應(yīng)用Bladegen的離心葉輪三維建模新方法

董 敏，郭信心，馬昌飛，李 想

（燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

1 引言

在離心壓縮機(jī)中，葉輪是核心部件。高效率的完成葉輪三維實(shí)體造型是實(shí)現(xiàn)離心壓縮機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的關(guān)鍵。葉輪葉片在徑向和軸向都有扭動(dòng)，形狀比較復(fù)雜，導(dǎo)致其造型比一般的實(shí)體更加困難。如果葉輪的設(shè)計(jì)結(jié)果不理想，會對整機(jī)壽命和效率以及后續(xù)的加工帶來致命的影響[1-2]。現(xiàn)有的葉輪設(shè)計(jì)采用一元流動(dòng)法來確定葉輪的總體尺寸，再借助幾何建模功能強(qiáng)大的三維造型軟件完成造型，雖然該方法如今仍被廣泛應(yīng)用，但它消耗研究者大量的時(shí)間和精力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高效率葉輪設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)也不利于縮短研發(fā)周期和葉片的優(yōu)化改進(jìn)[3-5]。CFX-Bladegen是葉輪造型的交互式設(shè)計(jì)模塊，把它應(yīng)用到葉輪建模中會帶來很大的方便，將經(jīng)過初步設(shè)計(jì)得到的參數(shù)輸入Bladegen設(shè)計(jì)窗口，就可以快速得到滿足條件的葉片型線的數(shù)據(jù)文件，避免了大量的坐標(biāo)輸入和處理，利用其與PRO/E的良好接口，將數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入Pro/E完成相應(yīng)葉輪的三維實(shí)體造型，提高了設(shè)計(jì)效率，降低了成本。

2 葉輪幾何參數(shù)的確定

離心壓縮機(jī)的葉輪為徑向葉輪，其設(shè)計(jì)是根據(jù)壓縮機(jī)的性能參數(shù)來確定葉輪的幾何總體尺寸。以單級離心壓縮機(jī)葉輪為例，其性能參數(shù)，如表1所示。

表1 某單級葉輪的設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design Parameters of a Single Stage Impeller

2.1 葉片的進(jìn)出口安裝角與葉片數(shù)

（1）壓縮機(jī)型葉輪的葉片進(jìn)口安裝角 β1A以（30～34）°為宜；（2）壓縮機(jī)型葉輪的葉片出口安裝角β1B以（20～50）°為宜（在轉(zhuǎn)速較高、流量較大的情況下，可選用較大的出口安裝角）；（3）離心葉輪葉片數(shù) Z：出口安裝角 β2A在（20～30）°左右時(shí)，取 Z=（6～14）；出口安裝角 β2A在（30～50）°左右時(shí)，取 Z=（12～18）

