第４７卷第１期２００５年２月
汽轮机技术
ＴＵＲＢＩＮＥＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖ０１．４７Ｎｏ，１
Ｆ曲．２００５
汽轮机叶片三维参数化特征造型研究
谢永慧，刘象拯，张
荻
（西安交通大学能源与动力工程学院，西安７１００４９）
摘要：针对汽轮机叶片的结构特点，提出了叶片参数化建模的特征分类形式，采用ｃＳＧ与Ｂ－ｒｅｐ共同构造了叶片
片，也可以应用于其它一些典型结构件的参数化设计，为进一步进行有限元分析以及数控加工奠定基础。
分类号：７ｒ怼６３文献标识码：ＡＳｔｕｄｖｏｎ’ｒｈｒｅｅＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ析分值数；型造维三；计设化文章编号：１００１－５８８４（２００５）０１—００５２旬３数参；片叶；机轮汽：词键关
ＰａｒａｍｅｔｒｉｃＦｅａｔｕｒｅＭｏｄｅｌｉｎｇＭｅｔｈｏｄｏｆ
ＳｔｅａｍＴｈｒｂｉｎｅＢｌａｄｅｓＸＩＥＹｏｎｇ—ｈｕｉ，ＵＵＸｉａｎｇ—ｚｈｅｎｇ，ＺＨＡＮＧＤｉ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＰｏｗｅｒ
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ｔｏｏ．Ｔｈｅ
的三维实体。然后利用这一技术开发了汽轮机叶片的参数化特征造型系统，其中采用Ｖｉｓｕａｌｒｔｙｐｉｃａｌｍａｃｈｉｎｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ａｎｄｅｉｔｃａｎｂｅｔｈｅｈｔ０
的好良了ａｎａｌｙｓｉｓ发开＋＋ｃｏｆ６ｎｉｔｅａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｍａｃｈｉｎｉｎｇ．Ｋｅｙｅｓａｂ
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化技术，叶片设计人员可以进行参数化的特征建模，迅速地
ｃｉｒｔｅ锄ｒａｐ；ｅｄａｌｂ；ｅｎｉｂ．ｍｔ锄ｅｔｓ：ｓｄ．ｍｗ
ｄｍⅢｏｉｓｏｄｅｕｎｇ；ｎ咖ｅｒｉｃａｌｎｅｍｉｄ∞ｒＩｌｔ；龋ｉｓｅｄａｎａｌｙｓｉｓ言叶片在汽轮机中承担着把蒸汽的热能转化为机械能的前０
建立起叶片的三维实体模型，用以支持后续的详细设计分析和优化，这样可以大大缩短建模、分析、优化的设计循环周
期。此外，叶片三维建模也是进行数控加工的基础。
１叶片的三维造型
典型汽轮机叶片由围带、拉筋、叶型和叶根４个部分组成。每一个部分又由一些子块构成，由这些简单的子块实体采用三维造型的ｃｓＧ法＂一１通过集合运算交、并、差就可以组成叶片的各个部分，最终构成叶片的三维实体。ｃｓＧ是计
重要任务，是汽轮机中最重要的零部件之一，大型汽轮机中
叶片数目往往多达几千片。一方面叶片的结构设计十分复
流力及交变应力的共同作用，还受到腐蚀介质的作用，对于工作在高于材料蠕变温度环境的叶片，会受到蠕变的影响，
各种载荷作用使得叶片的工作环境极为复杂恶劣，叶片事故
工作在湿蒸汽区的低压级叶片，还受到水滴的冲蚀。以上的
算机辅助设计中将复杂的几何实体表示成一组简单几何形
体的组合，使用这种方法构造叶片可以通过一棵二又树来描述，称为ｃＳＧ树。图１是Ｔ型叶根构成的ｃｓＧ树，很显然，
时有发生，叶片损伤是汽轮机发生故障的主要原因之一¨一１。
二叉树的根结点就是所构造的叶根。
但是ＣｓＧ法只定义了物体的构成体素及构造方式，没有
所以如何提高汽轮机叶片的气动性能和可靠性，同时降低其
。汽轮机叶片一般包括叶型和叶根部分，为了保证其气动题课门热的究研者学外内国是直一本成造制和计设
反映物体的面、边、顶点等有关信息。因此真正进行物体的
拼合运算并最终显示物体时，还需要将ｃｓＧ树数据结构转换为边界表示法（Ｂ—ｒｅｐ）ｏＬ“。边界表示法包含了描述三维物
体所需要的完整几何信息和拓扑信息。几何信息描述物体
０３－２１—４００２：期日稿收往不是最佳的，甚至不能满足强度振动的要求，因此需要对
作者简介：谢永慧（１９７１一），男，湖南郴州人，工学博士，副教授，主要从事透平机械气动热力学及强度与振动研究。
