離心葉輪葉片進口前緣的優化設計及加工方法與流程
2024-02-04 22:43:15
本發明屬於機械加工領域，具體涉及一種離心葉輪葉片進口前緣的優化設計及加工方法。
背景技術：
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作為航空航天、汽車船舶、石油化工等領域廣泛採用的重要裝備部件，離心壓縮機的設計、優化及加工是這些領域裝備動力性能的關鍵技術。這些裝備產品的製造技術水平，是反應一個國家製造力水平的關鍵指標。
空間扭曲的離心壓縮機葉輪葉片組成的離心壓縮機氣流通道，能夠在整個氣流通過離心壓縮機葉輪的過程中控制氣流軌跡，通過旋轉將機械能轉化成為可控制的氣體壓力、速度等，具有極高的空氣動力學特性。目前，五坐標數控精密切削是實現離心壓縮機葉輪加工的一種主流工藝。由於離心壓縮機葉輪葉片具有面積大、厚度小、空間扭曲等幾何造型特徵，其數控加工不可避免的會產生動態不連續切削、幹涉避免困難、加工成本高等不利因素。所以，如何將離心壓縮機葉輪葉片的幾何造型設計及數控加工成功地結合起來，達到離心壓縮機葉輪的高性能、高質量、高效率製造目的，是複雜零部件高效高質製造方面的研究難點及重點。
離心葉輪葉片進口前緣是其葉片設計的最關鍵因素，文獻「Hamakhan,I.A.,and Korakianitis,T.,「Aerodynamic performance effects of leading-edge geometry in gas-turbine blades,」Applied Energy,Vol.87,No.5,pp.1591-1601,2010」說明葉片進口前緣的設計是整個壓縮機設計的重點，特點表現為既是整個氣流控制最敏感的位置同時又是最難控制的區域。文獻「Marandi,S.M.,Rahmani,K.,and Tajdari,M.,「Foreign object damage on the leading edge of gas turbine blades,」Aerospace Science and Technology,Vol.33,No.1,pp.65-75,2014」還指出由於壓縮機本身運行環境的惡劣，運行中的葉片進口前緣會受到氣流衝擊、沙塵撞擊等外部不利因素的影響，所以其加工製造水平及精度就顯得尤為重要。但是，現階段大多數的研究都集中在整個葉片型面的設計及加工方面，對於葉片進口前緣的專門研究極為稀少，這不僅是離心壓縮機研究方面的一個局限，而且對於提升整個離心壓縮機整體性能、提高航空航天、汽車船舶、石油化工等領域重大裝備的整體水平更顯得尤為不利。
技術實現要素：
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本發明要解決的技術問題是提供一種離心葉輪葉片進口前緣的優化設計及加工方法。
為解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案：
離心葉輪葉片進口前緣的優化設計及加工方法，包括以下步驟：
1)將離心壓縮機葉輪的葉片模型數據輸入計算機，完成原始離心壓縮機葉輪葉片造型；
2)在步驟1)的基礎上，以雙三次非均勻有理B樣條矩陣形式數值表示葉片；
3)在步驟2)的基礎上，沿法線方向加厚，獲取實體葉片；
4)獲取實體葉片上表面進口前緣的幾何特徵及數據，從造型方面：設計圓弧、橢圓弧兩種特徵的進口前緣曲線；從材料去除方面：設計外延、內縮兩種特徵的進口前緣曲線；
