某微型离心压气机叶轮的反设计
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摘 要：为对某微型离心压气机进行反设计，以多种叶轮机械辅助设计软件处理该压气机叶轮的测绘数据，重构了离心叶轮模型并形成了气动设计文件。首先在GAMBIT中利用测绘数据拟合得到了叶轮不同叶高的主叶片和分流叶片位于5个叶高的型线并以IGES格式输出，而后用BLADEGEN软件处理叶型和流道型线，并通过型面修整和叶尖、叶根插值完成了叶轮的三维造型，形成了可用于气动性能分析的设计文件。以计算流体力学软件CFX进行数值模拟的结果表明，在此反设计的叶轮满足气动性能的要求。
关键词：叶轮； 造型； 反设计； 数值模拟
中图分类号：TN91934 文献标识码：A 文章编号：1004373X(2012)10007803
基金项目：863项目资助（2009AA8410610C）0 引 言
由于叶片形状、流道构型的复杂性，各种叶轮机械的三维造型、设计与反设计以及性能分析一直是各种CAD/CAE/CAM软件的一个重要应用方向［18］。以往对叶轮机械的反设计偏重叶片、叶轮的三维几何造型［9］，而对叶片气动性能相关的设计参数还原较少，能满足零部件仿制和强度校核，但不利于压气机性能的气动验算和流场优化分析。
本文在某微型离心压气机测绘数据的基础上，采用多种叶轮机械辅助设计软件对该压气机叶轮进行了反设计，完成叶轮三维造型的同时形成了可用于气动性能分析的设计文件，并以该设计文件生成了用于叶轮气动计算的三维网格，对该叶轮的气动性能进行了计算。本文的建模和处理技术对于叶轮机械的研仿和性能分析均有参考价值。
1 叶轮初步型线的形成
某型小流量高转速离心压气机叶轮见图1所示。该叶轮为具有分流叶片的三维曲面造型离心叶轮，使用过程中由于碰撞和磨损个别叶片有损坏。由于供货方仅仅提供了极少的性能参数，因此需要对该压气机进行测绘和研仿。
由于该叶轮尺寸小，包含5个全长的大叶片和5个分流叶片，大、小叶片均具有一定的曲率，叶根和叶尖测量困难。因此测绘工作仅对叶片位于叶尖和叶根间的5个叶高位置进行了测量。在测绘数据的基础上采用GAMBIT进行了叶片的局部线型重构。重构工作保留了软件的日志输入（类似命令流文件）以供修改和调整。
GAMBIT为较为通用的CFD前处理软件，本文将所形成的数据点表格直接输入CFD前处理工具软件GAMBIT中，使用多点曲线拟合功能，形成叶轮不同叶高的型线，其中大叶片和小叶片的数据独立处理，相对位置以测绘数据为准，如图2所示。与此类似可以测绘并形成离心叶轮对应机匣的型线数据和叶轮轮毂回转型线的数据。
图1 某微型压气机叶轮 图2 叶轮各个叶高的型线
测绘的型线和生产检验所用的叶型数据是一致的，也可供FINE等软件进行分析。但GAMBIT并不是专业的叶型设计、处理工具软件，不具备叶型和气动参数的分析功能。一方面，形成的型面曲线不是进行气动设计和分析所用的等叶高型线数据，无法反映叶轮气动设计的过程，同时叶轮参数的调整和优化比较困难；另一方面，以这些数据为基础，在GAMBIT或其他CAD软件中可以重构叶轮的三维几何模型，但是直接重构的几何模型在不同的CFD软件前处理工具中很难实现无缝连接和交换数据。因此本文将得到的叶轮型面曲线以通用文件*.iges的形式输出，而后在专用的叶型设计和分析软件BLADEGEN中重构叶轮几何模型并完成叶型的反设计。
2 三维构型和设计文件的形成
BLADEGEN是进行叶轮机械设计和分析的专业软件［10］，能支持多种几何文件输入格式，具有完成叶片造型和基本参数分析的功能，本文以BLADEGEN软件处理GAMBIT生成的叶轮型线的*.iges文件。首先该软件将轮毂、机匣参数转化为流动通道几何数据，生成整个叶轮流道区域，完成叶轮子午通道的反设计，见图3所示。图中同时给出了大小叶片前后缘相对流动通道的位置关系。
图3 叶轮子午通道和叶型修正示意图由于叶轮前后缘在叶型测绘和数据转化过程中存在一定的误差，同时软件对于前后缘具体形状的自动识别较为困难，因此需在BLADEGEN中对叶片型线、前后沿进行修正和设置，以便构成设计软件能识别的流面数据。具体的修正过程可见图3所示。
在BLADEGEN软件中可以将不同测绘方法形成的数据进行处理，并对简单的型面数据进行分析给出叶型的气动安装角、相对厚度等气动参数，完成叶片各个截面数据格式的转化。此外，该软件能对叶尖、叶根等无数据截面进行多点数据插值拟合，重构整个叶片的数据，结合流道分析过程，直接给出叶轮的三维模型，并反算出叶轮的所有气动相关几何参数，形成叶轮的设计文件。本文所形成的几何模型和设计参数见图4。图中同时给出了叶轮子午面流道数据、三维构型图、叶片中弧线气动角度、相对厚度等基于叶型厚度/角度的设计数据，该软件也可以给出叶轮基于叶片型面坐标的设计数据。
形成叶轮气动设计文件是离心压气机反设计和气动分析前处理中最为重要的工作，以此为基础不仅可以形成几何模型进行强度校核和CAM制造，更重要的是可以进行叶轮的气动验算和优化，也可以实现叶片各种角度、厚度、型面坐标值的调整，进而重新设计叶片、叶轮或调整整个压气机的通道。此外，BLADEGEN软件支持多种软件的输出格式，包括：TURBGRID以及GAMBIT，这为后续的分网、计算以及模型的转化提供了极大的方便。
图4 重构的叶轮几何模型及其气动设计参数3 叶轮的气动验算
为验证本文反设计的精度，本文以反设计的叶轮为基础，利用CFD工具软件CFX进行了叶轮的气动性能计算。由于已经获得了设计文件，因此气动计算的前处理相对便捷。本文以TURBOGRID处理BLADEGEN软件生成的叶型文件，进而生成CFX系列软件需要的计算区域和网格。根据该离心叶轮具有大小叶片以及流动通道具有周期性的特点，使用O/H型复合网格进行网格划分，离心叶轮叶尖间隙区域采用非匹配的H形网格。由于叶轮尺寸本身就很小，计算区域的网格数量控制在25万左右，通道壁面处网格保证湍流计算过程中壁面Y+均小于5。图5为TURBOGRID中形成的1/5计算区域中大、小叶片表面网格的示意图。