万方数据
第１期谢永慧等：汽轮机叶片三维参数化特征造型研究
５３
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图ｌ
Ｔ型叶根
Ｏ
体节点（１个）Ｋ瞪黧黧面节点（６个）
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…岍眸Ｉ、¨．
树僻糕糕一
图２图ｌ中Ａ块的Ｂ—ｒｅｐ
的大小、尺寸、形状和位置等；拓扑信息描述物体上所有的顶
点、边与表面之间的连接关系。图１中Ａ块的Ｂ—ｒｅｐ如图２所示。
２三维参数化特征造型计算机实施
实施以上叶片的三维造型采用了ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＶｃ＋＋进行程序编制，并且在图形显示方面运用了高性能的０ｐｅｎＧＬ图形库∞Ｊ。下面简单介绍一下本文开发的汽轮机叶片三维参数化特征造型系统ＢｌａｄｅｃＡＤ的结构。
整个程序的结构如图３所示。由程序主控制模块总体控制程序的运行，管理程序的初始化、框架的产生、任务的清除等工作。由它产生的主框架模块建立和分割视图主窗口，并对菜单栏，工具栏，状态栏进行管理。造型视图区是在主
框架基础上产生的，运用ＯｐｅｎＧＬ技术对视图进行控制：缩放、改变视角方向、模型颜色控制、改变消隐模式等。参数造
型区用来输入叶片参数化特征造型的一些控制数据。主文
档模块是程序的核心，对整个系统进行有机控制：一方面，控制造型视图区和参数造型区显示的内容；另一方面，负责管
理应用程序的数据。为了减少主程序中的代码，使用ＤＬＬ动态链接库将控制几何体以及模型的三维显示等功能模块封装起来，在使用这些模块之前只需声明一下即可以调用。
图３汽轮机叶片三维参数化特征造型系统结构
万
方数据３参数化特征造型方法
特征造型是以实体模型为基础，使用具有一定设计或加
工功能的特征作为造型的基本单元建立零部件的几何模型。参数化造型是ｃＡＤ技术ｏ¨应用领域内的关键技术之一。在
参数化造型中，由用户提供参数，ｃＡＤ系统对整个模型的约束集进行分析和求解，从而实现对模型的修改。此外，参数
化造型过程中，修改参数必须满足产品的约束条件。例如图
１中所标示Ａ、Ｂ、ｃ块的长宽高以及Ｂ块上的圆角，ｃ块上的倒角等，在国家标准或者制造厂家标准中都有相应尺寸的限制，这些就是约束条件。下面以一个具有整体围带、变截面
叶型和双倒Ｔ型叶根低压缸叶片为例说明叶片的参数化造
型。
３．１
叶根的参数化造型
通常使用的汽轮机叶根形式有：Ｔ型叶根、双倒Ｔ型叶
根、枞树型叶根、叉型叶根和菌型叶根。以上５种类型的叶根在结构形式、尺寸等方面有很多差别，所以建立叶根特征库首先需要进行叶根特征分类，根据叶根的具体结构形式及
尺寸，进行概括，建立参数间关系、定义特征变量，并设定其缺省值。下面以双倒Ｔ型叶根的参数化特征造型为例说明
过程。
‘
图４定义双倒Ｔ型叶根的参数
确定参数化约束如图４所示，根据这些参数使用前文所叶型是由各个截面组成的，目前叶型截面主要有两种数述的ｃｓＧ法和Ｂ—ｒｅｐ就可以构造出双倒Ｔ型叶根三维模型
了，把整个双倒Ｔ型叶根的参数化特征造型过程写成一个模
块进行内部封装，并且建立相应的文件和子目录，就构成了该叶根的特征库。图５是本文编制的软件进行叶根参数化
特征造型的界面。３．２叶型的参数化造型
据类型：圆弧直线数据和离散点数据。随着数值计算方法的广泛采用，使用离散点来描绘叶型截面越来越广泛。对叶型
离散点采用３次Ｂ样条∞ｏ进行拟合，从而得到叶型截面如图６（口）。由已经构造出的曲线直接生成自由曲面，３次Ｂ样条
曲面已经足够保证曲面的二阶连续性。当样条曲线闭合时，
汽轮机技术
第４７卷
图５双倒Ｔ型叶根参数化特征造型界面
自由曲面也闭合了，这样就构成叶型部分的实体。叶型曲面如图６（６）所示。具体实施时设立一个子目录专门用来放置各个截面离散点，而造型系统只需要获得储存各个截面离散点的文件名就可以了。叶型参数化特征造型的界面如图７
所示。
邑
一
ｘ
图６叶型截面
图７叶型三维参数化特征造型界面
３．３围带的参数化造型
汽轮机叶片围带主要作用是减少漏气，改善叶片的振动特性，尤其是近年来阻尼围带已成为中长叶片的典型结构。
