离心压缩机的逆向工程与几何参数化方法及应用

王晟旻 琚亚平 秦瑞鸿 张楚华/西安交通大学能源与动力工程学院

刘会/中国船舶重工集团公司第704研究所

离心压缩机的逆向工程与几何参数化方法及应用

王晟旻 琚亚平 秦瑞鸿 张楚华/西安交通大学能源与动力工程学院

刘会/中国船舶重工集团公司第704研究所

0 引言

随着经济全球化的不断推进，行业的竞争也愈演愈烈，导致市场对产品研发周期、研发成本的要求非常苛刻，如何利用先进手段快速研发出优良产品成为各行业的重点关注问题之一。

逆向工程（Reverse Engineering）是通过测绘现有产品几何形状，进而消化产品设计技术或者改进产品设计性能，从而设计出更优性能产品的一种研发手段。随着现代机电技术、光学测量技术、自动控制技术和图像处理技术的不断发展，现有测绘速度与精度已能够满足大部分工业产品的逆向工程需求。张丽艳等[1]研究了逆向工程中的曲面重构技术；丁恩伟等[2]结合Geomagic Studio及UG等软件，自主研发了密集点云测量系统，并得到了与扫描点云最大误差小于0.5mm的CAD模型。金涛等[3]综述了逆向工程的关键技术及国内外发展情况，并且对以后的发展趋势做出预测。但逆向工程在流体机械领域的应用还比较匮乏，刘会、琚亚平等[4-5]采用便携式关节臂激光扫描测量系统，采集了某三级天然气离心压缩机叶轮表面的点云数据，分析了各级叶轮在非定常气动力、离心力作用下的应力应变响应，并预测疲劳寿命。

本文以一台四级工业用离心压缩机为对象，通过逆向工程技术与参数化建模相结合的方法获取整机通流部分的参数化模型，并通过CFD计算验证了该方法在流体机械工程领域应用的有效性。

1 测绘对象及软、硬件介绍

本文针对的操作实体是某长输管线加压站用四级离心压缩机，前三级由叶轮、叶片扩压器、弯道及回流器构成，第四级在叶片扩压器出口连接排气涡室，动静叶共十一排叶片，图1为除进出口涡室之外的通流区子午视图。

图1 压缩机流道子午视图

在测绘流道时使用的是如图2所示的手持式三维激光扫描仪，其具体参数见表1。三维激光扫描仪可以创建物体几何表面的坐标点云，点云数据越密集，所创建的模型越精确。

图2 便携式三维激光扫描仪

采集到模型几何表面的点云之后，需要对点云数据进行处理，所使用的Geomagic Studio软件是美国raindrop Geomagic软件公司推出的逆向工程软件，可以快速地从扫描所得到的点云数据创建出多边形模型。在离散坐标文件参数化过程中，使用的是Numeca软件包中的AutoBlade Fitting模块，该模块可以针对各种流体机械的通流区域型线进行拟合，从而得到控制通流区域的几何参数，由此建立几何参数化表征模型。

表1 三维激光扫描仪参数表

2 离心叶轮逆向参数化建模

2.1 测绘过程

对离心压缩机来说，叶轮是一个主要部件，也是对气体做功的唯一部件。尤其是对于后弯型叶轮，压力的提升主要在叶轮中完成[6]。由于各部件的测绘及参数化过程基本相同，本文着重以首级叶轮为例，介绍逆向测绘及参数化建模过程。

流道测绘是在设备检修期，转子从机壳中取出后进行的，由于测绘时叶轮无法从主轴上取下，并且叶轮流道为三维扭曲面，所以扫描流道时存在光学死角，常规操作只能得到叶轮进出口区域的坐标点云数据。为得到完整的流道坐标点云，借助灌注硅胶填充流道的方法，待硅胶凝固后取出，再扫描硅胶表面的几何，最终得到流道内表面的坐标点云，为获取三维叶片几何提供了初始数据。值得注意的是，硅胶灌注过程需尽量避免在流道壁面处留存气泡，保证硅胶与壁面完全贴合，以确保凝固后的硅胶模型可以代替流道的真实几何。分别扫描叶轮轮盘、轮盖外表面及硅胶模型，得到如图3所示的坐标点云模型。从图3中可以看出扫描得到的初始坐标点云较为粗糙，加之硅胶在叶轮的进出口位置没有固壁的约束，所以该部分点云数据更为杂乱，有待在逆向工程专业软件中进一步处理。

