一、前言

  　  在大型汽轮机（涡轮机）零件中，叶片的设计是比较难的一个环节。因为一般的叶片在径向、轴向都有扭动（俗称“3D扭转叶片”），而且这些叶片的前缘和后缘曲率变化十分剧烈。这种叶片实体是由许多曲面构成，同时对于叶片的表面质量还有很高的要求。设计情况如果不理想，或者设计精度不高，都会对后续的加工，以及整台汽轮机的效率、使用寿命和运行安全带来致命的影响。因此，目前国内的企业普遍都引入了三维高端CAD/CAM/CAE软件，希望提高对于复杂产品的设计能力。

    　Unigraphics（简称UG）是集CAD/CAE/CAM一体的三维参数化软件，是当今世界非常先进的计算机辅助设计、分析和制造软件，广泛应用于航空、航天、汽车、造船、通用机械和电子等工业领域。主要为汽车与交通、航空航天、日用消费品、通用机械以及电子工业等领域通过其虚拟产品开发（VPD）的理念提供多级化的、集成的、企业级的包括软件产品与服务在内的完整的MCAD解决方案。自从我公司引进UG NX以来，以其先进的理论、强大的工程背景、完善的功能和专业的技术服务深受广大工程师和专业技术人员的喜爱，并将其最大程度的运用到实际开发、研究和生产制造中去，使我公司的技术手段与国际水准接轨，持续提高新产品的设计周期和设计质量，并使我公司生产出高质量低成本的汽轮机成为现实，有力地参与国际化的市场竞争。

    二、传统设计方法

   　 60年代末，70年代初，国内绝大多数汽轮机制造厂在设计汽轮机叶片时，均采用速度三角形法，它以均匀一元流动理论作为理论基础，以平面叶栅的静吹风试验为依据，通过基本热力方程和速度三角形确定叶片参数，然后根据热力参数，绘制叶片型线。

图1  传统的绘图工具：图板、三角板

    　传统叶片绘制的方法有许多种，如：保角变换法、扭曲三角形法、单锥面展开法、逐点计算法等。而这些方法不容易表示出叶片的流线形状和角度变换规律，即使能表示出叶片形状，其计算量及其繁琐，工作量也及其繁杂，并且只能描绘叶片的一元流动状况和简单的二元流动状况，不能完整的描绘实际三维流场情况，给工程研究和科研分析带来不便。

    三、AutoCAD的二维设计

   　 90年代，AutoCAD软件作为世界领先的设计技术登陆中国，但二维CAD仍然建立在传统的三视图表达零件的基础上，以图纸为媒介进行技术交流，仅仅完成了“甩图板”。（所谓 “甩图板”，其实仅是以计算机平面绘图替代手工绘图而已。）二维AutoCAD软件设计的叶片克服了手工绘图的设计误差，提高了绘图的精度。

    　在机械行业仍然沿用传统的设计原理，但一些单位开始用计算机绘图替代手工绘图，用传统设计理论结合计算机绘图，绘出叶片、叶根型线图。按订单制造、客户化设计的工作量很大，几乎每一份合同、每一个用户均有对应的大量设计改型工作，设计效率和产品生产周期并没有得到本质上的改善。

   　 二维CAD软件设计的叶片克服了手工绘制的设计误差，提高了绘图的精度，但仍然不能完整和直观的反映叶片的复杂三维结构。
  

图2  用AutoCAD生成的二维叶片型线图纸          图3  装满叶片的汽轮机转子的实际产品

    四、基于UG NX的三维曲面造型

    　汽轮机叶片是由多个不规则曲面组成的零件，是不能用解析方程定义这些曲面的，为了满足叶片设计的流体动力学特性要求，我们采用NURBS曲面逼近方法进行曲面造型。通常情况下对于叶片这么复杂的零件，在CAD软件的设计处理上往往不能一次成型， 必须分类分区域的对曲面进行构建，然后对曲面再做详细的处理，才能达到良好的效果。

    1．云点输入

    　在叶片的构建过程中，设计人员根据空气动力学原理，得到该叶片若干个不同直径下的横截面中的云点数据，（根据不同用途的叶片，具体数据会有所不同。）由于各截面上的三维坐标点数据量较大，精度要求较高，将这些云点通过Grip程序输入。
   

图4  通过Grip程序输入的云点               图5  使用Spline命令拟合的样条曲线

    2．线处理

   　 使用Spline（样条）命令，拟合样条曲线，并分析这些样条曲线的曲率梳是否光滑，是否存在曲率反向点，然后结合曲率梳对样条曲线进行详细调节。
   

图6  原始样条曲线的曲率梳
 
图7  经过调整后的样条曲线的曲率梳