针对具体的叶片，围带结构千差万别。图８为３种典型的围
带结构（每种结构左边是俯视图，右边是切向视图）。其中图
８（６）是带有阻尼销钉的围带，图８（ｃ）是具有两个斜角的围带。围带的参数化造型思路与叶根类似，也是首先进行围带特征分析，根据围带的具体结构形式及尺寸，进行概括，建立参数间关系、定义特征变量，并设定其缺省值。以图８（口）围
带为例确定参数化约束见图９所示，然后把围带的特征参数化造型过程写成一个模块进行内部封装，并且为这种围带形
万
方数据式建立相应的文件和子目录，构成特征库。围带参数化特征
造型的界面如图１０所示。
口Ⅵ
（ｃ）
图８３种典型的围带结构
Ｚ
●
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眨
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图９定义围带的参数
图１０
围带参数化造型界面
３．４叶片三维实体的合成
以上叶片结构的３个特征部分都完成以后就可以将叶
型、叶根和围带进行布尔运算、生成整个叶片的三维实体模
型如图１１。
叶片的三维实体模型可用于以后的物性分析及有限元
分析。为了让本文研制的叶片三维参数化特征造型具有更好的功能扩展，还开发了针对目前一些通用的三维造型软件的接口。即首先在本文开发的软件中进行叶片各个部分（围带、叶型、叶根、拉筋）的参数化特征造型，对于各个部分的尺
（下转第５８页）
５８
汽轮机技术第４７卷
抽汽流量２２０∥ｈ安全运行，调节级后压力和各监视段压力、
保证值高出２２１．８６７ｌ彤（ｋｗ・ｈ）。５号机组８０Ｍｗ工况比
１００Ｍｗ工况，试验修正后的热耗率上升了约１９０ｋＪ／（ｋｗ・ｈ），６号机组８０Ｍｗ工况比１０７Ｍｗ工况，试验修正后的热耗率上升了约１９０性基本相近。
推力、推力瓦温、轴向位移、差胀等安全运行指标都不超限，满足机组安全运行的要求。由于供热工况的经济指标没有
统一的修正方法，且补水流量与抽汽流量不平衡，因此供热
Ｗ（ｋｗ“），其间的变负荷特
工况试验的经济指标无法与设计值比较，也就不进行修正。
４试验结果分析与比较
（１）比较５号、６号机组改造前后的能耗水平，此类型机组改造前的热耗率都在９
５结论
（１）５号机组采用现场改造的方式，工期短，投资省，因不在汽机通流部分内部增加调节门和旋转隔板，节流损失少，改造后机组具有较高的内效率，同时调节系统简单，电厂可较快地掌握其运行操作特性。但这种改造方式，可抽汽量相对少，纯凝汽试验工况，机组的运行经济性稍差。这种改
３３６．６ｌ∥（ｋｗ・ｈ）～９４２０．３
ｌ【Ｊ／（ｋＷ・ｈ）（２２３０ｋｃａＬ／（ｋｗ・ｈ）～２２５０ｋｃａＬ／（ｋＷ・ｈ））之间，６号机组改造后在额定工况下的热耗率为９０５４．２８３
ｌ彤（ｋｗ“）（２１６２．５８ｋｃ彬（ｋｗ・ｈ）），热耗率大幅下降，说
明机组节能改造效果显著。而５号机组由于采用现场改造
的方式，不能大量地更换通流部件，机组仅能满足供热抽汽的需要，不能降低纯凝汽工况的热耗率。
（２）机组低负荷经济特性
比较满负荷工况与部分负荷试验工况的试验结果，及热力计算书中相应工况的计算数据，机组实际运行中，低负荷
造方式适用于投产年限不长、设计先进、运行经济指标较好、
需要供热抽汽量少的机组。
（２）６号机组采用汽机内部通流部件全面更换的改造方
式，工期长，投资省，由于在汽机通流部分内部增加旋转隔
板，可以达到较高的抽汽量，并在较大范围内实现手动和自动调整，同时由于通流部件采用新型的设计技术和加工工艺，改造后机组的节能效果好。但由于增加了旋转隔板，操作的复杂性增加，同时在供热工况，旋转隔板参与调节，在汽机通流部分造成了一定的节流损失。这种改造方式适用于投产年限长、设计落后、运行经济指标较差、需要供热抽汽量大的机组。
工况下，热耗率上升很高，经济指标下降较大。６号机组热力
试验计算结果，６６Ｍｗ工况的热耗率比７５Ｍｗ工况的热耗率
上升１５３．４１１ｋＪ／（ｋｗ“）（未进行系统修正），而热力计算书
中６６Ｍｗ工况的热耗率比７７Ｍｗ工况的热耗率上升１０３
ｋＪ／（ｋｗ・ｈ）；额定凝汽工况，一、二类修正后的热耗率比保证值高出１５．２６９ｋＪ／（ｋｗ“），而６６Ｍｗ工况下的热耗率比
（上接第５４页）
