离心叶轮叶片进口前缘的优化设计及加工方法与流程

本发明属于机械加工领域，具体涉及一种离心叶轮叶片进口前缘的优化设计及加工方法。

背景技术：
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作为航空航天、汽车船舶、石油化工等领域广泛采用的重要装备部件，离心压缩机的设计、优化及加工是这些领域装备动力性能的关键技术。这些装备产品的制造技术水平，是反应一个国家制造力水平的关键指标。

空间扭曲的离心压缩机叶轮叶片组成的离心压缩机气流通道，能够在整个气流通过离心压缩机叶轮的过程中控制气流轨迹，通过旋转将机械能转化成为可控制的气体压力、速度等，具有极高的空气动力学特性。目前，五坐标数控精密切削是实现离心压缩机叶轮加工的一种主流工艺。由于离心压缩机叶轮叶片具有面积大、厚度小、空间扭曲等几何造型特征，其数控加工不可避免的会产生动态不连续切削、干涉避免困难、加工成本高等不利因素。所以，如何将离心压缩机叶轮叶片的几何造型设计及数控加工成功地结合起来，达到离心压缩机叶轮的高性能、高质量、高效率制造目的，是复杂零部件高效高质制造方面的研究难点及重点。

离心叶轮叶片进口前缘是其叶片设计的最关键因素，文献“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”说明叶片进口前缘的设计是整个压缩机设计的重点，特点表现为既是整个气流控制最敏感的位置同时又是最难控制的区域。文献“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”还指出由于压缩机本身运行环境的恶劣，运行中的叶片进口前缘会受到气流冲击、沙尘撞击等外部不利因素的影响，所以其加工制造水平及精度就显得尤为重要。但是，现阶段大多数的研究都集中在整个叶片型面的设计及加工方面，对于叶片进口前缘的专门研究极为稀少，这不仅是离心压缩机研究方面的一个局限，而且对于提升整个离心压缩机整体性能、提高航空航天、汽车船舶、石油化工等领域重大装备的整体水平更显得尤为不利。

技术实现要素：
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本发明要解决的技术问题是提供一种离心叶轮叶片进口前缘的优化设计及加工方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

