基于MATLAB的多翼离心风机参数化快速成型方法*

唐俊 王军 刘辉*/华中科技大学能源与动力工程学院

李斌/浙江省健康智慧厨房系统集成重点实验室

基于MATLAB的多翼离心风机参数化快速成型方法*

唐俊 王军 刘辉*/华中科技大学能源与动力工程学院

李斌/浙江省健康智慧厨房系统集成重点实验室

0 引言

多翼离心风机设计遵循工程设计方法，设计过程中涉及变量众多，且有部分变量仅有推荐取值范围，没有精确取值计算方法，给设计开发带来不确定性，这就需要在设计过程中反复调整参数，才可以得到满足性能要求的风机。现今，CFD技术已被广泛应用于风机设计，文献[1-3]也指出应用CFD技术来设计多翼离心风机是可行的。在对风机设计方案进行CFD分析之前，快速得到风机三维模型将有助于节省时间，缩短开发周期。

本文正是利用MATLAB编写程序，实现了多翼离心风机从设计参数到三维模型数据计算过程，并提供参数修改接口，方便参数调整，且应用程序输出三维造型软件CREO识别的IBL文件来完成三维模型数据交换，综合运用MATLAB和CREO软件，实现多翼离心风机主要部件的快速成型。

1 快速成型设计思路

本文快速成型设计方法主要参考文献[1]中给出的设计方法，综合运用MATLAB和CREO软件，流程见图1。

图1 快速造型流程图

2 程序功能介绍

程序按照功能划分为三个功能模块，分别是参数计算模块、三维造型预览模块和几何数据导出模块，参数计算模块可以分为总体结构参数计算和主要部件几何参数计算，三维造型预览分为主要部件预览和整机装配预览，几何数据按叶轮、蜗壳、集流器分部件导出，具体程序功能模块间关系见图2。

图2 程序功能模块关系图

2.1 参数计算模块

多翼离心风机的主要部件为叶轮、蜗壳、集流器，其中蜗壳、集流器的几何参数计算依赖于部分叶轮几何参数，包括叶轮进、出口角，叶轮内、外径，叶轮宽度，叶片数目，正是这部分叶轮参数将同时影响到叶轮、蜗壳、集流器的几何形状，则将这部分参数视为总体结构参数，先于其他几何参数计算。

如图2所示，参数计算模块分为总体结构参数计算和部件几何参数计算。总体参数计算前要求输入设计要求，计算结果输出到部件几何参数计算部分，分别进行叶轮、蜗壳、集流器具体几何参数的计算。其中叶轮几何参数计算时可以手动选取叶片型线和叶轮数目，蜗壳几何参数计算时可以选取蜗壳内壁型线和蜗舌类型，集流器采用圆弧形集流器。

2.2 三维造型预览模块

程序通过参数计算后得到建立三维模型所需几何尺寸，单单是几何数据并不直观，无法观察到三维模型的形状。得益于MATLAB强大的图形显示功能，程序的三维造型预览模块实现了几何数据实时图形显示的功能。当获取了主要部件的几何尺寸参数，三维造型预览模块将实时三维图形显示，方便预览，也便于观察到某一具体参数修改对三维模型形状的影响。正如图2所示，此模块分为部件造型预览和整机装配预览，部件造型预览可以分别观察到叶轮、蜗壳和集流器的造型，整机装配预览可以看到主要部件简单装配后的效果。

2.3 几何数据导出模块

MATLAB编程完成多翼离心风机的参数计算和三维造型预览，几何数据导出模块将MATLAB计算数据导入到三维造型软件CREO中，实现三维模型的快速建立。

两个软件间通过IBL文件进行数据交换，IBL文件（文件格式见图3）是CREO支持的一种混合数据格式文件，可以记录曲线和坐标点的信息，本程序中将通过MATLAB编程自动生成记录部件三维造型所需曲线的IBL文件，几何模型数据导出将按照部件导出，每个部件单独建立自己的IBL文件。IBL文件可直接导入CREO中，无需做任何修改。

