基于SolidWorks的双流道吸鱼泵三维实体造型研究

第45卷第3期 渔业现代化Vol.45 No.3 2018 年 6 月FISHERY MODERNIZATION Jun.2018 DOI:10. 3969/j.issn. 1007-9580. 2018. 03. 009
基于SolidW orks的双流道吸鱼泵三维实体造型研究
楚树坡\湛志新〃，谭永明\刘平2
(1青岛海洋科学与技术国家实验室，山东青岛266237;
2中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海200092)
摘要:吸鱼泵是鱼类起捕与输送的重要机械设备。

确保鱼体无损伤并提高存活率是目前吸鱼泵研究的重点。

鱼体在通过双叶片吸鱼泵的过程中容易受到叶片进口端的切割而损伤。

双流道吸鱼泵的叶轮由两个空间通道组成，介质通过能力强，无堵塞性好，不会对鱼体造成损伤，是双叶片吸鱼泵的理想替代型式。

双流道泵在工业领域中已被广泛使用，但在渔业方面至今仍是空白。

介绍了双流道吸鱼泵叶轮及蜗壳的水力设计方法，结合实例详细阐述了采用SolidWorks进行双流道吸鱼泵三维实体造型的过程。

研究表明：采用SolidWorks 进行双流道吸鱼泵三维造型是切实可行的，对于深入开展双流道吸鱼泵研究，以及在深海网箱养殖和远洋渔业中进行推广应用双流道吸鱼泵具有重要意义。

关键词：双流道吸鱼泵；水力设计；三维造型
中图分类号:TH311 文献标志码:A文章编号:1007 -9580(2018)03 -055 -06
吸鱼泵最早应用于拖网和围网等捕捞作业中 的渔获在海上及港口转运、卸载操作等[1_2]。

因吸鱼泵具有自动化程度高、工作效率高、劳动强度 低、操作人员少等优点[3_4]，在鱼类的换池、分级、放养、起捕等过程中具有广阔的应用前景。

这些 渔业活动要求不能对鱼体造成损伤，确保鱼类存 活率。

开发出结构、性能优异的吸鱼泵以提高鱼 类的无损伤率及存活率是当前研究的热点[5^]。

国外吸鱼泵的研制使用始于20世纪50年代，中国20世纪60年代才开始开发和使用吸鱼泵[6]。

目前，世界范围内普遍使用的吸鱼泵结构形式主 要有3种，即离心式、真空式和射流式[6_17]。

其 中，离心式吸鱼泵又可细分为螺旋式、双叶片式两 种结构形式。

离心式吸鱼泵的显著优点是结构简 单，工作效率高。

然而，鱼类通过双叶片吸鱼泵的 过程中，容易受到叶片进口端的机械切割作用而 损伤，损伤率较高，限制了双叶片吸鱼泵的大范围 推广应用。

双流道泵是一种特殊的离心泵，主要用于输 送含有固体颗粒和纤维的流体，在市政、环保、化 工等行业中应用广泛[18]。

双流道泵的叶轮又称无叶片叶轮，由两个呈空间扭曲的通道组成，从叶 轮进口到出口，通道宽敞、圆滑，介质通过能力强、无堵塞性好。

鉴于此，将双流道泵用作吸鱼泵，可 避免叶片对鱼类的机械损伤，因而双流道吸鱼泵 可作为双叶片吸鱼泵的理想替代形式。

文章介绍了双流道吸鱼泵的水力设计方法以 及采用SolidWorks进行三维造型的详细过程，对 于深入开展双流道吸鱼泵性能研究，以及在深海 网箱养殖和远洋渔业中进行推广应用具有重要 意义。

1双流道吸鱼泵水力设计
双流道吸鱼泵水力设计包括叶轮和蜗壳的设 计。

双流道叶轮属于离心式叶轮，其主要几何参 数的计算可采用速度系数法，但其叶轮流道设计 方法与叶片式叶轮的叶片设计方法有很大不同[18]。

1.1双流道叶轮的水力设计方法
双流道叶轮的水力图由两个视图（轴面图和 平面图）以及数个流道截面图组成。

双流道叶轮 轴面图通常表示成图1的形式。

其与叶片式叶轮
收稿日期=2018-04-12
基金项目：上海市（临港)产学研合作项目“深远海大型浮式渔业平台养殖及控制系统的关键技术开发”作者简介:楚树坡（1984—)，男，工程师，硕士，研究方向:海洋渔业装备。

