[发明专利]一种叶轮的椭圆形叶缘造型系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）技术领域的方法，具体是一种叶轮的椭圆形叶缘造型系统及方法。

背景技术

叶轮和转子是涡轮机械两个重要的组成部分。叶轮用于压缩机，作用是将旋转机械能转化为气体的内能和压力能。转子用于涡轮机，作用与叶轮刚好相反，是将气体的内能和压力能转化为旋转机械能。当前离心压缩机正朝着单级高压比、高效率和大流量的方向发展。但是大型化也带来了机组设计制造运行寿命和可靠性评估等一系列问题。例如大型压缩机叶片前缘区的刚强度通常较差，易产生扭曲及破坏。其主要原因：一方面，大流量压缩机叶轮的叶片进口宽度远远大于传统二元轮的叶片进口宽度，故前缘受到的气动力和离心力较大；另一方面，大尺寸闭式叶轮的轮盖质量加载到叶轮前缘处的弯矩也急剧增加。因此，对大型离心压缩机的叶轮强度方面的要求也越来越高。

叶缘的几何形状对叶轮进气口处的强度、应力以及流场产生很大影响，进而影响到整个机械系统的性能。所以选择合适的前缘几何形状，对提高闭式叶轮的强度、效率、性能、使用寿命等有重要的作用。常用的叶缘几何形状有钝形、圆形和椭圆形三种。钝形叶缘比较简单，将叶片两面对应的流线端点连接即可，但是会大大影响机械系统的性能。圆形叶缘和椭圆形叶缘提高了叶轮的工作效率和流通能力。沿流线方向椭圆形叶缘曲率半径逐步增大而圆形叶缘曲率半径保持恒定不变，因此与圆形前缘相比椭圆形叶缘可以减小叶缘造成的分离损失，使载荷分布均匀，增大叶轮的工作范围，进一步提高叶轮效率。从叶缘根部最大应力值来看，圆形叶缘明显小于钝形叶缘，而椭圆形叶缘又明显小于圆形叶缘。因此，相对于钝形和圆形叶缘，椭圆形叶缘能显著地提高叶轮的结构强度和性能，具有更好的适用性。

然而椭圆形叶缘与压力面和吸力面要实现光滑连接，并且叶缘不超过指定截面，实现这种构造并不简单。本发明基于此提出了两个叶片面之间变长短轴比例的椭圆形曲面过渡系统，可以快速高效地实现三维空间的椭圆构建。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出一种叶轮椭圆形叶缘的造型系统和相应的方法，该方法计算效率高，运算稳定，能够根据输入的参数生成椭圆形状的叶缘，适用于各种叶轮的叶缘造型。

根据本发明的一个方面，提供一种叶轮的椭圆形叶缘造型系统，包括如下装置：

数据输入模块，用于读入叶片面数据和接收叶缘参数，存入对应的计算机内存，其中，所述叶片面数据包括叶片压力面与吸力面的各截面线数据点，所述叶缘参数包括叶片各个截面前缘与尾缘的椭圆长短轴比例值、截止面；

坐标变换模块，用于将所述数据点的笛卡尔坐标(x,y,z)变换到圆柱坐标(r,θ，z)，然后变换到二维坐标(m,r*θ)，其中，m表示在（z,r）平面上沿着流线的弧长，m的变换公式如下：

m=∫(ru(u))2+(zu(u))2du,]]>

其中，r_u(u)为r(u)关于u的微分，z_u(u)为z(u)关于u的微分，r(u)为圆柱坐标r关于u的函数，z(u)为圆柱坐标z关于u的函数，u为流线参数值；

二维平面曲线椭圆过渡模块，用于用B样条曲线分别拟合压力面与吸力面的二维数据点，得到二维平面下的压力面曲线和吸力面曲线，取压力面曲线端点的切线作为直线1，吸力面曲线端点的切线作为直线2，叶缘截止直线作为直线3；在此基础上生成给定长短轴比例的椭圆使其与直线1、直线2以及直线3相切，且椭圆的长轴方向与中弧线切线方向一致，生成的椭圆作为最终所述二维坐标下椭圆形叶缘轮廓线，将椭圆形叶缘轮廓线与叶片曲线组合可以得到封闭的二维叶片轮廓线；