基于特征的汽輪機葉片參數(shù)化設計軟件

于紅英，劉文濤，田芳馨，石 勇

(1.哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，哈爾濱 150001，mcadyhy@hit.edu.cn;2.哈爾濱工程大學動力與能源學院，哈爾濱 150001)

基于特征的汽輪機葉片參數(shù)化設計軟件

于紅英1，劉文濤1，田芳馨1，石 勇2

(1.哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，哈爾濱 150001，mcadyhy@hit.edu.cn;2.哈爾濱工程大學動力與能源學院，哈爾濱 150001)

為了給葉片專用加工軟件提供可用的葉片基礎模型，開發(fā)了基于特征的葉片參數(shù)化設計軟件.針對汽輪機葉片的結構特點，將葉片分為葉根、根面、葉冠、冠面和葉身5個特征，而葉身又可以分成背弧曲面、進汽邊圓弧曲面、內(nèi)弧曲面和出汽邊圓弧曲面4個特征.軟件可根據(jù)用戶輸入的葉片參數(shù)，對各個特征分別造型，生成可用于開發(fā)葉片專用加工軟件的葉片三維模型.仿真結果表明:用該方法生成的葉片模型，可分別對葉身的不同部分賦以不同的切削速度和進給量，從而避免過切.基于特征的葉片參數(shù)化模型可為葉片加工提供實用的基礎模型.

汽輪機葉片;特征;參數(shù)化;軟件

目前，葉片的設計加工軟件主要有通用軟件和專用軟件兩類.通用的商品化CAD/CAM軟件，如UG、CATIA、Pro/E等均針對通用零件，對于葉片中特有的結構特征沒有提供直接的參數(shù)化造型方法，并且用通用軟件的CAM模塊生成的刀軌進行葉片實際加工時，一方面加工速度不可改變，從而可能導致出汽邊圓弧處過切，另一方面由于刀具不能兼顧側面和底面，刀具的傾角不可變，從而導致在清根加工時容易引起過切，因此用通用軟件生成葉片的刀軌存在一定的問題;而專用軟件，如瑞士Starrag數(shù)控機床所附帶的數(shù)控加工專用軟件包，這類軟件雖然功能強大、針對性強，但一般是買一臺機床則配送一套軟件，引進國外的機床價格昂貴，超出了中小企業(yè)的承受能力，因此有必要提高產(chǎn)品研發(fā)能力，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的符合實際生產(chǎn)需求的葉片設計加工軟件［1－2］.開發(fā)葉片的專用設計軟件時，一般要根據(jù)不同的設計條件，國內(nèi)外學者對此進行了大量的研究.文獻［3］從提高承載能力方面考慮，用集成流體控制的方法設計葉片;文獻［4］給出了在考慮了葉片的壓力、質量和溫度的情況下進行葉片的設計;文獻［5］開發(fā)了集設計(CAD)與分析(CFD)于一體的汽輪機葉片設計系統(tǒng);文獻［6］按有限元分析系統(tǒng)ADINA的代碼格式進行了葉片建模，該系統(tǒng)不但提供了葉片失效分析的后置處理器，還是一個葉片設計的優(yōu)化軟件;文獻［7］開發(fā)了一個葉片設計軟件包，輸出結果是三維NURBS曲面，可通過標準轉換軟件導入到CAD或分析軟件中.文獻［8］討論了葉片設計原理并在SolidWorks平臺下利用 VB語言開發(fā)了葉片設計系統(tǒng).文獻［9－10］討論了基于UG軟件的葉片參數(shù)化設計方法.上述文獻中所討論的葉片設計主要針對于葉身設計，并未提出葉根、葉冠的參數(shù)化設計，并且葉身實體由若干條截面型線通過“蒙皮法”生成，不能滿足數(shù)控加工的要求.文獻［11］雖然在軟件開發(fā)過程中考慮了葉根與葉冠的造型，但其不是為數(shù)控加工服務的，輸出的模型是三維的NURBS曲面.

