贯流式水轮机转轮叶片的三维造型

陈明辉，孙 旋，罗兆伟



贯流式水轮机转轮叶片的三维造型

陈明辉，孙 旋，罗兆伟

（邢台职业技术学院，河北邢台054035）

叶片是转轮的重要组成部分，且叶片上冠曲线为空间曲线，难以通过二维CAD直接导入到Pro/E，因此，以水轮机转轮叶片的三维坐标为基础，利用Matlab生成多个ibl文件的叶片截面曲线，对不闭合截面曲线缺口处，以相邻截面曲线的坐标进行缝合，然后以读入数据文件的方法依次导入到Pro/E，将各个曲线按照正、背面分成两半面的方法生成曲面，最后叶片实体以编辑文件的方法进行修型，最终实现叶片的三维造型。

叶片；Pro/E；Matlab

转轮是水轮机的核心部件，实现能量转换，它的好坏直接影响水轮机的效率[1]。叶片是转轮的重要组成部分。贯流式水轮机叶片具有雕塑曲面的正面、背面、进水边变圆弧半径曲面、出水边曲面、轮毂球面、轮缘柱面等构成。叶片三维结构是复杂扭曲的曲面体，以往的设计方法大多靠经验、仿造设计，不能满足实际要求。只有叶片准确的三维造型才能便于数控加工、流体力学计算分析与性能预测。

近年来，国内外学者对水轮机转轮叶片进行了大量的研究工作。2010年，清华大学张丽霞[2]博士借助流道理论对水轮机叶片进行建模并对叶片疲劳裂纹的控制进行了研究。2014年，西安理工大学的朱国俊[3]采用NSGA-II算法开展了叶片的多学科优化设计。本文采用点、线、面、体的方法生成叶片体，再对叶片体进行修型。

一、叶片叶型曲线的生成

某水轮机工厂叶片的木模图如图l所示，叶片的几何形状是靠样板来保证。木模图是利用多个叶片同心假想圆柱面与转轮叶片相交，每个曲面与叶片的交线得到一闭合的曲线，每条曲线在平面中展开，在平面图形中用坐标直线与断面界限相交的点确定曲线型值，按照等高线的方法提供各断面的形状尺寸，其中一条截面曲线如图2所示。木模图的这种曲线提供方式给叶片的几何造型带来困难。

图1 叶片木模图

图2 R=1125处叶型图

本文叶片的三维造型主要分两步进行，第一步生成三维软件所能使用的叶片叶型曲线，第二步利用曲线生成三维实体叶片。采用二维AutoCAD软件将木模图叶片叶型导入Pro/E生成叶片截面曲线。使用的命令有来自基准、草绘、选草绘平面、草绘来自文件、完成。这种方法较快捷，利用了AutoCAD和Pro/E良好的接口性能，不需要计算各个点的坐标，但适合用于笛卡尔坐标系。本模型水轮机转轮叶片叶型线在木模图中以柱坐标系半径R、截面线坐标Z、角度形式给出，因而在导入Pro/E前需先做出与模型对应的笛卡尔坐标系叶型曲线，再使用Pro/E数据文件功能依次生成叶片曲线。

人工直接转换叶片曲线坐标需要输入大量坐标点且结果不准确，Matlab具有很强的数学计算功能，现以表1中的R1125处叶型线为例，利用Matlab软件使叶片叶型线柱坐标转化为笛卡尔坐标。

Clear

a=[ ……]； %截面角度

r=1125；%半径R

z=[……]； %截面坐标Z

b=[x;y;z]；

x=sind（t）*r； %转化为x轴坐标

y=cosd（t）*r；%转化为y轴坐标

plot3（x，y，z）%生成曲线

fid=fopen（'ex．txt'，'wt'）；

%生成控制曲线的笛卡尔坐标系文本

Fprintf（fid，'%6．2f%12．2f%12．2f '，b）；

%输出文本中的数据

Fclose（fid）；

表1 叶片R=1125处截面叶型线坐标

由于叶片截面叶型较多，为清晰及后续的修改方便，所有的截面叶型曲线都用上述方法重复编写。对于木模图图3中存在不闭合的叶型曲线，因为相邻截面曲线曲率变化不大，可以用相邻闭合截面叶型曲线2补齐缺口处叶型曲线1形成封闭曲线，再取其缺口处的柱坐标导入Matlab中进行计算。

Pro/E软件读入数据文件时只能支持4种文件格式：ibl、igs、vda、pts，本文采用ibl文件格式。在txt文本下将Matlab生成的坐标在每条曲线开始端加上begin section!、begin curvel!就可以形成ibl文件，示例如下：

