半开式离心叶轮的参数化建模方法

◇宿迁学院机电工程学院 华 奇 李玉龙

针对具有复杂曲面的半开式离心叶轮和基于UG NX软件的样条拟合方法，详细阐述了由已知数据点到最终参数化的建模全过程，该过程为半开式离心叶轮的一种共性建模方法，能为后续的叶轮加工提供准确的3D数据主模型。

1 前言

离心叶轮是一种常用于航空发动机和燃气涡轮机中的复杂机械零件，结构上大致分为闭式与半开式两种，其中，半开式具有压力大、结构紧凑等优点，应用最广泛[1-2]。由于叶轮多使用在高温高压的极端工况下，所以叶轮模型的准确性与建模的合理性对工作效率及其寿命影响极大[3-4]，也是后续加工质量好坏的先决条件[5-6]。鉴于此，拟就半开式离心叶轮展开UGNX软件平台下的参数化建模研究。

2 离心叶轮及建模概述

半开式离心叶轮由轮毂和叶片构成，如图1所示。其中，叶片的参数化建模最为关键，原因在于其径向与轴向上均存在着较大扭曲，进气侧与出气侧存在着非常大的曲率变化，不仅如此，往往还会因需求衍生出主叶片和分流叶片，即大小叶片。

图1 半开式离心叶轮的3D模型

在参数化建模过程中，轮毂可通过草图绘制后的再旋转直接获得；但是叶片曲面多为复杂曲面，光顺性和连续性的要求相对很高，故无法直接草图绘制，需采用UGNX软件中的样条拟合模块来实现，总的建模流程为导入数据点→构建截面线→拟合叶型曲面。其中，设计人员会依据设计需求并结合空气动力学等原理设计出叶轮的相关结构参数，并给出相应的数据点供后续建模使用。

3 轮毂片体参数化建模

首先应建立轮毂的参数化模型，根据已知条件的不同，其建模过程分为已知截面数据点和未知截面数据点的两种情况。其中，未知截面数据点时，由草图中绘制截面曲线→旋转生成回转体来实现；已知截面数据点时由菜单：插入→曲线→样条→拟合→文件中的点→导入已知截面数据点的后缀.dat文件→旋转生成回转体→轮毂片体来实现。参数化建模如图2所示。

图2 轮毂片体样条截面线的参数化建模

4 单叶片体参数化建模

参数化建模的重点在于既要满足叶片曲面的光顺性和连续性，又要保证叶型的准确性，故采用11组的不同叶型截面数据来拟合叶片截面线。具体建模为导入.dat格式数据点→拟合叶型截面线→通过曲线组→生成11条截面线→扫掠生成叶片体，如图3所示。其中，在扫掠生成曲面过程中，应注意各截面线的矢量方向保持一致，否则会出现曲面扭曲的情况。

图3 叶片体样条截面线的参数化建模

如叶轮具有主叶片和分流叶片，其中的分流叶片片体与主叶片片体的参数化建模完全一致，如图4所示。

图4 分流叶片样条截面线的参数化建模

5 围带尾缘参数化建模

围带与尾缘在叶轮参数化建模中起着控制叶片的叶尖与出气侧形状的作用，同样采用导入数据点的方式构建截面线，通过旋转生成回转曲面。对超出围带与尾缘部位的叶片进行修剪，从而得到最终所需的叶片，如图5所示。

图5 围带与尾缘的参数化建模

6 全叶片体与片体加厚

选中已建好单叶片体，运用圆周阵列特征，每隔36°阵列一组大小叶片体，周向均布10组，从而生成所需要的全叶片体，如图6所示。

图6 全叶片体模型

最后将轮毂片体与全叶片体通过加厚的方式转化成实体模型，并进行最终细节处理，比如通过叶片根部的圆滑过渡以提升结构强度；最终通过实体的求和运算，形成离心叶轮最终的参数化模型，如图7所示。

图7 离心叶轮最终的参数化模型