本文在UG平臺上開發(fā)了葉片CAD/CAM系統(tǒng).葉片CAD/CAM系統(tǒng)是專為汽輪機葉片而設計，充分地考慮了汽輪機葉片的特點，定制工藝參數(shù)，合理規(guī)劃刀位，操作便捷，自動化程度較高.本文所述的葉片三維參數(shù)化設計是CAD/CAM軟件系統(tǒng)的一部分，采用的是特征造型技術，專為葉片CAM系統(tǒng)提供符合加工工藝要求的葉片基礎模型.特征造型能更好地表達產(chǎn)品完整的功能和生產(chǎn)管理信息.基于特征的參數(shù)化三維造型技術是CAD的關鍵技術，也是機械產(chǎn)品設計的發(fā)展趨勢.

1 基于特征的葉片參數(shù)化設計的基本思想

汽輪機葉片一般由葉根、葉冠和葉身3部分構成，其中葉身是葉片的基本部分，為復雜自由曲面.本文根據(jù)葉片的結構特點，將其分為葉根、根面、葉冠、冠面和葉身5個特征，其中根面與冠面，葉根與葉冠因結構相似，造型方式相同.根面、冠面作為葉根、葉冠與葉身的過渡面，用于修剪葉身片體及拉伸葉根、葉冠;葉根與葉冠形式多樣，文中為統(tǒng)一算法，將其定義為多邊形組;葉身部分可以看成由背弧曲面、進汽邊圓弧曲面、內(nèi)弧曲面和出汽邊圓弧曲面等4個特征組成，如圖1所示.對各個特征分別造型，得到4個曲面片，使得在后續(xù)的加工過程中，系統(tǒng)可以對曲面片分別賦予不同的加工速度，并在相鄰曲面過渡處設置一定比例的降速點，實現(xiàn)切削速度的平穩(wěn)過渡，以提高加工質量和加工精度.

圖1 葉片特征示意圖

2 葉片數(shù)據(jù)的定義

葉片造型數(shù)據(jù)由用戶通過對話框讀入.根據(jù)葉片特征的不同，造型數(shù)據(jù)同樣分為葉根、根面、葉冠、冠面和葉身5部分，分別以不同的關鍵字標定.讀入葉片數(shù)據(jù)時，根據(jù)關鍵字的不同，將數(shù)據(jù)賦予不同的結構體以備造型時使用.

1)根面、冠面數(shù)據(jù)的定義.根面與冠面是連接葉根、葉冠與葉身的過渡面，其形式多樣，主要有葉身首末截面、三點面、等高面、圓柱/圓錐面和任意回轉面等5種定義形式，如表1所示.

表1 根面、冠面定義形式

2)葉根、葉冠數(shù)據(jù)的定義.葉根的常見形式有菱形、T形、叉形等等.這里將葉根、葉冠定義為多邊形組.圖2(a)為一葉根多邊形組，共由3個多邊形組成，如圖2(b)所示為多邊形組1、多邊形組2及多邊形組3.將多邊形組按照拉伸特征分為若干個截面，給出每個截面的角點數(shù)據(jù)，多邊形組的截面如圖2(c)所示.因為葉根葉冠很少為三棱柱形式，所以每個截面給出的角點數(shù)一般不小于4.又由于截面兩兩對應，因此截面數(shù)為偶數(shù)且不小于 2，對應截面的角點數(shù)相同.

3)葉身數(shù)據(jù)的定義.葉身曲面通常為復雜自由曲面，其截面型線可分為背弧曲線、進汽邊圓弧、內(nèi)弧曲線和出汽邊圓弧4個特征，如圖3所示.相鄰曲線的共用點定義為關鍵點，如點A、B、C、D.葉身部分的參數(shù)應包括安裝角、安裝角變化量、截面型線的數(shù)量、每條截面型線的點數(shù)以及關鍵點等信息，而截面型線數(shù)據(jù)點則以一定格式存儲于數(shù)據(jù)文件中.

