CN103244197B - 一种涡轮叶片隔肋参数化造型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种涡轮叶片隔肋参数化造型方法，在UG中导入叶片内型实体；在叶片内型实体上纵向选取n个基准点，依次进行：1、建立基准面；2、建立固定基准面；3、基准面旋转α度，得到参考基准面与α表达式；4、基准面内部创建草图，草图内创建矩形截面线框与矩形截面线框长度与宽度的表达式；5、扫掠n个矩形截面线框，生成1个隔肋工具体；6、隔肋工具体与叶片内型实体进行布尔求差运算，得到具有1个隔肋反相特征的叶片内型实体；重复上述步骤，生成具有m个隔肋反相特征的叶片内型实体；在UG中导入叶片外型实体减去具有m个隔肋反相特征的叶片内型实体，得到带有m个隔肋的涡轮叶片。本发明能够快速准确的进行直型或弯扭型隔肋参数化造型。
Description
技术领域
本发明涉及涡轮叶片设计技术领域，具体来说，是一种涡轮叶片隔肋（又称隔墙）参数化造型方法，可适用于直型隔肋与弯扭型隔肋的造型。
背景技术
涡轮发动机广泛应用于航空、轮船以及大型工程车辆，涡轮前温度的提升是提高发动机推力的重要措施，然而涡轮前温度受到涡轮叶片材料耐受性的限制。因此，精细化冷却空气、增强冷却气体对涡轮叶片的冷却效果对提高涡轮发动机的效率有重要意义。
气模冷却和内流冷却是涡轮叶片的主要冷却方式，如图1所示，冷气从涡轮叶片下部进入涡轮叶片内部，通过内流冷却通道，对叶片的内表面实施有效的冷却，最终冷却气体从气膜孔、尾缝和排气孔中排出，从气膜孔中排出的冷气能够在叶片表面形成一层冷气薄层，有效的保护叶片。
冷却通道由叶片内部的隔肋分割叶片内腔形成，涡轮叶片的内流冷却通道对冷气的冷却效果有着非常重要的影响。隔肋的上下两面都平行于涡轮叶片的基准平面，一般当隔肋起始面和终止面为平面时，就称这种隔肋为直型肋；而隔肋起始面和终止面为自由曲面时，则可适用于弯扭叶片，一般称其为弯扭隔肋。由于叶片内腔较复杂，且隔肋位于叶片内部不易生成，目前采用先生成隔肋工具体，隔肋工具体由一个梯形截面线拉伸得到，然后通过叶片内型实体与隔肋工具体执行布尔减操作，根据反阴为阳的方法，将叶片外型实体减去叶片内型实体即可得到叶片内腔中的隔肋，如图2所示。
但在通过上述方法形成的隔肋存在一些不足：
（1）截面形状简单，不利于在弯扭叶片中布置；
（2）控制参数少，精细化冷却通道困难。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种涡轮叶片隔肋参数化造型方法，通过在UG（Unigraphics，交互式计算机辅助设计与计算机辅助制造系统）中扫掠一组矩形截面线的形式生成隔肋工具体，然后由所生成的隔肋工具体与叶片内型实体进行布尔求差运算，最终实现直型或弯扭型隔肋的参数化造型。本发明涡轮叶片隔肋参数化造型方法，具体通过下述步骤实现：
一种涡轮叶片隔肋参数化造型方法，基于UG环境，通过下述步骤实现：
步骤1：在UG中导入涡轮叶片内型实体文件；
在UG中建模模块，导入存在的涡轮叶片内型实体文件；使UG绝对坐标系O(x,y,z)中原点O位于涡轮发动机的轴线上，Z轴正向位于叶高方向，X轴正向为沿发动机中心线从前向后方向，Y轴正向按右手直角坐标系确定，如图4所示。
步骤2：在叶片内型实体叶盆或叶背曲面上纵向选取n个基准点，进行步骤3～6；其中，n≥2，则第i个基准点坐标为Oi(xi,yi,zi)。
步骤3：建立基准面XOiY；
以单位向量为方向，建立轴OiAi；并以为面法向，建立基准面XOiY。
步骤4：建立固定基准面YOiZ；
建立与UG绝对坐标系中平面YOZ重合的固定基准面YOiZ。
步骤5：建立参考基准面Y'OiZ'；
将固定基准面YOiZ作为参考面，令逆时针为负，则将固定基准面YOiZ以OiAi为轴旋转角度α后，所得到的平面即为参考基准面Y'OiZ'。
在步骤5中当参考基准面建立完毕后，UG自动生成旋转角度参数α的表达式。
