离心式风机机翼型叶轮的造型研究

宁小波杨汉生朱仁义

（巢湖学院，安徽巢湖238000）

离心式风机机翼型叶轮的造型研究

宁小波杨汉生朱仁义

（巢湖学院，安徽巢湖238000）

在分析离心式风机机翼型叶轮计算方法的基础上，针对翼型叶片造型的难点，利用三维CAD软件提供的样条曲线的造型功能，使用Excel软件计算叶片上下轮廓的坐标值，输入至三维CAD软件中完成叶片截面轮廓造型设计，并给出了离心式风机叶轮三维实体建模的方法。

叶片；造型设计；离心式风机；叶轮

1 引言

离心式通风机作为一种通用机械，广泛用于国民经济的各部门。但由于其内部流动的复杂性，迄今为止，还没有一套成熟的计算理论。在离心式通风机设计开发过程中，叶轮是其主要部件，而叶片又是叶轮中最重要的部分，它是唯一进行能量转化的元件，因此叶片设计的好坏直接决定了风机效率的高低。离心式通风机叶片的型线基本有直线型、圆弧型和机翼型三种，其中机翼型叶片通风机效率最高，噪音最低，但传统的设计方法和手工建模，设计效率低，误差大，型面控制困难，不易保证叶片流体动力学特性。本文在分析机翼型叶片造型设计方法的基础上，利用Excel软件的数据计算功能得出的数据，再在三维CAD软件SolidWorks中完成叶片的造型，整个设计过程简单易行。由于Excel软件具有数据随参数改变能自动修正功能和Solidworks软件中草图实体具有尺寸自动缩放功能，所以这种设计方法适用于各种系列具有机翼型叶轮的离心式通风机的设计。

2 离心式风机叶轮叶片造型的计算方法

在这里，我们借鉴的是对于中、低压轴流通风机常常采用的孤立翼型设计法，由于该方法在叶片造型时仅仅是叶片安装角和叶片截面大小发生变化，叶片截面形状与原始翼型几何相似。因此，在已知叶片安装角、叶片弦长和叶片最大厚度等参数的情况下，可以很方便地进行叶片造型。

在叶栅设计法中，根据气动参数与几何参数之间的关系，翼型中线通常采用圆弧形或抛物线形。圆弧形中线可由两段或一段圆弧构成。我们采用双圆弧中线法，对于图1所示的双圆弧中线，半径为的圆弧在坐标中的方程为[1][2]

图1 双圆弧中线

由XOY坐标与xoy坐标的对应关系可知：

将（2）式代入（1）式可得该圆弧在xoy坐标中的方程：

同理，半径为R2圆弧在xoy坐标中的方程为：

设叶型的弯折角为θ，则设计中一般取χ1=0.6θ，χ2=0.4θ，a/b=0.45。若取叶弦长度b=100mm，则（3a）、（3b）两式可写成：

当翼型叶片截面中线方程确定后，沿弯曲中线有关坐标点的法线方向叠加原始翼型数据变可获得所需的叶片截面轮廓曲线数据。如图2所示，叶片截面的上、下轮廓曲线上任一点坐标值可由下式确

图2 叶片截面上、下轮廓曲线

在上两式中，x、ye的值可由所选原始翼型提供型值点数据代入计算；yZ的值根据双圆弧中线方程（4a）、（4b）来确定；中线上任一点的切线方向与x轴之间的夹角φ可由下式计算得出：

3 软件的数据计算

根据造型设计原理，我们取C-4原始叶片截面数据，叶片弯折角θ＝45°，采用Excel电子表格的数据自动计算的功能，将翼型中线和叶片截面上下轮廓方程公式输入到对应的单元格，对叶片截面上、下轮廓曲线数据点进行坐标计算，如图3所示部分计算数据。

图3 叶片截面轮廓数据计算

4 叶片三维造型步骤

（1）将叶片截面上下轮廓坐标值分别以“上轮廓.txt”和“下轮廓.txt”文件类型保存。

（2）在SolidWorks软件中，使用“插入”、“曲线”，再选择“通过XYZ点的曲线”，分别将“上轮廓.txt”和“下轮廓.txt”文件中数据自动导入，在SolidWorks界面上形成上、下轮廓曲线。

图4 叶片截面轮廓曲线

（3）在前视基准面上，我们建立草图，将上面得到的两曲线转化实体引用。应该说明的是，原始翼型轮廓的前缘和后缘都是由一段圆弧构成，为了准确绘制叶片截面形状，我们在草图上在轮廓前、后缘分别作两个圆，使得两圆分别经过翼型中线起点和终点，同时分别与上下轮廓曲线相切。

（4）再经过放大、裁剪、拉伸，就可得等截面的机翼型叶片造型。如图4所示。

（5）根据设计计算，对整个叶轮的具体划分情况，利用SolidWorks的旋转特征，将叶轮的前后盘进行造型。

（6）再将上面完成的轮廓线，做两次复制到叶轮后盘内表面，经过编辑草图，缩放实体，给定缩放因子，就可分别得前后盘叶片截面轮廓。再根据设计相关参数，将它们位置完全定义下来。

（7）再使用“分割线”命令，把前盘叶片截面轮廓曲线投影到前盘内表面。此时，分割线就会在前盘曲面上切割出叶片截面的投影曲面。

（8）按住Ctrl键，用鼠标依次点击后盘截面轮廓和前盘截面轮廓的投影曲面，再使用“放样”命令，就能得到单个叶片的三维造型，再使用圆周阵列命令，就可得到完整的叶轮造型，如图5所示。

图5 叶轮三维实体造型

5 结论

对离心式风机机翼型叶轮造型方法进行总结分析可知，利用Excel软件进行数据计算，再根据SolidWorks提供的通过坐标XYZ点曲线造型和自动缩放功能，可以准确实现离心式风机机翼型的叶轮造型。该方法使用简单、方便，既可使三维CAD软件的功能得到充分发挥，又满足了提高设计效率的要求，具有较强的工程实际应用价值。

[1]续魁昌主编.风机手册[M].机械工业出版社，1999.

[2]潘地林、张立祥.机翼型叶片截面形状参数的数学描述与计算[J].风机技术，1994，（4）.

[3]江红、王贵成、卢择临著.SolidWorks高级曲线曲面实例解析[M].机械工业出版社，2007，（1）.

责任编辑：澍斌

TH122

A

1672－2868（2010）03－0063－04

2010－03-20

安徽省高等学校优秀青年人才基金项目（项目批准号：2009SQRZ137）。

宁小波（1976－），男，安徽巢湖人。巢湖学院物理与电子科学系讲师，硕士，研究方向：机械设计、机电一体化。