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机翼型离心通风机叶片的跨平台展开方法

孟庆尧 张 静/沈阳化工学院 李 屹 /沈阳宝钢钢材配送有限公司    

摘要 ： 利用 Unigraphics 三维设计软件对空心机翼型离心通风机叶片进行建模，将模型导入 AutoCAD 。在 AutoCAD 中，用 Autolisp 编程对叶片进行展开，生成叶片展开图。该方法提高了展开图的精度及工作效率。 关键词 ： 离心式通风机；机翼型叶片；叶片展开   The Cross-platform Unfolding Method for Airfoil Type Blade of Centrifugal Fan Abstract: In this paper, the 3 -D design software Unigraphics is applied to accomplish the model of airfoil type blade with hollow core of centrifugal fan and inducted the model into AutoCAD. In AutoCAD, the blade is unfolded using Autolisp program and has been formed into the unfolding drawing. This method has improved the accuracy of unfolding drawing and working efficiency. Key words: centrifugal fan; airfoil; blade unfolding
0　 引言 　　对于空心机翼型叶片的离心式通风机，叶片展开下料是该类风机制造中一道很重要的工序，其精度的高低直接影响到叶轮的制造质量和空气动力性能。传统的叶片展开方法是利用计算、放样来手工绘制 [1-3] ，此方法效率低，又难以保证加工精度要求，因而叶片焊缝内侧边缘存在未焊透、焊瘤等缺陷 , 形成内部边缘应力集中严重。普通的表面 PT 探伤检查不出焊缝缺陷 , 超声波探伤和磁粉探伤又因叶片结构而无法进行。从现有的资料 [4-6] 看，裂纹全部是从内缘缺陷位置开始扩展的疲劳断裂裂纹，故叶片结构和焊接缺陷是风机叶片断裂的原因之一。 　　随着计算机技术在各领域的普及，不少生产厂家已经在叶片的展开下料中应用了计算机辅助设计技术。笔者在实际加工遇到复杂形状风机叶片的展开问题， 为节省材料、保证冲压质量、减少叶片的修边工作量，采用了下面的叶片展开方法。 1 　建立叶片的三维模型 　　在通风机的系列产品中 , 不同机号的风机都是按相似方法设计的。它们的无因次性能曲线和空气动力学略图都相同 , 也就是说在同一系列中 , 不同机号通风机的通流部件几何形状相似。因此 , 它们的叶片展开图形状也是几何相似的。 Unigraphics 提供了极为方便的参数化设计功能，只需建立一个机号的叶片模型。通过对模型参数的更改，便可得到其它叶片模型。下面以 4-7 2 № 10 离心通风机 作为基本模型进行建模。图 1 为该型号风机叶片的工程示意图。
图 1 空心机翼型离心通风机叶片工程示意图
由图 1 可见，空心机翼型叶片从后盘到前盘为变截面，同时与径向又有一定夹角，其空间形状复杂，放样、计算都很困难。为提高精度和工作效率，笔者提供如下方法。 1.1 　前、后盘截面草图 　　用 Unigraphics 的草图功能，精确绘制前、后盘截面上的叶片断面形状。并对草图实现尺寸约束、形状和位置约束，如图 2 所示。可以对截面图进行参数修改，即可变为其它型号风机的前、后盘截面图，立体模型按照相应参数改变，从而得到不同型号叶片的模型。
图 2 用 Unigraphics 绘制的前后盘截面草图
1.2　 叶片建模 　　将前盘草图和后盘草图作为特征截面利用扫掠特征生成实体，并将叶片延伸至叶轮内侧面，得到完整的叶片模型见图 3 。隐藏叶轮，并将文件保存。
1.3 　跨平台转换 　　利用 Unigraphics 中的 Translators 模块，将已经建好的叶片模型转换为扩展名为 dwg 的 CAD 文件见图 4 。
在 AutoCAD 中打开转换后的文件，得到两条重要的空间曲线，再利用这两条曲线绘制直纹曲面，见图 5 。
2　 AutoCAD 对模型进行展开 　　文献 [7-9] 提出对于直纹曲面的近似展开方法：将直纹曲面用叶型曲线分为若干条状区域，每一条状区域作三角 剖分，然后把所有的小三角形平面展开在同一平面上。当小三角形平面在平面上展平后，用样条曲线逼近展开图的外轮廓线，就可得到零件的展开图。 　　利用 AutoCAD 直纹曲面命令在前、后盘曲线上寻找等距点，将这些等距点互连形成直纹曲面，再将两相邻素线之间的小片曲面分成两个三角形 , 求两三角形的边长和夹角，并把它们近似地看成平面进行展开。图 6 为叶片展开的结果，图 7 为利用 AutoLISP 展开曲面的程序流程图。
3 　精度分析 　　文献 [7 ， 10] 均提出对于直纹曲面而言，评价展开精度的指标是展开面积精度和展开曲线长度精度，笔者就分割点数量而言考察在不同的分割点条件下，曲面展开的面积精度和前、后盘曲线展开长度精度，借以说明所述的方法快速有效。
由图 8 看出，随着曲线分割点的数量增加精度提高，然而精度曲线趋于平稳需要 100 个点以上，对于手工操作而言计算量过大，而由本程序计算，曲线分割点数量达到 1000 时耗时小于 9min ，误差＜ 0.007% 。 ４  结论 　　利用 Unigraphics 三维设计软件对空心机翼型离心通风机叶片进行建模，并将模型导入 AutoCAD ，生成直纹曲面。再利用 Autolisp 程序将直纹曲面分为若干条状区域，每一条状区域作三角剖分，然后把所有的小三角形平面展开在同一平面上，最后用样条曲线逼近展开图的外轮廓线，就可得到叶片展开图。该方法不仅提高了工作效率而且展开图的曲线精度和曲面精度均可达到叶片的加工工艺要求。 参 考 文 献 [1] 周水洪，邓先和，何兆红，等．旋流片强化传热的数值模拟和场协同分析 [J] ．化工学报 ,2007,58 （ 10 ） :2437-2443. [2] 夏宪球．离心式通风机机翼型叶片简捷展开法 [J] ．风机技术， 1994(3):34-36. [3] 唐顺钦．实用板金展开手册 ( 下 )[M] ．北京：冶金工业出版社 ,1979:525-575. [4] 曹晖．轴流风机叶片断裂原因分析及改进措施 [J] ．流体机械， 2007(8):39-42. [5] 郭兴贵，刘峰，李侠． 2023t/h 锅炉一次风机叶片断裂的分析与研究 [J] ．华北电力技术， 2005(8):8-13. [6] 赵子华，张峥，钟群鹏．风机叶片断裂原因分析 [C] ． 2007 年全国失效分析学术会议论文集 , 2007:156-158. [7] 张公升．扭曲变截面风机叶片的几何展开 [J] ．风机技术， 2000(5) ： 27-29. [8] 张静，孟庆尧，张丽．利用实体数据对单段任意形管件进行数值放样 [J] ．沈阳化工学院学报， 2004(4) ： 287-290. [9] 李杨，陈喜山．风机叶片的几何展开和程序化设计 [J] ．青岛建筑工程学院学报， 2003(4):96-100. [10] 王巍雄，李嵩，朱之墀．不可展曲面的极值展开法及其在轴流通风机叶片中的应用 [J] ．风机技术， 2004(4):18-22.

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