开发了具有良好人机界面及三维图形显示功能的叶片各个
特征部分参数化特征造型系统。
通过～个具有整体围带、双倒Ｔ叶根的扭叶片例子，可以看出建立的参数化特征造型方法及所开发的软件可以使
设计人员通过参数控制迅速建立起叶片的三维实体模型。该方法也可以推广应用于其它一些典型构件的参数化设计，
为进一步进行有限元分析以及数控加工奠定基础，让设计人员集中精力于产品的概念设计，大大提高设计质量与速度。
参考文献
［１］杨光海．汽轮机叶片的安全防护［Ｍ］．北京：机械工业出版
社。１９９２．
图１ｌ合成的叶片三维实体
［２］
西安热工研究所，等．汽轮机叶片重大频发事故原因分析及改进总结［Ｍ］．西安：西安热工研究所，１９８６．
［３］谢永慧，安宁，王乐天，孟庆集．汽轮机叶片三维有限元应力
寸确认元误以后，本软件可以直接写出接口程序，然后在通
用的三维造型软件中形成叶片的实体模型，这样可以充分利用目前的通用造型软件强大的三维造型功能处理叶片实体模型的细节，例如叶型和叶根连接部位的圆角等。
分析系统［Ｊ］．西安交通大学学报，１９９７，３１（８）：５６—６１．［４］唐龙，许忠信，徐玉华，孙延奎．计算机辅助设计技术基础教
程［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００２．
［５］童秉枢，李学志，吴志军，冯涓．机械ｃＡＤ技术基础［Ｍ］．北
京：清华大学出版社，２００３．［６］
４结论
根据汽轮机叶片结构特点，将叶片的特征分为：围带、叶型、拉金和叶根四种，并以叶根、叶型、围带为例提出了参数
白建军，等．ｏｐｅｎＧＬ三维图形设计与制作［Ｍ］．北京：人民邮
电出版社，１９９９．
ｚｅｉｄＩ．ｃＡＤ／ｃＡＭＴｈｅｏｒｙａｎｄ１９９】．
［７］Ｐｒａｃｔｉｃｅ［Ｍ］．ＭｃＧｒａｗ—ＨｉｌｌＩｎｃ，
化造型方法，然后采用ｃｓＧ与Ｂ—ｒｅｐ混合描述建立了基于
特征的叶片参数化造型。
［８］崔洪斌，方忆湘，张嘉钰．计算机辅助设计基础及应用［Ｍ］．
北京：清华大学出版社，２００２．
还采用Ｖｉｓｕａｌｃ＋＋程序设计语言和ＯｐｅｎＧＬ图形技术
万方数据
汽轮机叶片三维参数化特征造型研究
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
谢永慧， 刘象拯， 张荻， XIE Yong-hui， LIU Xiang-zheng， ZHANG Di西安交通大学能源与动力工程学院,西安,710049汽轮机技术
TURBINE TECHNOLOGY2005,47(1)4次
参考文献(8条)
1. 杨光海 汽轮机叶片的安全防护 1992
2. 西安热工研究所 汽轮机叶片重大频发事故原因分析及改进总结 19863. 谢永慧;安宁;王乐天;孟庆集 汽轮机叶片三维有限元应力分析系统 1997(08)4. 唐龙;许忠信;徐玉华;孙延奎 计算机辅助设计技术基础教程 20025. 童秉枢;李学志;吴志军;冯涓 机械CAD技术基础 20036. 白建军 OpenGL三维图形设计与制作 19997. ZEID I CAD/CAM Theory and Practice 1991
8. 崔洪斌;方忆湘;张嘉钰 计算机辅助设计基础及应用 2002
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_qljjs200501019.aspx
第４７卷第１期２００５年２月
汽轮机技术
ＴＵＲＢＩＮＥＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖ０１．４７Ｎｏ，１
Ｆ曲．２００５
汽轮机叶片三维参数化特征造型研究
谢永慧，刘象拯，张
荻
（西安交通大学能源与动力工程学院，西安７１００４９）
摘要：针对汽轮机叶片的结构特点，提出了叶片参数化建模的特征分类形式，采用ｃＳＧ与Ｂ－ｒｅｐ共同构造了叶片
片，也可以应用于其它一些典型结构件的参数化设计，为进一步进行有限元分析以及数控加工奠定基础。
分类号：７ｒ怼６３文献标识码：ＡＳｔｕｄｖｏｎ’ｒｈｒｅｅＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ析分值数；型造维三；计设化文章编号：１００１－５８８４（２００５）０１—００５２旬３数参；片叶；机轮汽：词键关
