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基于CFturbo的葉輪機械3D葉輪復現方法探討
葉片式旋轉機械包括泵、風機、壓縮機、渦輪等,作為工業領域的核心機械部件之一,其廣泛應用于發電系統、制冷系統、化工行業、汽車、艦船、坦克、飛機等民用及高端領域。葉輪機械在國民經濟尤其是整個重工業體系中占有十分重要的地位,因此其生產與技術水平已經成為衡量國家整體工業實力的重要標準。實現葉輪機械運行可靠、單機容量大、性能優良等是工業應用的重中之重。葉輪作為主要部件,其設計與性能優化至關重要。通過多年的研究,各主機廠均積累了大量已成型的基礎葉輪,在已有模型的基礎上進行后續的優化設計是加快產品技術創新的便捷之路。


隨著計算機技術的發展,專業葉輪機械設計軟件逐漸涌現,如專業葉輪機械設計軟件CFturbo,可支持包括葉輪、導葉、蝸殼等在內的整機設計能力。一般來說,已知設計要求,通過某款專業的設計工具來實現某葉輪機械的三維造型的參數化設計,是大部分用戶的主要應用方向。然而,當用戶希望基于某現有的優秀葉輪進行后續的改型或優化設計時,就必須要利用現有的設計工具對已有的葉輪機械3D設計進行參數化的復現,才能快速的進行后續的改型和優化設計工作。正向設計是大部分軟件滿足的功能,然而對于已有設計的自動識別并參數化功能目前還不能很好的實現。本文便是介紹一種利用CFturbo軟件將已有葉輪參數化復現的過程和方法。


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01基于CFturbo現有3D幾何參數化復現技術方案
在葉輪機械設計領域,CFturbo已有將近20年大量實際工程的設計經驗積累。CFturbo作為專業的旋轉機械設計軟件,可進行泵、風扇、鼓風機、壓縮機、渦輪等的整機設計,包括轉子、導葉、擴壓器、蝸殼等部件。針對旋轉機械的設計及優化改進,CFturbo功能完備且在細節上非常貼合設計人員的習慣,其主要特點有:
  • 設計功能完備,覆蓋全比轉速范圍,滿足2D和3D造型設計,以及針對某些特定設計需求的能力,如復合葉片、污水泵、雙蝸殼、二次回流通道設計、結構體加厚設計等。
  • 具備大量源于工程積累的經驗設計函數,且按照葉輪機械類型做了細分,例如前彎式離心風機和后彎式離心風機所采用經驗函數不同,體現細節和專業性;
  • 界面友好,易用性強,具備性能預估能力,提供多種真實物性模型。
  • 接口豐富,軟件開放,可與仿真優化軟件無縫集成,快速實現設計-仿真-優化的一體化流程。
此外,CFturbo具備的參數化設計功能不但支持用戶進行初始參數化設計得到新的三維模型,同時支持用戶導入外部參數化模型或已有幾何模型,在此基礎上進行設計改進與性能優化。


圖1 CFturbo參數化設計功能

目前,CFturbo雖然還不能自動實現3D造型的導入識別并參數化,但是軟件良好的開放性可以支持用戶利用一些其他的方法來實現。那么CFturbo在支持逆向復現方面有哪些功能支撐呢?主要有以下幾點:
  • 3D模型支持外部導入
  • 子午面設計支持外部曲線導入,并利用貝塞爾曲線實現參數化
  • 葉片進出口角支持自定義變化,以此實現與已有設計方案的一致性
  • 支持外部導入骨線,對于離心式,可以支持導入厚度分布曲線
  • 通過保角變換,實現旋轉機械葉片的參數化復現
  • 通過外部導入葉片翼型,也可實現軸流葉片的參數化復現
  • ……

02基于CFturbo的葉輪復現具體案例介紹
本案例以軸流風機葉輪為例,說明利用CFturbo對已有軸流風機葉輪幾何的3D參數化復現說明。本次復現采用保角變換,導入外部骨線方法,實現軸流風機葉輪逆向參數化。
2.1設計參數輸入
設計點參數與流體介質假定。

在逆向復現給定的葉輪幾何時,考慮到經驗相關性需要確定以下參數,部分參數不確定時,可以給一個大概的估算值:

  • 流體屬性
  • 設計點的流量、壓比/壓差、轉速
  • 旋轉方向
  • 進口邊界條件
  • 考慮定子與蝸殼部件附加損失的效率


圖2 設計點參數輸入

2.2 葉輪主要幾何參數設置
葉輪主要尺寸包括進口輪轂直徑dH1,吸入口直徑dS1,出口輪轂直徑dH2,出口直徑dS2,此處尺寸需要從已知幾何模型中直接提取并輸入。
除了上述參數外,還需要從原始幾何圖形中提取葉頂間隙尺寸。
此處需要勾選Manual dimensioning,即不采用軟件默認的推薦值,而是手動輸入幾何參數。
選擇設計模式為Mean line,即通過骨線設計。

