專利名稱：一種葉輪的橢圓形葉緣造型系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design,CAD)技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種葉輪的橢圓形葉緣造型系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
葉輪和轉(zhuǎn)子是渦輪機(jī)械兩個(gè)重要的組成部分。葉輪用于壓縮機(jī)，作用是將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能和壓力能。轉(zhuǎn)子用于渦輪機(jī)，作用與葉輪剛好相反，是將氣體的內(nèi)能和壓力能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。當(dāng)前離心壓縮機(jī)正朝著單級(jí)高壓比、高效率和大流量的方向發(fā)展。但是大型化也帶來了機(jī)組設(shè)計(jì)制造運(yùn)行壽命和可靠性評(píng)估等一系列問題。例如大型壓縮機(jī)葉片前緣區(qū)的剛強(qiáng)度通常較差，易產(chǎn)生扭曲及破壞。其主要原因一方面，大流量壓縮機(jī)葉輪的葉片進(jìn)口寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)二元輪的葉片進(jìn)口寬度，故前緣受到的氣動(dòng)力和離心力較大；另一方面，大尺寸閉式葉輪的輪蓋質(zhì)量加載到葉輪前緣處的彎矩也急劇增加。因此，對(duì)大型離心壓縮機(jī)的葉輪強(qiáng)度方面的要求也越來越高。葉緣的幾何形狀對(duì)葉輪進(jìn)氣口處的強(qiáng)度、應(yīng)力以及流場(chǎng)產(chǎn)生很大影響，進(jìn)而影響到整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的性能。所以選擇合適的前緣幾何形狀，對(duì)提高閉式葉輪的強(qiáng)度、效率、性能、使用壽命等有重要的作用。常用的葉緣幾何形狀有鈍形、圓形和橢圓形三種。鈍形葉緣比較簡(jiǎn)單，將葉片兩面對(duì)應(yīng)的流線端點(diǎn)連接即可，但是會(huì)大大影響機(jī)械系統(tǒng)的性能。圓形葉緣和橢圓形葉緣提高了葉輪的工作效率和流通能力。沿流線方向橢圓形葉緣曲率半徑逐步增大而圓形葉緣曲率半徑保持恒定不變，因此與圓形前緣相比橢圓形葉緣可以減小葉緣造成的分離損失，使載荷分布均勻，增大葉輪的工作范圍，進(jìn)一步提高葉輪效率。從葉緣根部最大應(yīng)力值來看，圓形葉緣明顯小于鈍形葉緣，而橢圓形葉緣又明顯小于圓形葉緣。因此，相對(duì)于鈍形和圓形葉緣，橢圓形葉緣能顯著地提高葉輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和性能，具有更好的適用性。然而橢圓形葉緣與壓力面和吸力面要實(shí)現(xiàn)光滑連接，并且葉緣不超過指定截面，實(shí)現(xiàn)這種構(gòu)造并不簡(jiǎn)單。本發(fā)明基于此提出了兩個(gè)葉片面之間變長短軸比例的橢圓形曲面過渡系統(tǒng)，可以快速高效地實(shí)現(xiàn)三維空間的橢圓構(gòu)建。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種葉輪橢圓形葉緣的造型系統(tǒng)和相應(yīng)的方法，該方法計(jì)算效率高，運(yùn)算穩(wěn)定，能夠根據(jù)輸入的參數(shù)生成橢圓形狀的葉緣，適用于各種葉輪的葉緣造型。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種葉輪的橢圓形葉緣造型系統(tǒng)，包括如下裝置數(shù)據(jù)輸入模塊，用于讀入葉片面數(shù)據(jù)和接收葉緣參數(shù)，存入對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)內(nèi)存，其中，所述葉片面數(shù)據(jù)包括葉片壓力面與吸力面的各截面線數(shù)據(jù)點(diǎn)，所述葉緣參數(shù)包括葉片各個(gè)截面前緣與尾緣的橢圓長短軸比例值、截止面；坐標(biāo)變換模塊，用于將所述數(shù)據(jù)點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo)(X，y, ζ)變換到圓柱坐標(biāo)(r，Θ，Ζ)，然后變換到二維坐標(biāo)(m，r* θ )，其中，m表示在(z，r)平面上沿著流線的弧長，m的變換公式如下
權(quán)利要求
1.一種葉輪的橢圓形葉緣造型系統(tǒng)，其特征在于，包括如下裝置 數(shù)據(jù)輸入模塊，用于讀入葉片面數(shù)據(jù)和接收葉緣參數(shù)，存入對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)內(nèi)存，其中，所述葉片面數(shù)據(jù)包括葉片壓力面與吸力面的各截面線數(shù)據(jù)點(diǎn)，所述葉緣參數(shù)包括葉片各個(gè)截面前緣與尾緣的橢圓長短軸比例值、截止面； 坐標(biāo)變換模塊，用于將所述數(shù)據(jù)點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo)(x，y，z)變換到圓柱坐標(biāo)(r，θ，z)，然后變換到二維坐標(biāo)(m，r*e)，其中，m表示在(z，r)平面上沿著流線的弧長，m的變換公式如下
