叶片三维造型方法

２００８年７月　农机化研究　第７期　

混流式水轮机转轮叶片三维造型的研究　

曾永忠，陈波，陈果，黄煌　

（西华大学能源与环境学院，成都６１００３９）　

摘要：传统的水轮机转轮设计包括流体动力学设计和几何设计，在几何设计中采用二维木模图来表示叶片，无　法满足数字化设计与制造的要求。为了解决这一不足之处，介绍了利用ＣＡＤ和Ｇａｍｂｉｔ进行叶片三维造型的方法。　在叶片的三维造型完成后，可以实现转轮的三维造型，为转轮内流动ＣＦＤ分析、性能预测和ＣＡＭ提供基础。　关键词：转轮叶片；仿真；混流式；Ｇａｍｂｉｔ；三维造型　中图分类号：ＴＰ３９１．９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３—１８８Ｘ（２００８）０７—００３６—０２　

０　引言　

目前，建于２０世纪五六十年代的大部分农村中　小型水电站都在进行技术改造。水轮机转轮作为能　量转换部件是水电站水轮发电机组的心脏，其性能决　定了电站的经济效益；同时，转轮的三维造型也是实　现数字化的关键。目前，水轮机的设计与制造均采用　数字化，在进行数字化设计与制造中的流体动力学数　值分析（ＣＦＤ）和性能预测、刚强度计算分析（ＣＡＥ）、　

数控加工（ＣＡＭ），以及三维坐标测量（ＣＭＭ）等都需　要精确的三维数字化模型；而以前的电站大多数都只　有木模图，因而基于木模图的三维造型是很有意义　

的。因混流式机组应用广泛，故本文以混流式水轮机　转轮叶片为例进行三维造型分析。　如果直接利用木模图的二维线条为边界来生成　三维模型，由于软件的本身缺陷可能造成叶片模型的　不正常凹凸现象，不能提供精确有效的三维模型。　

１　混流式转轮叶片三维造型的原理　

木模截面图直接生成的３Ｄ图形，如图１所示。　Ｆｌｕｅｎｔ中的Ｇａｍｂｉｔ可进行流体机械的实体造型以及　图形、图像处理等。　本文中先是利用ＡｕｔｏＣＡＤ将已知某电站的混流　式水轮机转轮木模图的二维线条表示出来，再调入　Ｇａｍｂｉｔ中生成三维模型。先找出叶片的几组轴面截　线；在此基础上用一元理论绘制出水流过叶片工作　

‘１４。　ＤＲＡＩＮＧＥ　ＡＮＤ　ＩＲＲＩＧＡＴＩＯＮ　ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ　Ｖｏ１．２４　Ｎｏ．１　

基于ＰＲＯ／Ｅ的水轮机转轮三维造型　

侯神华　，齐学义　，常一乐。，张静　，冯俊豪　

（１．兰州理工大学，兰州７３００５０；２．郑州机械研究院铸造室，郑州４５００５２）　

摘要：利用Ｐｒｏ／Ｅ和ＡｕｔｏＣＡＤ的良好接口直接调入已有的混流式转轮二维木模图的叶片截面　图形，对于上冠和下环附近叶片延展时的不确定性和容易出现的畸变问题采用了虚拟上冠和确定叶　片尖点的方法，进行了转轮的三维造型。造型完成后，可直接利用Ｐｒｏ／Ｅ下的分析功能得出叶片真实　厚度、重心位置、体积、表面积、转轮开口、转轮质量等相关数据。实现了转轮三维几何设计与流体　动力学设计的一体化．为转轮内流动ＣＦＤ分析、性能预测和ＣＡＭ奠定了可靠的基础。　关键词：转轮；三维造型；Ｐ　ｒ　Ｏ／Ｅ；水轮机　中图分类号：ＴＫ７３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５—６２５４（２００６）０卜ＯＯ１４—０３　

Ｏ　引言　

转轮是水轮机中完成能量转换的核心部件。　对于混流式水轮机而言，转轮是由上冠、下环和　

一定数目的叶片组成。其中，叶片是非常复杂的　

扭曲曲面体，其形状长期以来用木模图描述，表　达存在着不确定性。主要表现在：叶片表面的光　

滑性是依靠数量有限的轴面截线、水平截线及回　转流面或锥面上展开的翼型截面曲线的光滑性来　

判断的；在加工中，叶片曲面整体的光滑性需由　

人工凭经验来处理。因而，其整体光滑性难以保　

证。此外，工程上需要的叶片真实厚度、叶片重　

心位置、体积、表面积、转轮开口等几何数据以及　叶片的结构刚度、强度及转动惯量等力学数据只　

能采用一些近似方法来计算，这已远不能满足　科学技术与时代发展的需要。基于虚拟产品开发　

技术的数字化设计与制造技术是解决这类问题的　有效手段。其中，转轮的三维几何造型是实现其　

数字化设计与制造的关键。只有在准确的三维数　字化模型上才可能进行数字化设计与制造中的流　

水轮机组叶片裂纹分析与叶面加工

[摘要] 通过对水轮机组不锈钢叶片叶面造形与铸造裂纹的形成机理分析,找出了叶片裂纹与叶面造型、铸造及热处理存在某种的内在关系,进一步对叶面分析及毛坯测量数据适配计算与误差分析,提出了叶片热冷加工的解决方案,叶面几何形状得到优化,动力学性能得到改善,降低加工中的难度,对动叶、静叶、导叶及末叶等也有非常积极的作用。

