應用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 機械工程學院，河北 秦皇島 066004）

1 引言

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

2 葉輪幾何參數(shù)的確定

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

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

2.1 葉片的進出口安裝角與葉片數(shù)

（1）壓縮機型葉輪的葉片進口安裝角 β1A以（30～34）°為宜；（2）壓縮機型葉輪的葉片出口安裝角β1B以（20～50）°為宜（在轉速較高、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，取 Z=（6～14）；出口安裝角 β2A在（30～50）°左右時，取 Z=（12～18）

2.2 離心葉輪出口部分計算

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?。害?（0.0035～0.007）D2

整體銑制葉片的厚度?。害?（0.012～0.035）D2

2.2.3 離心葉輪葉片的出口寬度b2

2.3 離心葉輪進口部分計算

3 Bladegen導出葉片型線

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測量機等）轉化成數(shù)據(jù)文件；另一種是根據(jù)力學原理的計算得到葉形三維坐標的文件。是根據(jù)后者的理論計算并結合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、擴散機、渦輪增壓機、風機等三維葉輪造型。Bladegen、TurboGrid和CFX-Turbo三個主要功能模塊構成了Turbosystem系統(tǒng)。Bladegen用于離心葉輪的交互式設計，TurboGrid用于網(wǎng)格劃分，CFX-Bladegen用于流體分析，一旦顯示分析結果能達到性能要求，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為設計者提供了一個非常簡單易用而又高效的設計環(huán)境[6]，具有設計者熟悉的二維視窗，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致的尺寸變形。根據(jù)初步設計的葉輪參數(shù)在Bladegen二維參數(shù)界面中輸入子午面流道參數(shù)和葉片典型的結構參數(shù)便直接快速的生成模型，調整局部點的坐標值和導數(shù)值或增減控制點可以改變葉型。利用該軟件與Pro/E的良好接口，可將數(shù)據(jù)文件作為二維設計和三維造型之間的橋梁。葉片造型設計過程如下：在子午流道面窗口輸入已確定的關鍵點的坐標值，如圖1所示。在葉片參數(shù)窗口輸入葉片的厚度等相關幾何參數(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的葉片安裝角，如圖3所示。為了準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子出口分別向上下游延伸一定的距離，系統(tǒng)默認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條件的葉型。

圖1 子午流道面參數(shù)設置窗口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 葉片角度設置參數(shù)窗口Fig.3 Parameters of Blade Angles View

葉型的關鍵面由多點Bezier曲線[7-8]構成，葉片前緣和葉片尾緣為圓弧或者橢圓弧，設計者可以直接用鼠標單擊關鍵控制點來改變葉型，還可以通過增減控制點來改變葉片型線。設計工作完成之后，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），為下一步導入三維實體造型軟件做準備。

4 基于PRO/E的葉輪三維實體造型

隨著科學技術的不斷發(fā)展，計算機輔助設計（ComputerAided Design，CAD）技術正沿著高度集成化的方向發(fā)展，其中三維實體模型的建立是計算機輔助設計技術不斷升級的重要基礎，也是后期設計中有限元分析、模擬裝配和干涉檢查的基礎，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)今主流的計算機輔助設計與計算機輔助制造（Computer-aided manufacturing，CAM）軟件之一，將產(chǎn)品設計與加工和數(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，并且包含強大的加工制造模塊，在如今的三維建模領域占據(jù)重要地位?，F(xiàn)有的三維模型構建方法主要有實體模型、特征模型、線框模型、曲面模型等，此處由線框模型到實體模型來完成葉輪建模，也就是說先在Pro/E中導入葉形的輪廓線框，為了保證葉片的精度，同時導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大的特征建模方法[10]可精確的建立離心葉輪三維實體模型。

