離心壓縮機葉輪結構特征三維建模方法探究

于博伕++鐵源

摘 要：目前，離心壓縮機葉輪三維模型常常缺失或者已有三維模型無法反映葉輪再制造特征，不能直接用于再制造葉輪的仿真分析。本文針對該問題基于結構特征測量點提出離心壓縮機葉輪結構特征重構方法。為葉輪的二次服役載荷求解、再制造工藝殘余應力分析、再服役壽命預估等方面提供基礎信息。

關鍵詞：離心壓縮機；結構特征；三維建模

離心式壓縮機是一種葉片旋轉式壓縮機，在離心式壓縮機中，高速旋轉的葉輪給予氣體的離心力作用，以及在擴壓通道中給予氣體的擴壓作用，使氣體壓力得到提高。早期，由于這種壓縮機只適于低，中壓力、大流量的場合，而不為人們所注意。由于化學工業的發展，各種大型化工廠，煉油廠的建立，離心式壓縮機就成為壓縮和輸送化工生產中各種氣體的關鍵機器，而占有極其重要的地位。隨著氣體動力學研究的成就使離心壓縮機的效率不斷提高，又由于高壓密封，小流量窄葉輪的加工，多油楔軸承等技術關鍵的研制成功，解決了離心壓縮機向高壓力，寬流量范圍發展的一系列問題，使離心式壓縮機的應用范圍大為擴展，以致在很多場合可取代往復壓縮機，而大大地擴大了應用范圍。

一、 離心式壓縮機葉輪

葉輪按照葉片的彎曲形式分，主要有后彎式、徑向式及前彎式三種形式。前彎式由于效率低，在壓縮機中部采用，壓縮機目前普遍采用后彎式，由于三元流理論的不斷發展以及加工技術的進步，近幾十年來扭曲葉片在葉輪中的應用越來越廣泛，因為扭曲葉片葉輪內氣體流動比較均勻，速度和壓力分布比較合理，流動損失小，壓縮級的效率明顯提高。按照葉輪多久節后形式可以分為開式、半開式和閉式三種。開式葉輪結構最簡單但是氣體流動損失最大，故葉輪的效率最低，在壓縮機中很少使用。目前閉式和半開式葉輪在壓縮機中的應用越來越廣泛。半閉式葉輪和開式葉輪不同，改善了氣體流道，減少了流動的損失，提高了效率，但是唯一的缺點是側面間隙很大，閉式葉輪由輪盤、葉片和輪蓋組成，這種葉輪低氣體流動有利，效率也比前兩種高，在離心式壓縮機中廣泛應用。

二、葉輪結構的工藝特征

離心壓縮機葉輪為了適應高速離心載荷、氣動載荷、振動激勵及氣體腐蝕等復雜工況環境，往往使用強度高、性能好的難加工材料制造，如：馬氏體不銹鋼，增加了失效葉輪再制造難度。目前常采用激光熔覆，再制造修復工藝實施葉輪再制造，修復后的再制造葉輪質量良好。針對葉輪存在的不同失效特征，再制造修復時采取差異化的激光熔覆方式，在葉輪失效部位形成新的再制造工藝特征。對于離心壓縮機失效葉輪的葉片掉塊與缺口可直接熔覆堆焊成形；葉邊塑性變形采用切除后再熔覆堆焊成形，葉根未穿透裂紋采用預制V形槽激光熔覆再制造，然后經五軸銑床加工到預定的形狀。修復后的再制造葉輪與原葉輪的顯著區別在于形成了新的激光熔覆再制造修復界面和再制造成形層。

三、造葉輪特征三維建模方法

（一）葉輪特征重構方法

為了重構離心壓縮機再制造葉輪結構的幾何特征，從離心壓縮機再制造葉輪結構特征分析入手（主要包括葉輪失效特征、再制造界面特征和再制造成形層特征），對離心壓縮機再制造葉輪各曲面離散化處理，并根據計算機輔助設計空間的NURBS曲面造型理論重構再制造葉輪典型特征，著重構造再制造葉輪基體、再制造修復界面及成形層等特征，最后通過擬合曲面、環面、簡單平面等修剪、合并、實體化等步驟完成離心壓縮機再制造葉輪結構特征的重構。

（二）葉輪特征數據點測量

離心壓縮機再制造葉輪三維數字化建模直接依賴于葉輪結構特征測量點數據，因此準確測量再制造前的葉輪特征數據點顯得非常重要。柔性關節臂式三坐標儀測量儀結構輕巧、使用便捷、測量臂可以無限旋轉恰好滿足了再制造葉輪特征數據點測量要求。考慮到葉輪結構特征點測量工作量大的問題，對完整葉片、缺口界面、葉根裂紋等特征點進行布點規劃后測量。為了使重構的葉片壓力面、吸力面與被測葉片實物一致且葉片壓力面和吸力面保持連續光順，根據葉片流線特點進行測量布點規劃。沿著葉片的型線進行畫線，同時沿徑向邊界做截面線，得到交點即為完整葉片特征的測量點。同時，在曲率變化大的區域應該增加布點數量，反之則減少。葉片的其他幾何面較窄可直接的利用邊界線上測量點數據。葉片缺口界面特征是再制造葉輪基體與再制造成形層過渡的分界面，缺口再制造修復前通常需要進行缺口工藝面設計（界面的清理與修整），故葉片缺口界面特征點測量可在其約束邊界線上進行測量布點規劃，即沿著缺口的四條約束邊界線布置特征測量點。葉根裂紋通常包含未穿透裂紋與穿透裂紋兩種類型，再制造修復前需要預制成“V形槽缺口”和“梯形槽缺口”以除去裂紋部位的失效材料，葉根裂紋特征點測量強調裂紋主路徑及邊界測量，故可沿葉輪裂紋擴展路徑和邊界位置布置測量點。

（三）葉輪重構模型幾何質量

為了驗證再制造葉輪重構模型的幾何質量，對再制造葉輪的葉片壓力面、吸力面進行精度與曲率分析。首先在失效葉輪中的某完整葉片（如葉片3、4等）壓力面或吸力面上提取30×60（uxv）個測量點坐標構成點集合P=（Rij； 1， 2， …， 30； j=l， 2， …， 60）然后將點集合P通過坐標旋轉到被檢驗葉片相同位置，求集合P中各點到擬合的修復葉片（如葉片1、5等）壓力面或吸力面法向距離，取每列最大距離作誤差曲線。實踐可知最大誤差不超過1×104mm，滿足了離心壓縮機再制造葉輪的設計要求。另外，再制造葉輪壓力面或吸力面修復部位的曲率偏差分析結果也證實了重構的再制造葉輪模型具有曲面連續、光順性好等特點。因此再制造葉輪重構模型幾何質量好，達到了再制造葉輪后續有限元分析與再制造的要求。

四、結束語

本實驗實現了離心壓縮機葉輪三維模型，包括葉輪基體、再制造界面、再制造成形層的特征建模。通過葉輪重構模型幾何質量分析，證明所建再制造葉輪三維模型曲面連續光順，與實際情況基本吻合。

參考文獻：

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