CN104392027B - 一种涡轮叶片扰流柱的参数化造型方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种涡轮叶片扰流柱的参数化造型方法，通过连接叶身内型后缘圆心得到子午线，采用双管道法生成叶身内型中弧线和中弧面，在中弧面上确定扰流柱起始点，通过起始点作垂直于Z轴的基准面，找到基准面与子午线的交点，进而沿子午线以给定距离将交点移动给定次数，得到一列沿子午线的点，分别过点做垂直于Z轴的基准面，得到基准面与中弧面的交线集，将上述所有的交点沿各交线以弧长L移动一次，得到第一列扰流柱圆心，将第一列扰流柱圆心沿各交线以弧长L’移动N次，就得到了一组在分布中弧面上的扰流柱圆心。该方法中每组扰流柱圆心以等弧长等间距的方式分布在中弧面上，使其在叶身型面上的位置分布更均匀，更好地强化了叶身内部的扰流散热。

Description

一种涡轮叶片扰流柱的参数化造型方法

技术领域

本发明涉及涡轮叶片扰流柱参数化造型设计领域。

背景技术

航空发动机叶片是航空发动机的关键部件，具有结构复杂、品种多、数量大、对发动机性能影响大、设计制造周期长等特点。叶片的设计、制造技术水平对提高航空发动机性能、缩短研制周期和降低成本起着重要的作用。

国内相关人员针对航空发动机叶片造型方法进行了广泛而深入研究，并且初步实现了涡轮叶片参数化设计方法。但现有的叶片造型系统主要集中于提供对于叶片叶身型面的造型功能和叶身截面线的设计功能上，对带有冷却系统的叶片的内型特征如扰流柱、纵向肋、横向肋等造型技术的研究还不是很多，这已不能满足现今越来越复杂的叶片设计的需要。

叶身内部具有复杂的内腔以助于散热和冷却。内腔包括扰流柱、纵向肋、横向肋等结构。叶身内腔的复杂结构都以凹凸相反的方式体现到了叶身内型上，所以内型部分的结构非常复杂。它是内型型面分别和扰流柱，横向肋和纵向肋这几部分做布尔减运算后的结果。扰流柱，横向肋和纵向肋结构的设计和造型是一个很繁琐的过程，提炼出它们的参数化信息将大大提高它们的设计效率，缩短设计周期，现有的高端CAD造型软件已成为这个设计生产流程的核心。现存叶片参数化造型系统中，扰流柱特征模型的建立，是对基本特征圆柱和阵列特征等进行封装，通过建立扰流柱设计规则，提取出设计参数如圆柱直径，几何参数如阵列方式等而实现的。

传统的扰流柱在内型上的分布方式有如下三种：

扰流柱的圆心坐标由数据文件给出；

扰流柱的圆心坐标的分布是矩形阵列；

扰流柱的圆心坐标的分布是复杂阵列；

上述扰流柱都是以某种阵列方式在与叶身内型中弧面附近平面平行的基准面上生成的，当基准面上的扰流柱中心投影到叶身型面上时，会导致叶身型面上扰流柱中心的分布非常不均匀，不利于叶片的扰流散热。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中扰流柱圆心坐标生成位置不精确的问题,以CAD造型软件作为平台，提出一种叶片扰流柱参数化造型的新方法。通过连接叶身内型后缘圆心得到子午线，采用双管道法生成叶身内型中弧线，进而得到中弧面，在中弧面上确定扰流柱起始点，通过起始点作垂直于Z轴的基准面，找到基准面与子午线的交点，进而沿子午线以给定距离将交点移动给定次数，得到一列沿子午线的点，分别过点做垂直于Z轴的基准面，得到基准面与中弧面的交线集，将上述所有的交点沿各交线以弧长L移动一次，得到第一列扰流柱圆心，将第一列扰流柱圆心沿各交线以弧长L’移动N次，就得到了一组在分布中弧面上的扰流柱圆心。这种叶片扰流柱参数化造型的新方法中，每组扰流柱圆心以等弧长等间距的方式分布在中弧面上，使其在叶身型面上的位置分布更均匀，更好地强化了叶身内部的扰流散热。

本发明的技术方案为：

所述一种涡轮叶片扰流柱的参数化造型方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：通过连接叶身内型后缘圆心得到子午线；