5)獲取實體葉片下表面進口前緣的幾何特徵及數據，計算步驟4)中相對應的進口前緣曲線；
6)計算流場及強度，選擇步驟4)和步驟5)中相對應的最佳曲線，連接得到優化的目標進口前緣曲面；
7)利用進口前緣曲面粗加工計算方法，實現目標進口前緣曲面的粗加工；
8)利用進口前緣曲面精加工的扎銑算法，實現目標進口前緣曲面的精加工。
本發明進一步的改進在於，還包括步驟9)，對計算所得刀位軌跡進行後置處理，在五坐標數控工具機完成加工。
本發明進一步的改進在於，步驟7)中，進口前緣曲面粗加工計算方法如下：
701)定義δ為粗加工的允許誤差，定義r為粗加工所用刀具半徑；
702)提取吸力面A1及壓力面A2底線，定義其為粗加工刀位軌跡計算的基線；
703)提取上述步驟6)優化設計所得進口前緣曲面的底線，定義其為粗加工刀位軌跡計算的另一條基線；
704)各基線由葉片向外偏置距離δ+r，定義此偏置曲線為粗加工刀位軌跡曲線組；
705)計算粗加工刀位軌跡曲線上至旋轉主軸Z軸最近一點，並定義此點為粗加工刀位軌跡的起始點；
706)以此起始點為界，按照吸力面A1及壓力面A2兩個方向分割刀位軌跡曲線組，得到兩條從葉輪葉片進口到出口的粗加工刀位軌跡。
本發明進一步的改進在於，步驟8)中，進口前緣曲面精加工的扎銑算法如下：
801)定義r1為精加工所用刀具半徑，定義δ1為精加工允許加工誤差；
802)提取吸力面A1及壓力面A2底線、優化設計所得進口前緣曲面的底線，定義其為精加工刀位軌跡計算的基線組；
803)基線組由葉片向外偏置距離r1，定義此偏置曲線組為精加工刀位軌跡曲線組；
804)結合刀具半徑r1、精加工允許加工誤差δ1及葉片進口前緣曲面幾何特徵，計算扎銑刀位軌跡線數量N；
805)根據上述扎銑刀位軌跡線數量N，計算得到葉片進口曲面的N+1個子曲面；
806)設置安全進刀、退刀位置；
807)以吸力面A1與葉片進口前緣曲面交線為起始曲線，從葉片頂線處進刀、葉片底線處退刀，依次扎銑葉片進口前緣曲面的N+1個子曲面，直至以壓力面A2與葉片進口前緣曲面交線的終止曲線；至此，完成整個葉片進口前緣曲面精加工。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
本發明基於離心壓縮機實體建模及五坐標加工工藝特性，設計不同類型的離心壓縮機葉輪葉片進口前緣型線，優化獲得最優葉片進口前緣曲面；在粗加工階段，以加工效率為主並考慮安全進刀、五坐標設備反向間隙等實現葉片進口前緣與葉片壓力面、吸力面的聯合加工；在精加工階段，以加工精度為主並考慮加工誤差、葉片振動等實現扎銑加工。該方法聯合數學建模與數控加工工藝，可實現離心壓縮機葉輪葉片進口前緣等面積大、厚度小、空間扭曲複雜零件的數控精密加工，大幅度地提高現代各裝備行業動力設備精密加工的精度及效率。
本發明基於離心壓縮機實體建模及五坐標加工工藝特性，創新性地提出一種離心葉輪葉片進口前緣的優化設計及加工方法。首先，以雙三次非均勻有理B樣條矩陣形式數值表示葉片，並在其實體造型完成的基礎上從造型方面設計圓弧、橢圓弧兩種特徵的進口前緣曲面、從材料去除方面設計外擴、內縮兩種特徵的進口前緣曲面，可結合氣動計算優化獲得最優葉片進口前緣曲面，實現氣動性能與加工性能的完美統一；在粗加工方面，聯合目標進口前緣曲面和葉片壓力面、吸力面，並且提出一種新的「進口前緣曲面粗加工計算方法」，實現目標進口前緣曲面的安全、高效加工；在精加工方面，提出一種「進口前緣曲面精加工的扎銑算法」，實現目標進口前緣曲面的高精度精加工。