步骤6：在基准面XOiY内部创建草图，并在草图内创建一个同时包含定形参数和定位参数的矩形截面线框；其中，定形参数为矩形截面线框的长度l与宽度w；定位参数为基准点Oi位置，需使基准点Oi位置位于矩形截面线框左侧边中点处，并使矩形截面线框的左侧边与参考基准面Y'OiZ'平行。
在步骤6中，当创建矩形截面线框完毕后，UG自动生成矩形截面线框长度l的表达式与矩形截面线框宽度w的表达式。
通过上述步骤可分别获得n个基准点对应的n个矩形截面线框；同时获得n个旋转角度参数α的表达式以及n个矩形截面线框的长度l与宽度w表达式。
步骤7：按照步骤2中n个基准点选取顺序，依次扫掠n个基准点通过步骤2～6对应创建的矩形截面线框，生成1个隔肋工具体，将隔肋工具体和叶片内型实体进行布尔求差运算，得到具有1个隔肋反相特征的叶片内型实体。
步骤8：返回步骤2，进行下一个隔肋工具体的生成；通过上述步骤可生成具有m个隔肋反相特征的叶片内型实体。
步骤9：在UG中导入叶片外型实体，从叶片外型实体中减去叶片步骤8中的具有隔肋的叶片内型实体，得到具有m个隔肋的涡轮叶片。
通过上述方法可实现隔肋的宽度w和旋转角度α的完全参数化，即由UG生成表达式，通过更改表达式的值，直接驱动隔肋工具体的修改。
本发明的优点在于：
(1)本发明涡轮叶片隔肋参数化造型方法，能够为涡轮叶片提供丰富的冷气通道类型，优化涡轮叶片冷气通道的布置，从而精细化冷却空气流动，达到更好的冷却效果；
(2)本发明涡轮叶片隔肋参数化造型方法，给出了隔肋的完全参数化造型方法，能够快速准确的进行直型或弯扭型隔肋造型设计，且方便后续更改，增加了叶片设计的自动化程度，缩短涡轮叶片研发周期，为其他冷却结构的参数化造型提供了参考。
附图说明
图1为气流在涡轮叶片腔内的流动示意图；
图2a为隔肋工具体示意图；
图2b为与隔肋工具体执行布尔减后的具有隔肋反相特征的叶片内型实体；
图2c为带隔肋的涡轮叶片；
图3为涡轮叶片隔肋参数化造型方法流程图；
图4为UG中叶片内型实体设置方式示意图；
图5为本发明的隔肋生成过程中各面定位示意图；
图6为创建4个矩形截面线框示意图；
图7为4矩形截面线框扫掠后生成的隔肋工具体示意图；
图8为采用本发明方法创建多个弯扭隔肋的叶片内型实体；
图9为采用本发明方法创建多个弯扭隔肋的涡轮叶片部分。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明涡轮叶片隔肋参数化造型方法，基于UG环境，通过下述步骤实现，如图3所示：
步骤1：启动UG，导入涡轮叶片内型实体文件；
打开UG中建模模块，导入存在的涡轮叶片内型实体文件；使UG绝对坐标系O(x,y,z)中原点O位于涡轮发动机的轴线上，Z轴正向位于叶高方向，X轴正向为沿发动机中心线从前向后方向，Y轴正向按右手直角坐标系确定，如图4所示。
步骤2：在叶片内型实体叶盆或叶背曲面上纵向由上至下或由下至上依次选取n个基准点，进行步骤3～6；其中，n≥2，则第i个基准点坐标为Oi(xi,yi,zi)。
步骤3：建立基准面XOiY；
以单位向量为方向，建立轴OiAi；并以为面法向，建立基准面XOiY，如图5所示。
步骤4：建立固定基准面YOiZ；
建立与UG绝对坐标系中平面YOZ重合的固定基准面YOiZ，如图5所示。
步骤5：建立参考基准面Y'OiZ'；
将固定基准面YOiZ作为参考面，令逆时针为负，则将固定基准面YOiZ以OiAi为轴旋转角度α后，-π/2＜α＜π/2，所得到的平面即为参考基准面Y'OiZ'，如图5所示；
在步骤5中当参考基准面建立完毕后，UG自动生成旋转角度参数α的表达式P1i。
步骤6：在基准面XOiY内部创建草图，并在草图内创建一个同时包含定形参数和定位参数的矩形截面线框；其中，定形参数为矩形截面线框的长度l与宽度w，且长度l需要满足可与叶片内型实体完全相交，而w＞0；定位参数为基准点Oi位置，需使基准点Oi位置位于矩形截面线框左侧边中点处，并使矩形截面线框的左侧边与参考基准面Y'OiZ'平行，如图5所示。