E- mail:spchu@qnlm.ac
通信作者:谌志新（1969—)，男，研究员，硕士，研究方向:海洋渔业装备。

E- mail:chenzhixin@
56渔业现代化
2018 年
〇0 100 200 300 400'°
比转速^
图4
包角系数
w
与比转速〃s 的关系
Fig . 4 Relationship between (p^m and ns
对于双流道叶轮的设计，外流道型线的形状 是水泵性能优劣的主要因素之一，对水泵扬程、效 率影响较大。

双流道叶轮能量的转换主要通过外 流道完成，其作用等同于叶片泵的叶片，因而外流 道的设计也是双流道叶轮设计的关键之一。

在外 流道型线绘制过程中可以参照双叶片叶轮直叶片 的绘制方法。

在双流道叶轮的设计过程中，应注意以下结 构参数的相互协调:流道中线螺旋线参数的选取， 流道中线包角的确定，流道截面面积的变化规律， 内外流道型线的绘制方法等。

选取得当，可得到
F o
图3流道截面面积变化规律
Fig . 3 Variation rule of channel section area
平面图流道中线非常关键，其形状直接决定 了内流道和外流道的形状，对泵的性能影响较大。

平面图流道中线应平顺、光滑，通常采用变异阿基
米德螺旋线[19]:
r = a 〇m
(1)
式中：r 一极半径，m ;a —螺旋系数，a = Z )2/(2p )， 其中P 为平面图流道中线包角，与比转速〃s 有 关4随比转速〃s 的增大而减小W —螺旋角，md ;
w —系数，与比转速〃s 有关，w 随比转速〃s 的增
大而增大（图4) [19]。

轴面图的区别在于后盖板圆弧半径均及进口直 径A 不同。

图1
双流道叶轮轴面图
Fig . 1 Meridional plane drawing of double - channel impeller
叶轮轴面图的几何参数有进口直径A 、出口 直径込、出口宽度62、前盖板圆弧半径A 、后盖板
圆弧半径、前盖板倾角乃、后盖板倾角r 2以及 进口位置L ，其中最重要的几何参数是Z )2、62。

双流道叶轮平面图是轴面图的A -A 剖面 图，包括流道中线〇〇'、内流道、外流道(相当于叶 片式叶轮的吸力面和压力面）、出口边，见图2。

A -A
图2
双流道叶轮平面图
Fig . 2 Floor plan of double - channel impeller
双流道叶轮流道截面可以是圆形、矩形或椭 圆形。

进口截面一般为圆形，其他截面通常采用 椭圆形。

双流道叶轮流道的空间形状是由轴面图 形状、流道截面面积变化规律和平面图流道中线 方程共同决定的。

流道截面面积可以按直线或圆
弧规律变化（图3)。

研究表明，当比转速150 时，流道截面面积可按直线规律变化；当比转速
150时，若流道截面面积仍按直线规律变化， 叶轮平面图设计将变得非常困难，此时流道截面 面积应按圆弧规律变化[18]。

J
.05
.50
5
第3期楚树坡等:基于SolidWorks的双流道吸鱼泵三维实体造型研究57
无过载的性能曲线。

任何结构参数选取不当，都 有可能造成叶轮性能不佳或模型制造失败等问 题。

尤其是内流道型线的绘制，如绘制方法有误，可能出现叶轮的平面图、流道截面与叶轮木模三者不相符的情况[2°]。

1.2双流道蜗壳的水力设计方法
工业中常用的蜗壳压水室形状有螺旋形、半 螺旋形和环形三种形式[21](图5)。

图5蜗壳压水室形状Fig.5 Collector shape of volute
工业双流道泵用得最多的压水室是螺旋形，优点是性能好、局效区宽等，缺点是隔舌间隙小，容易造成堵塞，严重时甚至会损坏叶轮和隔舌。