圖2 葉根、葉冠多邊形組的定義

圖3 葉片型線特征

3 葉片的三維造型

3.1 過渡面(根面、冠面)的參數(shù)化造型

過渡面以三點面和圓錐面最為常見.下面以這兩種情況為例分別進行說明.

1)以三點面方式定義過渡面.該方式定義的過渡面為平面.造型數(shù)據(jù)中給出了過渡面上不共線的3點，設3點的坐標值分別為 A(x1，y1，z1)、B(x2，y2，z2)、C(x3，y3，z3).連接點 A、B 做矢量 r1，連接點A、C做矢量r2，則r1、r2可表示為

平面的法矢n可由兩矢量叉乘獲得

調(diào)用函數(shù) UF－MODL－create－plane()生成平面.

2)以圓錐面方式定義過渡面.該方式定義的過渡面為回轉面.造型數(shù)據(jù)中給出母線兩端點，造型時通過給定母線的兩端連接直線作出圓錐母線，將母線繞給定的軸線旋轉形成圓錐面.

3.2 葉根、葉冠的參數(shù)化造型

葉根、葉冠以多邊形組的形式定義.下面以圖2(a)所示的葉根為例，介紹葉根造型的具體方法，如圖4所示.

圖4 葉根造型示意圖

葉根、葉冠造型的具體步驟如下:

1)讀入截面數(shù)N及每個截面的角點數(shù)P.順次讀入多邊形各個截面的角點坐標.

2)將N個截面分為N/2組，每兩個相鄰截面為一組.

4)對于第 2， 3，…，N/2 －1組多邊形，造型方法同(3).

5)對于第N/2組多邊形，將 E0、E1分別沿E0F0、E1F1方向拉伸至過渡面，交過渡面于點G0、G1，連接G0、G1并向過渡面投影得曲線G0G01G1，以投影曲線G0G01G1及線段E0E1、E0G0、E1G1為邊界做多邊形的側平面.按同樣的方法形成第N/2個多邊形組的其他側平面.第N/2個多邊形組的底面E由點E0、E1、…及Ep－1首尾相連接形成，頂面G則由G0G01G1、G1G12G2等各段投影曲線連接而成的封閉曲線對過渡面進行剪切而形成.

6)對N/2個多邊形實體進行“并”操作，形成葉根的三維實體模型.

按同樣的操作可生成葉冠的三維實體模型.

3.3 葉身的參數(shù)化造型

在進行葉身造型時，對型線數(shù)據(jù)進行了大量處理，避免型面扭曲及不光順現(xiàn)象，使用“通過曲線網(wǎng)格”方法生成片體形式的汽道型面.實現(xiàn)過程介紹如下.

1)數(shù)據(jù)離散處理.當各截面的背弧、內(nèi)弧數(shù)據(jù)不均勻分布或數(shù)目不一致時，會嚴重影響曲線網(wǎng)格的質量，因此需對數(shù)據(jù)進行均勻離散處理.將背弧、內(nèi)弧數(shù)據(jù)點擬合成B樣條，再在樣條上均勻等量的取出若干數(shù)據(jù)點作為新的型值點.

2)端面型線插值.為使型面沿V向完全貫入葉根和葉冠，對型線背弧、進汽邊圓弧、內(nèi)弧和出汽邊圓弧分別進行插值，生成底面和頂面型線數(shù)據(jù).插值采用三次B樣條插值方式，以保證曲線的二階連續(xù)性.

3)坐標變換.葉片型線上型值點的數(shù)據(jù)通常是在葉片工件坐標系下給定的，而葉根與葉冠的數(shù)據(jù)通常是在汽輪機整機坐標系下給定的.為滿足造型的需要，要進行坐標變換將兩個坐標系統(tǒng)一，通常將葉片工件坐標系下的數(shù)據(jù)轉換至汽輪機整機坐標系下的數(shù)據(jù).假設汽輪機整機坐標系為OT及葉片工件坐標系為O′T′，設O在O′T′坐標系下坐標為(A，B，C)，由葉片工件坐標系變換為汽輪機整機坐標系的Euler角的三次轉動值為α、β、γ.則葉片工件坐標系到汽輪機整機坐標系的坐標變換矩陣為

式中:x，y，z為點在汽輪機整機坐標系OT下的坐標;x′，y′，z′為表示點在葉片工件坐標系 O′T′下的坐標.