步骤2：采用双管道法生成叶身内型中弧线，由叶身内型中弧线得到叶身内型中弧面；

步骤3：在中弧面上选取扰流柱起始点，使扰流柱生成的方向沿着积叠轴正向；

步骤4：确定扰流柱圆心坐标分布位置，其中一组扰流柱圆心坐标采用以下步骤确定：

步骤4.1：过步骤3得到的扰流柱起始点作垂直于叶片坐标系Z轴的基准面，得到垂直于叶片坐标系Z轴的基准面与子午线的交点P1；

步骤4.2：将交点P1沿子午线按照给定的距离D1移动N1次，得到沿子午线的一列点集Gp1；

步骤4.3：过步骤4.2得到的点集Gp1中的每一点分别做垂直于积叠轴的基准面，得到各点所对应垂直于积叠轴的基准面与中弧面的交线；

步骤4.4：将点集Gp1中的每一点沿各自对应的交线按照给定的弧长L1移动一次，得到第一组第一列分布在中弧面上的扰流柱圆心；

步骤4.5：将第一组第一列分布在中弧面上的扰流柱圆心沿各自对应的交线按照给定的弧长L1’移动若干次，得到在中弧面上分布的第一组所有扰流柱圆心；

步骤5：将中弧面上生成的每组扰流柱圆心沿扰流柱中心线往远离叶身的方向移动相等的距离，得到扰流柱体生成时的圆心坐标；由扰流柱体生成时的圆心坐标和扰流柱的直径、方向、柱体拉伸高度得到每组扰流柱。

进一步的优选方案，所述一种涡轮叶片扰流柱的参数化造型方法，其特征在于：第k组扰流柱圆心坐标确定过程为：

步骤a：将交点P(k-1)沿子午线按照设定距离移动一次，得到交点P(k)；

步骤b：将交点P(k)沿子午线按照给定的距离D(k)移动N(k)次，得到沿子午线的一列点集Gp(k)；

步骤c：过步骤b得到的点集Gp(k)中的每一点分别做垂直于积叠轴的基准面，得到各点所对应垂直于积叠轴的基准面与中弧面的交线；

步骤d：将点集Gp(k)中的每一点沿各自对应的交线按照给定的弧长L(k)移动一次，得到第k组第一列分布在中弧面上的扰流柱圆心；

步骤e：将第k组第一列分布在中弧面上的扰流柱圆心沿各自对应的交线按照给定的弧长L(k)’移动若干次，得到在中弧面上分布的第k组所有扰流柱圆心。

有益效果

本发明的有益效果是，这种叶片扰流柱参数化造型的新方法中，每组扰流柱圆心以等弧长等间距的方式分布在中弧面上，使其在叶身型面上的位置分布更均匀，满足了企业需求，克服了现有技术的不足，提高了设计效率和质量，并且有很高的灵活性，而且本方法对三维软件的平台没有限制，可以运用此方法于多种软件平台，具有良好的通用性。