图3 IBL文件示意图

2.4 程序界面

MATLAB编程语言为解释性语言，无需编译即可运行，直接运行编写完成的代码，即可看到程序图形界面，见图4，程序功能模块入口都集成到图形界面，方便进行操作。

图4 程序界面图

图形界面分为三个区，其功能从左到右依次为“三维造型预览”、“选项版”、“参数版”、“操作记录”。“选项版”主要进行部件设计、三维预览和数据导出的选择，“参数版”在“选项版”选择操作后弹出相应的部件几何参数以供修改，“操作记录”中显示正在进行的操作状态。

在“选项版”中点击“叶轮设计”下拉框，可在“叶轮设计”、“叶片设计”、“蜗壳设计”、“集流器设计”中进行切换，“选项版”也会相应切换显示对应的部件几何参数。

在“参数版”中设置好部件几何参数后，在“选项版”中点击“叶轮显示”下拉框，可在“叶轮显示”“蜗壳显示”“集流器显示”“整机显示”进行切换，“三维造型预览”区中将显示相应的三维造型预览图。

当对各个部件的三维造型预览满意时，可点击“数据导出”下拉框，选择导出叶轮、蜗壳、集流器的三维模型数据。

3 参数计算模型

3.1 总体结构参数计算模型

本程序中多翼离心风机的总体结构参数计算遵循文献[4]中给出的设计方法，该方法中假设进、出口角角度和为90°，此假设的引入简化了叶片骨线半径，进、出口，叶片数计算，但也一定程度上牺牲了进、出口角的部分取值范围，为获取进、出口角更宽广的取值范围，本程序的计算过程中不采用此假设；同时，文献[4]设计方法中进口角、出口角、压力系数、轮径比都只给出了取值范围，而没有给出这些计算参量精确值的计算公式，则这些参数取值的任意性不仅将影响最终的计算结果，也可能不满足文献[4]中给出的压力、流量校验，在程序计算过程中，人为寻找上诉参数恰当的取值，将大大降低程序的自动化程度，为提高程序的自动化程度，同时也为可以利用程序自动寻找出满足压力、流量校验的参数值，提出下述的总体结构参数的计算模型。

在总体结构参数计算模型中，设计要求即全压、流量、转速、流动效率为给定值；以进口角、轮径比、出口角三者为参变量，参变量取值范围见表1；总体结构参数为输出值；约束条件为计算全压大于设计全压，计算流量大于设计流量；约束条件如下所示：

其中，叶片有效宽度b'=D1/4；间隙δ=D2/100，取a= 0.7为压力系数；D1为叶轮进口直径；β1，β2分别为叶片进出口角。

表1 参变量取值范围表

为适应计算模型需求，在文献[1]中方法的基础上，变更部分计算流程，图5将展示计算模型中参数计算流程，同时取消进、出口角角度和的限制后，出口计算公式如公式1。

图5 总体结构参数计算流程图

在计算开始时，将三个参变量在取值范围内均匀的离散为N个点，则三个参变量的离散点组合产生M=N3组计算方案，将这M组计算方案代入图5的计算流程进行计算，并进行流量、压力校验，最后选出流量、压力均满足约束条件的M1组计算方案。

3.2 部件几何参数计算模型

部件几何参数指除去总体结构参数在内的参数，这些参数直接决定多翼风机主要部件叶轮、蜗壳、集流器的几何形状，其计算一定程度上依赖于总体结构参数，参照工程设计方法进行计算。叶轮、蜗壳的设计方法较为完备，叶轮参数化设计的详细叙述可以参见文献[5],其中当叶片采用航空翼型加厚时，选用C4翼型；蜗壳设计参考文献[4]。集流器还没有比较详细的设计方法，将详述集流器的几何参数计算。