本發明CAD/CAM結合、多種加工工藝優化配合、多種新型算法聯合，即提高離心壓縮機的氣動性能2％左右，又完美地實現了葉輪葉片的高效率、高精度數控加工，同時還能夠大幅度地提高離心壓縮機葉輪葉片加工的成品率20％左右、極大地節約加工成本及整機運行能耗，具有極高的社會效益及推廣價值。
附圖說明：
圖1是某離心壓縮機葉片；
圖2是離心壓縮機葉輪葉片的NURBS示意圖；
圖3是帶厚度的實體葉片；
圖4是4種不同的進口前緣曲線；
圖5是葉片進口前緣曲面粗加工刀位軌跡；
圖6是葉片進口前緣曲面精加工刀位軌跡。
具體實施方式：
下面以某離心壓縮機葉輪葉片進口前緣為例，結合附圖，對本發明離心葉輪葉片進口前緣的優化設計及加工方法做詳細描述：
1.建立葉片模型
請參見圖1所示，將葉片數據輸入計算機，完成目標葉輪葉片的造型。
2.以雙三次非均勻有理B樣條矩陣形式數值表示葉片
定義葉片S(u,v)由頂部到根部為v向、葉片進口到葉片出口為u向，那麼葉片S(u,v)用雙三次非均勻有理B樣條(NURBS)矩陣形式定義為：
S(u,v)＝vCi,1(u)+(1-v)Ci,n(u)；(0≤u≤1,0≤v≤1,i＝1,2,...,m)
其中U＝(1,u,u2,u3)；V＝(1,v,v2,v3)；Ci,1(u)和Ci,n(u)為葉片的葉頂和葉根空間曲線。
定義k∈(1,m)為短葉片進口前緣線處位置、定義短葉片為Ss(u,v)，則短葉片可用NURBS矩陣形式定義為：
Ss(u,v)＝vCs,i,1(u)+(1-v)Cs,i,n(u)；(0≤u≤1,0≤v≤1,i＝k,2,...,m)
其中U＝(1,u,u2,u3)；V＝(1,v,v2,v3)；Cs,i,1(u)和Cs,i,n(u)為短葉片的葉頂和葉根空間曲線。
以上計算可用圖2表示。
3.實體(帶厚度)葉片的計算
以長葉片為例，計算實體(帶厚度)葉片。
(1)定義Z軸為旋轉軸，按照右手坐標系沿逆時針方向為壓縮機葉輪的旋轉方向，得到圓柱坐標系；
(2)定義A1為目標實體葉片的吸力面、A2為目標實體葉片的壓力面、ΔH1為目標實體葉片的厚度、α為原葉片S(u,v)的法線方向(由原葉片S(u,v)指向壓力面A2)；
(3)原葉片S(u,v)沿α的反方向偏置距離ΔH1/2，得到吸力面A1；
(4)原葉片S(u,v)沿α方向偏置距離ΔH1/2，得到壓力面A2；
(5)分別計算吸力面A1及壓力面A2的進口線、頂線、出口線、底線；相對應的進口線等作為直紋面曲面的基線，按照上述雙三次非均勻有理B樣條(NURBS)矩陣形式計算並組成進口面、頂面、出口面、底面等4個曲面空間；
(6)封閉吸力面A1、壓力面A2及4個曲面空間，得到實體(帶厚度)葉片(如圖3所示)。
4.葉片進口前緣的優化設計
針對實體葉輪葉片進口前緣的不連續性，光滑目標進口前緣的優化設計如下：
(1)提取吸力面A1及壓力面A2頂線上的第一個點(進口處)，作為基準點；
(2)以這兩點連線作為外延圓弧線的直徑，獲取圓弧線1；
(3)以這兩點連線作為外延橢圓線的短軸，獲取橢圓線1(此處定義橢圓長、短軸之比為1.5)；
(4)以這兩點連線作為內縮圓弧線的切線，獲取直徑為兩點間距離的圓弧線2；
(5)以這兩點連線作為內縮橢圓線的切線，獲取短軸為兩點間距離的圓弧線2(此處定義橢圓長、短軸之比為1.5)；