2.2 離心葉輪出口部分計(jì)算

2.2.1 離心葉輪外徑D2

2.2.2 離心葉輪葉片的厚度δ

鋼板壓制葉片的厚度取：δ=（0.0035～0.007）D2

整體銑制葉片的厚度取：δ=（0.012～0.035）D2

2.2.3 離心葉輪葉片的出口寬度b2

2.3 離心葉輪進(jìn)口部分計(jì)算

3 Bladegen導(dǎo)出葉片型線

離心葉輪數(shù)據(jù)文件的獲取通常有兩種方法：一種是把已有模型的幾何尺寸通過各種專門工具的測量（激光跟蹤儀和三坐標(biāo)測量機(jī)等）轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)文件；另一種是根據(jù)力學(xué)原理的計(jì)算得到葉形三維坐標(biāo)的文件。是根據(jù)后者的理論計(jì)算并結(jié)合CFX-Bladegen模塊來生成葉片型線的數(shù)據(jù)文件。CFX-Bladegen是ANSYS軟件中Turbosystem系統(tǒng)中的模塊，專門用于泵、壓縮機(jī)、擴(kuò)散機(jī)、渦輪增壓機(jī)、風(fēng)機(jī)等三維葉輪造型。Bladegen、TurboGrid和CFX-Turbo三個(gè)主要功能模塊構(gòu)成了Turbosystem系統(tǒng)。Bladegen用于離心葉輪的交互式設(shè)計(jì)，TurboGrid用于網(wǎng)格劃分，CFX-Bladegen用于流體分析，一旦顯示分析結(jié)果能達(dá)到性能要求，葉片的幾何數(shù)據(jù)便可直接送到三維造型環(huán)境中。CFX-Bladegen為設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)非常簡單易用而又高效的設(shè)計(jì)環(huán)境[6]，具有設(shè)計(jì)者熟悉的二維視窗，并且由二維的子午面視角來觀察流道和葉片，避免了在三維透視圖中因視覺效果導(dǎo)致的尺寸變形。根據(jù)初步設(shè)計(jì)的葉輪參數(shù)在Bladegen二維參數(shù)界面中輸入子午面流道參數(shù)和葉片典型的結(jié)構(gòu)參數(shù)便直接快速的生成模型，調(diào)整局部點(diǎn)的坐標(biāo)值和導(dǎo)數(shù)值或增減控制點(diǎn)可以改變?nèi)~型。利用該軟件與Pro/E的良好接口，可將數(shù)據(jù)文件作為二維設(shè)計(jì)和三維造型之間的橋梁。葉片造型設(shè)計(jì)過程如下：在子午流道面窗口輸入已確定的關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)值，如圖1所示。在葉片參數(shù)窗口輸入葉片的厚度等相關(guān)幾何參數(shù)值，如圖2所示。在葉片角度屬性參數(shù)窗口分別輸入葉片前緣和葉片尾緣對應(yīng)的葉片安裝角，如圖3所示。為了準(zhǔn)確地確定葉片上下游邊界來模擬葉片繞流情況，在定子葉片入口和轉(zhuǎn)子出口分別向上下游延伸一定的距離，系統(tǒng)默認(rèn)延伸距離為葉片軸向高度的二倍。完成這些參數(shù)的輸入后就可以快速生成滿足相應(yīng)條件的葉型。

圖1 子午流道面參數(shù)設(shè)置窗口Fig.1 Parameters of Flow Field in the Meridian View

圖2 葉片參數(shù)窗口Fig.2 Parameters of the Blade View

圖3 葉片角度設(shè)置參數(shù)窗口Fig.3 Parameters of Blade Angles View

葉型的關(guān)鍵面由多點(diǎn)Bezier曲線[7-8]構(gòu)成，葉片前緣和葉片尾緣為圓弧或者橢圓弧，設(shè)計(jì)者可以直接用鼠標(biāo)單擊關(guān)鍵控制點(diǎn)來改變?nèi)~型，還可以通過增減控制點(diǎn)來改變?nèi)~片型線。設(shè)計(jì)工作完成之后，將葉輪形線保存成.ibl文件格式（.ibl文件是Pro/E中產(chǎn)生基準(zhǔn)曲線的數(shù)據(jù)文件[9]，該文件是ascii碼格式，能夠在文本編輯器中保存和編輯），為下一步導(dǎo)入三維實(shí)體造型軟件做準(zhǔn)備。

4 基于PRO/E的葉輪三維實(shí)體造型

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ComputerAided Design，CAD）技術(shù)正沿著高度集成化的方向發(fā)展，其中三維實(shí)體模型的建立是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)不斷升級的重要基礎(chǔ)，也是后期設(shè)計(jì)中有限元分析、模擬裝配和干涉檢查的基礎(chǔ)，建立模型后亦可方便快捷的生成傳統(tǒng)加工所需要的二維工程圖。Pro/E作為現(xiàn)今主流的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助制造（Computer-aided manufacturing，CAM）軟件之一，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)與加工和數(shù)據(jù)管理集成在一起，包含了基于特征的建模功能和參數(shù)化建模功能，并且包含強(qiáng)大的加工制造模塊，在如今的三維建模領(lǐng)域占據(jù)重要地位。現(xiàn)有的三維模型構(gòu)建方法主要有實(shí)體模型、特征模型、線框模型、曲面模型等，此處由線框模型到實(shí)體模型來完成葉輪建模，也就是說先在Pro/E中導(dǎo)入葉形的輪廓線框，為了保證葉片的精度，同時(shí)導(dǎo)入吸力面和壓力面的軸面截線，所有的這些曲線都來自Bladegen模塊中導(dǎo)出的數(shù)據(jù)文件。將生成的輪廓線框作為葉輪的骨架，再將其實(shí)體化。利用Pro/E與Bladegen生成的數(shù)據(jù)文件的良好接口和功能強(qiáng)大的特征建模方法[10]可精確的建立離心葉輪三維實(shí)體模型。

