的三维轴流泵叶轮设计系统.pdf

第49 卷第4期2023年8 月文章编号：16 7 3-5196（2 0 2 3)0 4-0 0 54-0 7兰州理工大学学报Journal of Lanzhou University of TechnologyVol.49No.4Aug.2023基于 OpenCASCADE 的三维轴流泵叶轮设计系统顾明磊，刘厚林（江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏镇江2 12 0 13）摘要：目前泵设计系统普遍依赖商用CAD软件的二次开发，容易受到制约.为此，利用OpenCASCADE相关建模函数和Qt构建的人机交互界面开发了拥有自主知识产权的三维轴流泵叶轮设计系统，只需输入轴流泵的设计参数，便可得到合适的轴流泵叶轮几何造型.采用该系统设计比转速为8 6 9的轴流泵叶轮，并对其进行流场仿真验证，同时对比CFturbo软件的设计结果.结果表明，该系统无软件环境限制，设计步骤更贴合国内设计习惯，可以满足扬程和效率的设计要求，为其他类型的泵参数化设计提供了借鉴。关键词：OpenCASCADE；轴流泵叶轮；Qt；计算机辅助设计；参数化设计中图分类号：TH3123D design system of axial flow pump impeller based on OpenCASCADE(Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)Abstract:At present,pump design systems generally rely on the secondary development of commercialCAD software,which is easily restricted.Therefore,a three-dimensional design system of axial flowpump impeller with independent intellectual property rights is developed based on related modeling func-tions of OpenCASCADE and the human-computer interaction interface constructed by Qt.Designers onlyneed to input the design parameters of the axial flow pump to get the appropriate geometric shape of theaxial flow pump impeller.An axial flow pump impeller with the specific speed of 869 was designed andverified by flow field simulation.Compared with the design result of CFturbo software,the results showthat there is no software environment restriction in the system and the design steps are more suitable withthe domestic design habits,which can meet the design requirements of head and efficiency,and provide areference for parametric design of other types pump.Key words:OpenCASCADE;axial flow pump impeller;Qt;computer aided design;parametric design文献标志码：AGU Ming-lei,LIU Hou-lin轴流泵的设计需要先根据选定的设计方法计算造型参数，再运用主流CAD软件绘制图纸和三维造型1.其中,三维造型需要用到Creo、U G 等主流的商用三维CAD软件.然而，目前泵的参数化造型软件普遍是基于商业三维CAD软件平台开发的，尚未做到自主可控.王海松等2 对Pro/E进行二次开发，实现了轴流泵3D实体造型的自动化.