Open

arclength

begin section! 1

begin curvel! 1

……%Matlab输出文本中叶型线正面数据

begin section! 1

begin curve ! 2

……%Matlab输出文本中叶型线背面数据

在将其生成多个叶片叶型的ibl文件，利用Pro/E读入数据功能就可在Pro/E中形成一系列的三维叶型曲线[4-5]。

二、叶片的三维实体造型

在三维软件Pro/E建模中需要将这些平面展开图重新恢复到对应的同心圆柱面上，按叶片木模图对叶片进行造型设计。

利用Pro/E读入点文件的方法绘制空间扭曲叶片R1125处正面和背面的曲线，因本文采用的是ibl文件格式，其主要步骤：新建柱坐标系、插入、模型基准、曲线、来自文件、完成，其它叶片截面叶型曲线也采用同样ibl文件导入方法，生成如图4具有同心圆柱面的叶片骨架。

为了下一步形成较少的曲面进行合并，从而使曲面变的更光滑，将形成叶片骨架的曲线依次连接捕捉到的前缘点至后缘点形成进水边曲线。同样的方法形成出水边曲线。叶片正面执行操作依次：插入、边界混合、各截面上方曲线为第一方向线、完成[6-7]。叶片背面及其两端面重复上述生成的方法，以便形成封闭曲面进行实体化的生成。在实体化前要求是一条完整封闭曲面，因此先进行合并。曲面合并具体操作：选取曲面、按Ctrl键选取相邻曲面、编辑、合并。为了进行转轮装配与叶片流场的计算需要对叶片进行实体化。实体生成操作：选择曲面、编辑、实体化、完成。由于木模图本身原因使形成的轮毂球面、轮缘柱面存在向上翻翘的现象时，可通过先延长轮毂面、轮缘面叶片实体，再分别用相应轮毂球面、轮缘柱面切割，可形成光滑叶片。

图3 叶片不闭合叶型曲线与相邻闭合叶型曲线

图4 叶片骨架

图5 叶片实体图

构造的叶片曲面不仅应确保对原始数据点的逼近精度，最大限度地拟合叶片的真实形状，且需具有良好的几何和流体光顺性能。

利用Pro/E的曲面分析工具检验工作面和背面的光滑性。主要操作：分析、几何、曲率。查看分析曲线，对于不光滑处，通过调整截面线上各个点的坐标值使正面和背面都达到光滑性要求[8]。主要操作：选取曲线、右击编辑定义、曲线、编辑文件。完成的叶片实体如图5所示。

三、结论

利用Matlab将原有的柱坐标转换为笛卡尔坐标，减少了直接人工编写ibl文件的工作量，生成了准确的叶片曲线。对叶片不闭合曲线缺口采用相邻曲线补齐，使曲线封闭。叶片曲面分成上下两半面方法进行合并，减少了曲面连结间的接痕。调整叶片凹凸不平处对叶片进行修型，实现通过改写编辑文件调整坐标值，达到光滑性要求。

参考文献：

[1]E.Holier；B.Siork；A.Bergant. Mixed-flow vertical tubular hydraulic turbine: determination of proper design duty point[J]. Forschung im Ingenieurwesen ，2011，75（4）.

[2]张丽霞.混流式水轮机转轮叶片疲劳裂纹控制研究[D].北京：清华大学，2010.

[3]朱国俊，郭鹏程，罗兴锜等.贯流式水轮机叶片的多学科优化设计[J].农业工程学报，2014，30（2）.

[4]周一界. Matlab在Pro/E中的应用[J].轻工机械，2004，10（4）.

[5]吴武彬.基于Pro/ E和Matlab环境下的Logix 齿轮参数化三维建模[J].佛山科学技术学院学报，2008，26（3）.

[6]侯华，齐学义，常一乐等.基于Pro/E 的水轮机转轮三维造型[J].排灌机械，2006，24（1）.

[7]齐学义，江良荣，张新杰等.基于Pro/ E的混流式水轮机叶片的三维造型[J].兰州理工大学学报，2008，34（2）.

[8]田亚斌.混流式水轮机叶片的三维造型[J].水利水电科技进展，2010，30（4）.

（责任编辑 王傲冰）

Three-dimensional Shape of the Tubular Turbine Runner Blades

CHEN Ming-hui，SUN Xuan，LUO Zhao-wei

（Xingtai Polytechnic College, Xingtai, Hebei 054035, China）

The blade is an important part of the wheel, it is difficult to directly put the two-dimensional CAD into Pro / E. Based on the three-dimensional coordinates, the curve of the blade section generated multiple IBL file by Matlab that closed the gap of section curve at the adjacent section curve coordinates. In order to read into the data file import Pro / E, each curve is generated in accordance with dividing into two halves on the back surface. Furthermore, blade of the entities relied on text editor for repairing. Finally, three-dimensional modeling will be completed.

blade; Pro/E; Matlab

TK73

A

1008—6129（2015）05—0085—03

2015—08—17

陈明辉（1986—），河北新河人，邢台职业技术学院，助教。