韓曉鑫/哈爾濱東安發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限公司

渦輪葉片程序設(shè)計(jì)

韓曉鑫/哈爾濱東安發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限公司

本文研究了渦輪葉片的主要參數(shù)以Access數(shù)據(jù)庫為核心，開發(fā)基于UG平臺的渦輪葉片參數(shù)化設(shè)計(jì)程序。研究葉片三維造型的關(guān)鍵技術(shù)，給出葉身造型的關(guān)鍵步驟。

渦輪；導(dǎo)向葉片；程序設(shè)計(jì)；建模；UG；數(shù)據(jù)庫

引言：葉片在工程中的應(yīng)用較廣泛，如用在航空發(fā)動機(jī)及汽輪機(jī)上。因葉片型面是空間復(fù)雜曲面，設(shè)計(jì)工作量大、效率低，所以對葉片的參數(shù)化設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了探討。根據(jù)航空發(fā)動機(jī)渦輪氣冷葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了葉片參數(shù)化建模的特征分類形式，并利用特征造型技術(shù)開發(fā)葉片的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)；構(gòu)造了葉片三維實(shí)體。設(shè)計(jì)者進(jìn)行葉片參數(shù)化造型程序開發(fā)時(shí)所采用的軟件平臺各不相同。因?yàn)閁G提供了豐富的應(yīng)用程序接口（API）函數(shù)、菜單腳本制作及用戶界面設(shè)計(jì)，所以本文選用UG為開發(fā)平臺，開發(fā)參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，研究葉片的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

一、基本思想

渦輪葉片由葉根、葉身和葉冠組成，如圖1所示。葉身是葉片的基本部分，它構(gòu)成氣流的通道。葉身部分的橫截面稱為葉型，其周線稱為型線。葉片的葉身是由多條型線擬合成的曲面。

圖1 葉片結(jié)構(gòu)示意圖

渦輪葉片的型面是復(fù)雜曲面，基本思想為：設(shè)計(jì)參數(shù)通過對話框輸入，通過程序?qū)⑤斎氲膮?shù)存到數(shù)據(jù)庫中；進(jìn)行三維設(shè)計(jì)時(shí)，到數(shù)據(jù)庫中提取所需的設(shè)計(jì)參數(shù)。葉片參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫的建立及其操作、葉片的三維建模。

二、數(shù)據(jù)庫的建立及其操作

數(shù)據(jù)庫是參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心。該系統(tǒng)采用Access數(shù)據(jù)庫，每個(gè)數(shù)據(jù)庫由若干數(shù)據(jù)表組成，每個(gè)數(shù)據(jù)表代表某一類葉片的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表又由數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)記錄組成。葉片的參數(shù)表，其數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)中包括6個(gè)字段。表中的記錄代表尺寸數(shù)據(jù)的名稱及尺寸值。

三、葉片的三維建模

葉片分為葉身、葉根和葉冠。進(jìn)行三維造型時(shí)，首先進(jìn)行葉身造型，其次進(jìn)行葉根和葉冠造型，然后將三者布爾運(yùn)算加到一起，可形成完整葉片。由于葉根和葉冠的形式多樣，須單獨(dú)開發(fā)相應(yīng)葉根和葉冠。葉身部分的造型方法都相同。

1.葉身造型。

葉身是由若干個(gè)截面型線擬合而成的光滑曲面體。

步驟1：獲取設(shè)計(jì)參數(shù)。從對話框中取葉片參數(shù)。

步驟2：讀取型線數(shù)據(jù)。構(gòu)成葉片的截面型線的數(shù)量及每一條截面型線的點(diǎn)數(shù)是變化的，葉片型線數(shù)據(jù)必須隨時(shí)讀取滿足參數(shù)化設(shè)計(jì)的要求。

步驟3：計(jì)算截面高度。對于截面型線的高度，有時(shí)直接給定Z坐標(biāo)值（葉片高度方向，葉片型線放在Z3平面內(nèi)），此時(shí)不需計(jì)算截面型線的高度；有時(shí)數(shù)據(jù)文件中只給出相對高度，需根據(jù)葉片高度計(jì)算各截面高度。

步驟4：確定基準(zhǔn)截面型線?；鶞?zhǔn)截面型線是各截面型線中Z坐標(biāo)等于0的截面型線。葉片的高度是從基準(zhǔn)截面開始計(jì)算的，有時(shí)給定的第1個(gè)截面位置比m3點(diǎn)低，所以基準(zhǔn)截面型線須通過程序動態(tài)確定。

步驟5：生成底平面和頂平面截面型線。圖2所示為菱形導(dǎo)葉片的工作截面圖。對于此菱形導(dǎo)葉片，葉根、葉冠與葉身接觸的一面是圓錐面，沿葉片高度方向給定6條截面型線，最低截面型線經(jīng)過m3點(diǎn)，最高截面型線經(jīng)過m2點(diǎn)。在進(jìn)行葉片造型時(shí)，所給定的型線的最低位置不夠低或高，因此需要用插值的方法生成一個(gè)平面。本程序采用3次B樣條插值。

圖2 葉片工作截面圖

步驟6：葉片型線數(shù)據(jù)處理。葉片型線數(shù)據(jù)處理是造型的關(guān)鍵，如果型線數(shù)據(jù)處理不好，造型出來的葉片則不光順或發(fā)生畸變。給定的葉片型線點(diǎn)的排列方向不一定相同，處理時(shí)將多余點(diǎn)去掉，再將型線坐標(biāo)點(diǎn)按一定方向排列（順時(shí)針或逆時(shí)針），得到造型用型線。

步驟7：生成葉身實(shí)體。以處理好的葉片型線為已知參數(shù)，調(diào)用UG提供的底層函數(shù)UF_MODL-create-thru-curves（）可生成葉身實(shí)體，如圖3所示。

圖3 葉身實(shí)體

2.葉根和葉冠特征的造型。不同葉片的葉根和葉冠不相同，造型方法也不相同，因此可開發(fā)出常用的葉根和葉冠特征造型模塊，以備調(diào)用。

3.生成葉片實(shí)體。將葉冠、葉身與葉根通過布爾運(yùn)算加到一起，形成葉片，如圖4所示。

圖4 導(dǎo)向葉片三維模型

四、結(jié)語

渦輪葉片三維造型復(fù)雜，影響效率。本文研究了葉片三維造型的關(guān)鍵技術(shù)，給出葉身造型優(yōu)化與樣條插值的方法開發(fā)了相應(yīng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)程序，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

[1]宋玉旺，席平：基于特征造型技術(shù)的渦輪葉片參數(shù)化設(shè)計(jì)，《北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)》，2004，30（4）：321-324.

[2]謝永慧，劉象拯，張獲：汽輪機(jī)葉片三維參數(shù)化特征造型研究。《汽輪機(jī)技術(shù)》，2005，47（1）：52-54，58.

[3]王錦紅，邵明：基于UG軟件的參數(shù)化建模技術(shù)的應(yīng)用，《現(xiàn)代制造工程》，2003，（2）：29～30.