张建3以Pro/E为支撑软件，结合运用MFC设计的交互界面，开发了三维离心泵叶片的参数化设计软件.商用CAD软件虽然功能强大，可以实现绝大部分的收稿日期：2 0 2 2-0 2-19基金项目：国家自然科学基金（52 17 90 8 4）通讯作者：刘厚林（197 1-），男，江苏溧水人，研究员，博导.Email:liuhoulin ujs,edu,cn建模，但价格昂贵，且存在制约.因此，为了避免不良影响，研发拥有自主版权的三维轴流泵叶轮设计系统势在必行.OpenCASCADE(OCC)是开放源码、免费的几何造型工具包.它不仅提供了很多高级的建模函数，包括拉伸、旋转、扫掠、有理样条曲线等工程建模常用函数；而且还提供了几何模型的部分特征提取：因此，能够较为高效、快速地实现产品的三维建模和特征造型功能4.杨乐等5 利用OCC基础模块和数据交换模块设置环境，实现了三维模型的可视化操作。高超等6 利用OCC几何算法库，结合二分查找法，实现了离心泵叶片的设计和造型.袁媛等7 将OCC与Qt的类库结合，建立了多种复杂模型，实现了较好的显示效果，证实了二者的结合适宜作为几何建第4期模软件的开发工具.王洪申等 8 针对商用CAD软件三维标注缺乏正确性校验的问题,基于OCC几何造型内核实现了三维标注的有效性检查.鉴于此,本文以OCC为三维建模内核,结合Qt构建的交互界面，开发三维轴流泵叶轮设计系统，以期提高轴流泵叶轮的设计效率.1计算方法三维轴流泵叶轮设计系统采用流线法.流线法是依据圆柱层无关性假设和线性修正环量分布规律提出的基于二元流动理论的轴流泵设计方法.用该方法设计的轴流泵相比用传统升力法和圆弧法设计的轴流泵具有更高的效率和更宽的高效区，在南水北调一期工程中被广泛应用9.流线法设计步骤包括101.1分流面比转速为nH3/4式中：Q为参数流量;H为扬程;n为转速.比转速n。与轮毂比dh/D的关系如表1所列.叶轮外径为D=元U式中：轴面速度um=0.07nQ，m/s；轮毂直径dh=DX(dh/D).根据叶轮外径和轮毂直径将叶片分为7 个流面，可以平均分配，也可以按设计要求自由选取.叶轮的叶片数Z可根据表2 选取.表1轮毂比dn/D与比转速n，的关系Tab.1Relationship between hub ratio dn/D and specificspeed nsn5000.500.460.440.400.370.350.33dh/D0.630.590.560.530.500.480.46表2 叶片数Z与比转速n。的关系Tab.2Relationship between blade number Z andspecific speed nsns700Z5泵效率与比转速n。的关系如图1所示.1.2设置弦长各截面节距t=D元/Z，各截面弦线长度l=t顾明磊等：基于OpenCASCADE的三维轴流泵叶轮设计系统3.65n VQ4QdhD26007005590%/u本8580752505007501000125015001750比转速n，图1泵效率n与比转速ns的关系Fig.1Relationship between pump efficiency n and spe-cific speed ns(l/t）,其中，l/t为叶栅稠密度.轮缘处和轮毂处的l/t可由图2 确定，其余流面可按线性规律选取.1.11/0.80.70.62505007501000125015001750(1)比转速n。图2 轮毂处和轮缘处的叶栅稠密度1/t与比转速n。的关系Fig.2 Relationship between cascade density I/t and spe-cific speed ns at hub and rim1.3石确定进口轴面速度(2)若考虑各截面的排挤影响，则进口轴面速度Uml=ml/.其中，进口前轴面速度为4QUml元(D?-di)nv各截面的排挤系数为24=13tsinL式中：n为容积效率，各截面的容积效率n、可以取同一值，取值区间为0.96 0.99；叶片安放角L一般可先近似在轮缘处取2 0，在轮毂处取40，从轮缘到轮毂按线性规律选取，算出后再代回进行调整；800900100011007001000100043二轮数二轮缘Y.maxYmax为最大厚度，叶片相对厚度Ymax/l通常在轮毂处取10%15%，在轮缘处取2%5%,其余流面按线性规律选取.1.4确定出口圆周速度出口圆周速度为式中：s为 u2修正系数，在轮毂处取0.9,在轮缘处取1.1,其余流面可按线性规律选取；为修正前出口圆周速度,m/s,即12gHr+uuu_gHuumh(3)(4)(5)FUul(6).56式中：圆周速度u=60，H/nh，m;g 为重力加速度，m/s；进口圆周分速度Uul由吸入条件决定，通常 u=O;在中间截面水力效率mh=V一（0.0 2 0.0 3），其余流面可按线性规律选取.1.5确定叶片安放角和型线半径各截面叶片进口角为1=i+1式中：1为各截面进口液流角，按照速度三角形Umli=arctan；1为进口冲角，在0 3选取，从u轮毂到轮缘逐渐增加，比转速大者取小值。