(6)提取吸力面A1及壓力面A2底線上的第一個點(進口處)，作為基準點；重複上述步驟(2)至步驟(5)，得到底面對應的4條空間曲線；
(7)對應連接頂面、底面的4條空間曲線，得到4種目標進口前緣曲面；
(8)流場計算、強度計算；
(9)如果計算結果理想，得到最優的葉片進口前緣曲面(4種空間曲面中的一個)；
(10)如果計算結果不理想，變換橢圓曲線的長、短軸比例(在圓弧1與上述橢圓1.5之間調整)，得到最優的葉片進口前緣曲面(位於4種空間曲面之間的一個，但不是4種空間曲面中的任何一個)。
上述4種空間曲線可由圖4所展示。短葉片的進口前緣曲面也由上述方法優化設計可得。
5.葉片進口前緣曲面的粗加工
本發明葉片進口前緣曲面的粗加工以加工效率為主要目標，提出了一種新的「進口前緣曲面粗加工計算方法」，該方法特徵在於：
(1)定義δ為粗加工的允許誤差，定義r為粗加工所用刀具半徑；
(2)提取吸力面A1及壓力面A2底線，定義其為粗加工刀位軌跡計算的基線；
(3)提取上述步驟4優化設計所得進口前緣曲面的底線，定義其為粗加工刀位軌跡計算的另一條基線；
(4)各基線由葉片向外偏置距離δ+r，定義此偏置曲線為粗加工刀位軌跡曲線組；
(5)計算粗加工刀位軌跡曲線上至旋轉主軸Z軸最近一點，並定義此點為粗加工刀位軌跡的起始點；
(6)以此起始點為界，按照吸力面A1及壓力面A2兩個方向分割刀位軌跡曲線組，得到兩條從葉輪葉片進口到出口的粗加工刀位軌跡。
上述葉片進口前緣曲面的粗加工刀位軌跡如圖5所示。
6.葉片進口前緣曲面的精加工
本發明葉片進口前緣曲面的精加工方法以加工精度及加工穩定性為主要目標，提出了一種「進口前緣曲面精加工的扎銑算法」，該算法特徵在於：
(1)定義r1為精加工所用刀具半徑，定義δ1為精加工允許加工誤差；
(2)提取吸力面A1及壓力面A2底線、優化設計所得進口前緣曲面的底線，定義其為精加工刀位軌跡計算的基線組；
(3)基線組由葉片向外偏置距離r1，定義此偏置曲線組為精加工刀位軌跡曲線組；
(4)結合刀具半徑r1、精加工允許加工誤差δ1及葉片進口前緣曲面幾何特徵，計算扎銑刀位軌跡線數量N；
(5)根據上述扎銑刀位軌跡線數量N，計算得到葉片進口曲面的N+1個子曲面；
(6)設置安全進刀、退刀位置；
(7)以吸力面A1與葉片進口前緣曲面交線為起始曲線，從葉片頂線處進刀、葉片底線處退刀，依次扎銑葉片進口前緣曲面的N+1個子曲面，直至以壓力面A2與葉片進口前緣曲面交線的終止曲線；
(8)完成整個葉片進口前緣曲面精加工。
上述葉片進口前緣曲面精加工刀位軌跡如圖6所示。
7.針對所使用五坐標數控工具機對計算所得刀位軌跡、刀軸矢量進行後置處理，在五坐標數控工具機實踐加工。
經過優化設計、理論計算及實踐加工，本發明所採用離心葉輪葉片進口前緣的優化設計及加工方法，CAD/CAM結合、多種加工工藝優化配合、多種新型算法聯合，在氣動性能方面：能夠提高離心壓縮機的氣動性能2％左右；在數控加工方面：完美的實現了葉輪葉片的高效率、高精度數控加工，同時還能夠大幅度地提高離心壓縮機葉輪葉片加工的成品率20％左右、極大地節約加工成本及整機運行能耗，具有極高的社會效益及推廣價值。
以上所述僅為本發明的一種實施方式，不是全部或唯一的實施方式，本領域普通技術人員通過閱讀本發明說明書而對本發明技術方案採取的任何等效的變換，均為本發明的權利要求所涵蓋。