ＰａｒａｍｅｔｒｉｃＦｅａｔｕｒｅＭｏｄｅｌｉｎｇＭｅｔｈｏｄｏｆ
ＳｔｅａｍＴｈｒｂｉｎｅＢｌａｄｅｓＸＩＥＹｏｎｇ—ｈｕｉ，ＵＵＸｉａｎｇ—ｚｈｅｎｇ，ＺＨＡＮＧＤｉ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＰｏｗｅｒ
ｔｈｅｇｅｏｍｅｔｒｉｃｆｅａｔｕｒｅ８ｉｎｔｈｅｏｆ
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ｍｅｔｈｏｄｓｂｌａｄｅｓａｒｅｔｏＣＳＧａｎｄＢ—ｒｅｐａｒｅａｄｏｐｔｅｄｃｏｎｓｔｍｃｔｓｏｌｉｄａｍｏｄｅｌｏｆｌｔｈｅｐａｒａ—ｂｌａｄｅｓ，ｔｈｅｎｉｎｇ０ｆｔｈｅｅｈｓｏｎｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｓｐｒｏｖｉｄｅｄ，ａｎｄｔ，ｓｔｏｇｅｍｅｒｔｏｅｄｂ
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ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅ
ａｓｅｘ砌一ｅｄｔｏｄｉｓｐｌａｙｅｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｃｕｄｍｂｌａｄｅ埘ｔｈｔｓｈｒｏｕｄｊｓｎｉｔｏｓｐｅｃｊｆｙｏｆｂｌａｄｅｓ．ＡｄｏｕｂｌｅＴ－ｒ００ｔｓｅｌｅｃｔｅｄ
ｍｅｔｈｏｄｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｎｅｉｄｅａｏｆｐａｒａｍｅ晒ｃｆｅａｔｕｒｅｍｏｄｅｌｉｎｇｈｉｓｄｉｓｐｌａｙｅｄｍｅｔｈｏｄ，ｍｅａｎｗｂｊ】ｅｔｌｌｅｓｄｈａｒｅ奄ｆｕｎｃｔｉｏｎｔ
ｔＩｌｉｓｐ印ｅｒａｒｅｎｏｔ０１１Ｉｙｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｐ删ｅｔｒｉｃｄｅｓｉｇｎｏｆｓｔｅａｍｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｓ，ｂｕｔａｌｓｏｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｐａｒａｍｅｔｒｉｃｄｅｓｉｇｎｏｆ
ｍｏｄｅｌ
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的三维实体。然后利用这一技术开发了汽轮机叶片的参数化特征造型系统，其中采用Ｖｉｓｕａｌｒｔｙｐｉｃａｌｍａｃｈｉｎｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ａｎｄｅｉｔｃａｎｂｅｔｈｅｈｔ０
的好良了ａｎａｌｙｓｉｓ发开＋＋ｃｏｆ６ｎｉｔｅａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｍａｃｈｉｎｉｎｇ．Ｋｅｙｅｓａｂ
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化技术，叶片设计人员可以进行参数化的特征建模，迅速地
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ｄｍⅢｏｉｓｏｄｅｕｎｇ；ｎ咖ｅｒｉｃａｌｎｅｍｉｄ∞ｒＩｌｔ；龋ｉｓｅｄａｎａｌｙｓｉｓ言叶片在汽轮机中承担着把蒸汽的热能转化为机械能的前０
建立起叶片的三维实体模型，用以支持后续的详细设计分析和优化，这样可以大大缩短建模、分析、优化的设计循环周
期。此外，叶片三维建模也是进行数控加工的基础。
１叶片的三维造型
典型汽轮机叶片由围带、拉筋、叶型和叶根４个部分组成。每一个部分又由一些子块构成，由这些简单的子块实体采用三维造型的ｃｓＧ法＂一１通过集合运算交、并、差就可以组成叶片的各个部分，最终构成叶片的三维实体。ｃｓＧ是计
重要任务，是汽轮机中最重要的零部件之一，大型汽轮机中
叶片数目往往多达几千片。一方面叶片的结构设计十分复