环形压水室隔舌间隙大，不容易造成流体中固体 的堵塞，且工况改变时泵效率的降低没有其他形 式的压水室敏感。

鱼体通过吸鱼泵时，在隔舌处 最容易受到损伤[22]，故将双流道吸鱼泵的蜗壳压 水室设计成环形比较好。

蜗壳截面形状一般为矩 形、梯形或半圆形，蜗壳截面形状对泵性能没有明 显的影响[21]。

双流道蜗壳的主要几何参数有基 圆直径、基圆进口宽度、隔舌角。

2双流道吸鱼泵三维造型实例
双流道叶轮木模图由两个视图（轴面图和平 面图）以及数个流道截面图组成。

双流道叶轮的 流道形状由流道中线、流道截面形状以及流道截 面的位置决定。

双流道叶轮造型比较特殊，设计 实践证明，从木模图到实际木模制作，无法形成双 内流道是较为常见的失败情况。

单从双流道叶轮 木模图无法发现设计的成败，在实际木模制作之 前应采用三维实体造型来检验设计是否成功。

另外，建立三维实体模型也是进行流体动力学数值 模拟以及3D打印等的前提。

2.1二维水力模型
设计参数如下：流量为400 m3/h，扬程为 10.5 m，转速为950 r/min。

经计算，比转速为 198。

前盖板倾角设计为87°，后盖板倾角设计为90°。

流道中线包角设计为145°，采用变异阿基 米德螺旋线绘制，系数w取2.4。

经水力计算，叶 轮进口直径为202 mm，叶轮出口直径为432 mm，叶轮出口宽度为109 mm。

流道中线分为7段，流 道截面面积按圆弧规律变化，流道截面形状为椭 圆形。

叶轮轴面图、平面图以及流道中线各分点 截面图的绘制方法可参考文献[23_27]，最终绘制结 果见图6。

蜗壳压水室形状设计为环形，基圆直 径为500 mm，基圆进口宽度为175 mm，蜗壳截面 形状为半圆形，流体切向排出。

2.2三维实体造型
SolidWorks是基于Windows开发的三维CAD 系统，具有强大的实体、曲面建模功能，可以实现 复杂三维零件实体以及空间曲面造型。

本研究采 用SolidWorks进行双流道吸鱼泵三维实体造型，具体过程如下。

(1)在上视基准面草图中绘制出前后盖板型 线后，根据盖板厚度，采用等距实体形成叶轮外轮 廓，然后将叶轮外轮廓绕中心轴旋转一周形成叶 轮基础实体（图7 a)。

(2 )在上视基准面草图中绘制出前后盖板型 线后，绘制一系列与前后盖板相切的圆，将圆心用 样条曲线依次连接起来就得到轴面图中的流道中 线，这样得到的流道中线比较精确。

将得到的轴 面图流道中线绕叶轮中心轴旋转一周形成曲面。

在右视基准面草图中采用参数性方程式曲线绘制 变异阿基米德螺旋线，即平面图中的流道中线，参
数方程如下：
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2018 年
图6
双流道叶轮水力图
Fig . 6 Hydraulic design drawing of double - channel impeller
|.|36〇p
r .c〇s(27r〇d
\
⑵
|r t = y * (^) * ^ * sin(27T 〇
式中:％t —横坐标;yt —纵坐标;w —系数，与比转 速' 有关#一平面图流道中线包角“一自变量J
e [0，^/360]。

将变异阿基米德螺旋线投影到曲 面上就得到空间流道中线（图7 b )。

(3)过流道中线上各分点分别作与空间流道 中线垂直的参考平面i 、与叶轮中心轴垂直的参考 平面ii ，然后在参考平面i 上绘制相应的流道截面 椭圆，其中参考平面i 与i i 的交线则为流道截面 椭圆的一个轴。

绘制的截面1见图7 c 。

绘制完 成各流道截面后，采用放样切除的方法依次选择 各流道截面作为轮廓，选择空间流道中线作为放 样切除中心线，从而得到单个内流道。

由于流道 空间扭曲，第一次尝试放样切除后得到的内流道 不一定光滑，特别是叶轮从进口到开始形成双流 道段，一般需进一步调整方可得到光滑的内流道， 甚至有时需要舍弃某个严重影响流道光滑的截 面。

