離心式風(fēng)機(jī)機(jī)翼型葉輪的造型研究

寧小波楊漢生朱仁義

（巢湖學(xué)院，安徽巢湖238000）

離心式風(fēng)機(jī)機(jī)翼型葉輪的造型研究

寧小波楊漢生朱仁義

（巢湖學(xué)院，安徽巢湖238000）

在分析離心式風(fēng)機(jī)機(jī)翼型葉輪計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)翼型葉片造型的難點(diǎn)，利用三維CAD軟件提供的樣條曲線的造型功能，使用Excel軟件計(jì)算葉片上下輪廓的坐標(biāo)值，輸入至三維CAD軟件中完成葉片截面輪廓造型設(shè)計(jì)，并給出了離心式風(fēng)機(jī)葉輪三維實(shí)體建模的方法。

葉片；造型設(shè)計(jì)；離心式風(fēng)機(jī)；葉輪

1 引言

離心式通風(fēng)機(jī)作為一種通用機(jī)械，廣泛用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各部門。但由于其內(nèi)部流動(dòng)的復(fù)雜性，迄今為止，還沒有一套成熟的計(jì)算理論。在離心式通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，葉輪是其主要部件，而葉片又是葉輪中最重要的部分，它是唯一進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化的元件，因此葉片設(shè)計(jì)的好壞直接決定了風(fēng)機(jī)效率的高低。離心式通風(fēng)機(jī)葉片的型線基本有直線型、圓弧型和機(jī)翼型三種，其中機(jī)翼型葉片通風(fēng)機(jī)效率最高，噪音最低，但傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和手工建模，設(shè)計(jì)效率低，誤差大，型面控制困難，不易保證葉片流體動(dòng)力學(xué)特性。本文在分析機(jī)翼型葉片造型設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，利用Excel軟件的數(shù)據(jù)計(jì)算功能得出的數(shù)據(jù)，再在三維CAD軟件SolidWorks中完成葉片的造型，整個(gè)設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)單易行。由于Excel軟件具有數(shù)據(jù)隨參數(shù)改變能自動(dòng)修正功能和Solidworks軟件中草圖實(shí)體具有尺寸自動(dòng)縮放功能，所以這種設(shè)計(jì)方法適用于各種系列具有機(jī)翼型葉輪的離心式通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)。

2 離心式風(fēng)機(jī)葉輪葉片造型的計(jì)算方法

在這里，我們借鑒的是對(duì)于中、低壓軸流通風(fēng)機(jī)常常采用的孤立翼型設(shè)計(jì)法，由于該方法在葉片造型時(shí)僅僅是葉片安裝角和葉片截面大小發(fā)生變化，葉片截面形狀與原始翼型幾何相似。因此，在已知葉片安裝角、葉片弦長(zhǎng)和葉片最大厚度等參數(shù)的情況下，可以很方便地進(jìn)行葉片造型。

在葉柵設(shè)計(jì)法中，根據(jù)氣動(dòng)參數(shù)與幾何參數(shù)之間的關(guān)系，翼型中線通常采用圓弧形或拋物線形。圓弧形中線可由兩段或一段圓弧構(gòu)成。我們采用雙圓弧中線法，對(duì)于圖1所示的雙圓弧中線，半徑為的圓弧在坐標(biāo)中的方程為[1][2]

圖1 雙圓弧中線

由XOY坐標(biāo)與xoy坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知：

將（2）式代入（1）式可得該圓弧在xoy坐標(biāo)中的方程：

同理，半徑為R2圓弧在xoy坐標(biāo)中的方程為：

設(shè)葉型的彎折角為θ，則設(shè)計(jì)中一般取χ1=0.6θ，χ2=0.4θ，a/b=0.45。若取葉弦長(zhǎng)度b=100mm，則（3a）、（3b）兩式可寫成：

當(dāng)翼型葉片截面中線方程確定后，沿彎曲中線有關(guān)坐標(biāo)點(diǎn)的法線方向疊加原始翼型數(shù)據(jù)變可獲得所需的葉片截面輪廓曲線數(shù)據(jù)。如圖2所示，葉片截面的上、下輪廓曲線上任一點(diǎn)坐標(biāo)值可由下式確