在步骤6中，当创建矩形截面线框完毕后，UG自动生成矩形截面线框长度l的表达式P2i与矩形截面线框宽度w的表达式P3i。
通过上述步骤可分别获得n个基准点对应的n个矩形截面线框；同时获得n个旋转角度参数α的表达式以及n个矩形截面线框的长度l与宽度w表达式。如图6所示，为n等于4时，通过调整参数α、l与w的值，生成的4个矩形截面线框图。
步骤7：按照步骤2中n个基准点选取顺序，依次扫掠n个基准点通过步骤2～6对应创建的矩形截面线框，生成1个隔肋工具体，如图7所示，将隔肋工具体和叶片内型实体进行布尔求差运算，得到具有1个隔肋反相特征的叶片内型实体；
步骤8：返回步骤2，进行下一个隔肋工具体的生成；通过上述步骤可生成具有m个隔肋反相特征的叶片内型实体。如图8所示，为创建了具有3个隔肋反相特征的叶片内型实体。
步骤9：在UG中导入叶片外型实体，从叶片外型实体中减去叶片步骤8中的具有m个隔肋反相特征的叶片内型实体，则最终得到具有m个隔肋的涡轮叶片，如图9所示，图中涡轮叶片带有3个隔肋。
Claims (4)
1.一种涡轮叶片隔肋参数化造型方法，其特征在于：基于UG环境，通过下述步骤实现：
步骤1：在UG中导入涡轮叶片内型实体文件；
在UG中建模模块，导入存在的涡轮叶片内型实体文件；使UG绝对坐标系O(x,y,z)中原点O位于涡轮发动机的轴线上，Z轴正向位于叶高方向，X轴正向为沿发动机中心线从前向后方向，Y轴正向按右手直角坐标系确定；
步骤2：在叶片内型实体的叶盆或叶背曲面上纵向选取n个基准点，进行步骤3～6；其中，n≥2，则第i个基准点坐标为Oi(xi,yi,zi)；
步骤3：建立基准面XOiY；
以单位向量为方向，建立轴OiAi；并以为平面法向量，建立基准面XOiY；
步骤4：建立固定基准面YOiZ；
建立与UG绝对坐标系中平面YOZ重合的固定基准面YOiZ；
步骤5：建立参考基准面Y'OiZ'；
将固定基准面YOiZ作为参考面，令逆时针为负，则将固定基准面YOiZ以OiAi为轴旋转角度α后，所得到的平面即为参考基准面Y'OiZ'；
在步骤5中当参考基准面建立完毕后，UG自动生成旋转角度参数α的表达式；
步骤6：在基准面XOiY内部创建草图，并在草图内创建一个同时包含定形参数和定位参数的矩形截面线框；其中，定形参数为矩形截面线框的长度l与宽度w；定位参数为基准点Oi位置，需使基准点Oi位置位于矩形截面线框左侧边中点处，并使矩形截面线框的左侧边与参考基准面Y'OiZ'平行；
在步骤6中，当创建矩形截面线框完毕后，UG自动生成矩形截面线框长度l的表达式与矩形截面线框宽度w的表达式；
通过上述步骤可分别获得n个基准点对应的n个矩形截面线框；同时获得n个旋转角度参数α的表达式以及n个矩形截面线框的长度l与宽度w表达式；
步骤7：按照步骤2中n个基准点选取顺序，依次扫掠n个基准点通过步骤2～6对应创建的矩形截面线框，生成1个隔肋工具体，将隔肋工具体和叶片内型实体进行布尔求差运算，得到具有1个隔肋反相特征的叶片内型实体；
步骤8：返回步骤2，进行下一个隔肋工具体的生成；通过上述步骤可生成具有m个隔肋反相特征的叶片内型实体；
步骤9：在UG中导入叶片外型实体，从叶片外型实体中减去叶片步骤8中的具有隔肋反相特征的叶片内型实体，得到具有m个隔肋的涡轮叶片。
2.如权利要求1所述一种涡轮叶片隔肋参数化造型方法，其特征在于：所述n个基准点在叶片内型实体叶盆或叶背曲面上纵向由上至下或由下至上依次选取。
3.如权利要求1所述一种涡轮叶片隔肋参数化造型方法，其特征在于：所述α的取值范围为：-π/2＜α＜π/2。
4.如权利要求1所述一种涡轮叶片隔肋参数化造型方法，其特征在于：所述长度l与叶片内型实体完全相交；且w＞0。
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