CN108121837A - 一种贯流式水轮机转轮叶片的三维造型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种贯流式水轮机转轮叶片的三维造型方法，该方法分两步进行，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；采用AutoCAD和Pro/E良好性能的接口，不需要计算各个点的坐标，但适合用于笛卡尔坐标系。本发明采用点、线、面、体的方法生成叶片体，再对叶片体进行修型，最终实现叶片的三维造型；通过对贯流式水轮机转轮叶片进行准确地三维造型便于了数控加工、流体力学计算分析与性能预测。

Description

一种贯流式水轮机转轮叶片的三维造型方法

技术领域

本发明属于流体力学计算分析与性能预测技术领域，具体地是涉及一种贯流式水轮机转轮叶片的三维造型方法。

背景技术

贯流式水轮机的转轮叶片是贯流式水轮机的核心部件，实现能量的转换，将水流的能量转换为旋转机械的动力势能，它的性能好坏直接影响贯流式水轮机机组的整体效率；叶片是转轮的重要组成部分，贯流式水轮机转轮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，以往的贯流式转轮叶片设计方法大多靠经验、仿造设计，不能满足实际要求；再有传统的贯流式转轮叶片优化设计只关注几何参数对转轮叶片水力性能的影响，在水力性能满足后才以强度性能作为校核，这种方法会造成设计工作的来回反复从而延长优化设计的周期。

发明内容

本发明就是针对上述问题，弥补以往贯流式转轮叶片设计方法技术的不足，提供一种贯流式水轮机转轮叶片的三维造型方法；本发明采用点、线、面、体的方法生成叶片体，再对叶片体进行修型，最终实现叶片的三维造型；通过对贯流式水轮机转轮叶片进行准确地三维造型便于了数控加工、流体力学计算分析与性能预测。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

本发明一种贯流式水轮机转轮叶片的三维造型方法，其特征在于：该方法分两步进行，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；采用AutoCAD和Pro/E良好性能的接口，不需要计算各个点的坐标，但适合用于笛卡尔坐标系。

本发明一种贯流式水轮机转轮叶片的三维造型方法具体包括如下步骤。

（1）第一步生成叶片叶型曲线：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φ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，以表1中的R=1125处截面叶型线坐标为例，利用Matlab软件使叶片叶型线柱坐标转化为笛卡尔坐标。

表1。

对于木模图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补齐缺口处叶型曲线形成封闭曲线，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，本发明采用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beginsection!、begin curvel!就可以形成ibl 文件；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片叶型曲线。

（2）第二步进行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R=1125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，生成具有同心圆柱面的叶片骨架。

为了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；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。

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；主要操作：选取曲线、右击编辑定义、曲线、编辑文件；最后完成叶片的三维实体造型。

与现有技术相比，本发明有益效果是。

1、本发明所公开的一种贯流式水轮机转轮叶片的三维造型方法，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。

2、本发明所述的三维造型方法采用点、线、面、体的方法生成叶片体，再对叶片体进行修型，最终实现叶片的三维造型；通过对贯流式水轮机转轮叶片进行准确地三维造型便于了数控加工、流体力学计算分析与性能预测。

附图说明

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明一种贯流式水轮机转轮叶片的三维造型方法的R=1125 处叶型图。

图2是本发明一种贯流式水轮机转轮叶片的三维造型方法的叶片不闭合叶型曲线与相邻闭合叶型曲线图。

图中标记：1为缺口处叶型曲线、2为相邻闭合截面叶型曲线。

具体实施方式

本发明一种贯流式水轮机转轮叶片的三维造型方法，其特征在于：该方法分两步进行，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；采用AutoCAD和Pro/E良好性能的接口，不需要计算各个点的坐标，但适合用于笛卡尔坐标系。

本发明一种贯流式水轮机转轮叶片的三维造型方法具体包括如下步骤。

（1）第一步生成叶片叶型曲线：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φ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，以表1中的R=1125处截面叶型线坐标为例，利用Matlab软件使叶片叶型线柱坐标转化为笛卡尔坐标。

表1。

对于木模图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，本发明采用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beginsection!、begin curvel!就可以形成ibl 文件；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片叶型曲线。

（2）第二步进行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R=1125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，生成具有同心圆柱面的叶片骨架。

为了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；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。

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；主要操作：选取曲线、右击编辑定义、曲线、编辑文件；最后完成叶片的三维实体造型。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种贯流式水轮机转轮叶片的三维造型方法，其特征在于：该方法分两步进行，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；采用AutoCAD和Pro/E良好性能的接口，不需要计算各个点的坐标，但适合用于笛卡尔坐标系。

2.根据权利要求1所述的一种贯流式水轮机转轮叶片的三维造型方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

（1）第一步生成叶片叶型曲线：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φ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，以表1中的R=1125处截面叶型线坐标为例，利用Matlab软件使叶片叶型线柱坐标转化为笛卡尔坐标；

表1

对于木模图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补齐缺口处叶型曲线形成封闭曲线，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，本发明采用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beginsection!、begin curvel!就可以形成ibl 文件，示例如下；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片叶型曲线；

（2）第二步进行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R=1125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，生成具有同心圆柱面的叶片骨架；

为了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；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；

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；主要操作：选取曲线、右击编辑定义、曲线、编辑文件；最后完成叶片的三维实体造型。