圖2 葉片截面上、下輪廓曲線

在上兩式中，x、ye的值可由所選原始翼型提供型值點(diǎn)數(shù)據(jù)代入計(jì)算；yZ的值根據(jù)雙圓弧中線方程（4a）、（4b）來確定；中線上任一點(diǎn)的切線方向與x軸之間的夾角φ可由下式計(jì)算得出：

3 軟件的數(shù)據(jù)計(jì)算

根據(jù)造型設(shè)計(jì)原理，我們?nèi)-4原始葉片截面數(shù)據(jù)，葉片彎折角θ＝45°，采用Excel電子表格的數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算的功能，將翼型中線和葉片截面上下輪廓方程公式輸入到對(duì)應(yīng)的單元格，對(duì)葉片截面上、下輪廓曲線數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算，如圖3所示部分計(jì)算數(shù)據(jù)。

圖3 葉片截面輪廓數(shù)據(jù)計(jì)算

4 葉片三維造型步驟

（1）將葉片截面上下輪廓坐標(biāo)值分別以“上輪廓.txt”和“下輪廓.txt”文件類型保存。

（2）在SolidWorks軟件中，使用“插入”、“曲線”，再選擇“通過XYZ點(diǎn)的曲線”，分別將“上輪廓.txt”和“下輪廓.txt”文件中數(shù)據(jù)自動(dòng)導(dǎo)入，在SolidWorks界面上形成上、下輪廓曲線。

圖4 葉片截面輪廓曲線

（3）在前視基準(zhǔn)面上，我們建立草圖，將上面得到的兩曲線轉(zhuǎn)化實(shí)體引用。應(yīng)該說明的是，原始翼型輪廓的前緣和后緣都是由一段圓弧構(gòu)成，為了準(zhǔn)確繪制葉片截面形狀，我們?cè)诓輬D上在輪廓前、后緣分別作兩個(gè)圓，使得兩圓分別經(jīng)過翼型中線起點(diǎn)和終點(diǎn)，同時(shí)分別與上下輪廓曲線相切。

（4）再經(jīng)過放大、裁剪、拉伸，就可得等截面的機(jī)翼型葉片造型。如圖4所示。

（5）根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)整個(gè)葉輪的具體劃分情況，利用SolidWorks的旋轉(zhuǎn)特征，將葉輪的前后盤進(jìn)行造型。

（6）再將上面完成的輪廓線，做兩次復(fù)制到葉輪后盤內(nèi)表面，經(jīng)過編輯草圖，縮放實(shí)體，給定縮放因子，就可分別得前后盤葉片截面輪廓。再根據(jù)設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)，將它們位置完全定義下來。

（7）再使用“分割線”命令，把前盤葉片截面輪廓曲線投影到前盤內(nèi)表面。此時(shí)，分割線就會(huì)在前盤曲面上切割出葉片截面的投影曲面。

（8）按住Ctrl鍵，用鼠標(biāo)依次點(diǎn)擊后盤截面輪廓和前盤截面輪廓的投影曲面，再使用“放樣”命令，就能得到單個(gè)葉片的三維造型，再使用圓周陣列命令，就可得到完整的葉輪造型，如圖5所示。

圖5 葉輪三維實(shí)體造型

5 結(jié)論

對(duì)離心式風(fēng)機(jī)機(jī)翼型葉輪造型方法進(jìn)行總結(jié)分析可知，利用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，再根據(jù)SolidWorks提供的通過坐標(biāo)XYZ點(diǎn)曲線造型和自動(dòng)縮放功能，可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)離心式風(fēng)機(jī)機(jī)翼型的葉輪造型。該方法使用簡(jiǎn)單、方便，既可使三維CAD軟件的功能得到充分發(fā)揮，又滿足了提高設(shè)計(jì)效率的要求，具有較強(qiáng)的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1]續(xù)魁昌主編.風(fēng)機(jī)手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[2]潘地林、張立祥.機(jī)翼型葉片截面形狀參數(shù)的數(shù)學(xué)描述與計(jì)算[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，1994，（4）.

[3]江紅、王貴成、盧擇臨著.SolidWorks高級(jí)曲線曲面實(shí)例解析[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2007，（1）.

責(zé)任編輯：澍斌

TH122

A

1672－2868（2010）03－0063－04

2010－03-20

安徽省高等學(xué)校優(yōu)秀青年人才基金項(xiàng)目（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：2009SQRZ137）。

寧小波（1976－），男，安徽巢湖人。巢湖學(xué)院物理與電子科學(xué)系講師，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)電一體化。