各截面叶片出口角为2=2+2式中：2为各截面出口液流角，按照速度三角形“%，通常认为各截面出口轴面速度2=arctanu一u2等于进口轴面速度，即 m2Uml；2 为出口冲角，考虑有限叶片数等因素影响,在0 3选取.叶片安放角为叶片型线半径为R=2-12sin21.6确定加厚方案该系统的叶片加厚方案有2 种，即圆弧翼型和791翼型.其中，7 9 1翼型的厚度变化规律如表3所列.表中，为加厚处至进口边的弦线方向距离，mm;为加厚处的厚度,mm.表37 91翼型厚度变化规律Tab.3Variation law of 791 airfoil thickness/00.0500.0750.1000.2000.300.4000/Ymx00.2960.4050.4890.7780.920.978/l0.50.6000.700 0.800 0.9000.951.000/Ymax1.00.8830.7560.5440.3560.202设计系统开发2.1实现流程三维轴流泵叶轮设计系统的功能包括输入设计参数、确定造型参数和给出三维造型等.系统的实现流程如图3所示.首先，通过Qt构建的系统交互界面输入轴流泵的设计参数；然后，交互界面会调用流线法计算函数给出推荐的造型参数，部分可调数据兰州理工大学学报D元n可由设计人员自行更改；最后，调用OCC各类建模,m/s;理论扬程 H=函数，通过各项参数实现三维模型的建立，并调用显示函数将建模结果显示出来.设计人员可以看到完整的轴流泵叶轮模型，同时根据自已的设计进行评判，当需要修改时，可以通过调整参数实现.对造型结果满意后，便可输出 stp格式的三维模型,并作为后续的网格划分。利用Qt建立系统(7)设计交互界面输入设计参数工给出推荐造型参数(8)N符合要求自行修改可调参数Y参数驱动建模显示造型结果B1+2(9)21第49卷N合格IY(10)输出stp格式的三维模型图3三维轴流泵叶轮设计系统流程图Fig.3 Flow chart of 3D design system of axial flow pumpimpeller2.2基于OCC生成三维模型叶片的造型参数由输人的设计参数根据流线法计算函数得出，结果是叶片7 个截面上关键点的坐标，之后运用打点法进行建模.OCC的三维模型是根据拓扑元素建立的，可先定义点集（TColgp-HArray1OfPnt)，并将计算出的点坐标输入点集；再通过这些点构造插值样条曲线，并绘制叶片的截面0图.在OCC中，插值样条曲线的绘制可通过Geo-mAPLInterpolate函数实现.该函数可根据输入的点绘制出三阶B样条曲线，之后将该曲线的数据结构转换成拓扑线型（TopoDS_Wire），方便后续在显示模块输出和绘制扫掠体时调用.通过 BRepOffsetAPI_ThruSections 函数扫掠各截面样条曲线，便可实现叶片实体的绘制.使用该函数时须先使用CheckCompatibility函数检验建模是否扭曲,再将扫掠体的数据结构转换成拓扑壳型第4期（T o p o D S_Sh e ll)，最后将几个封闭壳型数据拼成完整的叶片实体(TopoDS_Solid).得到单个叶片实体后，绕中心线1周进行复制，便可完成全部的叶片造型.轮毂部分可先绘制一半的外形线，再通过旋转360的方式构建整体.叶片与轮毂的整合可通过BRepAlgoAPI_Fuse函数进行布尔并集运算实现.2.3交互界面的设计为实现设计参数的输入和造型参数的更改，需要利用Qt 编程构建一系列对话框.Qt是挪威TrollTech公司推出的跨平台C十十图形用户界面库，给应用程序开发者提供建立图形用户界面所需的所有功能 11.利用Qt自带的QtDesigner工具可以任意构建需要的图形界面，通过拖拽所需窗口部件，如按钮和文字框等，便可实现交互界面的设计.之后，自动利用UIC工具将完成的UI文件转换为CPP文件和H文件，建立相应的 QpushButton、QLineEdit等变量，便于后续交互函数信号代码的编写.