渦輪葉片程序設計

韓曉鑫/哈爾濱東安發動機（集團）有限公司

渦輪葉片程序設計

韓曉鑫/哈爾濱東安發動機（集團）有限公司

本文研究了渦輪葉片的主要參數以Access數據庫為核心，開發基于UG平臺的渦輪葉片參數化設計程序。研究葉片三維造型的關鍵技術，給出葉身造型的關鍵步驟。

渦輪；導向葉片；程序設計；建模；UG；數據庫

引言：葉片在工程中的應用較廣泛，如用在航空發動機及汽輪機上。因葉片型面是空間復雜曲面，設計工作量大、效率低，所以對葉片的參數化設計問題進行了探討。根據航空發動機渦輪氣冷葉片的結構特點，提出了葉片參數化建模的特征分類形式，并利用特征造型技術開發葉片的參數化設計系統；構造了葉片三維實體。設計者進行葉片參數化造型程序開發時所采用的軟件平臺各不相同。因為UG提供了豐富的應用程序接口（API）函數、菜單腳本制作及用戶界面設計，所以本文選用UG為開發平臺，開發參數化設計系統，研究葉片的三維參數化設計的關鍵技術。

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 葉片結構示意圖

渦輪葉片的型面是復雜曲面，基本思想為：設計參數通過對話框輸入，通過程序將輸入的參數存到數據庫中；進行三維設計時，到數據庫中提取所需的設計參數。葉片參數化設計系統包括數據庫的建立及其操作、葉片的三維建模。

二、數據庫的建立及其操作

數據庫是參數化設計系統的核心。該系統采用Access數據庫，每個數據庫由若干數據表組成，每個數據表代表某一類葉片的數據，數據表又由數據庫結構和數據記錄組成。葉片的參數表，其數據庫結構中包括6個字段。表中的記錄代表尺寸數據的名稱及尺寸值。

三、葉片的三維建模

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

1.葉身造型。

葉身是由若干個截面型線擬合而成的光滑曲面體。

步驟1：獲取設計參數。從對話框中取葉片參數。

步驟2：讀取型線數據。構成葉片的截面型線的數量及每一條截面型線的點數是變化的，葉片型線數據必須隨時讀取滿足參數化設計的要求。

步驟3：計算截面高度。對于截面型線的高度，有時直接給定Z坐標值（葉片高度方向，葉片型線放在Z3平面內），此時不需計算截面型線的高度；有時數據文件中只給出相對高度，需根據葉片高度計算各截面高度。

步驟4：確定基準截面型線。基準截面型線是各截面型線中Z坐標等于0的截面型線。葉片的高度是從基準截面開始計算的，有時給定的第1個截面位置比m3點低，所以基準截面型線須通過程序動態確定。

步驟5：生成底平面和頂平面截面型線。圖2所示為菱形導葉片的工作截面圖。對于此菱形導葉片，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，最低截面型線經過m3點，最高截面型線經過m2點。在進行葉片造型時，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：葉片型線數據處理。葉片型線數據處理是造型的關鍵，如果型線數據處理不好，造型出來的葉片則不光順或發生畸變。給定的葉片型線點的排列方向不一定相同，處理時將多余點去掉，再將型線坐標點按一定方向排列（順時針或逆時針），得到造型用型線。

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

圖3 葉身實體

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，因此可開發出常用的葉根和葉冠特征造型模塊，以備調用。

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

圖4 導向葉片三維模型

四、結語

渦輪葉片三維造型復雜，影響效率。本文研究了葉片三維造型的關鍵技術，給出葉身造型優化與樣條插值的方法開發了相應的參數化設計程序，提高設計效率和質量。

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

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

[3]王錦紅，邵明：基于UG軟件的參數化建模技術的應用，《現代制造工程》，2003，（2）：29～30.