图3 叶轮表面及流道点云图

2.2 点云数据处理

将扫描得到的轮盘、轮盖及流道坐标点云分别导入Geomagic Studio，并通过坐标统一，将流道与轮盘、轮盖进行组合。由于该离心叶轮的叶片为周期性均布的直线元叶片，所以只要得到一个完整的流道，就能提取出定义叶轮的6条几何型线（轮盘，轮盖，叶根压力面、吸力面，叶顶压力面、吸力面6条型线）。在Geomagic Studio中首先手动删除杂点，将叶轮进出口位置多余的坐标点删除，并通过减少噪声功能，消除由于扫描设备轻微振动及光线变化而产生的噪声点，从而更好地表现真实物体的几何表面。通过联合对象功能将两部分点云合并，并将点云封装成多边形网格面。在多边形阶段可以使用填充功能，通过控制曲率及相切等参数来填补数据缺失的区域。再通过删除钉状物、砂纸等功能进行局部松弛和光滑处理。经过以上步骤处理后的流道通过旋转复制后得到了完整的叶轮模型，如图4所示。在此模型中选取一个完整流道，并进一步提取轮盘，轮盖，叶根压力面、吸力面，叶顶压力面、吸力面6条型线，为进一步CAD建模提供几何数据。

图4 叶轮处理结果图

2.3 叶轮几何参数化表征

由于硅胶及叶轮表面粗糙度、扫描过程的振动及光线变化等因素的影响，在多边形模型中提取的叶轮流道型线部分区域未能足够光滑，另一方面，由于按照离散坐标点描述的叶轮几何模型不利于后续的优化设计和二次开发，所以有必要对由离散坐标点描述的叶轮几何进行参数化表征，在拟合出光滑叶片型线的同时，实现用较少参数灵活控制叶轮的几何形状。

分别从以下几个方面对叶轮几何进行参数化表征：

1）子午端壁

结合离心叶轮子午流道的一般形式，如图5所示，叶轮的轮盘侧从进口至出口由Bezierline-line的组合曲线来描述，共有12个控制参数；轮盖侧从进口至出口由line-Bezier-line-line的组合曲线来定义，共有18个控制参数。

图5 叶轮子午端壁控制点分布图

2）叶片型线

采用中心线叠加厚度分布的形式定义叶片几何，各采用一条8阶Bezier曲线来描述中心线及厚度分布规律。因此，有16个控制参数来定义一个叶高截面的叶片型线。

3）弯掠规律

已知叶轮叶片为直线元叶片，所以只要确定轮盘、盖侧的叶片型线，即可获得三维叶片形状。另外，叶片的子午位置通过前缘和尾缘的坐标来确定，由于该叶轮的前缘与尾缘都是直线且与轮盘和轮盖侧型线相交，所以当轮盘、轮盖侧型线确定后，前缘与尾缘位置只要给定其与盘侧及盖侧交点的Z坐标或R坐标即可确定。

综上，表2列出了首级叶轮参数化模型各特征位置的参数数量，共计64个控制参数，相比原始离散坐标模型的1 130个坐标点数据，大大增加了几何控制的灵活性和有效性。采用遗传算法来优化各拟合参数的取值，以最小化拟合误差为目标，通过反复迭代，最终获得了参数化拟合后的叶轮几何模型，如图6所示。从图中可以看出拟合后的叶片三维模型表面光滑。采用上述方法可以得到整机（首级叶轮进口至末级扩压器出口）的参数化模型。

表2 叶轮控制参数分布表

图6 拟合后叶片三维模型图

3 流场分析

3.1 物理模型

目前针对离心式压缩机的研究工作主要以单级结构为主，对多级模型的研究较少[7-10]。本台压缩机是天然气输送用四级离心压缩机，为如实反映机组的性能，根据输送的介质组分，给出介质的物性参数，数值模拟过程采用天然气实际气体作为计算介质[11-13]。计算区域为四级十一排叶片，如图1所示。

3.2 计算模型

采用商用CFD软件NUMECA求解三维RANS方程，湍流模型采用标准的k-ε湍流模型。采用有限体积法对方程进行离散，其中对流项采用二阶中心格式结合人工粘性法离散，粘性项采用中心差分进行离散，时间项采用四阶显式Runge-Kutta法进行推进。采用单通道计算模型。在进口设定总温、总压及速度方向（为轴向进气），出口给定质量流量，固壁采用绝热、无滑移边界条件，在周期边界上给定周期性边界条件。动静交界面采用混合平面法进行处理。按照k-ε模型的要求，保证近壁区第一层网格节点距离壁面的无量纲高度y+为50。通过网格无关性验证，最终选取的叶轮单流道网格数约为55万，叶片扩压器单流道网格数约为80万，回流器单流道网格数约为70万，整机网格数约为750万。通过数值计算，得到四级天然气离心压缩机在设计工况13 000m3/h流量下的整机多变效率为88.85％，压比为2.64。图7给出了数值计算所得整机压比与实验结果的对比，可以看出二者吻合良好，从而验证了所建立的几何模型以及所采用的CFD计算方法的可靠性。