本系统包含5个设计对话框，分别为设计参数输入、分流面设计、弦长设计、叶片安放角设计和叶片加厚设计.每个对话框的创建包括3步：首先，运用QtDesigner搭建对话框，包括创建模板和添加窗口部件；然后，进人CPP文件设置信号函数，为了方便用户在更改可调参数后可以直观地看到其余参数的变化，本系统将QLineEdit部件的信号函数设置为cursorPositionChanged函数，此函数可以通过监测鼠标的移动发出信号，信号发出后便触发更改数据的函数，相关参数立即更新，可为设计人员减少不必要的操作；最后，设置各窗口之间连接，包括上一步和下一步等功能.为方便各对话框之间以及与主程序的数据传递，在头文件中设置叶轮类（class impeller)的静态变量，将轴流泵设计所需的所有建模参数和信号数据存储在静态变量中，并为每个静态变量设置输出(get)和输人(set)函数.在对话框程序中运用 set 函数将数据存入静态变量，当点击“出图”按钮时，OCC主程序会运用get函数从静态变量中读出数据，从而实现建模.此外，叶轮类中还有造型结果的静态变量，例如各截面的工作面和背面曲线等，方便分步绘制叶轮。3设计实例利用该系统进行轴流泵叶轮设计，并对其输出的三维模型进行数值计算.同时，与采用CFturbo软件依据相同参数设计的轴流泵叶轮进行对比，验顾明磊等：基于OpenCASCADE的三维轴流泵叶轮设计系统X设计参数流量Q(03/h)扬程H()转速n(/min)比转速s泵效率（8）水力效率（%）89确定(a)初始值图4设计参数输入界面Fig.4 Input interface of design parameter第二步，确定尺寸和分流面设计，如图5所示.系统会给出推荐轮毂比dh/D和叶轮外径D等参数，设计人员可以自行按需求修改叶轮外径和轮毂直径，轮毂比会随着自动改变，此处保留修改前的推荐参数.该系统的分流面默认为从轮毂到轮缘平均分配，设计人员可以自行修改分配方案.口分流面设计叶片几何参数选择轮毂比/D0.44计算流面半径R（m)R1166.50口分流面设计叶片几何参数选择轮毂比/0.49计算流面半径R(a)R1150.00Fig.5Design interface of diversion surface第三步，弦长设计，如图6 所示.系统根据分好的流面给出推荐的叶栅稠密度l/t和弦长l，设计人57证本系统的可行性和优异性.设计参数分别为流量Qd=1 800 m/h,扬程H=7m,转速n=1 450 r/min,比转速n，=8 6 9.3.1系统设计流程三维轴流泵叶轮设计系统的初始界面如图4所示.第一步，根据设计需要在该界面输人所需的设计参数.输人完成后，相应的比转速n。和预计效率n会自动给出.设计参数输入1000145064886退出叶+轮外径（am）33151.00R3135.50上一步(a)系统推荐参数叶轮外径0()30 01轮毂直径(m）47137.25R3124.50上一步(b）设计人员修改后参数变化图5分流面设计界面口B4120.00R411.75国设计参数输入设计参数流里Q(m3/h)扬程（(m）转速n(r/min)比转速s泵效率（%)）水力效率（%）89确定(b)实例参数口X轮毂直径业（m）47叶片数2 区R5104.50下一步叶片数区R599.00下一步口X18007145086986退出B683.83B682.00K773.50口73.5058兰州理工大学学报第49卷(a)左视图张长设计书范：（m）a/00.79流生长1（）11206.61国张长设计书范(）1261.63叶相羽击度/a/t0.8da/t/20.84流面法长1（(）1214-46Fig.6Design interface of chord length员可以自行按需求修改叶栅稠密度，弦长会随着自动改变，此处保留修改前的推荐参数.第四步，叶片安放角设计，如图7 所示.系统给出各流面计算的进、出口液流角1、和推荐的冲角1、2，设计人员可根据经验自行修改冲角从而改变叶片安放角1、2，此处保留修改前的推荐参数.同时，系统根据推荐参数绘制叶片的工作面型线并在显示模块展示，如图8 所示.