[关键词] 叶面造形 裂纹形成机理 数据处理 叶面优化 数控加工

叶片是水力发电的关键零件,它的质量对水电站机组的安全、可靠运行及经济性有着巨大的影响。叶片叶面三维设计及叶片截面尺寸计算分析是满足水力发电动力学性能关键的一环,是叶片裂纹产生的重要因素之一,也是叶片叶面加工的基础。

1 三维造型设计与叶片曲面分析

叶片原始设计图纸包含了叶片的设计基准,根据流体力学原理进行了严格的流场分析和计算出来的沿叶高方向上的截面型值点数据、设计公差和检验准则。叶片三维造型设计的目的就是在确保二维图纸设计要求的基础之上,实现叶片三维实体模型的再现,从而为叶片的后续加工制造、测量和装配提供有效的依据。根据叶片图纸的设计,叶片三维造型设计包括叶片基准的建立、榫头三维造型的实现,叶片型面二维曲线的生成以及叶片型面三维造型的实现。在基准坐标系的确定上,由于一般叶片图纸的圆心定义在榫头的中心,所以在catia中可以采用“平面的角度/法线”方法建立基准面。根据图纸的要求,分别指定参考面、旋转轴和旋转角度,建立三个基准面,以确保叶片曲面实际建模时所采用的基准坐标系与叶片轮盘的工作坐标系保持一致。

图1 常见叶片的几何形状

图1是常见叶片的几何形状,叶片曲面的理想情祝是在各处法向矢量呈发散的趋势。如果两法向矢量有相交的趋势,原因可能是由于前缘、尾缘的半径设置不合理。这种情况下,需将前、后缘的数据点进行修改。用ug中的桥接曲线功能,在保证连接点曲率连续的前提下,通过修改相切模量来调整前缘、尾缘形状。最后重新分析曲面的法矢量。以转子叶片为例,叶片曲面法矢量三维分布,可以看出法矢量的变化比较连续,只是在前缘、尾缘与吸力面、压力面的相接处存在较人的转折。通过放大法矢量图,分析在衔接处的法矢量变化,发现法矢量的变化是连续的,即法向矢量之间没有相交的趋势。但是法矢量变化较大的地方,可能成为曲面加工中的难点,因此在数控编程中应特别注意干涉过切与刀具转角这两方面的问题。如果干涉太严重,可以将压力面、吸力面、前缘角分开加工。

第２５卷第１０期　计算机仿真　２００８年１０月　

文章编号：１００６—９３４８（２００８）１０—００２７—０４　

基于参数化的涡轮叶片三维气动优化仿真　

马洪波　，朱剑　，席平　

（１．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京１０００８３；　２．北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京１０００８３）　

摘要：为了提高涡轮叶片的设计效率，在分析已有涡轮叶片截面线参数化造型技术优缺点的基础上，基于Ｂ样条曲线实现　了涡轮叶片截面线的参数化造型和参数化修改，并编写了叶片造型程序，实现了叶片流场模型的自动化生成。以某型号涡　轮叶片为例，对其进行三维流场数值模拟，然后采用遗传算法和序列二次规划法算法的组合，以涡轮的气动效率为目标函　数，对涡轮叶片进行了气动优化。算例结果表明文中所建立的涡轮叶片自动优化设计体系是可行的。　关键词：涡轮叶片；参数化设计；样条；优化仿真；效率　中圈分类号：Ｖ２３２．４　文献标识码：Ｂ　

Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ　３　Ｄ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　

ｏｆ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｂｌａｄｅ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　

ＭＡ　Ｈｏｎｇ—ｂｏ。，ＺＨＵ　Ｊｉａｎ　，ＸＩ　Ｐｉｎｇｚ　

（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｈａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｈａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３，Ｃｈｉｎａ）　

ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｂｌａｄｅ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ　

ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｂｌａｄｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｃｕｒｖｅ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ａｃｔｕａｌｉｚｅｄ　ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄ　ｍｏｄ・　ｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄ　ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｃｕｒｖｅ．Ｔｈｅ　ｂｌａｄｅ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｗａｓ　ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｆｌｉｅｄ　ｃａｌ－