流力及交变应力的共同作用，还受到腐蚀介质的作用，对于工作在高于材料蠕变温度环境的叶片，会受到蠕变的影响，
各种载荷作用使得叶片的工作环境极为复杂恶劣，叶片事故
工作在湿蒸汽区的低压级叶片，还受到水滴的冲蚀。以上的
算机辅助设计中将复杂的几何实体表示成一组简单几何形
体的组合，使用这种方法构造叶片可以通过一棵二又树来描述，称为ｃＳＧ树。图１是Ｔ型叶根构成的ｃｓＧ树，很显然，
时有发生，叶片损伤是汽轮机发生故障的主要原因之一¨一１。
二叉树的根结点就是所构造的叶根。
但是ＣｓＧ法只定义了物体的构成体素及构造方式，没有
所以如何提高汽轮机叶片的气动性能和可靠性，同时降低其
。汽轮机叶片一般包括叶型和叶根部分，为了保证其气动题课门热的究研者学外内国是直一本成造制和计设
反映物体的面、边、顶点等有关信息。因此真正进行物体的
拼合运算并最终显示物体时，还需要将ｃｓＧ树数据结构转换为边界表示法（Ｂ—ｒｅｐ）ｏＬ“。边界表示法包含了描述三维物
体所需要的完整几何信息和拓扑信息。几何信息描述物体
０３－２１—４００２：期日稿收往不是最佳的，甚至不能满足强度振动的要求，因此需要对
作者简介：谢永慧（１９７１一），男，湖南郴州人，工学博士，副教授，主要从事透平机械气动热力学及强度与振动研究。
万方数据
第１期谢永慧等：汽轮机叶片三维参数化特征造型研究
５３
畸当
丫旷仓八
图ｌ
Ｔ型叶根
Ｏ
体节点（１个）Ｋ瞪黧黧面节点（６个）
∞，朋，ｚ一㈣缀
…岍眸Ｉ、¨．
树僻糕糕一
图２图ｌ中Ａ块的Ｂ—ｒｅｐ
的大小、尺寸、形状和位置等；拓扑信息描述物体上所有的顶
点、边与表面之间的连接关系。图１中Ａ块的Ｂ—ｒｅｐ如图２所示。
２三维参数化特征造型计算机实施
实施以上叶片的三维造型采用了ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＶｃ＋＋进行程序编制，并且在图形显示方面运用了高性能的０ｐｅｎＧＬ图形库∞Ｊ。下面简单介绍一下本文开发的汽轮机叶片三维参数化特征造型系统ＢｌａｄｅｃＡＤ的结构。
整个程序的结构如图３所示。由程序主控制模块总体控制程序的运行，管理程序的初始化、框架的产生、任务的清除等工作。由它产生的主框架模块建立和分割视图主窗口，并对菜单栏，工具栏，状态栏进行管理。造型视图区是在主
框架基础上产生的，运用ＯｐｅｎＧＬ技术对视图进行控制：缩放、改变视角方向、模型颜色控制、改变消隐模式等。参数造
型区用来输入叶片参数化特征造型的一些控制数据。主文
档模块是程序的核心，对整个系统进行有机控制：一方面，控制造型视图区和参数造型区显示的内容；另一方面，负责管
理应用程序的数据。为了减少主程序中的代码，使用ＤＬＬ动态链接库将控制几何体以及模型的三维显示等功能模块封装起来，在使用这些模块之前只需声明一下即可以调用。
图３汽轮机叶片三维参数化特征造型系统结构
万
方数据３参数化特征造型方法
特征造型是以实体模型为基础，使用具有一定设计或加
工功能的特征作为造型的基本单元建立零部件的几何模型。参数化造型是ｃＡＤ技术ｏ¨应用领域内的关键技术之一。在
参数化造型中，由用户提供参数，ｃＡＤ系统对整个模型的约束集进行分析和求解，从而实现对模型的修改。此外，参数
化造型过程中，修改参数必须满足产品的约束条件。例如图
１中所标示Ａ、Ｂ、ｃ块的长宽高以及Ｂ块上的圆角，ｃ块上的倒角等，在国家标准或者制造厂家标准中都有相应尺寸的限制，这些就是约束条件。下面以一个具有整体围带、变截面
叶型和双倒Ｔ型叶根低压缸叶片为例说明叶片的参数化造
型。
３．１
叶根的参数化造型
通常使用的汽轮机叶根形式有：Ｔ型叶根、双倒Ｔ型叶
根、枞树型叶根、叉型叶根和菌型叶根。以上５种类型的叶根在结构形式、尺寸等方面有很多差别，所以建立叶根特征库首先需要进行叶根特征分类，根据叶根的具体结构形式及
尺寸，进行概括，建立参数间关系、定义特征变量，并设定其缺省值。下面以双倒Ｔ型叶根的参数化特征造型为例说明
过程。
‘
图４定义双倒Ｔ型叶根的参数
确定参数化约束如图４所示，根据这些参数使用前文所叶型是由各个截面组成的，目前叶型截面主要有两种数述的ｃｓＧ法和Ｂ—ｒｅｐ就可以构造出双倒Ｔ型叶根三维模型
了，把整个双倒Ｔ型叶根的参数化特征造型过程写成一个模