4)網(wǎng)格曲線輸出.采用"通過曲線網(wǎng)格"方式創(chuàng)建葉身片體，需要定義兩簇相互交叉的線串.在這里，將通過截面型線數(shù)據(jù)點擬合而成的背弧、內(nèi)弧樣條曲線和進汽邊、出汽邊圓弧曲線作為主線串，并沿截面型線高度方向取各個截面的對應點擬合樣條曲線作為交叉線串.

5)型線光順處理.型線理論數(shù)據(jù)或由測量得到的型線數(shù)據(jù)常常會有誤差，用這樣的數(shù)據(jù)進行造型，往往會導致型面出現(xiàn)凸起或凹陷，嚴重影響型面的光順性，進而影響曲面的加工.為此，需對型線進行光順處理，使背弧曲線、進汽邊圓弧、內(nèi)弧曲線和出汽邊圓弧內(nèi)部達到曲率連續(xù)，曲線相接處即關鍵點處達到斜率連續(xù).下面以內(nèi)弧與進汽邊圓弧曲線的橋接為例，討論型線光順的處理方法，如圖5所示.內(nèi)弧曲線ACD與進汽邊圓弧AB交于點關鍵點A(見圖5(a))，首先討論內(nèi)弧在A點處的切線斜率與進汽邊圓弧在A點處的切線斜率是否相等，若斜率相等則無需進行光順處理;若斜率不等，則將內(nèi)弧曲線上的點A剔除，用剩余型值點重新擬合的內(nèi)弧曲線CD，如圖5(b)所示.而后做橋接曲線AC，使曲線AC的兩端分別與進汽邊圓弧AB和內(nèi)弧曲線CD相切.將橋接曲線AC與重新擬合的內(nèi)弧曲線CD連接即得到光順曲線ACD，如圖5(c)所示.

6)生成葉身.以型線為主線串，以型線高度方向的樣條曲線為交叉線串，調(diào)用API函數(shù)UFMODL－create－curve－mesh對背弧曲面、進汽邊圓弧曲面、內(nèi)弧曲面和出汽邊圓弧曲面分別進行造型，如圖6所示.4個曲面片經(jīng)由過渡面剪切生成葉身.

圖5 型線光順處理示意圖

圖6 “通過曲線網(wǎng)格”方式生成的葉

3.4 布爾運算

將葉根實體、葉冠實體和葉身實體通過布爾運算加至一起，生成葉片三維實體模型.兩次調(diào)用API函數(shù)UF－MODL－operations可實現(xiàn)將工具實體加到目標實體的布爾運算操作.第一次調(diào)用該函數(shù)，可將葉根實體設為工具實體，葉身片體設為目標實體，二者進行布爾加運算后生成新的實體，假設命名為葉片體1;第二次調(diào)用該函數(shù)可將葉冠實體設為工具實體，葉片體1設為目標實體，二者進行布爾加運算后生成新的實體，即葉片的三維實體模型.

4 造型實例

以某汽輪機廠D135B型葉片為例進行葉片造型，按特征關鍵字定義葉片不同部分的數(shù)據(jù)格式并形成葉片數(shù)據(jù)文件，從軟件所提供的對話框中選擇造型數(shù)據(jù)文件，如“D135B.txt”，即可直接生成如圖7所示的葉片三維模型，只需幾秒的時間即可完成操作.由于本軟件只需按要求形成葉片數(shù)據(jù)文件，在軟件界面上直接選擇該文件即可生成葉片的三維實體模型，避免了交互式操作帶來的操作失誤，在一定程度上還可提高設計質量.

