离心式风机叶片的一体化设计方法徐青立王喜仓2（1.青岛市高速公路管理处，山东青岛26660Q2.山东交通学院数理系，山东济南250023）风机叶片的建模、运算、绘图以及*后的下料全部由计算机实现一体化设计，*后得到精确的下料图纸，可大大简化传统的设计过程，提高了设计精度。

　　叶片是风机的核心组成部分，它的形状设计及制造都与风机的性能紧密相连。由风机气动设计原理可知，风机设计主要有以下特点：1）风机叶片可看作是由无数个叠积在一起的叶型面组成；2）各叶型面的重心重合在同一条直线上，这条直线又叫做叶片轴线；3）在扭曲叶片中，叶片轴线为叶片各截面扭转时的旋转轴。

　　对于叶片来说，当叶型的弦长从叶根到叶顶呈直线规律变化时，便形成了变截面非扭曲叶片如所示。虽然叶片每个截面的叶型面积不等，但其形状一样，因而由叶型面叠积规律知，各截面的水平投影为位似图形，如所示，且叶轴的水平投影PO（xO，yO，0）就是它们的位似中心。所以叶片上下底面在水平面上的投影也是位似图形，并以PO（xO，yO，0）为位似中心。由其形成原理及运动规律知，该叶片曲面也是直纹曲面，属于可展的盘旋面，因此这类叶片的设计及制造生产比较简单。但是由流体力学可知，由于离心力场的影响，叶片沿叶高方向的理想形状应为扭曲面，且从叶根至叶顶的变化应符合空气动力学的要求，否则将影响气体的流动造成能量的损失，离心式风机叶片的设计即是遵从这一设计理论。其叶片形状是所示的变截面扭曲叶片。

　　1一体化设计思路的讨论由离心式风机的设计和结构特点可知，曲面叶片是焊接在前盘和后盘之间的，并与轮毂成一定的角度，前盘是一回转曲面，后盘是一圆盘平面。因此，与叶轮轴线斜置的叶片与后盘的交线是一条平面曲线（叶型曲线），而与前盘的交线则是一条空间曲线（相贯线），见。该曲线绘制的准确与否，直接影响到曲面展开和板材下料的准确程度，*终影响叶片与前盘的吻合。

　　通常，求解该曲线有2条思路：在大多数的工厂中，如果要求精度不高可用手工展开图解法；在一些重要场合，如航空航天的部件中则采用解析的方法通过求解方程组，来得到交线各个空间点的坐标。手工图解法虽然相对简单一点，但是由于风机叶片多为复杂曲面，而叶片与前盘的相对位置又是多变的，数据采集点是离散的，采用手工展开达不到很高的求解精度。解析法的思路是以空间曲线曲面方程形成一组方程组，采用数值解法进行迭代求解，然后将求解结果用三次样条曲线来进行曲线拟合，以保证翼型曲线的精度和光顺。利用该方法可以风机叶轮实现空间曲线较为精确的展开，但在一些奇异点，如拐点等处不能做到很好的收敛。另外，它要求设计者必须掌握较高的语言编程能力，因此使用并不十分广泛。

　　目前，各种大型CAD/CAM设计软件的普及和应用，为我们解决此类问题找到了更为便捷而准确的方法：采用Rx/Engineer软件，基于风机叶片的成型过程，将叶片设计并虚拟制造出来后，利用软件本身所提供的强大的曲面展开功能，将该三维叶片展开成二维钣金件工程图，即可按工程图的尺寸要求下料生产。该方法的优点在于：设计周期短，同时由于参数化设计理念的应用，可以随时对某些特征进行修改，实现产品的系列化设计；另外，由于曲面展开功能的应用，使得设计精度大大提高，完全可以满足设计要求。

　　2三维风机叶片的建模2.1风机叶片毛坯的设计在进入Prc/Engineer界面后，选择‘Part*选项进入零件绘制状态，然后指定生成文件的工作目录。在Feature菜单中选择Create*Surikce*Blend，进入Sketch平面草绘状态，这时即可按照尺寸要求绘制叶型的底面，表1是大量应用的Clerky叶型底面图形截面型值点的坐标值。具体操作步骤如下：先根据型值点底坐标值，利用Point命令绘制各个型值点，然后用Spine命令通过各型值点建立封闭图形如所示。然后点击鼠标右键，选择Toggle Section，将刚才所绘图形锁定，再在该叶型的位似中心用Point命令建立一点，点击完成按键退出Sketch状态。利用位似图形的相似比，我们可事先计算出当叶片向上收缩为一点时的叶片高度。此时，在菜单命令行中输入叶片高度，单击OK按钮，完成叶片毛坯的绘制，如所示。这一步基本类似于模拟现实制作毛坯的工序。

　　表1 Clerky叶型截面型值点坐标值距前缘坐标x上表面坐标h下表面坐标；X2 Clerky型截面叶片毛坯。2叶片上部空间曲线的生成由于风机上部的曲线是风机叶片和顶部的圆锥相交所产生的相贯线，所以这一步要根据实际尺寸要求，建立一新坐标系，从而建立上部的大圆锥。具体做法如下：选择Dutam*Create*Offset建立顶部圆Revolve，绘制前盘圆维面与叶片相交如所示，图中所示三角形即为顶部圆锥的平面投影的一半，然后单击完成按钮，完成叶片立体图的绘制，如所示。

　　叶片底部曲线形成图叶片立体翼型风机叶片的二维展开风机叶片的三维立体图绘制好后，下一步的工作就是将上述叶片展开成二维钣金件工程图，以便下料生产。为此，在Menu Manager菜单中选择Feature*Create―Surface―*Trim―UseQuill，选中该叶片表面为目标面，选中一坐标面作为剖切面，完成后可在左边的图形树中看到新产生的两个Cut曲面，如所示，然后在此两Cut面的结合处建立一坐标点Pnp0，在MenuManager菜单中选择Feature*Create->Tweak选项，打开此菜单后，选择FlattenQuilt选项，打开FlattenQuilt菜单，先选中曲面，再选刚才所建立的点Pnp0，将一个Cut曲面展平；同样的方法将另一个Cut曲面也展平，就完成了曲面展开。

　　至此，风机叶片已经展开，但由于此图中同时还存在风机叶片立体图，影响出图效果，此时选择File―SaveACopy……，将打开菜单的文件类型由*.prt改为*.iges格式，然后为展开图取个名字Flatten，在弹出的菜单中选择Surface复选框，单击Quilt选项，选择以上2个展开面，存储完毕，将此当前窗口关闭。

　　单击New按钮，选定Drawing模式，建立新窗口，选择Insert菜单中DataFromFile……选项，选择Flatten.iges，将展开平面调入，此时图中只有风机叶片的展开图，如0所示，利用Andysis―Measure可方便及时地获得各个所需尺寸。通过对打印机或绘图仪进行设置，可按1：1的比例将其转化为工程图。同时，利用Pro/Engineer集成的NC后处理软件，可将此展开图直接生成数控加工程序，从而实现建模、运算、绘图以及*后下料的一体化设计。

　　曲面剪切为两部分图0曲面展开结语采用基于Pro/Engineer软件将离心式风机的翼型叶片展开的设计方法与传统的风机叶片设计和制（下转第66页）题的深入研究必将推动模式识别、计算机视觉、人工智能等计算机科学分支的发展。