块进行内部封装，并且建立相应的文件和子目录，就构成了该叶根的特征库。图５是本文编制的软件进行叶根参数化
特征造型的界面。３．２叶型的参数化造型
据类型：圆弧直线数据和离散点数据。随着数值计算方法的广泛采用，使用离散点来描绘叶型截面越来越广泛。对叶型
离散点采用３次Ｂ样条∞ｏ进行拟合，从而得到叶型截面如图６（口）。由已经构造出的曲线直接生成自由曲面，３次Ｂ样条
曲面已经足够保证曲面的二阶连续性。当样条曲线闭合时，
汽轮机技术
第４７卷
图５双倒Ｔ型叶根参数化特征造型界面
自由曲面也闭合了，这样就构成叶型部分的实体。叶型曲面如图６（６）所示。具体实施时设立一个子目录专门用来放置各个截面离散点，而造型系统只需要获得储存各个截面离散点的文件名就可以了。叶型参数化特征造型的界面如图７
所示。
邑
一
ｘ
图６叶型截面
图７叶型三维参数化特征造型界面
３．３围带的参数化造型
汽轮机叶片围带主要作用是减少漏气，改善叶片的振动特性，尤其是近年来阻尼围带已成为中长叶片的典型结构。
针对具体的叶片，围带结构千差万别。图８为３种典型的围
带结构（每种结构左边是俯视图，右边是切向视图）。其中图
８（６）是带有阻尼销钉的围带，图８（ｃ）是具有两个斜角的围带。围带的参数化造型思路与叶根类似，也是首先进行围带特征分析，根据围带的具体结构形式及尺寸，进行概括，建立参数间关系、定义特征变量，并设定其缺省值。以图８（口）围
带为例确定参数化约束见图９所示，然后把围带的特征参数化造型过程写成一个模块进行内部封装，并且为这种围带形
万
方数据式建立相应的文件和子目录，构成特征库。围带参数化特征
造型的界面如图１０所示。
口Ⅵ
（ｃ）
图８３种典型的围带结构
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图９定义围带的参数
图１０
围带参数化造型界面
３．４叶片三维实体的合成
以上叶片结构的３个特征部分都完成以后就可以将叶
型、叶根和围带进行布尔运算、生成整个叶片的三维实体模
型如图１１。
叶片的三维实体模型可用于以后的物性分析及有限元
分析。为了让本文研制的叶片三维参数化特征造型具有更好的功能扩展，还开发了针对目前一些通用的三维造型软件的接口。即首先在本文开发的软件中进行叶片各个部分（围带、叶型、叶根、拉筋）的参数化特征造型，对于各个部分的尺
（下转第５８页）
５８
汽轮机技术第４７卷
抽汽流量２２０∥ｈ安全运行，调节级后压力和各监视段压力、
保证值高出２２１．８６７ｌ彤（ｋｗ・ｈ）。５号机组８０Ｍｗ工况比
１００Ｍｗ工况，试验修正后的热耗率上升了约１９０ｋＪ／（ｋｗ・ｈ），６号机组８０Ｍｗ工况比１０７Ｍｗ工况，试验修正后的热耗率上升了约１９０性基本相近。
推力、推力瓦温、轴向位移、差胀等安全运行指标都不超限，满足机组安全运行的要求。由于供热工况的经济指标没有
统一的修正方法，且补水流量与抽汽流量不平衡，因此供热
Ｗ（ｋｗ“），其间的变负荷特
工况试验的经济指标无法与设计值比较，也就不进行修正。
４试验结果分析与比较
（１）比较５号、６号机组改造前后的能耗水平，此类型机组改造前的热耗率都在９
５结论
（１）５号机组采用现场改造的方式，工期短，投资省，因不在汽机通流部分内部增加调节门和旋转隔板，节流损失少，改造后机组具有较高的内效率，同时调节系统简单，电厂可较快地掌握其运行操作特性。但这种改造方式，可抽汽量相对少，纯凝汽试验工况，机组的运行经济性稍差。这种改
３３６．６ｌ∥（ｋｗ・ｈ）～９４２０．３
ｌ【Ｊ／（ｋＷ・ｈ）（２２３０ｋｃａＬ／（ｋｗ・ｈ）～２２５０ｋｃａＬ／（ｋＷ・ｈ））之间，６号机组改造后在额定工况下的热耗率为９０５４．２８３
ｌ彤（ｋｗ“）（２１６２．５８ｋｃ彬（ｋｗ・ｈ）），热耗率大幅下降，说
明机组节能改造效果显著。而５号机组由于采用现场改造
的方式，不能大量地更换通流部件，机组仅能满足供热抽汽的需要，不能降低纯凝汽工况的热耗率。
（２）机组低负荷经济特性
比较满负荷工况与部分负荷试验工况的试验结果，及热力计算书中相应工况的计算数据，机组实际运行中，低负荷
造方式适用于投产年限不长、设计先进、运行经济指标较好、
需要供热抽汽量少的机组。
（２）６号机组采用汽机内部通流部件全面更换的改造方