圖3 主要幾何參數輸入

2.3 葉輪子午面設計
2.3.1 外部幾何導入
葉輪復現過程中,可以在3D視圖中隨時查看幾何形狀的變化,因此可以導入已有外部幾何進行可視化比較。
在3D視圖下通過拖拽即可直接導入x_t,IGES,STEP,STL等格式外部幾何文件。對于直接導入的外部模型可進行旋轉、移動、縮放等,此外可更改模型顯示的透明度以便進行可視化比較。

圖4 外部幾何導入

2.3.2 子午面型線設計
CFturbo中子午面的型線數據基于軸向坐標z和半徑r,因此可以在原始外部幾何中提取出輪轂、上蓋板、葉片前緣以及葉片尾緣的相應數據。提取完成后轉化為z-r坐標并以.txt格式保存。通過load extra polyline導入型線數據,并調整Bezier曲線控制點進行擬合即可生成子午面型線。

圖5 子午面型線導入
2.4 葉型設計
2.4.1 葉片幾何尺寸提取
本次設計采用mean line即葉片骨線設計,因此需要提取相關變量參數。主要包括半徑r、軸向長度z、子午m和切向t坐標、葉片角β分布等。已知骨線的x,y,z坐標通過保角變換和相關幾何信息的提取,即可推導出不同流面位置,上述r、z、m、t、β等相關變量。坐標轉換關系說明如下:
m-t骨線坐標通過坐標變換將空間彎曲的子午面映射至平面。t是沿圓周方向的角度,而m是無量綱的子午長度。這兩個量是通過參考子午方向(M)和切向方向(T)的絕對距離得到的,公式如下:
dm=dM/r
dt=dT/r
tanβ=dm/dt

圖6 m-t坐標示意圖
在CAD軟件中找到各流面的骨線幾何特征,將每個截面骨線的x,y,z坐標提取出來,并通過上述關系式計算m-t坐標以及r、β值。下圖為通過Excel表格計算的結果示意。

圖7 骨線坐標轉化示意
2.4.2 葉片角設計
該部分需要輸入模型實際葉片數以及輪轂至輪緣所劃分的截面數目(number of spans),如本次案例選擇截面數目為10。為了更好地擬合原始葉輪,選擇葉片形狀為Free-form3D,提取輪轂與輪緣的葉片厚度并輸入至Blade thinkness表格。
不同截面處葉片角分布可從上述2.4.1的骨線數據中計算得出,也可直接從原始模型中提取并輸入。 

圖8 葉片角設計
2.4.3 骨線設計
在骨線設計部分,包角可以不直接輸入,導入不同流面的m-t數據后即可自動生成包角值。提取出骨線笛卡爾坐標值后可通過2.4.1節公式進行坐標轉化,完成后保存為.txt格式數據,包括t、m坐標值。此處需要通過polyline導入.至meanline界面。導入后可將polyline格式改為Bezier曲線,拖動控制點可進行后續改型優化等。

圖9 葉片骨線設計

2.4.4 葉片厚度設計
如果葉片厚度分布為常數,則在2.4.2部分直接輸入厚度值即可;若葉片厚度成一定曲率變化,可在CFturbo中調整控制參數與原始葉輪擬合,也可導入l-s變化數據。
設置Design mode 為Freeform。Additional view下打開3D-preview,通過Global Control point count添加控制點,拖動hub與shroud的控制點與導入模型擬合。
調整Thickness exponent數值,進行hub至shroud厚度變化規律的設計,參考3D-preview中原始模型進行調整至擬合,取值范圍為-1~1。

圖10 葉片骨線設計
2.4.5 葉片頭部、尾部磨圓
在Blade edge界面下選擇設計模式Bezier,拖動葉片頭部、尾部曲線控制點與原始模型擬合。至此,復現模型完成,圖11為復現模型與原始模型對比。其中灰色為原始葉輪,深藍色為CFturbo復現模型。

圖11 模型復現對比
至此,軸流風機葉輪參數化復現完成,返回Main Dimensions界面并取消勾選Manual dimensioning,即可進行軸流風機葉輪后續參數化改型與優化工作。

03小結
  • 使用CFturbo進行葉輪機械復現是較為簡便的,獲得相應的二維數據后可以直接加載到不同設計步驟中。
  • 每一個設計步驟與過程可實時預覽三維模型并與原始模型進行可視化對比。
  • 該葉輪逆向復現方法適用于離心、混流、軸流式葉輪。
  • 除葉輪部分外,CFturbo也可實現定子以及蝸殼部分的逆向復現。


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