单个内流道形成后，采用圆周阵列以形成双
A
|_
171
_ |
_____
内流道，接下来检查阵列结果是否能够形成有效 的双流道。

如果没有形成，则通过调整流道截面
面积，还不能满足时，则需重新设计。

(4) 外流道与内流道应光滑过渡。

外流道分 两段绘制。

首先在右视基准面草图中绘制外流道 工作面型线H (图6)，然后过型线H 端点（内外流 道分界点)作同时与型线H 、右视基准面垂直的参 考平面，在该参考平面上绘制外流道截面矩形，矩 形的宽度为叶轮出口宽度，矩形长度大于型线H 端点与叶轮直径圆上相应点之间的距离即可。

采 用扫描切除的方法，以截面矩形为轮廓，以型线H 为路径，即可得到叶轮外流道的后半段。

接下来采 用放样切除的方法选择外流道截面矩形、内流道最 后一个截面椭圆作为轮廓即可得到叶轮外流道的 前半段，从而形成完整的单个流道。

其后采用圆周 阵列形成完整的双流道叶轮（图7 d )。

(5)
蜗壳压水室形状为环形，截面为半圆形，
结构比较简单，故蜗壳的造型过程不再赘述，绘制 的蜗壳见图7 e 。

(6) 将绘制好的叶轮及蜗壳实体进行装配， 便得到了完整的双流道吸鱼泵。

90°
I
第3期楚树坡等:基于S o lid W o rk s的双流道吸鱼泵三维实体造型研究59
(a)叶轮基础实体绘制（b)空间流道中线绘制（c)流道截面绘制（d)双流道叶轮（e)蜗壳
图7双流道吸鱼泵三维造型过程
Fig.7 Three- dimensional modeling of double- channel impeller fish pump
3结论
研究表明，采用SolidWorks进行双流道吸鱼 泵三维造型是切实可行的。