本文采用圆弧形集流器，圆弧形集流器的设计包括四个几何尺寸，即进口直径、出口直径、轴向高度和圆弧中心角，以及一个装配尺寸即集流器出口和叶轮之间间隙。庄镇荣[6]指出集流器与叶轮间隙取值存在一个最佳值，并给出间隙与叶轮外径比值在0.02～0.025时比较合适，同时，给出了集流器出口直径与叶轮前盘内径之间的经验公式：D2=D1+(12～16)。文献[6]中也通过实验和模拟的方法确认了集流器出口直径稍大于叶轮内径时，风机具有最优性能。按上述文献，取集流器同叶轮的间隙为(0.02～0.025)D2，进口直径取叶轮外径，出口直径按公式（4）取值，轴向高度通过蜗壳宽度减去叶轮宽度和集流器叶轮间间隙给出，圆弧中心角为90°。

总体结构参数计算时，可以通过压力、流量校验来寻找较优的总体参数取值，但部件几何参数和流量、压力等设计要求不能建立明确的关系，则无法在不进行CFD模拟或实验检验情况下评估部件几何参数的计算质量，为应对这个问题，程序将叶轮、蜗壳、集流器的几何参数做成可调的，几何参数可以直接在程序界面上做修改，通过参数修改的便捷性一定程度上弥补上述问题[7]。

4 导入CREO生成三维模型

4.1 导入主要部件IBL文件

由数据导出模块分别得到叶轮、蜗壳、集流器的IBL文件，将三者的IBL文件分别导入CREO中，可以分别生成叶轮叶片型线、蜗壳内壁型线和集流器表面曲线。

单击CREO菜单“模型/获取数据/导入”，在弹出的对话框中选取需要导入的IBL文件，点击“打开”，可以看到在CREO空间中生成相应的空间曲线；至此，空间曲线导入成功。

4.2 生成主要部件三维模型

几何数据导出模块分别导出叶轮、蜗壳、集流器部件的IBL文件，下面对蜗壳部件三维成型过程做详细介绍。

蜗壳对应IBL文件导入CREO中将得到蜗壳壁面在两侧面的曲线和叶轮外圆曲线，见图6。以其中一条曲线所在空间平面建立草绘平面，通过“投影”命令投影壁面曲线，完成草绘，“拉伸”草绘至另一壁面曲线平面，以蜗壳出口平面为基准面进行“抽壳”操作，接下来“拉伸”操作以去除叶轮外圆围成区域，至此完成蜗壳的三维造型，见图7。

图6 IBL空间曲线图

图7 CREO中蜗壳三维造型图

5 实例显示

基于MATLAB的多翼离心风机参数化快速成型程序，给定某型风机设计要求，参数见表2，叶轮叶片型式选择为单圆弧叶片，蜗壳内壁型线型式选择为阿基米德螺旋线，蜗舌型式选择为直蜗舌。设定好以上参数，则程序参数计算模块将计算出总体结构参数和部件几何参数，其中总体结构参数计算结果为：叶轮内径256mm、叶轮外径308mm、叶片进口角50.1°、叶片出口角40.7°、叶片宽度123mm、叶片数目64片[8]。这里对程序参数计算模块计算的参数不做修改，当然，也可以按照需要进行修改也是允许的，在参数选项版中点击“蜗壳预览”、“叶轮预览”“集流器预览”、“整机预览”中任意一项，将可以观察到相应的三维造型效果，也可以选取工具栏中视图工具如“平移”“缩放”“旋转”来调整图形观察角度，在图8给出叶轮、整机装配在程序中的预览图。

表2 设计要求参数表

图8 程序叶轮、整机装配预览效果图

当对预览结果不佳时，可以考虑调整相应的部件几何参数，直至得到满意的预览效果后，依次点击“叶轮数据导出”、“蜗壳数据导出”“集流器数据导出”可以生成相应的IBL数据文件，接下来得到主要部件三维模型的操作如4.2中所叙述，下面在图9中给出CREO中叶轮、集流器三维造型图。