修改参数后可点口+2237.19t3212.84a/t/20.84a/t30.8012190:23t237.1912190.23(b）设计人员修改后参数变化图6 弦长设计界面X188:48t516:14a/640.951/5L.0013109.4314179.07上一步(a)系统推荐参数t3:212.8440.40a/30.00a/40.9513:109.4314170.0上一步131.670/t16L.0715164:1416140:09下一步6516414a/t)5L.00a/t/eL.07151064.141640.09下一步17115:4517128.15口6131:67$7115.4517126:16(b)俯视图.X形状为球体轮毂或圆柱轮毂.系统给出各流面的推荐最大厚度Ymax，设计人员可以自行修改.同时，显击“刷新”按钮，使显示模块刷新，方便设计人员更直国叶片饮角设计进口进口流盗用（）进口：冲用（）时片进口角（）-19.0出口出口流充角（）24出口：中角）4204P2-2L.0叶片出口用（）￥2叶片安角（）L18国针片安饮角设计进口进口激流角（*）1-1061-28.进口：中角（）41-2.4时片进口用）-192出口出口流流角（）出口：中用4.P22L0叶片出口用）P2-118:719Fig.7 Design interface of blade placement angle(c)主视图图8 叶片各截面的工作面型线展示Fig.8 Display of working surface profile of each sectionB1-211-520.741-2L84150.71521424.29:34净2 3-0424042-60252-30.P1221.5净2 2 2 7P1221.5(b）设计人员修改后参数变化图7 叶片安放角设计界面32-90:21P1-51.0P2-6:A2-64P20.042-642-64.5L3PL422:3上一步新(a)系统推荐参数241-50.7410.2$1-322:21-424:422422942L.042-LO2-525:8L324.上一步in blade0.0观地观察出安放角是否满足需求.第五步，加厚设计，如图9所示.在此界面可选5择加厚类型为圆弧翼型或7 91翼型，也可选择轮毂4F2-7.0?152L.下一步31-737.04P1-0.0$1-627.4265L0P24P2-5pL427:341:333:2-F261.02-61下一步示模块绘制并展示各流面的背面曲线，如图10 所示，方便设计人员更直观地观察。国叶井加厚设计加厚英型最大厚度（）P1-37.0AP2-LO2791翼型816.47827.91上一步图9叶片加厚设计界面Fig.9 Design interface of blade thickening全部完成后点击“叶轮出图”按钮，系统将利用各参数进行叶轮的整体绘制，绘制结果在显示模块展示，如图11所示.图12 为CFturbo软件的轴流泵叶轮流线设计轮数形代838.368410.79刷新球体8512.22861414叶轮出图8715.10第4期顾明磊等：基于OpenCASCADE的三维轴流泵叶轮设计系统Blade mean lines 叶片骨线Q区串meridionalcoordinate轴面坐标1.5m-1.41.31.21.10.9(a)左视图0.80.70.60.50.40.30.2于0.10eading edge-0.1进口边(b)俯视图-0.2-0.3-0.40.5Fig.12 Design interface of mean line in CFturbo验证.通过计算得出设计流量下扬程随网格数量变化的曲线，如图13所示.通常网格越密计算结果越(c)主视图精确，但耗费的计算时间和资源会随之增加。由图图10 叶片各截面完整展示13可以看出，当网格数增到约6 7 0 万时，再增加网Fig.10Complete display of each section in blade图11完整叶轮展示Fig.11Complete impeller display界面.CFturbo只提供英文操作界面，且只能通过拖拽控制点的方式修改叶片进、出口角度.而本文设计的系统提供全中文操作界面，可通过直接输人数值的方式修改参数，更符合国内设计者的习惯。3.2流场计算采用流线法设计配套的导叶，将叶轮、导叶和进、出口延长段的水体域绘制出来，并采用ICEM软件对该水体域进行网格划分.为避免网格数量引起的结果精确度误差，共用了8 种网格进行无关性Blade-to-bladeflow2DTrailingedg出口边15000-14000130-tangential cordinate角度坐标1200000.10.2图122CFturbo软件的骨线设计界面格数对扬程影响不大.