离心叶轮叶片进口前缘的优化设计及加工方法，包括以下步骤：

1)将离心压缩机叶轮的叶片模型数据输入计算机，完成原始离心压缩机叶轮叶片造型；

2)在步骤1)的基础上，以双三次非均匀有理B样条矩阵形式数值表示叶片；

3)在步骤2)的基础上，沿法线方向加厚，获取实体叶片；

4)获取实体叶片上表面进口前缘的几何特征及数据，从造型方面：设计圆弧、椭圆弧两种特征的进口前缘曲线；从材料去除方面：设计外延、内缩两种特征的进口前缘曲线；

5)获取实体叶片下表面进口前缘的几何特征及数据，计算步骤4)中相对应的进口前缘曲线；

6)计算流场及强度，选择步骤4)和步骤5)中相对应的最佳曲线，连接得到优化的目标进口前缘曲面；

7)利用进口前缘曲面粗加工计算方法，实现目标进口前缘曲面的粗加工；

8)利用进口前缘曲面精加工的扎铣算法，实现目标进口前缘曲面的精加工。

本发明进一步的改进在于，还包括步骤9)，对计算所得刀位轨迹进行后置处理，在五坐标数控机床完成加工。

本发明进一步的改进在于，步骤7)中，进口前缘曲面粗加工计算方法如下：

701)定义δ为粗加工的允许误差，定义r为粗加工所用刀具半径；

702)提取吸力面A₁及压力面A₂底线，定义其为粗加工刀位轨迹计算的基线；

703)提取上述步骤6)优化设计所得进口前缘曲面的底线，定义其为粗加工刀位轨迹计算的另一条基线；

704)各基线由叶片向外偏置距离δ+r，定义此偏置曲线为粗加工刀位轨迹曲线组；

705)计算粗加工刀位轨迹曲线上至旋转主轴Z轴最近一点，并定义此点为粗加工刀位轨迹的起始点；

706)以此起始点为界，按照吸力面A₁及压力面A₂两个方向分割刀位轨迹曲线组，得到两条从叶轮叶片进口到出口的粗加工刀位轨迹。

本发明进一步的改进在于，步骤8)中，进口前缘曲面精加工的扎铣算法如下：

801)定义r₁为精加工所用刀具半径，定义δ₁为精加工允许加工误差；

802)提取吸力面A₁及压力面A₂底线、优化设计所得进口前缘曲面的底线，定义其为精加工刀位轨迹计算的基线组；

803)基线组由叶片向外偏置距离r₁，定义此偏置曲线组为精加工刀位轨迹曲线组；

804)结合刀具半径r₁、精加工允许加工误差δ₁及叶片进口前缘曲面几何特征，计算扎铣刀位轨迹线数量N；

805)根据上述扎铣刀位轨迹线数量N，计算得到叶片进口曲面的N+1个子曲面；

806)设置安全进刀、退刀位置；

807)以吸力面A₁与叶片进口前缘曲面交线为起始曲线，从叶片顶线处进刀、叶片底线处退刀，依次扎铣叶片进口前缘曲面的N+1个子曲面，直至以压力面A₂与叶片进口前缘曲面交线的终止曲线；至此，完成整个叶片进口前缘曲面精加工。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明基于离心压缩机实体建模及五坐标加工工艺特性，设计不同类型的离心压缩机叶轮叶片进口前缘型线，优化获得最优叶片进口前缘曲面；在粗加工阶段，以加工效率为主并考虑安全进刀、五坐标设备反向间隙等实现叶片进口前缘与叶片压力面、吸力面的联合加工；在精加工阶段，以加工精度为主并考虑加工误差、叶片振动等实现扎铣加工。该方法联合数学建模与数控加工工艺，可实现离心压缩机叶轮叶片进口前缘等面积大、厚度小、空间扭曲复杂零件的数控精密加工，大幅度地提高现代各装备行业动力设备精密加工的精度及效率。

本发明基于离心压缩机实体建模及五坐标加工工艺特性，创新性地提出一种离心叶轮叶片进口前缘的优化设计及加工方法。首先，以双三次非均匀有理B样条矩阵形式数值表示叶片，并在其实体造型完成的基础上从造型方面设计圆弧、椭圆弧两种特征的进口前缘曲面、从材料去除方面设计外扩、内缩两种特征的进口前缘曲面，可结合气动计算优化获得最优叶片进口前缘曲面，实现气动性能与加工性能的完美统一；在粗加工方面，联合目标进口前缘曲面和叶片压力面、吸力面，并且提出一种新的“进口前缘曲面粗加工计算方法”，实现目标进口前缘曲面的安全、高效加工；在精加工方面，提出一种“进口前缘曲面精加工的扎铣算法”，实现目标进口前缘曲面的高精度精加工。本发明CAD/CAM结合、多种加工工艺优化配合、多种新型算法联合，即提高离心压缩机的气动性能2％左右，又完美地实现了叶轮叶片的高效率、高精度数控加工，同时还能够大幅度地提高离心压缩机叶轮叶片加工的成品率20％左右、极大地节约加工成本及整机运行能耗，具有极高的社会效益及推广价值。

附图说明：

图1是某离心压缩机叶片；

图2是离心压缩机叶轮叶片的NURBS示意图；

图3是带厚度的实体叶片；

图4是4种不同的进口前缘曲线；

图5是叶片进口前缘曲面粗加工刀位轨迹；

图6是叶片进口前缘曲面精加工刀位轨迹。

具体实施方式：

下面以某离心压缩机叶轮叶片进口前缘为例，结合附图，对本发明离心叶轮叶片进口前缘的优化设计及加工方法做详细描述：

1.建立叶片模型

请参见图1所示，将叶片数据输入计算机，完成目标叶轮叶片的造型。

2.以双三次非均匀有理B样条矩阵形式数值表示叶片

定义叶片S(u,v)由顶部到根部为v向、叶片进口到叶片出口为u向，那么叶片S(u,v)用双三次非均匀有理B样条(NURBS)矩阵形式定义为：

S(u,v)＝vC_i,1(u)+(1-v)C_i,n(u)；(0≤u≤1,0≤v≤1,i＝1,2,...,m)

其中U＝(1,u,u²,u³)；V＝(1,v,v²,v³)；C_i,1(u)和C_i,n(u)为叶片的叶顶和叶根空间曲线。

定义k∈(1,m)为短叶片进口前缘线处位置、定义短叶片为S_s(u,v)，则短叶片可用NURBS矩阵形式定义为：

S_s(u,v)＝vC_s,i,1(u)+(1-v)C_s,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)；C_s,i,1(u)和C_s,i,n(u)为短叶片的叶顶和叶根空间曲线。

以上计算可用图2表示。

3.实体(带厚度)叶片的计算

以长叶片为例，计算实体(带厚度)叶片。

(1)定义Z轴为旋转轴，按照右手坐标系沿逆时针方向为压缩机叶轮的旋转方向，得到圆柱坐标系；

(2)定义A₁为目标实体叶片的吸力面、A₂为目标实体叶片的压力面、ΔH₁为目标实体叶片的厚度、α为原叶片S(u,v)的法线方向(由原叶片S(u,v)指向压力面A₂)；

(3)原叶片S(u,v)沿α的反方向偏置距离ΔH₁/2，得到吸力面A₁；

(4)原叶片S(u,v)沿α方向偏置距离ΔH₁/2，得到压力面A₂；

(5)分别计算吸力面A₁及压力面A₂的进口线、顶线、出口线、底线；相对应的进口线等作为直纹面曲面的基线，按照上述双三次非均匀有理B样条(NURBS)矩阵形式计算并组成进口面、顶面、出口面、底面等4个曲面空间；

