離心式風(fēng)機機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)機機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)機機翼型葉輪計算方法的基礎(chǔ)上，針對翼型葉片造型的難點，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，并給出了離心式風(fēng)機葉輪三維實體建模的方法。

葉片；造型設(shè)計；離心式風(fēng)機；葉輪

1 引言

離心式通風(fēng)機作為一種通用機械，廣泛用于國民經(jīng)濟的各部門。但由于其內(nèi)部流動的復(fù)雜性，迄今為止，還沒有一套成熟的計算理論。在離心式通風(fēng)機設(shè)計開發(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，它是唯一進行能量轉(zhuǎn)化的元件，因此葉片設(shè)計的好壞直接決定了風(fēng)機效率的高低。離心式通風(fēng)機葉片的型線基本有直線型、圓弧型和機翼型三種，其中機翼型葉片通風(fēng)機效率最高，噪音最低，但傳統(tǒng)的設(shè)計方法和手工建模，設(shè)計效率低，誤差大，型面控制困難，不易保證葉片流體動力學(xué)特性。本文在分析機翼型葉片造型設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，利用Excel軟件的數(shù)據(jù)計算功能得出的數(shù)據(jù)，再在三維CAD軟件SolidWorks中完成葉片的造型，整個設(shè)計過程簡單易行。由于Excel軟件具有數(shù)據(jù)隨參數(shù)改變能自動修正功能和Solidworks軟件中草圖實體具有尺寸自動縮放功能，所以這種設(shè)計方法適用于各種系列具有機翼型葉輪的離心式通風(fēng)機的設(shè)計。

2 離心式風(fēng)機葉輪葉片造型的計算方法

在這里，我們借鑒的是對于中、低壓軸流通風(fēng)機常常采用的孤立翼型設(shè)計法，由于該方法在葉片造型時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、葉片弦長和葉片最大厚度等參數(shù)的情況下，可以很方便地進行葉片造型。

在葉柵設(shè)計法中，根據(jù)氣動參數(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)計中一般取χ1=0.6θ，χ2=0.4θ，a/b=0.45。若取葉弦長度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數(shù)據(jù)代入計算；yZ的值根據(jù)雙圓弧中線方程（4a）、（4b）來確定；中線上任一點的切線方向與x軸之間的夾角φ可由下式計算得出：

3 軟件的數(shù)據(jù)計算

根據(jù)造型設(shè)計原理，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)自動計算的功能，將翼型中線和葉片截面上下輪廓方程公式輸入到對應(yīng)的單元格，對葉片截面上、下輪廓曲線數(shù)據(jù)點進行坐標(biāo)計算，如圖3所示部分計算數(shù)據(jù)。

圖3 葉片截面輪廓數(shù)據(jù)計算

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點的曲線”，分別將“上輪廓.txt”和“下輪廓.txt”文件中數(shù)據(jù)自動導(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，我們在草圖上在輪廓前、后緣分別作兩個圓，使得兩圓分別經(jīng)過翼型中線起點和終點，同時分別與上下輪廓曲線相切。

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

（5）根據(jù)設(shè)計計算，對整個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，分割線就會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 葉輪三維實體造型

5 結(jié)論

對離心式風(fēng)機機翼型葉輪造型方法進行總結(jié)分析可知，利用Excel軟件進行數(shù)據(jù)計算，再根據(jù)SolidWorks提供的通過坐標(biāo)XYZ點曲線造型和自動縮放功能，可以準(zhǔn)確實現(xiàn)離心式風(fēng)機機翼型的葉輪造型。該方法使用簡單、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)計效率的要求，具有較強的工程實際應(yīng)用價值。

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

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

[3]江紅、王貴成、盧擇臨著.SolidWorks高級曲線曲面實例解析[M].機械工業(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)秀青年人才基金項目（項目批準(zhǔn)號：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：機械設(shè)計、機電一體化。