综合考虑，最终确定网格总数为6 7 8 7 339.其中，叶轮和导叶水体的非结构化网格如图14所示.7.50U/H饼7.257.006.7502004006008001 000 1200网络数/万图13网格无关性检验Fig.13(Grid independence checking本文采用ANSYSCFX软件和标准k-e端流模型进行后续流场计算,收敛判别准则类型选择RMS（残差），残差目标设为10-4.边界条件设置包括：进口总压为1标准大气压；出口为质量流量；所有壁面无滑移，壁面选择Scalable函数.因叶轮为旋转部件故设为旋转域，其余静止水体均设为静止域，交界面Informationalvlues参数值Bldepssge叶片流道Trotare 喉道面积192 6 mmLeanangle入倾角入1110.00.00.00.00.0.00.0BladeangleB叶片角BB11B2门26.531.13D-Preview三三维预览Bladepassagearea叶片流道面积x16000Blade passage areaTA(mm0.30.A0.50.60.70.8X入2 门-30.2-25.2-21.9-19.4-17.4-15.7-14.383.252.9m/mMax%63.554.2X60(a)叶轮图14主要流体域网格Fig.14Mesh of main fluid domain使用冻结转子交界面，网格关联采用GGI方式.3.3计算结果分析图15为数值计算的外特性曲线.可以看出，在1.0Qd工况下，计算扬程为7.4m，效率为8 7.1%，本系统设计的轴流泵叶轮满足设计要求.与CFtur-bo软件的设计结果对比，在0.9Qa、1.0 Q a 和1.1Qd这3个工况下，采用本系统设计的轴流泵叶轮扬程和效率均比CFturbo软件设计的高.98W/H穿7650.9Fig.15External characteristic curve半径为90 mm的叶轮叶片截面速度分布如图16所示.可以看出，叶片周围液流速度沿翼型规律分/(ms-l)26.019.513.06.50图16 叶轮叶片截面速度分布Fig.16Velocity division of impeller blade section兰州理工大学学报布，无回流和二次流，工作面速度小于背面速度.4结论本文基于OCC造型内核和Qt构建的人机交互界面开发了三维轴流泵叶轮设计系统.该系统采用不同于以往商用软件二次开发的模式，选用开放(b)导叶的Opencascade作为内核，无软件环境的限制.同时，该系统交互能力优秀，采用流线法比CFturbo软件更加贴合国内设计人员的习惯，能够给出可以直接用于网格划分的三维模型.采用该系统对比转速为8 6 9的轴流泵叶轮进行设计并仿真计算，通过与CFturbo软件的设计结果对比可以看出，该系统设计的轴流泵叶轮可以满足扬程和效率的设计要求,且性能优于CFturbo软件设计的，可为其他类型的泵参数化设计提供借鉴.参考文献：901万韬.轴流泵的参数化设计及数值模拟D.武汉：华中科技大学，2 0 13.85%/u索本系统扬程CFturbo扬程本系统效率-CFturbo扬程1.0Q/Qd图15外特性曲线第49卷2王海松，王福军，严海军，等.轴流泵3D实体造型的自动实现JJ.农业工程学报，2 0 0 4,2 0（2)：12 2-12 5.803张建.基于Pro/E离心泵叶片参数化软件的开发 D.镇江：江苏大学，2 0 10.754赵红红，王洪申，张翔宇.基于OpenCASCADE的轴三维参数1.1化设计系统JI.机械制造与自动化，2 0 19，48（4）：97-99.5杨乐，韩升杰,陈伟，等.基于Open CASCADE的三维模型软件的开发与研究J.机械工程师，2 0 15（12）：43-45.6 高超，尤保健，芦洪钟.基于OpenCASCADE的离心泵叶片设计和造型技术J.通用机械，2 0 2 0（9）：6 0-6 3.7袁媛，王延红，江凌，等.基于Qt及OpenCASCADE的建模技术研究J.现代电子技术，2 0 13，36（10）：7 4-7 7.8王洪申，王道俊.产品MBD数据集三维标注的自动校验与实现J.兰州理工大学学报，2 0 2 1,47(2）：48-53.9杨敬江，关醒凡.轴流泵水力模型内部流动数值模拟J.流体机械，2 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