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉輪的橢圓形葉緣造型系統(tǒng)，其特征在于，所述葉片面數(shù)據(jù)為笛卡爾坐標(biāo)系下或圓柱坐標(biāo)系下數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉輪的橢圓形葉緣造型系統(tǒng)，其特征在于，所述二維平面曲線橢圓過渡模塊包括如下裝置 初始橢圓生成模塊，用于根據(jù)式(4)確定初始橢圓
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉輪的橢圓形葉緣造型系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)輸出模塊用于輸出多種格式的葉片面數(shù)據(jù)點(diǎn)云文件、與MAX_PC兼容的EDG格式的葉緣數(shù)據(jù)點(diǎn)云文件、IGES格式的葉片三維模型文件，供后續(xù)數(shù)控加工及仿真使用，其中，葉片面數(shù)據(jù)點(diǎn)云文件包括與MAX_PC兼容的IMP格式數(shù)據(jù)、PLT格式數(shù)據(jù)。
5.一種葉輪的橢圓形葉緣造型方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1:讀入葉片面數(shù)據(jù)和接收葉緣參數(shù)，存入對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)內(nèi)存，其中，所述葉片面數(shù)據(jù)包括葉片壓力面與吸力面的各截面線數(shù)據(jù)點(diǎn)，所述葉緣參數(shù)包括葉片各個(gè)截面前緣與尾緣的橢圓長短軸比例值、截止面； 步驟2 :將所述數(shù)據(jù)點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo)(X，Y, ζ)變換到圓柱坐標(biāo)(r，θ，ζ)，然后變換到二維坐標(biāo)(m, r* Θ )，其中，m表示在(Z, r)平面上沿著流線的弧長,m的變換公式如下
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的葉輪的橢圓形葉緣造型方法，其特征在于，所述葉片面數(shù)據(jù)為笛卡爾坐標(biāo)系下或圓柱坐標(biāo)系下數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的葉輪的橢圓形葉緣造型方法，其特征在于，所述步驟3包括如下步驟 步驟3.1 :生成初始橢圓，具體地，根據(jù)式(4)確定初始橢圓
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的葉輪的橢圓形葉緣造型方法，其特征在于，在所述步驟5中，所述數(shù)據(jù)輸出模塊用于輸出多種格式的葉片面數(shù)據(jù)點(diǎn)云文件、與MAX_PC兼容的EDG格式的葉緣數(shù)據(jù)點(diǎn)云文件、IGES格式的葉片三維模型文件，供后續(xù)數(shù)控加工及仿真使用，其中，葉片面數(shù)據(jù)點(diǎn)云文件包括與MAX_PC兼容的IMP格式數(shù)據(jù)、PLT格式數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種葉輪橢圓形葉緣的造型系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)輸入模塊、坐標(biāo)變換模塊、二維平面曲線橢圓過渡模塊、三維曲面生成模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊，這些模塊用于首先讀入葉片面數(shù)據(jù)點(diǎn)，葉緣參數(shù)；然后對(duì)葉片數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換，映射到二維平面(m,r*θ)下，用B樣條擬合這些二維數(shù)據(jù)點(diǎn)得到曲線1、曲線2；在此基礎(chǔ)上先生成初始橢圓，然后迭代生成最終橢圓并生成葉片面，最后輸出葉輪數(shù)據(jù)。還提供相應(yīng)的方法。本發(fā)明第一次給出了變長短軸比例的橢圓形葉緣造型的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了葉輪造型程序，可以在給定葉輪型值點(diǎn)及葉緣形狀參數(shù)的條件下，自動(dòng)生成葉輪。程序算法計(jì)算效率高，操作簡(jiǎn)單，可以應(yīng)用于各類葉輪的三維造型設(shè)計(jì)。
文檔編號(hào)F04D29/28GK103032372SQ20121056035
公開日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者畢慶貞, 陳化, 朱利民, 丁漢 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)