基于CFturbo的叶轮机械3D叶轮复现方法探讨

2020-4-14 11:09| 发布者: 李苏克| 查看: 2347| 评论: 0

摘要: 叶片式旋转机械包括泵、风机、压缩机、涡轮等，作为工业领域的核心机械部件之一，其广泛应用于发电系统、制冷系统、化工行业、汽车、舰船、坦克、飞机等民用及高端领域。叶轮机械在国民经济尤其是整个重工业体系中占有十分重要的地位，因此其生产与技术水平已经成为衡量国家整体工业实力的重要标准。实现叶轮机械运行可靠、单机容量大、性能优良等是工业应用的重中之重。叶轮作为主要部件，其设计与性能优化至 ...

叶片式旋转机械包括泵、风机、压缩机、涡轮等，作为工业领域的核心机械部件之一，其广泛应用于发电系统、制冷系统、化工行业、汽车、舰船、坦克、飞机等民用及高端领域。叶轮机械在国民经济尤其是整个重工业体系中占有十分重要的地位，因此其生产与技术水平已经成为衡量国家整体工业实力的重要标准。实现叶轮机械运行可靠、单机容量大、性能优良等是工业应用的重中之重。叶轮作为主要部件，其设计与性能优化至关重要。通过多年的研究，各主机厂均积累了大量已成型的基础叶轮，在已有模型的基础上进行后续的优化设计是加快产品技术创新的便捷之路。

随着计算机技术的发展，专业叶轮机械设计软件逐渐涌现，如专业叶轮机械设计软件CFturbo，可支持包括叶轮、导叶、蜗壳等在内的整机设计能力。一般来说，已知设计要求，通过某款专业的设计工具来实现某叶轮机械的三维造型的参数化设计，是大部分用户的主要应用方向。然而，当用户希望基于某现有的优秀叶轮进行后续的改型或优化设计时，就必须要利用现有的设计工具对已有的叶轮机械3D设计进行参数化的复现，才能快速的进行后续的改型和优化设计工作。正向设计是大部分软件满足的功能，然而对于已有设计的自动识别并参数化功能目前还不能很好的实现。本文便是介绍一种利用CFturbo软件将已有叶轮参数化复现的过程和方法。
作为CFturbo软件在中国区的战略合作伙伴，海基科技面向广大行业用户提供软件试用和技术交流服务。扫码申请，可获得两个月免费试用。

01基于CFturbo现有3D几何参数化复现技术方案
在叶轮机械设计领域，CFturbo已有将近20年大量实际工程的设计经验积累。CFturbo作为专业的旋转机械设计软件，可进行泵、风扇、鼓风机、压缩机、涡轮等的整机设计，包括转子、导叶、扩压器、蜗壳等部件。针对旋转机械的设计及优化改进，CFturbo功能完备且在细节上非常贴合设计人员的习惯，其主要特点有：

设计功能完备，覆盖全比转速范围，满足2D和3D造型设计，以及针对某些特定设计需求的能力，如复合叶片、污水泵、双蜗壳、二次回流通道设计、结构体加厚设计等。
具备大量源于工程积累的经验设计函数，且按照叶轮机械类型做了细分，例如前弯式离心风机和后弯式离心风机所采用经验函数不同，体现细节和专业性；
界面友好，易用性强，具备性能预估能力，提供多种真实物性模型。
接口丰富，软件开放，可与仿真优化软件无缝集成，快速实现设计-仿真-优化的一体化流程。

此外，CFturbo具备的参数化设计功能不但支持用户进行初始参数化设计得到新的三维模型，同时支持用户导入外部参数化模型或已有几何模型，在此基础上进行设计改进与性能优化。

图1 CFturbo参数化设计功能

目前，CFturbo虽然还不能自动实现3D造型的导入识别并参数化，但是软件良好的开放性可以支持用户利用一些其他的方法来实现。那么CFturbo在支持逆向复现方面有哪些功能支撑呢？主要有以下几点：

3D模型支持外部导入
子午面设计支持外部曲线导入，并利用贝塞尔曲线实现参数化
叶片进出口角支持自定义变化，以此实现与已有设计方案的一致性
支持外部导入骨线，对于离心式，可以支持导入厚度分布曲线
通过保角变换，实现旋转机械叶片的参数化复现
通过外部导入叶片翼型，也可实现轴流叶片的参数化复现
……

