半開式離心葉輪的參數化建模方法

◇宿遷學院機電工程學院 華 奇 李玉龍

針對具有復雜曲面的半開式離心葉輪和基于UG NX軟件的樣條擬合方法，詳細闡述了由已知數據點到最終參數化的建模全過程，該過程為半開式離心葉輪的一種共性建模方法，能為后續的葉輪加工提供準確的3D數據主模型。

1 前言

離心葉輪是一種常用于航空發動機和燃氣渦輪機中的復雜機械零件，結構上大致分為閉式與半開式兩種，其中，半開式具有壓力大、結構緊湊等優點，應用最廣泛[1-2]。由于葉輪多使用在高溫高壓的極端工況下，所以葉輪模型的準確性與建模的合理性對工作效率及其壽命影響極大[3-4]，也是后續加工質量好壞的先決條件[5-6]。鑒于此，擬就半開式離心葉輪展開UGNX軟件平臺下的參數化建模研究。

2 離心葉輪及建模概述

半開式離心葉輪由輪轂和葉片構成，如圖1所示。其中，葉片的參數化建模最為關鍵，原因在于其徑向與軸向上均存在著較大扭曲，進氣側與出氣側存在著非常大的曲率變化，不僅如此，往往還會因需求衍生出主葉片和分流葉片，即大小葉片。

圖1 半開式離心葉輪的3D模型

在參數化建模過程中，輪轂可通過草圖繪制后的再旋轉直接獲得；但是葉片曲面多為復雜曲面，光順性和連續性的要求相對很高，故無法直接草圖繪制，需采用UGNX軟件中的樣條擬合模塊來實現，總的建模流程為導入數據點→構建截面線→擬合葉型曲面。其中，設計人員會依據設計需求并結合空氣動力學等原理設計出葉輪的相關結構參數，并給出相應的數據點供后續建模使用。

3 輪轂片體參數化建模

首先應建立輪轂的參數化模型，根據已知條件的不同，其建模過程分為已知截面數據點和未知截面數據點的兩種情況。其中，未知截面數據點時，由草圖中繪制截面曲線→旋轉生成回轉體來實現；已知截面數據點時由菜單：插入→曲線→樣條→擬合→文件中的點→導入已知截面數據點的后綴.dat文件→旋轉生成回轉體→輪轂片體來實現。參數化建模如圖2所示。

圖2 輪轂片體樣條截面線的參數化建模

4 單葉片體參數化建模

參數化建模的重點在于既要滿足葉片曲面的光順性和連續性，又要保證葉型的準確性，故采用11組的不同葉型截面數據來擬合葉片截面線。具體建模為導入.dat格式數據點→擬合葉型截面線→通過曲線組→生成11條截面線→掃掠生成葉片體，如圖3所示。其中，在掃掠生成曲面過程中，應注意各截面線的矢量方向保持一致，否則會出現曲面扭曲的情況。

圖3 葉片體樣條截面線的參數化建模

如葉輪具有主葉片和分流葉片，其中的分流葉片片體與主葉片片體的參數化建模完全一致，如圖4所示。

圖4 分流葉片樣條截面線的參數化建模

5 圍帶尾緣參數化建模

圍帶與尾緣在葉輪參數化建模中起著控制葉片的葉尖與出氣側形狀的作用，同樣采用導入數據點的方式構建截面線，通過旋轉生成回轉曲面。對超出圍帶與尾緣部位的葉片進行修剪，從而得到最終所需的葉片，如圖5所示。

圖5 圍帶與尾緣的參數化建模

6 全葉片體與片體加厚

選中已建好單葉片體，運用圓周陣列特征，每隔36°陣列一組大小葉片體，周向均布10組，從而生成所需要的全葉片體，如圖6所示。

圖6 全葉片體模型

最后將輪轂片體與全葉片體通過加厚的方式轉化成實體模型，并進行最終細節處理，比如通過葉片根部的圓滑過渡以提升結構強度；最終通過實體的求和運算，形成離心葉輪最終的參數化模型，如圖7所示。

圖7 離心葉輪最終的參數化模型