涡轮叶片程序设计

韩晓鑫/哈尔滨东安发动机（集团）有限公司

涡轮叶片程序设计

韩晓鑫/哈尔滨东安发动机（集团）有限公司

本文研究了涡轮叶片的主要参数以Access数据库为核心，开发基于UG平台的涡轮叶片参数化设计程序。研究叶片三维造型的关键技术，给出叶身造型的关键步骤。

涡轮；导向叶片；程序设计；建模；UG；数据库

引言：叶片在工程中的应用较广泛，如用在航空发动机及汽轮机上。因叶片型面是空间复杂曲面，设计工作量大、效率低，所以对叶片的参数化设计问题进行了探讨。根据航空发动机涡轮气冷叶片的结构特点，提出了叶片参数化建模的特征分类形式，并利用特征造型技术开发叶片的参数化设计系统；构造了叶片三维实体。设计者进行叶片参数化造型程序开发时所采用的软件平台各不相同。因为UG提供了丰富的应用程序接口（API）函数、菜单脚本制作及用户界面设计，所以本文选用UG为开发平台，开发参数化设计系统，研究叶片的三维参数化设计的关键技术。

一、基本思想

涡轮叶片由叶根、叶身和叶冠组成，如图1所示。叶身是叶片的基本部分，它构成气流的通道。叶身部分的横截面称为叶型，其周线称为型线。叶片的叶身是由多条型线拟合成的曲面。

图1 叶片结构示意图

涡轮叶片的型面是复杂曲面，基本思想为：设计参数通过对话框输入，通过程序将输入的参数存到数据库中；进行三维设计时，到数据库中提取所需的设计参数。叶片参数化设计系统包括数据库的建立及其操作、叶片的三维建模。

二、数据库的建立及其操作

数据库是参数化设计系统的核心。该系统采用Access数据库，每个数据库由若干数据表组成，每个数据表代表某一类叶片的数据，数据表又由数据库结构和数据记录组成。叶片的参数表，其数据库结构中包括6个字段。表中的记录代表尺寸数据的名称及尺寸值。

三、叶片的三维建模

叶片分为叶身、叶根和叶冠。进行三维造型时，首先进行叶身造型，其次进行叶根和叶冠造型，然后将三者布尔运算加到一起，可形成完整叶片。由于叶根和叶冠的形式多样，须单独开发相应叶根和叶冠。叶身部分的造型方法都相同。

1.叶身造型。

叶身是由若干个截面型线拟合而成的光滑曲面体。

步骤1：获取设计参数。从对话框中取叶片参数。

步骤2：读取型线数据。构成叶片的截面型线的数量及每一条截面型线的点数是变化的，叶片型线数据必须随时读取满足参数化设计的要求。

步骤3：计算截面高度。对于截面型线的高度，有时直接给定Z坐标值（叶片高度方向，叶片型线放在Z3平面内），此时不需计算截面型线的高度；有时数据文件中只给出相对高度，需根据叶片高度计算各截面高度。

步骤4：确定基准截面型线。基准截面型线是各截面型线中Z坐标等于0的截面型线。叶片的高度是从基准截面开始计算的，有时给定的第1个截面位置比m3点低，所以基准截面型线须通过程序动态确定。

步骤5：生成底平面和顶平面截面型线。图2所示为菱形导叶片的工作截面图。对于此菱形导叶片，叶根、叶冠与叶身接触的一面是圆锥面，沿叶片高度方向给定6条截面型线，最低截面型线经过m3点，最高截面型线经过m2点。在进行叶片造型时，所给定的型线的最低位置不够低或高，因此需要用插值的方法生成一个平面。本程序采用3次B样条插值。

图2 叶片工作截面图

步骤6：叶片型线数据处理。叶片型线数据处理是造型的关键，如果型线数据处理不好，造型出来的叶片则不光顺或发生畸变。给定的叶片型线点的排列方向不一定相同，处理时将多余点去掉，再将型线坐标点按一定方向排列（顺时针或逆时针），得到造型用型线。

步骤7：生成叶身实体。以处理好的叶片型线为已知参数，调用UG提供的底层函数UF_MODL-create-thru-curves（）可生成叶身实体，如图3所示。

图3 叶身实体

2.叶根和叶冠特征的造型。不同叶片的叶根和叶冠不相同，造型方法也不相同，因此可开发出常用的叶根和叶冠特征造型模块，以备调用。

3.生成叶片实体。将叶冠、叶身与叶根通过布尔运算加到一起，形成叶片，如图4所示。

图4 导向叶片三维模型

四、结语

涡轮叶片三维造型复杂，影响效率。本文研究了叶片三维造型的关键技术，给出叶身造型优化与样条插值的方法开发了相应的参数化设计程序，提高设计效率和质量。

[1]宋玉旺，席平：基于特征造型技术的涡轮叶片参数化设计，《北京航空航天大学学报》，2004，30（4）：321-324.

[2]谢永慧，刘象拯，张获：汽轮机叶片三维参数化特征造型研究。《汽轮机技术》，2005，47（1）：52-54，58.

[3]王锦红，邵明：基于UG软件的参数化建模技术的应用，《现代制造工程》，2003，（2）：29～30.