图7 出口静压-流量曲线图

3.3 流场分析

图8为计算获得的该压缩机在13 000m3/h流量下的周向平均静压分布云图，从图中可以看出在流动通道内，静压逐级提升，压比分配比较均衡。静压的提升主要在叶轮出口及扩压器内完成。

图8 周向平均静压分布云图

图9为该工况下的子午流线分布，从图中可以看到各级叶轮、扩压器及回流器内流动状况良好，但在各级弯道内均出现不同程度回流区，这主要是受叶轮叶片出口流动的不均匀性造成的。图9（b）～（d）为各级弯道内部流线的局部放大图。可以看出，第一级与第二级的弯道盖侧存在回流，且第一级弯道内的回流区几乎占据着从弯道进口至出口盖侧的所有区域，而第二级弯道内的流动有所好转，回流只出现在弯道进口区域。与第一、第二级不同的是第三级的回流出现在弯道的盘侧，并且在弯道进口及出口区域分别有一个回流区。从图10马赫数分布云图同样可以观察到在第一级、第二级弯道的盖侧及第三级弯道的盘侧存在明显的低速区。另外，尽管弯道内的流场有所恶化，但经过各级回流器叶片的导流作用，在每级叶轮进口处的气流速度趋于均匀，从一定程度上保证了该压缩机的整机性能。

图9 子午流线分布图

图10 马赫数分布云图

4 结论

本文发展了一种基于便携式三维激光扫描与硅胶灌注相结合的逆向工程技术，并利用几何参数化建模技术，对一台四级离心压缩机进行了逆向测绘和三维几何建模，使用CFD软件对压缩机进行了流场计算，得到了以下结论：

1）在对闭式离心叶轮等复杂结构进行逆向测绘时，采用硅胶灌注的方式可以得到光学死角的几何表面数据。

2）利用几何参数化方法对逆向工程数据进行处理，可利用较少控制参数描述离心压缩机流道几何形状。

3）对所建立的离心压缩机几何参数化模型进行了CFD分析，为后续气动优化设计提供了方法指导和应用基础。

[1]张丽艳,廖文和,周儒荣.逆向工程的关键技术及其应用研究[J].数据采集与处理,1999,14(1):33-36.

[2]丁恩伟,蔡勇,梁晋,等.基于Geomagic和UG的快速参数化逆向建模方法[J].机械研究与应用,2012(3):173-175.

[3]金涛,陈建良,童水光.逆向工程技术研究进展[J].中国机械工程,2002,13(16):1430-1436.

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以一台四级离心压缩机为研究对象，采用便携式三维激光扫描仪和硅胶灌注方式，有效解决了闭式离心叶轮三维扭曲叶片的测量问题。在此基础上，使用Numeca软件的Autoblade Fitting模块对离心压缩机通流部件的离散坐标进行了几何参数化建模，并利用CFD方法对整机进行了流场分析。研究表明：本文所开展的逆向工程及参数化建模方法能够用于压缩机流场分析。

多级离心压缩机；逆向工程；几何参数化；流场分析

Reverse Engineering and Geometry Parameterization Method and App lication forCentrifugalCom p ressors

Wang Sheng-min,Ju Ya-ping,Qin Rui-hong,Zhang Chu-hua/School of Energy and Power Engineering,Xi'an Jiaotong University
Liu Hui/704Research Institute，CSIC

Abstract：A portable 3D laser scannerwith silica gelprimingmethod isused tomap 3D twist blades of the shrouded impellers in a four-stage centrifugal compressor.The geometric parameterization modeling for discrete ordinates of centrifugal compressor flow passage components is accomplished with the Numeca Autoblade Fittingmodule. Lastly,CFD simulations are performed to obtain the compressor's aerodynamic performance and internal flow field.The conclusion showed that the reverse engineering technique and geometric parameterization method can facilitate the compressor flow field analysis,which lays the foundation for the future design optimization ofcentrifugalcompressors.

multistage centrifugal compressor;reverse engineering;geometry parameterization;flow field analysis

TH452;TK05

A

1006-8155（2016）03-0045-06

10.16492/j.fjjs.2016.03.0008

2016-01-21陕西西安710049