双流道叶轮的流道形 状是由流道中线、流道截面形状以及流道截面的 位置决定的。

双流道叶轮是三维造型中最为复 杂，同时也是最容易出现冋题的地方。

米用 SolidWorks中的参数性方程式曲线可以绘制精确 的平面流道中线，进而可以得到精确的空间流道 中线。

由于双流道空间扭曲，初次绘制得到的内 流道不一定光滑，特别是叶轮从进口到开始形成 双流道段，一般需进一步调整方可得到光滑的内 流道。

还应检查是否能够形成有效的双流道，如 果没有形成则需要调整流道截面面积，还不能满 足时，则需重新设计。

□
参考文献
[1]叶燮明，徐君卓，陈海鸣，等.网箱吸鱼泵的研制和试验[J].
渔业现代化，2003(3) :25 -26.
[2]刘健，钱晨荣，黄洪亮，等.国内外吸鱼泵研究进展[J].渔业
现代化，2013,40(1) :57 -62.
[3 ]迟旭朋.水母类渔业髙效自动化捕捞原理与工艺的初步研究
[D] •青岛：中国海洋大学，2014.
[4]王伟.大型远洋围拖网渔船吸鱼泵设计与研究[D].舟山：浙
江海洋大学，2017.
[5] 徐皓，刘兴国，田昌凤.机械捕捞设备介绍[J].科学养鱼，
2017(3) ：82 -83.
[6] 郭喜庚，谭细畅.吸鱼泵的主要结构型式及其应用前景分析
[J]•渔业信息与战略，2013,28(3):214-218.
[7] 闫国琦，倪小辉，莫嘉嗣.深远海养殖装备技术研究现状与发
展趋势[J].大连海洋大学学报，2018，33(1) :123 -129.
[8] 谢元华，韩进，张志军，等.真空输送的现状与发展趋势探讨
(二）[J]•真空，2018,55(2) :34 -38.
[9] 刘平.基于ANSYS C F X的吸鱼泵的内部流场分析[J].流体
机械，2014,42(11):43 -46.[10]刘平，徐志强，徐中伟.离心式吸鱼泵叶轮的设计[J].流体
机械，2016,44(3):50-54.
[11 ] LOUIS A H,RAYMOND B,CHARLES R L,et al. Live transport
of striped bass and rainbow trout using a hidrostal pump [ J ].
Journal of the Word Aquaculture Society,2004,35(2) ：268 -273. [12 ]苏玉香，刘国平，单海校，等.新型双机双桶髙效吸鱼泵及其
控制系统设计[J].船舶工程，2013，35(4) :48 -50，112.
[13] 黄滨，关长涛，林德芳，等.网箱真空活鱼起捕机的研究[J].
海洋水产研究，2004,25(3):54 -60.
[14]林雯雯.大型远洋拖网加工渔船吸鱼装备控制系统设计
[D] •舟山:浙江海洋学院，2013.
[15 ]黄道沛，李存军.基于负压原理的射流式吸鱼泵研究[J].浙
江海洋学院学报（自然科学版），2016,35(4) :354 -357.
[16 ]黄小华，郭根喜，陶启友.射流式吸鱼泵关键技术研究及设
计[J]•南方水产，2〇〇7,3(3):41-46.
[17 ]叶燮明.文丘里（Venturi )吸鱼泵研究[J ].渔业现代化，2006
(4) ：37 -38.
[18]刘厚林，谈明髙.双流道泵[M].镇江：江苏大学出版社，
2012：16-28.
[19 ]刘厚林，袁寿其，施卫东.双流道泵水力设计的研究[J].农
业工程学报，2005，21 (1) :76 -78.
[20]张静，齐学义，侯祎华.双流道污水泵叶轮的绘型方法[J].
排灌机械，2008,26(1) :37 -39.
[21 ]刘厚林，关醒凡，马皓晨.双流道泵蜗壳的设计方法[J].水
泵技术，2001 (2) :18 -21.
[22]郑经纶，巫道镛.鱼泵在国外的使用与研究[J].国外水产，
1964(5) ：16-24.
[23 ]关醒凡.现代泵技术手册[M ].北京:宇航出版社，1995 :422
-424.
[24] 刘厚林，关醒凡，李幼康.双流道叶轮的设计方法[J].流体
机械，1999,27(9) :15 -17.
[25] 齐学义，阎晓伟，李纯良，等.双流道污水泵叶轮绘型探析
[J].水泵技术，2006(4) :15 -18.
[26 ]刘厚林，关醒凡，施卫东，等.双流道泵叶轮轴面图的数学模
型[J].水泵技术，2001 (4) :7 -10.
[27]鲁求荣，张江平.双流道叶轮叶片绘型[J].排灌机械，2001
(2) ：17 -1
8.
60渔业现代化2018 年
A study of three-dimensional solid modeling of double-channel
impeller fish pumps based on SolidWorks
CHU Shupo^CHEN Zhixin12，TAN Yongming^UU Ping2
(1 Q ingdao N ational Laboratory fo r M arine Science and Technology, Q ingdao266237 , Shandong, China；
2 Fishery Machinery and Instmment Research Institute ^Chinese Academy o f Fishery Science,Shanghai 2U W2,China) Abstract ：Fish pumps are important mechanized equipment for catching and transporting fish. Current fish pump study focuses on preventing fish from injury and improving fish survival rate. Fish bodies are likely to be cut by the inlet edges of the impeller blades when the fish passes through double-blade fish pumps. The impeller of the double-channel impeller fish pump is composed of tw o space channels, which enables the media to have strong passage capacity and good non-clogging performance, so the impeller will not injure fish bodies. It proves that the double-channel impeller fish pump is an ideal substitute type for the double-blade impeller fish pump. The double-channel pump thus has been widely used in industry,but so far has not been applied in fisheries. This paper introduces the hydraulic design method of the impeller and the volute of the double- channel impeller fish pump, and expounds with an example in details the process of three-dimensional modeling of the double-channel impeller fish pump based by SolidWorks. The research shows that it is feasible to use SolidWorks for three-dimensional modeling of double-channel impeller fish pumps,which is of important significance for carrying out further intensive research on double-channel impeller fish pumps and promoting the application of double-channel impeller pumps in deep sea cage aquaculture and deep-sea fisheries. Key words：double-channel impeller fish pump；hydraulic design；three-dimensional modeling。