附图说明

图1是叶身内型和子午线示意图。

图中，1-叶身内型；2-连接叶身内型后缘圆心得到的子午线。

图2是叶身内型中弧面示意图。

图中，3-中弧线；4-中弧面。

图3是起始点示意图。

图中，5-起始点。

图4是叶身内型中弧面与基准面的交线示意图。

图中，6-基准面；7-交线。

图5是两组扰流柱圆心在中弧面上的分布示意图。

图中，8-第一组第一列的第一个扰流柱圆心；9-第二组第一列的第一个扰流柱圆心。

图6是在叶身内型后缘位置生成的扰流柱示意图。

图7是与扰流柱做布尔差后的叶身内型示意图。

图8是叶身内型与叶身外形布尔差后的结果示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

本实施例以某叶片扰流柱参数化造型设计过程为例，CAD软件设计环境为UGNX7.5软件。

在UG NX7.5软件中导入叶身内型后，采用以下步骤：

步骤1：找到叶身内型后缘截面线圆心，通过连接叶身内型后缘圆心得到子午线，如图1。

步骤2：采用双管道法生成叶身内型中弧线，由叶身内型中弧线得到叶身内型中弧面，如图2。

步骤3：在中弧面上选取扰流柱起始点，起始点的选取必须使得扰流柱生成的方向沿着积叠轴正向，起始点决定了扰流柱距发动机中心平面的起始高度，如图3。

步骤4：扰流柱设计参数(扰流柱中心轴线的方向和直径)确定后，就要确定其几何参数，即在中弧面上扰流柱圆心的分布位置(本实施例中有两组扰流柱)：

步骤4.1：过步骤3得到的扰流柱起始点作垂直于叶片坐标系Z轴的基准面，得到垂直于叶片坐标系Z轴的基准面与子午线的交点P1；

步骤4.2：将交点P1沿子午线按照给定的距离D1移动N1次，得到沿子午线的一列点集Gp1；本例中N1＝8；

步骤4.3：过步骤4.2得到的点集Gp1中的每一点分别做垂直于积叠轴的基准面，得到各点所对应垂直于积叠轴的基准面与中弧面的交线，如图4；

步骤4.4：将点集Gp1中的每一点沿各自对应的交线按照给定的弧长L1移动一次，得到第一组第一列分布在中弧面上的扰流柱圆心；

步骤4.5：将第一组第一列分布在中弧面上的扰流柱圆心沿各自对应的交线按照给定的弧长L1’移动2次，得到在中弧面上分布的第一组所有扰流柱圆心；

步骤4.6：将交点P1沿子午线按照D1/2的距离移动一次，得到交点P2；

步骤4.7：将交点P2沿子午线按照给定的距离D2移动N2次，得到沿子午线的另一列点集Gp2；本实施例中D1＝D2，N1＝N2；

步骤4.8：过步骤4.7得到的点集Gp2中的每一点分别做垂直于积叠轴的基准面，得到各点所对应垂直于积叠轴的基准面与中弧面的交线；

步骤4.9：将点集Gp2中的每一点沿各自对应的交线按照给定的弧长L2移动一次，得到第二组第一列分布在中弧面上的扰流柱圆心；本实施例中，L2＝2*L1；

步骤4.10：将第二组第一列分布在中弧面上的扰流柱圆心沿各自对应的交线按照给定的弧长L2’移动2次，得到在中弧面上分布的第二组所有扰流柱圆心；本实施例中L2’＝L1’。

如图5所示是两组扰流柱圆心在中弧面上的分布。

步骤5：将中弧面上生成的每组扰流柱圆心沿扰流柱中心线往远离叶身的方向移动相等的距离，得到扰流柱体生成时的圆心坐标；由扰流柱体生成时的圆心坐标和扰流柱的直径、方向、柱体拉伸高度得到每组扰流柱。扰流柱的生成是以组为单位进行的，每组扰流柱的方向和直径可以不同。如图6是叶身内型后缘部分生成的扰流柱体；图7是与扰流柱体做布尔差后的叶身内型；图8叶身外型与叶身内型布尔差后的结果。

Claims (2)

1.一种涡轮叶片扰流柱的参数化造型方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：通过连接叶身内型后缘圆心得到子午线；

步骤2：采用双管道法生成叶身内型中弧线，由叶身内型中弧线得到叶身内型中弧面；

步骤3：在中弧面上选取扰流柱起始点，使扰流柱生成的方向沿着积叠轴正向；

步骤4：确定扰流柱圆心坐标分布位置：

步骤4.1：过步骤3得到的扰流柱起始点作垂直于叶片坐标系Z轴的基准面，得到垂直于叶片坐标系Z轴的基准面与子午线的交点P1；

步骤4.2：将交点P1沿子午线按照给定的距离D1移动N1次，得到沿子午线的一列点集Gp1；

步骤4.3：过步骤4.2得到的点集Gp1中的每一点分别做垂直于积叠轴的基准面，得到各点所对应垂直于积叠轴的基准面与中弧面的交线；

步骤4.4：将点集Gp1中的每一点沿各自对应的交线按照给定的弧长L1移动一次，得到第一组第一列分布在中弧面上的扰流柱圆心；

步骤4.5：将第一组第一列分布在中弧面上的扰流柱圆心沿各自对应的交线按照给定的弧长L1’移动若干次，得到在中弧面上分布的第一组所有扰流柱圆心；

步骤5：将中弧面上生成的每组扰流柱圆心沿扰流柱中心线往远离叶身的方向移动相等的距离，得到扰流柱体生成时的圆心坐标；由扰流柱体生成时的圆心坐标和扰流柱的直径、方向、柱体拉伸高度得到每组扰流柱。

2.根据权利要求1所述一种涡轮叶片扰流柱的参数化造型方法，其特征在于：第k组扰流柱圆心坐标确定过程为：

步骤a：将交点P(k-1)沿子午线按照设定距离移动一次，得到交点P(k)；

步骤b：将交点P(k)沿子午线按照给定的距离D(k)移动N(k)次，得到沿子午线的一列点集Gp(k)；

步骤c：过步骤b得到的点集Gp(k)中的每一点分别做垂直于积叠轴的基准面，得到各点所对应垂直于积叠轴的基准面与中弧面的交线；

步骤d：将点集Gp(k)中的每一点沿各自对应的交线按照给定的弧长L(k)移动一次，得到第k组第一列分布在中弧面上的扰流柱圆心；

步骤e：将第k组第一列分布在中弧面上的扰流柱圆心沿各自对应的交线按照给定的弧长L(k)’移动若干次，得到在中弧面上分布的第k组所有扰流柱圆心。