图9 CREO中叶轮、集流器三维造型图

6 结论

1）本文通过MATLAB程序实现了多翼离心风机从设计要求到三维几何参数计算、数据导出的过程，以及几何参数导出IBL文件同CREO进行数据交换，快速完成三维建模的过程，程序运行中间仅需少量人工干预即可完成整个过程。

2）考虑到实际设计取值并不总是按照文献中方法计算值，程序按照文献中方法计算出各个参数推荐值的同时为几何模型的关键尺寸留了数据接口，以方便对修改参数值。

3）程序参数计算模块中，为提高程序自动化程度也为扩大进、出口角取值范围，对工程设计方法中参数计算流程做出少量更改。

4）文献[5]中工作只是简单的建立了风机的几何模型，形成了参数化方案，缺少从设计性能参数到几何模型参数的计算过程，本文中提出了满足全压、流量校核的总体结构参数计算模型，将在文献[5]的基础进一步加速风机三维造型过程，为后续CFD分析做准备。

[1]游斌,谢军龙,王军,等.多翼离心风机的三维数值分析[J].工程热物理学报,2003,24(3):419-422.

[2]王瑞，王灿星.控制速度分布的多翼离心风机优化设计[J].风机技术，2013（3）：47-52.

[3]韩非非,席德科.多翼离心风机数值计算及改进设计研究[J].机械科学与技术,2010,29(8):992-996.

[4]李庆宜.通风机[M].北京：机械工业出版社，1981.

[5]张师帅,李伟华.空调用多翼离心通风机几何建模的参数化[J].风机技术,2007(5):26-29.

[6]庄镇荣.集流器对前向多翼离心通风机气动性能的影响分析[J].风机技术,2002(3):14-15.

[7]刘小民，汤虎，樊涛，等.多翼离心风机叶片出口安装角对吸油烟机性能影响的实验研究[J].风机技术，2014（6）：22-25，34.

[8]罗华飞.MATLAB GUI设计学习手记[M].北京：北京航空航天大学出版社,2011.

■

为实现多翼离心风机主要部件的参数化快速成型，以工程设计理论为基础，应用MATLAB编写程序实现其主要部件从设计要求到三维模型数据计算和三维模型数据从MATLAB到CREO的交换过程，同时应用MATLAB生成的数据文件在CREO中完成多翼离心风机主要部件的快速建模。为提高设计过程自动化程度，提出了一个简单的寻优模型来计算总体结构参数。程序界面友好，参数修改便捷，操作简单，可提高设计过程自动化程度，缩短多翼离心风机原型开发周期。

多翼离心风机；参数化；快速成型；MATLAB

ARapid Prototyping Parametric Method of Multi-blade Centrifugal Fan Based on MATLAB

Tang Jun,Wang Jun,Liu Hui,Jiang Boyan, Yang Xiaopei/School of Energy and Power Engineering,Huazhong University of Science and Technology
Li Bin/Key Laboratory of Zhejiang Health Wisdom Kitchen System Integrated

multi-blade centrifugal fan; parametric;rapid prototyping;MATLAB

TH452；TK05

A

1006-8155（2015）02-0042-06

10.16492/j.fjjs.2015.02.081

浙江省健康智慧厨房系统集成重点实验室新型油烟机开发基金项目（N02014E10014）

*本文其他作者：蒋博彦杨筱沛/华中科技大学能源与动力工程学院

2014-09-28湖北武汉430074

Abstract:To achieve parametric rapid prototyping of the main components of multi-blade centrifugal fan,based on engineering design theory,the application of MATLAB programming accomplishes the progress of it from design requirement to calculate 3D model data and the exchange for 3D model data from MATLAB to CREO. Also,the data files are generated by MATLAB to complete rapidly prototyping of the main components of multi-blade centrifugal fan in CREO.Inorder to increase the automation degree of the design process,a simple calculation model is put forward to calculate the general overall structural parameter.The program has the advantages of friendly interface, parameter modification convenient,simple operation,which can improve the automation degree of design process and greatly shorten the multi-blade centrifugal fan prototype development cycle.