(6)封闭吸力面A₁、压力面A₂及4个曲面空间，得到实体(带厚度)叶片(如图3所示)。

4.叶片进口前缘的优化设计

针对实体叶轮叶片进口前缘的不连续性，光滑目标进口前缘的优化设计如下：

(1)提取吸力面A₁及压力面A₂顶线上的第一个点(进口处)，作为基准点；

(2)以这两点连线作为外延圆弧线的直径，获取圆弧线1；

(3)以这两点连线作为外延椭圆线的短轴，获取椭圆线1(此处定义椭圆长、短轴之比为1.5)；

(4)以这两点连线作为内缩圆弧线的切线，获取直径为两点间距离的圆弧线2；

(5)以这两点连线作为内缩椭圆线的切线，获取短轴为两点间距离的圆弧线2(此处定义椭圆长、短轴之比为1.5)；

(6)提取吸力面A₁及压力面A₂底线上的第一个点(进口处)，作为基准点；重复上述步骤(2)至步骤(5)，得到底面对应的4条空间曲线；

(7)对应连接顶面、底面的4条空间曲线，得到4种目标进口前缘曲面；

(8)流场计算、强度计算；

(9)如果计算结果理想，得到最优的叶片进口前缘曲面(4种空间曲面中的一个)；

(10)如果计算结果不理想，变换椭圆曲线的长、短轴比例(在圆弧1与上述椭圆1.5之间调整)，得到最优的叶片进口前缘曲面(位于4种空间曲面之间的一个，但不是4种空间曲面中的任何一个)。

上述4种空间曲线可由图4所展示。短叶片的进口前缘曲面也由上述方法优化设计可得。

5.叶片进口前缘曲面的粗加工

本发明叶片进口前缘曲面的粗加工以加工效率为主要目标，提出了一种新的“进口前缘曲面粗加工计算方法”，该方法特征在于：

(1)定义δ为粗加工的允许误差，定义r为粗加工所用刀具半径；

(2)提取吸力面A₁及压力面A₂底线，定义其为粗加工刀位轨迹计算的基线；

(3)提取上述步骤4优化设计所得进口前缘曲面的底线，定义其为粗加工刀位轨迹计算的另一条基线；

(4)各基线由叶片向外偏置距离δ+r，定义此偏置曲线为粗加工刀位轨迹曲线组；

(5)计算粗加工刀位轨迹曲线上至旋转主轴Z轴最近一点，并定义此点为粗加工刀位轨迹的起始点；

(6)以此起始点为界，按照吸力面A₁及压力面A₂两个方向分割刀位轨迹曲线组，得到两条从叶轮叶片进口到出口的粗加工刀位轨迹。

上述叶片进口前缘曲面的粗加工刀位轨迹如图5所示。

6.叶片进口前缘曲面的精加工

本发明叶片进口前缘曲面的精加工方法以加工精度及加工稳定性为主要目标，提出了一种“进口前缘曲面精加工的扎铣算法”，该算法特征在于：

(1)定义r₁为精加工所用刀具半径，定义δ₁为精加工允许加工误差；

(2)提取吸力面A₁及压力面A₂底线、优化设计所得进口前缘曲面的底线，定义其为精加工刀位轨迹计算的基线组；

(3)基线组由叶片向外偏置距离r₁，定义此偏置曲线组为精加工刀位轨迹曲线组；

(4)结合刀具半径r₁、精加工允许加工误差δ₁及叶片进口前缘曲面几何特征，计算扎铣刀位轨迹线数量N；

(5)根据上述扎铣刀位轨迹线数量N，计算得到叶片进口曲面的N+1个子曲面；

(6)设置安全进刀、退刀位置；

(7)以吸力面A₁与叶片进口前缘曲面交线为起始曲线，从叶片顶线处进刀、叶片底线处退刀，依次扎铣叶片进口前缘曲面的N+1个子曲面，直至以压力面A₂与叶片进口前缘曲面交线的终止曲线；

(8)完成整个叶片进口前缘曲面精加工。

上述叶片进口前缘曲面精加工刀位轨迹如图6所示。

7.针对所使用五坐标数控机床对计算所得刀位轨迹、刀轴矢量进行后置处理，在五坐标数控机床实践加工。

经过优化设计、理论计算及实践加工，本发明所采用离心叶轮叶片进口前缘的优化设计及加工方法，CAD/CAM结合、多种加工工艺优化配合、多种新型算法联合，在气动性能方面：能够提高离心压缩机的气动性能2％左右；在数控加工方面：完美的实现了叶轮叶片的高效率、高精度数控加工，同时还能够大幅度地提高离心压缩机叶轮叶片加工的成品率20％左右、极大地节约加工成本及整机运行能耗，具有极高的社会效益及推广价值。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。