圖7 D135B型葉片模型

5 結束語

1)本文對基于UG二次開發(fā)平臺的汽輪機葉片造型的關鍵技術進行了研究.根據(jù)葉片的結構特征，綜合運用 UG/Open API、UG/Open Menu-Script和UG/Open UIStyler等二次開發(fā)工具，開發(fā)了基于UG的汽輪機葉片三維參數(shù)化設計軟件.

2)實現(xiàn)了與UG的無縫集成，極大地方便了用戶操作，減少了設計時間，提高了設計效率，為后續(xù)的葉片數(shù)控加工打下良好基礎.

［1］石云飛，李山，范海濤，等.基于UG/Open聯(lián)合開發(fā)的葉片工序模型造型系統(tǒng)［J］.制造業(yè)自動化， 2008，30(7):18－20.

［2］單晨偉，張定華，劉維偉.組合曲面葉片的螺旋加工刀位軌跡生成［J］.計算機集成制造系統(tǒng)， 2008，14(11):2243－2247.

［3］BONS J P，HANSEN L C，CLARK J P，et al.Designing low-pressure turbine blades with integrated flow control［C］//Proceedings of the ASME Turbo Expo.Nevada:ASME，2005:1079－1091.

［4］TOLER D F.Mechanical design of turbine blades with interlocking tip shrouds［C］//Engine Systems:Lubrication，Wear，Components，system Dynamics，and Design.［S.l.］:American Society of Mechanical Engineers，2001:137－143.

［5］JüRGEN G，AKIN K，MARIKUS S，et al.A full parametric model for turbomachinery blade design and optimisation［C］//Proceedings of the ASME Design Engineering Technical Conference and Computers and Information in Engineering Conference.Salt Lake City:ASME，2004:907－914.

［6］CHRISTOPH-HERMANN R.Structural design of modern steam turbine blades using ADINA［J］.Computers and Structures， 2003，81(8 －11):919 －927.

［7］KOINI G N，SARAKINOS S S，NIKOLOS K.A software tool for parametric design of turbomachinery blades［J］.Advances in Engineering Software， 2009，40(1):41－51.

［8］宋玉旺，席平.基于特征造型技術的渦輪葉片參數(shù)化設計［J］.北京航空航天大學學報， 2004，30(4):321－324.

［9］謝永慧，劉象拯，張荻.汽輪機葉片三維參數(shù)化特征造型研究［J］.汽輪機技術，2005(2):52－58.

［10］于紅英，唐德威，傘紅軍.汽輪機葉片參數(shù)化設計關鍵技術研究［J］.計算機集成制造系統(tǒng)， 2006，12(10):1537－1542.

［11］KOINI G N，SARAKINOS S S，NIKOLOS K.Parametric design of turbomachinery blades［C］//The International Conference on Computer as a Tool 2005.Piscataway:Inst of Elec and Elec Eng Computer Society，2005:539－542.

Parametric design software for turbine blade based on the features

YU Hong-ying1，LIU Wen-tao1，TIAN Fang-xin1，SHI Yong2

(1.School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China，mcadyhy@hit.edu.cn;2.College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)

In order to provide a usable blade model for special machining software of a blade，a parametric blade design software is developed based on the features.According to the characteristic of a turbine blade，the blade is divided into five master features:blade-root，root-surface，blade-coronal，coronal-surface and blade-body，while blade-body is divided into four child features:surface of back arc，circular arc surface of stream coming in，surface of inner arc and circular arc surface of stream coming out.3D model of the turbine blade based on features can be generated automatically by the system with blade parameters input by users.The results of machining simulation show that different cutting speeds and cutting steps can be given for different parts of the blade-body and overcut can be avoided.The paramatic blade model based on features can provide a practical base model for a blade machining software.

turbine blade;feature;parametric;software

TH164

A

0367－6234(2010)05－0746－05

2009－02－22.

黑龍江省博士后科研啟動基金資助項目.

于紅英(1968—)，女，博士，教授.

(編輯 楊 波)