文 | 立财说

编辑 | 立财说

混流式转轮叶片是非常繁芜的雕塑曲面体零件，特殊像三峡水轮机，是目前国际上单机容量最大的混流式水轮机之一，其单机容量为 700MW，转轮重约470吨，片长5 米多宽3 米多重量达18吨旁边。

个中转轮是水轮机的核心，而转轮叶片又是转轮的关键零件，其制造精度及表面质量直接关系到全体机组的效率、空化等水力性能，因此，如何提高叶片的制造精度就显得尤为主要，

近年来，海内水轮机制造行业长期采取，“砂型铸造一铲磨立体样板检测”的工艺方法制造叶片，在高水头混流式转轮叶片制造中，较为成功地引进了热模压成型制造方法，正逐步探索采取五座标联动加工叶片的新工艺方法。

针对目前水轮机制造行业采取的“砂型铸造一铲磨”，“热压成型”，“砂型铸造或热压毛坯一数控加工”等几种紧张的水轮机叶片制造工艺方案，进行了比较剖析国内外的水轮机制造商较为同等地认为，采取数控加工方法来制造水轮机转轮叶片是势在必行的工艺方法。

在海内，混流式转轮叶片现今仍广泛采取木模截面数据构造描述，这种数据对传统的“砂型铸造一铲磨立体样板检测”的叶片制造工艺方法来说，具有一定的优胜性。

但对转轮叶片的数控加工工艺、热模压工艺及刚强度剖析等工程实际须要来说，叶片按木模截面描述有以下紧张的缺陷：

如何准确通过打算机数值仿照出这些曲面，是为后续仿真加工莫定最根本的事情，采取传统的木模截面要准确地仿照出这些曲面是不可能的。

转轮叶片必须采取五抽联动数控加工，象叶片这样的曲面零件一样平常是采取沿造型参数线加工，以利于提高加工效率和表面质量，采取沿木模截线作为参数线加工是极为不合理的，其刀具轨迹打算中的于涉等问题也较难堪办理。

因此针对上述问题和后续叶片打算机仿真加工哀求，我们开拓出了“混流式转轮叶片数控加工沿流面描述转换软件系统”。

该软件系统为一通用软件系统，不仅可用于数控加工的叶片数据预处理，也可为叶片热模压有关展开及设计打算所借用，还可被叶片的强度和流场有限元分折等工程实际所采取，更可进一步推广到叶片水力设计中的“改型设计”过程。

软件系统的总体构造本软件在PC/486微机上开拓，利用 MS-FORTRAN和汇编措辞进行程序设计，采取模块化程序设计，具有很好的通用性和可移植性，软件具有良好的图形界面为了便于利用和节制，本软件采取仿Windows 界面。

软件采取下拉式汉字菜单系统,在主菜单下最多有两级下拉式菜单，避免了下拉式菜单级数太多时造成的操作不便其余，全体软件的构造清晰合理，并支持全键盘和鼠标操作，全部的输入输出数据和图形都采取窗口办法显示，利用方便直不雅观。

并且,菜单系统中还设计了“禁用菜单系统”，即一个菜单必须要在另一些菜单成功实行的根本上，这个菜单才能精确地实行，考虑到操作时可能出错，因此在一个菜单必须依赖于其余。

一些菜单时首先让这个菜单变成灰色，使操作者选择此菜单时并不实行，必须要在它的所有关联菜单成功地实行后，系统自动“点亮”这个菜单。

由于叶片打算后的数据量相称大，因此还设计了输出数据的接口功能，可把叶片的转换后型线数据变换成IGES和DXF数据输出，考虑到系统的完全性和利用的方便性，还设计了系统在线式帮助功能。
全体系统的构造如图1所示。

此软件还有以下一些特点：

1、系统采取图形用户界面(GUI)和多级下拉式菜单，程序的功能莱单层次分明；系统操作支持全标和键盘掌握及输入。

2、全体系统内的所有菜单，提示和帮助信息全部采取汉字显示，但并不须要汉字系统的支持，减少了系统资源的占用。

3、供应了在线式帮助，随时可以得到大略明了的帮助文本，系统是在 DOS下开拓，哀求运行的硬件平台较低，只假如386以上，配有2MB 以上内存并安装了 VGA 显示卡的IBM PC/AT兼容机即可。

3 叶片曲面沿流面描述转换打算

混流式叶片木模图以水平截面描述叶片、不仅截面数少，型值点也较少，而且有些区域(上冠、下环尖角处)的数据不敷难以在打算机上准确地数值仿照出叶片(如图2所示)。

如前所述，对叶片的数控加工来说，最佳三维建模方法应采取沿流而来描述叶片曲面。

因此，必须以叶片木摸图为根本，将叶片转换成用流面来描述，此过程实为一个反设计过程，文献采取手工伸图法进行:这不仅事情量大，而且偏差也大。

我们根据混流式转轮叶片的设计理论和方法,设计一个通用打算软件来完玉成部事情，使全体开拓事情不但是用于转轮叶片的不模数据转换，而是一个用场较为广泛的通用软件。

混流式叶片常日采取木模图形式给出，木模图每面一样平常为有限个截面数据，每个截面单面均匀有十多个型值点数据（如图 3 所示)，和一些有关流道的数据，可见全体木模图数据的输入是一件较繁杂的事情，易出错。