4.1 三元葉輪葉片造型

（1）啟動(dòng)Pro/E，進(jìn)入工作目錄，建立新零件，創(chuàng)建坐標(biāo)系及基準(zhǔn)平面。（2）單擊“插入”→“模型基準(zhǔn)”→“曲線”→“來自文件”，選擇笛卡爾坐標(biāo)系，選擇相應(yīng)的Bladegen數(shù)據(jù)文件，點(diǎn)擊確定后三維葉片型線導(dǎo)入就完成了，如圖4所示。（3）由“邊界混合”即可得到葉片的各個(gè)面，如圖5所示。（4）利用Pro/E的“曲面分析”工具通過色譜圖進(jìn)行分析，曲面的高斯曲率越趨于零表明曲面越光順，對于不光滑的曲面區(qū)域，修改相應(yīng)位置的曲線形狀，直至滿足要求為止。（5）對上一步邊界混合得到的曲面進(jìn)行“曲面合并”形成閉合曲面，并將其“實(shí)體化”得到三維葉片實(shí)體。（6）對葉片的進(jìn)口邊和出口邊執(zhí)行“倒圓角”操作，將葉片“生成組”，并根據(jù)計(jì)算出的相應(yīng)葉片數(shù)對葉片進(jìn)行“陣列”得到所有葉片。

圖4 數(shù)據(jù)文件生成的葉片流線Fig.4 The Blade Curves Generated by File of Obtained Data

圖5 離心葉輪葉片F(xiàn)ig.5 Blades of Centrifugal Impeller

4.2 三元葉輪輪盤造型

三元葉輪的輪盤為旋轉(zhuǎn)體，造型相對葉片而言形狀規(guī)則而簡單。造型的方法為先草繪二維圖，然后指定旋轉(zhuǎn)軸，通過旋轉(zhuǎn)特征操作構(gòu)造輪盤的三維模型。另一種方法是先通過三維造型命令構(gòu)造出規(guī)則的三維模型，再對實(shí)體進(jìn)行布爾運(yùn)算，從而生成組合出的三元葉輪輪盤。前者的優(yōu)點(diǎn)是便于模型的修改和編輯，容易實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)化；后者的優(yōu)點(diǎn)是個(gè)體零件特征信息比較少，便于系統(tǒng)進(jìn)行存儲。為了避免在后續(xù)分析中出現(xiàn)不連續(xù)實(shí)體，要對葉片實(shí)體進(jìn)行延伸，采用曲線曲面延伸的方法處理葉片與輪盤的接觸關(guān)系，選取已經(jīng)生成的葉片，對其進(jìn)行“延伸”操作至輪盤來保證整個(gè)葉輪的完整性和連續(xù)性，選擇葉片實(shí)體與輪盤實(shí)體進(jìn)行布爾運(yùn)算生成相應(yīng)的葉輪實(shí)體模型，如圖6所示。

圖6 離心葉輪三維模型Fig.6 3-D Model of Centrifugal Impeller

5 結(jié)論

Bladegen模塊可以方便快捷的生成離心葉輪的葉片型線，以此數(shù)據(jù)文件為橋梁，導(dǎo)入三維造型功能強(qiáng)大的Pro/E軟件實(shí)現(xiàn)葉片的三維實(shí)體造型，避免了數(shù)據(jù)調(diào)入和數(shù)據(jù)處理的繁瑣，也免除了設(shè)計(jì)者大量的反復(fù)計(jì)算，該方法具有較強(qiáng)的交互性，而且便捷高效，能夠滿足離心葉輪造型工程實(shí)際的需要。此外，基于Bladegen模塊也可以方便的完成風(fēng)機(jī)、渦輪增壓機(jī)、離心泵、擴(kuò)散機(jī)等扭曲葉片的造型。由.ibl數(shù)據(jù)文件創(chuàng)建曲線的最大優(yōu)點(diǎn)在于方便實(shí)現(xiàn)對葉輪軸面流道參數(shù)進(jìn)行控制和修改，如果設(shè)計(jì)發(fā)生改變，只需修改.ibl中的數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)值就能夠重新定義曲線，并且可以由一個(gè)數(shù)據(jù)文件生成多條曲線，避免了繁瑣的手動(dòng)坐標(biāo)輸入，有效提高了設(shè)計(jì)效率，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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