4.1 三元葉輪葉片造型

（1）啟動Pro/E，進入工作目錄，建立新零件，創(chuàng)建坐標系及基準平面。（2）單擊“插入”→“模型基準”→“曲線”→“來自文件”，選擇笛卡爾坐標系，選擇相應的Bladegen數(shù)據(jù)文件，點擊確定后三維葉片型線導入就完成了，如圖4所示。（3）由“邊界混合”即可得到葉片的各個面，如圖5所示。（4）利用Pro/E的“曲面分析”工具通過色譜圖進行分析，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行“曲面合并”形成閉合曲面，并將其“實體化”得到三維葉片實體。（6）對葉片的進口邊和出口邊執(zhí)行“倒圓角”操作，將葉片“生成組”，并根據(jù)計算出的相應葉片數(shù)對葉片進行“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，然后指定旋轉軸，通過旋轉特征操作構造輪盤的三維模型。另一種方法是先通過三維造型命令構造出規(guī)則的三維模型，再對實體進行布爾運算，從而生成組合出的三元葉輪輪盤。前者的優(yōu)點是便于模型的修改和編輯，容易實現(xiàn)模型參數(shù)化；后者的優(yōu)點是個體零件特征信息比較少，便于系統(tǒng)進行存儲。為了避免在后續(xù)分析中出現(xiàn)不連續(xù)實體，要對葉片實體進行延伸，采用曲線曲面延伸的方法處理葉片與輪盤的接觸關系，選取已經(jīng)生成的葉片，對其進行“延伸”操作至輪盤來保證整個葉輪的完整性和連續(xù)性，選擇葉片實體與輪盤實體進行布爾運算生成相應的葉輪實體模型，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，導入三維造型功能強大的Pro/E軟件實現(xiàn)葉片的三維實體造型，避免了數(shù)據(jù)調入和數(shù)據(jù)處理的繁瑣，也免除了設計者大量的反復計算，該方法具有較強的交互性，而且便捷高效，能夠滿足離心葉輪造型工程實際的需要。此外，基于Bladegen模塊也可以方便的完成風機、渦輪增壓機、離心泵、擴散機等扭曲葉片的造型。由.ibl數(shù)據(jù)文件創(chuàng)建曲線的最大優(yōu)點在于方便實現(xiàn)對葉輪軸面流道參數(shù)進行控制和修改，如果設計發(fā)生改變，只需修改.ibl中的數(shù)據(jù)點的坐標值就能夠重新定義曲線，并且可以由一個數(shù)據(jù)文件生成多條曲線，避免了繁瑣的手動坐標輸入，有效提高了設計效率，具有一定的實用價值。

［1］羅強.三維 CAD 系統(tǒng)葉片造型方法研究［J］.機械設計，2004，21（12）：57-58.（Luo Qiang.Research on 3-D modeling method of blade［J］.Machinery Design，2004，21（12）：57-58.）

［2］張健偉，楊昌明.葉輪參數(shù)建模系統(tǒng)［J］.機械設計與制造，2006（8）：146-148.（Zhang Jian-wei，Yang Chang-ming.Parametric modeling system of rotor［J］.Machinery Design and Manufacture，2006（8）：146-148.）

［3］張莉，徐忠，陳漢平.一種全可控渦三元葉輪設計葉片渦的給定方法［J］.流體機械，2000，28（8）：14-17.（Zhang Li，Xu Zhong，Chen Han-ping.A Method for Blade Vortex Design of Three-Dimension Full Controlled Vortex Impeller［J］.Fluid Machinery，2000，28（8）：14-17.）

［4］于躍平，朱曉農，陳啟明.離心葉輪反問題氣動設計的簡易評價［J］.流體機械，2015，43（11）：57-62.（Yu Yue-ping，Zhu Xiao-nong，Chen Qi-ming.Simple evaluation of aerodynamic design of centrifugal impeller［J］.Fluid Machinery，2015，43（11）：57-62.）

［5］凡盛，劉雄偉，王林.基于MATLAB的風力機葉片自動化有限元建模［J］.機械設計與研究，2013，29（3）：123-126.（Fan Sheng，Liu Xiong-Wei，Wang Lin.Automatic finite element modeling of wind turbines blade based on matlab［J］.Machine Design and Research，2013，29（3）：123-126.）

［6］WANG Zheng，WU Hu，SHI Ya-feng.Application Study on 3D Modeling of Axial Compressor Blades Based on CFD and CAD ［J］.International Journal of Plant Engineering and Management，2009，14（1）：21-24.

［7］張維軍，方祥軍，王屏.三維渦輪葉片交互式造型程序設計［J］.機械設計與制造，2005（10）：53-55.（Zhang Wei-jun，F(xiàn)ang Xiang-jun，Wang Ping.The design of interactive program for three-dimension turbine blades generation［J］.Machinery Design and Manufacture，2005（10）：53-55.）

［8］張曉東，余世敏，龔彥.基于Bezier曲線的渦輪葉片參數(shù)化造型及優(yōu)化設計［J］.機械強度，2015，37（2）：266-271.（Zhang Xiao-dong，Yu Shi-min，Gong Yan.Modeline and optimization for turbine blades based on bezier curve［J］.Journal of Mechanical Strength，2015，37（2）：266-271.）

［9］董久虎，諶永祥，李雙躍.薄壁葉片加工變形誤差補償［J］.機械設計與研究，2013，29（4）：81-85.（Dong Jiu-hu，Chen Yong-xiang，Li Shuang-yue.The error compensation for Machining deformation of the thin blade［J］.Machine Design and Research，2013，29（4）：81-85.）

［10］楊萍，張淑珍，李鶴歧.基于Pro/E軟件平臺的混流式水輪機轉輪葉片形狀擬合及實體模型的建立［J］.機械設計與制造，2002（6）：62-63.（Yang Ping，Zhang Shu-zhen，Li He-qi.The blade shape fitting and the physical model generation of francis turbine based on Pro/E［J］.Machinery Design and Manufacture，2002（6）：62-63.）