涡轮叶片曲面重构与流体动力学数值分析*

周承号,王家兴,宋嘉程,王 健,刘千禧,丛家慧

(沈阳航空航天大学 机电工程学院,辽宁 沈阳 110036)

引言

逆向工程是上世纪80 年代末期发展起来的一种先进的制造技术。它广泛应用于航空类、汽车类、工业仿形、礼品设计、结构开发等,甚至还应用在软件开发领域[1]。广义的逆向工程包括形状反求、工艺反求和材料反求等诸多方面,是一个复杂的系统工程。目前,有关逆向工程的研究主要集中在形状反求方面[2]。用一定的测量手段对实物或者模型进行测量,根据测量的数据采用三维几何建模方法重构实物的CAD 模型的过程,是一个从样品生产产品数字化信息模型,并在此基础上进行产品设计开发及加工制造的全过程。与其相适应的快速成型工艺作为一项新兴的全新概念的加工方法,实现了高度柔性,高度集成性[3]。

作为先进制造技术的一个重要组成部分,反求工程已经成为实现产品创新设计和快速开发的重要技术手段[4]。反求工程与CAD 混合建模以实现自由曲面的重构,与传统的CAD 建模不同,以服务于工业生产,特别是机械零件制造为目的的反求建模更加强调重建模型的几何精确性、完整性以及拓扑一致性,其中复杂曲面的CAD 模型重建是反求工程模型重建研究的重点。叶片是航空发动机的核心部件,曲面形状复杂,并且容易产生各种缺陷,生命周期短,维护费用高[5]。因此,本文从涡轮叶片的曲面重构技术入手,对涡轮叶片进行反求,通过扫描受损叶片拟合成满足要求的CAD 模型,为受损叶片的加工修复和再制造提供技术支持。

1 点云数据处理及曲面重构

通过对实际零件进行测量,根据测量所获得的不完全信息为设计制造出发点,通过对原始设计参数的还原,通过对比分析以获得精确的重构模型。

基于Geomagic 逆向软件的处理步骤如下：

(1)采集点云数据,采用的是Hexagon 的Romer RA7 320 系列的关节臂三坐标测量仪扫描点云。

(2)降噪处理,采集到的点云数据有很多冗余和噪声,通过统一点处理和降噪处理得到网格面模型。

(3)填充缺损区域,对封装拟合三角面的残缺部分进行曲率填充。

2 三维实体重构

进行叶片的曲面造型,单击多截面曲面命令,依次选择所有的光顺曲线,首尾顺次连接各个截面,设置所有的闭合点为所有光顺曲线上的同一点,单击预览,查看是否形成整体曲面,若未形成整体曲面,则说明所以光顺曲线的闭合点未在同一点,若形成整体曲面,则说明叶片曲面初步形成,单击确定即可。

进行叶轮主体的逆向建模,首先找到最初建立的叶轮基准平面,对平面进行平行偏移处理,使得最新设计的叶轮基准平面与最初的叶轮基准平面无角度差,选择点云网格叶轮主体相对平滑的部分作为偏移距离。完成叶轮点云网格线的建立。

进行叶轮1/4 主体的逆向建模,首先找到最初建立的垂直于叶轮基准面的平面,对平面进行旋转处理,使得最新设计的叶轮垂直面基准平面与最初的叶轮垂直面基准平面通过叶轮中心的轴线,选择点云网格叶轮主体相对平滑的部分作为旋转角度。完成叶轮点云网格线的建立。

进行叶轮外围机匣曲面的逆向建模,首先找到最初建立的垂直于叶轮基准面的平面,对平面进行旋转处理,使得最新设计的叶轮垂直面基准平面与最初的叶轮垂直面基准平面通过叶轮中心的轴线,选择点云网格叶轮主体相对平滑的部分作为旋转角度。接着进入创成式外形设计模块,进行叶轮主体曲面设计,单击扫掠命令,子类型选择使用参考曲面,轮廓线为上一步设计的可编辑叶轮外围机匣线,引导曲线为叶轮主体中心圆曲线,曲面为默认(平均平面),角度0°,脊线默认为叶轮主体最外圆曲线,边界1/2 无选择,角度修正设置为0.5deg,与引导曲线偏差设置为0.001mm,勾选移除预览中的刀具选项,缩进2%,勾选填充自交区域选项,连接方式设置为自动,单击预览,确认曲面生成后,单击确定。

