离心压缩机叶轮结构特征三维建模方法探究

于博伕++铁源

摘 要：目前，离心压缩机叶轮三维模型常常缺失或者已有三维模型无法反映叶轮再制造特征，不能直接用于再制造叶轮的仿真分析。本文针对该问题基于结构特征测量点提出离心压缩机叶轮结构特征重构方法。为叶轮的二次服役载荷求解、再制造工艺残余应力分析、再服役寿命预估等方面提供基础信息。

关键词：离心压缩机；结构特征；三维建模

离心式压缩机是一种叶片旋转式压缩机，在离心式压缩机中，高速旋转的叶轮给予气体的离心力作用，以及在扩压通道中给予气体的扩压作用，使气体压力得到提高。早期，由于这种压缩机只适于低，中压力、大流量的场合，而不为人们所注意。由于化学工业的发展，各种大型化工厂，炼油厂的建立，离心式压缩机就成为压缩和输送化工生产中各种气体的关键机器，而占有极其重要的地位。随着气体动力学研究的成就使离心压缩机的效率不断提高，又由于高压密封，小流量窄叶轮的加工，多油楔轴承等技术关键的研制成功，解决了离心压缩机向高压力，宽流量范围发展的一系列问题，使离心式压缩机的应用范围大为扩展，以致在很多场合可取代往复压缩机，而大大地扩大了应用范围。

一、 离心式压缩机叶轮

叶轮按照叶片的弯曲形式分，主要有后弯式、径向式及前弯式三种形式。前弯式由于效率低，在压缩机中部采用，压缩机目前普遍采用后弯式，由于三元流理论的不断发展以及加工技术的进步，近几十年来扭曲叶片在叶轮中的应用越来越广泛，因为扭曲叶片叶轮内气体流动比较均匀，速度和压力分布比较合理，流动损失小，压缩级的效率明显提高。按照叶轮多久节后形式可以分为开式、半开式和闭式三种。开式叶轮结构最简单但是气体流动损失最大，故叶轮的效率最低，在压缩机中很少使用。目前闭式和半开式叶轮在压缩机中的应用越来越广泛。半闭式叶轮和开式叶轮不同，改善了气体流道，减少了流动的损失，提高了效率，但是唯一的缺点是侧面间隙很大，闭式叶轮由轮盘、叶片和轮盖组成，这种叶轮低气体流动有利，效率也比前两种高，在离心式压缩机中广泛应用。

二、叶轮结构的工艺特征

离心压缩机叶轮为了适应高速离心载荷、气动载荷、振动激励及气体腐蚀等复杂工况环境，往往使用强度高、性能好的难加工材料制造，如：马氏体不锈钢，增加了失效叶轮再制造难度。目前常采用激光熔覆，再制造修复工艺实施叶轮再制造，修复后的再制造叶轮质量良好。针对叶轮存在的不同失效特征，再制造修复时采取差异化的激光熔覆方式，在叶轮失效部位形成新的再制造工艺特征。对于离心压缩机失效叶轮的叶片掉块与缺口可直接熔覆堆焊成形；叶边塑性变形采用切除后再熔覆堆焊成形，叶根未穿透裂纹采用预制V形槽激光熔覆再制造，然后经五轴铣床加工到预定的形状。修复后的再制造叶轮与原叶轮的显著区别在于形成了新的激光熔覆再制造修复界面和再制造成形层。

三、造叶轮特征三维建模方法

（一）叶轮特征重构方法

为了重构离心压缩机再制造叶轮结构的几何特征，从离心压缩机再制造叶轮结构特征分析入手（主要包括叶轮失效特征、再制造界面特征和再制造成形层特征），对离心压缩机再制造叶轮各曲面离散化处理，并根据计算机辅助设计空间的NURBS曲面造型理论重构再制造叶轮典型特征，着重构造再制造叶轮基体、再制造修复界面及成形层等特征，最后通过拟合曲面、环面、简单平面等修剪、合并、实体化等步骤完成离心压缩机再制造叶轮结构特征的重构。

（二）叶轮特征数据点测量

离心压缩机再制造叶轮三维数字化建模直接依赖于叶轮结构特征测量点数据，因此准确测量再制造前的叶轮特征数据点显得非常重要。柔性关节臂式三坐标仪测量仪结构轻巧、使用便捷、测量臂可以无限旋转恰好满足了再制造叶轮特征数据点测量要求。考虑到叶轮结构特征点测量工作量大的问题，对完整叶片、缺口界面、叶根裂纹等特征点进行布点规划后测量。为了使重构的叶片压力面、吸力面与被测叶片实物一致且叶片压力面和吸力面保持连续光顺，根据叶片流线特点进行测量布点规划。沿着叶片的型线进行画线，同时沿径向边界做截面线，得到交点即为完整叶片特征的测量点。同时，在曲率变化大的区域应该增加布点数量，反之则减少。叶片的其他几何面较窄可直接的利用边界线上测量点数据。叶片缺口界面特征是再制造叶轮基体与再制造成形层过渡的分界面，缺口再制造修复前通常需要进行缺口工艺面设计（界面的清理与修整），故叶片缺口界面特征点测量可在其约束边界线上进行测量布点规划，即沿着缺口的四条约束边界线布置特征测量点。叶根裂纹通常包含未穿透裂纹与穿透裂纹两种类型，再制造修复前需要预制成“V形槽缺口”和“梯形槽缺口”以除去裂纹部位的失效材料，叶根裂纹特征点测量强调裂纹主路径及边界测量，故可沿叶轮裂纹扩展路径和边界位置布置测量点。

（三）叶轮重构模型几何质量

为了验证再制造叶轮重构模型的几何质量，对再制造叶轮的叶片压力面、吸力面进行精度与曲率分析。首先在失效叶轮中的某完整叶片（如叶片3、4等）压力面或吸力面上提取30×60（uxv）个测量点坐标构成点集合P=（Rij； 1， 2， …， 30； j=l， 2， …， 60）然后将点集合P通过坐标旋转到被检验叶片相同位置，求集合P中各点到拟合的修复叶片（如叶片1、5等）压力面或吸力面法向距离，取每列最大距离作误差曲线。实践可知最大误差不超过1×104mm，满足了离心压缩机再制造叶轮的设计要求。另外，再制造叶轮压力面或吸力面修复部位的曲率偏差分析结果也证实了重构的再制造叶轮模型具有曲面连续、光顺性好等特点。因此再制造叶轮重构模型几何质量好，达到了再制造叶轮后续有限元分析与再制造的要求。

四、结束语

本实验实现了离心压缩机叶轮三维模型，包括叶轮基体、再制造界面、再制造成形层的特征建模。通过叶轮重构模型几何质量分析，证明所建再制造叶轮三维模型曲面连续光顺，与实际情况基本吻合。

参考文献：

[1]李廷宾.跨音速离心压缩机叶轮分流叶片的数值研究[J]，企业文化，2014.

[2]刘军.大流量离心压缩机首级叶轮强度分析及结构[J]，科技与企业，2013.