02基于CFturbo的叶轮复现具体案例介绍
本案例以轴流风机叶轮为例，说明利用CFturbo对已有轴流风机叶轮几何的3D参数化复现说明。本次复现采用保角变换，导入外部骨线方法，实现轴流风机叶轮逆向参数化。
2.1设计参数输入
设计点参数与流体介质假定。

在逆向复现给定的叶轮几何时，考虑到经验相关性需要确定以下参数，部分参数不确定时，可以给一个大概的估算值:

流体属性
设计点的流量、压比/压差、转速
旋转方向
进口边界条件
考虑定子与蜗壳部件附加损失的效率

图2 设计点参数输入

2.2 叶轮主要几何参数设置
叶轮主要尺寸包括进口轮毂直径dH1，吸入口直径dS1，出口轮毂直径dH2，出口直径dS2，此处尺寸需要从已知几何模型中直接提取并输入。
除了上述参数外，还需要从原始几何图形中提取叶顶间隙尺寸。
此处需要勾选Manual dimensioning，即不采用软件默认的推荐值，而是手动输入几何参数。
选择设计模式为Mean line，即通过骨线设计。

图3 主要几何参数输入

2.3 叶轮子午面设计
2.3.1 外部几何导入
叶轮复现过程中，可以在3D视图中随时查看几何形状的变化，因此可以导入已有外部几何进行可视化比较。
在3D视图下通过拖拽即可直接导入x_t,IGES,STEP,STL等格式外部几何文件。对于直接导入的外部模型可进行旋转、移动、缩放等，此外可更改模型显示的透明度以便进行可视化比较。

图4 外部几何导入

2.3.2 子午面型线设计
CFturbo中子午面的型线数据基于轴向坐标z和半径r，因此可以在原始外部几何中提取出轮毂、上盖板、叶片前缘以及叶片尾缘的相应数据。提取完成后转化为z-r坐标并以.txt格式保存。通过load extra polyline导入型线数据，并调整Bezier曲线控制点进行拟合即可生成子午面型线。

图5 子午面型线导入

2.4 叶型设计
2.4.1 叶片几何尺寸提取
本次设计采用mean line即叶片骨线设计，因此需要提取相关变量参数。主要包括半径r、轴向长度z、子午m和切向t坐标、叶片角β分布等。已知骨线的x,y,z坐标通过保角变换和相关几何信息的提取，即可推导出不同流面位置，上述r、z、m、t、β等相关变量。坐标转换关系说明如下：
m-t骨线坐标通过坐标变换将空间弯曲的子午面映射至平面。t是沿圆周方向的角度，而m是无量纲的子午长度。这两个量是通过参考子午方向(M)和切向方向(T)的绝对距离得到的，公式如下：

dm=dM/r

dt=dT/r

tanβ=dm/dt

图6 m-t坐标示意图

在CAD软件中找到各流面的骨线几何特征，将每个截面骨线的x,y,z坐标提取出来，并通过上述关系式计算m-t坐标以及r、β值。下图为通过Excel表格计算的结果示意。

图7 骨线坐标转化示意

2.4.2 叶片角设计
该部分需要输入模型实际叶片数以及轮毂至轮缘所划分的截面数目（number of spans），如本次案例选择截面数目为10。为了更好地拟合原始叶轮，选择叶片形状为Free-form3D，提取轮毂与轮缘的叶片厚度并输入至Blade thinkness表格。
不同截面处叶片角分布可从上述2.4.1的骨线数据中计算得出，也可直接从原始模型中提取并输入。

图8 叶片角设计

2.4.3 骨线设计
在骨线设计部分，包角可以不直接输入，导入不同流面的m-t数据后即可自动生成包角值。提取出骨线笛卡尔坐标值后可通过2.4.1节公式进行坐标转化，完成后保存为.txt格式数据，包括t、m坐标值。此处需要通过polyline导入.至meanline界面。导入后可将polyline格式改为Bezier曲线，拖动控制点可进行后续改型优化等。

图9 叶片骨线设计

2.4.4 叶片厚度设计
如果叶片厚度分布为常数，则在2.4.2部分直接输入厚度值即可；若叶片厚度成一定曲率变化，可在CFturbo中调整控制参数与原始叶轮拟合，也可导入l-s变化数据。
设置Design mode 为Freeform。Additional view下打开3D-preview，通过Global Control point count添加控制点，拖动hub与shroud的控制点与导入模型拟合。
调整Thickness exponent数值，进行hub至shroud厚度变化规律的设计，参考3D-preview中原始模型进行调整至拟合，取值范围为-1~1。