为了担保输入的数据精确设计了输入数据的修正和不模截面图形检讨功能，把输入的数据及时地用图形这种直不雅观的办法来检讨，大人减轻了输入数据的校正事情量。

从泡流式叶片水力设计过程可知叶片的正背面轴面截线在设计过程中就已经完备定义了叶片曲面，其后打算作出水平截面描述的木模图，只是为传统工艺做木模方便而已。

因此，可根据木模图上的截面数据和上冠、下环等数据，经由曲线和曲面上反打算出叶片的正背面轴截线，对付没有给出(o-o)截面数据的转轮叶片，可根据叶片几何特色和变革趋势，以上冠为基准沿轴截线进行合理外插补。

对付入口头部区域应取较密的轴截线，以便准确地掌握叶片形状，一样平常会有多条和入口边相交并成“U"型的轴截线，程序中作相应的算法处理，在这部分程序中，采取了稳定性好的数值打算方法，不仅适应于中高比速叶片，也适应于低比速叶片，此部分程序流程图如图4所示。

根据木模图叶片轴面投影的上冠和下环作适当延伸，定为轴面流道、采取流线送代算法，按一元等速理论,打算出抽面流线，在程序中，为了利用方便，对一些与该工程问题无关的参数进行预设定。

为了担保流线的光滑性，迭代许可偏差为Ɛ≤5/10000D1(D1为转轮直径)，此部分程序流程图如图 5所示。

打算轴面流线和轴面截线的目的是为了沿流面描述叶片，打算出流线与各轴面截线的交点（Rij，Zij）与对应的面截线的轴截角Φij；便在圆柱坐系下定义了叶片三维曲面，其求交示意图如图 6 所示。

即由各流线与各轴面截线的交点（Rij，Zij，Φij）叶片三维曲面上的型值点，再根据须要或参照木模图上坐标系.取定直角坐标系，将型值点转换到该直角坐标系下,即（Rij，Zij，Φij）→（(Xij，,Yij，Zij）

在叶片的轴面截线与轴面流线交点打算出来后，为了提高叶片型面的造型精度和三维图形显示等数值仿照的须要、沿每条空间流线按空间弧长平分，进行均化和密化处理，天生 M·N的曲面网格数据作为叶片曲面造型的原始数据，为其后续的仿真沿参数线加事情好准备。

目前海内的木模数据多为由手事情图设计方法，配以水力试验后修正而来有时其给天命据造型出的曲面不只滑。

传统的叶片加工方法(铲磨加工)，可以人为适当光滑，但是对付数控加工叶片来说，必须把叶片实体精确地造型，此时手工绘图设计数据的光顺程度就稍显不敷（紧张是截面型线有些不只滑)。

因此，为了直不雅观方便地检讨转换后的叶片数据，在程序中集成了三维线框造型及三维图形显示功能，用来检讨转换后叶片数据的精确性，并可作适当的光顺处理，作为实际工程须要的一个有力工具。

为了进行三维图形显示及光顺处理的须要，首先必须把叶片型面进行造型，考虑到叶片为一雕塑曲面体，故采取双三次B样条曲面和双三次 Bezier 曲面数学模型进行数值仿照空间叶片曲面，并采B样条曲面细分算法便可按任意哀求的网格密度(打算机内存足够的情形下)对叶片型值点密化，可提高图形显示的质量。

其余，该步的结果也可以为热模压、叶片强度及转轮流场三维有限元剖析供应数据。

叶片的三维图形显示功能模块的实现，采取与详细图形设备无关的天下座标系，这样可增加程序的可移植性、且当图形显示分辨率改变时、不会发生显示问题。

在这部分程序中还设计了图形旋转(Rotate),平移(Move)、缩放(Zoom)等功能，以便于多角度不雅观察转换后的叶片形状及检讨叶片数据。
这部分程序的流程图如图7所示。

通过对不同比速的十多个转轮叶片进行转换打算，证明其转换结果完备能知足工程须要的精度，为混流式转轮叶片数控加工及数据预处理，也为其他有关打算供应了有力的工具，通过系统所设计的软片接口，可方便地与其它通用的CAD/CAM 软件合营完成后续的实体建模、多轴刀位打算和仿真加工等。

本软件已用于模型叶片的数控加工前处理，成功加工出了棋型混流式叶片，也已成功地加工出了热压馍具。

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