式，工期长，投资省，由于在汽机通流部分内部增加旋转隔
板，可以达到较高的抽汽量，并在较大范围内实现手动和自动调整，同时由于通流部件采用新型的设计技术和加工工艺，改造后机组的节能效果好。但由于增加了旋转隔板，操作的复杂性增加，同时在供热工况，旋转隔板参与调节，在汽机通流部分造成了一定的节流损失。这种改造方式适用于投产年限长、设计落后、运行经济指标较差、需要供热抽汽量大的机组。
工况下，热耗率上升很高，经济指标下降较大。６号机组热力
试验计算结果，６６Ｍｗ工况的热耗率比７５Ｍｗ工况的热耗率
上升１５３．４１１ｋＪ／（ｋｗ“）（未进行系统修正），而热力计算书
中６６Ｍｗ工况的热耗率比７７Ｍｗ工况的热耗率上升１０３
ｋＪ／（ｋｗ・ｈ）；额定凝汽工况，一、二类修正后的热耗率比保证值高出１５．２６９ｋＪ／（ｋｗ“），而６６Ｍｗ工况下的热耗率比
（上接第５４页）
开发了具有良好人机界面及三维图形显示功能的叶片各个
特征部分参数化特征造型系统。
通过～个具有整体围带、双倒Ｔ叶根的扭叶片例子，可以看出建立的参数化特征造型方法及所开发的软件可以使
设计人员通过参数控制迅速建立起叶片的三维实体模型。该方法也可以推广应用于其它一些典型构件的参数化设计，
为进一步进行有限元分析以及数控加工奠定基础，让设计人员集中精力于产品的概念设计，大大提高设计质量与速度。
参考文献
［１］杨光海．汽轮机叶片的安全防护［Ｍ］．北京：机械工业出版
社。１９９２．
图１ｌ合成的叶片三维实体
［２］
西安热工研究所，等．汽轮机叶片重大频发事故原因分析及改进总结［Ｍ］．西安：西安热工研究所，１９８６．
［３］谢永慧，安宁，王乐天，孟庆集．汽轮机叶片三维有限元应力
寸确认元误以后，本软件可以直接写出接口程序，然后在通
用的三维造型软件中形成叶片的实体模型，这样可以充分利用目前的通用造型软件强大的三维造型功能处理叶片实体模型的细节，例如叶型和叶根连接部位的圆角等。
分析系统［Ｊ］．西安交通大学学报，１９９７，３１（８）：５６—６１．［４］唐龙，许忠信，徐玉华，孙延奎．计算机辅助设计技术基础教
程［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００２．
［５］童秉枢，李学志，吴志军，冯涓．机械ｃＡＤ技术基础［Ｍ］．北
京：清华大学出版社，２００３．［６］
４结论
根据汽轮机叶片结构特点，将叶片的特征分为：围带、叶型、拉金和叶根四种，并以叶根、叶型、围带为例提出了参数
白建军，等．ｏｐｅｎＧＬ三维图形设计与制作［Ｍ］．北京：人民邮
电出版社，１９９９．
ｚｅｉｄＩ．ｃＡＤ／ｃＡＭＴｈｅｏｒｙａｎｄ１９９】．
［７］Ｐｒａｃｔｉｃｅ［Ｍ］．ＭｃＧｒａｗ—ＨｉｌｌＩｎｃ，
化造型方法，然后采用ｃｓＧ与Ｂ—ｒｅｐ混合描述建立了基于
特征的叶片参数化造型。
［８］崔洪斌，方忆湘，张嘉钰．计算机辅助设计基础及应用［Ｍ］．
北京：清华大学出版社，２００２．
还采用Ｖｉｓｕａｌｃ＋＋程序设计语言和ＯｐｅｎＧＬ图形技术
万方数据
汽轮机叶片三维参数化特征造型研究
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
谢永慧， 刘象拯， 张荻， XIE Yong-hui， LIU Xiang-zheng， ZHANG Di西安交通大学能源与动力工程学院,西安,710049汽轮机技术
TURBINE TECHNOLOGY2005,47(1)4次
参考文献(8条)
1. 杨光海 汽轮机叶片的安全防护 1992
2. 西安热工研究所 汽轮机叶片重大频发事故原因分析及改进总结 19863. 谢永慧;安宁;王乐天;孟庆集 汽轮机叶片三维有限元应力分析系统 1997(08)4. 唐龙;许忠信;徐玉华;孙延奎 计算机辅助设计技术基础教程 20025. 童秉枢;李学志;吴志军;冯涓 机械CAD技术基础 20036. 白建军 OpenGL三维图形设计与制作 19997. ZEID I CAD/CAM Theory and Practice 1991
8. 崔洪斌;方忆湘;张嘉钰 计算机辅助设计基础及应用 2002
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