至此,叶轮主体、叶轮机匣、叶片逆向建模完成。

3 叶片流体动力学数值分析

叶片的气动性能直接和叶片翼型的外形有关,一般翼型的外形和翼型的后端尖角、前端圆角、翼型的弦长、翼型的最大厚度、翼型的最大相对厚度、翼型中线最大弯度、翼型最大相对弯度和攻角有关[6]。根据无量纲处理的计算方法,一般翼型的升力系数CL 在0-1.6 之间,阻力系数CD 为CL 的1/30 左右属于正常。根据飞机翼型在产生升力的同时也会产生阻力,在一定流速下,机翼的升力与阻力的比值称为升阻比,升阻比越高,则说明该翼型的气动效率越高,能在产生较大的升力的同时也产生较小的阻力。所以叶片的截面翼型同样也试用,根据逆向所得的叶片翼型与最初扫描点所得的叶片翼型进行比较,得出最终结论。将逆向设计叶片翼型与点云网格面叶片翼型导出,应用profili 软件进行分析[7]。

(1)基于两叶片的弯度信息与迎角变化分析两叶片翼型的升阻比以及力矩系数,通过相关参数的统计数据来进行对比原始点云与逆向设计的叶片性能,在雷诺数为100000,两叶片翼型的迎角0°-4°的时候,黑色点云网格面叶片翼型升阻比高于红色逆向设计叶片翼型,说明点云网格面翼型的气动效率更高；当雷诺数不变,两叶片迎角在4°-8°之间时,黑色点云网格面叶片翼型升阻比低于红色逆向设计叶片翼型,说明逆向设计叶片翼型的气动效率更高；当雷诺数不变,两叶片迎角在8°-10°之间时,黑色点云网格面叶片翼型升阻比高于红色逆向设计叶片翼型,说明点云网格面叶片翼型的气动效率更高；当雷诺数不变,两叶片迎角在10°-13°之间时,黑色点云网格面叶片翼型升阻比低于红色逆向设计叶片翼型,说明逆向设计叶片翼型的气动效率更高。而两叶片的力矩系数Cm(负数),在0°-13°的范围内,逆向设计叶片翼型一直高于点云网格面叶片翼型,说明逆向设计叶片翼型的风能利用率高于点云网格面叶片翼型。

(2)基于两叶片的厚度信息与迎角变化分析两叶片翼型的升阻比以及力矩系数,在雷诺数为100000,两叶片翼型的迎角-3°-0°的时候,黑色点云网格面叶片翼型升阻比高于红色逆向设计叶片翼型,说明点云网格面翼型的气动效率更高；当雷诺数不变,两叶片迎角在0°-7°之间时,黑色点云网格面叶片翼型升阻比低于红色逆向设计叶片翼型,说明逆向设计叶片翼型的气动效率更高；当雷诺数不变,两叶片迎角在7°-10°之间时,黑色点云网格面叶片翼型升阻比与红色逆向设计叶片翼型升阻比近似,说明两叶片翼型的气动效率近似；当雷诺数不变,两叶片迎角在10°-13°之间时,黑色点云网格面叶片翼型升阻比高于红色逆向设计叶片翼型,说明点云网格面叶片翼型的气动效率更高。而两叶片的力矩系数Cm(负数),在-5°-10°的范围内,逆向设计叶片翼型一直高于点云网格面叶片翼型,说明逆向设计叶片翼型的风能利用率高于点云网格面叶片翼型。

综上所述：逆向设计叶片翼型的升阻比在较大的迎角变化范围内略高于点云网格面叶片翼型,并且逆向设计叶片翼型的力矩系数高于点云网格面叶片翼型,说明逆向设计的叶片翼型的气动效率与风能利用率比目标产品的更好,也说明逆向设计的叶片翼型的弯度大于目标产品叶片翼型,气动性能更好。

(3)基于雷诺数对两叶片翼型进行分析

经过单独分析发现,在同一升力系数下,雷诺数与阻力系数成正比,也就是说雷诺数越小,阻力系数越小；但雷诺数与阻力系数的变化范围成反比,雷诺数越小,阻力系数变化范围越大。在固定的雷诺数变化范围内对两叶片翼型进行对比分析时发现,点云网格面叶片翼型的升阻比与力矩系数均低于逆向设计叶片翼型的升阻比与力矩系数。

综合以上各类分析得出,逆向设计的叶片翼型的流体动力学数据均优于目标产品点云数据所反馈的流体动力学数据,说明逆向工程的确可以设计出与目标产品的功能特性相类似,但又不完全相同的新产品,并且新产品的各项特性都较目标产品优越。

4 结束语

本文通过最初的点云数据采集开始,经过逆向工程点云处理对残缺的点云进行补全再处理,然后将相对完整的点云数据通过工程文件转换,导入专业的三维工程设计软件CATIA 中,进行点云数据向曲线、曲面以实体的转换。通过逆向模型与目标点云网格面的偏差分析,完成了曲面的精确实体的建立。最后利用CFD 软件Fluent模块下的Profili 翼型分析库对初始目标产品点云网格面与最终的逆向模型进行流体动力学数值分析,此次分析利用翼型的升力系数、阻力系数、升阻比以及力矩系数作为依据,对上述两种叶片进行比较分析,得出逆向造型的叶轮叶片的流体动力学性能优于最初的目标产品的结论。