CN103412985B - 一种气冷叶片尾缘劈缝参数化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种气冷叶片尾缘劈缝参数化设计方法，通过创建并约束异形尾缘劈缝的边界曲面来保证劈缝特征和叶片实体特征之间的G1连续，从而构造出尾缘劈缝实体特征。该方法在构造边界曲面时，通过离散曲面边界线，约束关键曲面与叶身内形曲面的位置关系，最终得到的曲面本身具有良好的光顺性，曲面与叶身内形过渡处在误差范围内保证G1连续性。另外通过对离散参数的控制与修改，可以控制关键曲面的曲面形状。通过对异形截面线的尺寸控制，可实现尾缘劈缝的参数化设计。这种方法从控制曲面的边界线入手，所得到曲面具有良好的光顺性，并且适用于多种三维CAD软件平台，从而弥补了现在叶片设计中尾缘劈缝结构设计的不足。

Description

一种气冷叶片尾缘劈缝参数化设计方法

技术领域

本发明涉及叶片参数化设计技术领域，具体为一种气冷叶片尾缘劈缝参数化设计方法。

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。航空发动机叶片中以带气冷结构的涡轮叶片最为复杂，涡轮叶片是内部空腔且有一定壁厚的复杂零件。由于涡轮叶片的外形结构与气动数据密切相关，并且内部构造严重影响强度问题、气冷效果等，所以设计涡轮叶片是复杂的过程，需要多学科知识的综合运用，并且在叶身内形结构中，存在着许多复杂特征如：肋板、气膜孔、扰流柱等特征结构。其中在叶身尾部存在着尾缘劈缝特征,尾缘劈缝的作用是将冷却气体通过尾部排出以减小气体对涡轮叶片的损害，所以尾缘劈缝的设计尤为重要。

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。在传统的涡轮叶片设计中，尾缘劈缝具有尾缘全劈缝、半劈缝等结构形式。在这些劈缝的设计过程中，首先得到叶身内形的设计参数，根据设计要求得到尾缘劈缝的截面形状,生成尾缘劈缝的实体，然后将尾缘劈缝实体和叶身内形做布尔并操作，再与叶身外形做布尔差操作，得到最终的尾缘劈缝特征。这些劈缝的截面形状简单，造型方便，但在劈缝特征和叶身内表面相接处并不满足曲面连续性的要求。事实上，在设计涡轮叶片过程中，应该尽量保证曲面光顺性和连续性要求，在多个曲面拼接的结合部分连续性至少保证G1水平。然而传统的尾缘劈缝，由于设计造型简单，独立于叶身内形设计，使得在叶身内形和尾缘劈缝的相接处不可能达到G1连续性的要求。由于叶身造型设计多采用“反阴为阳”的办法，即先将叶身内形与尾缘劈缝特征做布尔并集操作，再与叶身外形做布尔差操作，而利用两个相对独立的实体特征进行布尔操作时，不能保证在过渡处两个相邻的曲面的几何连续性，这样使得最终的得到的涡轮叶片模型在尾缘劈缝与叶身内形过渡处产生“凸台”，严重影响冷却效果，影响涡轮叶片的最终性能。

发明内容

要解决的技术问题

为解决现有技术存在的问题，本发明针对现有尾缘劈缝建模方法的不足，提出了一种气冷叶片尾缘劈缝参数化设计方法。

技术方案

本发明通过创建并约束异形尾缘劈缝的边界曲面来保证劈缝特征和叶片实体特征之间的G1连续，从而构造出尾缘劈缝实体特征。该方法在构造边界曲面时，通过离散曲面边界线，约束关键曲面与叶身内形曲面的位置关系，最终得到的曲面本身具有良好的光顺性，曲面与叶身内形过渡处在误差范围内保证G1连续性。另外通过对离散参数的控制与修改，可以控制关键曲面的曲面形状。通过对异形截面线的尺寸控制，可实现尾缘劈缝的参数化设计。这种方法从控制曲面的边界线入手，所得到曲面具有良好的光顺性，并且适用于多种三维CAD软件平台，从而弥补了现在叶片设计中尾缘劈缝结构设计的不足。

本发明的技术方案为：

所述一种气冷叶片尾缘劈缝参数化设计方法，其特征在于：采用以下步骤：

步骤1：向三维造型软件中导入叶身模型，叶身模型由叶身外形实体模型与叶身内形实体模型组成，叶身截面由叶身内形截面线和叶身外形截面线组成，其中叶身内形截面线分为内形叶盆曲线、内形叶背曲线、内形前缘曲线和内形尾缘曲线四段；叶身外形截面线分为外形叶盆曲线、外形叶背曲线、外形前缘曲线和外形尾缘曲线四段；

步骤2：在每个截面上都创建尾缘劈缝异形截面线，所述尾缘劈缝异形截面线由七条直线段首尾顺序相接封闭而成，七条直线段的创建步骤如下：

步骤2.1：将内形尾缘曲线圆心与内形尾缘曲线两端点分别连接，形成半径线a和半径线b；

步骤2.2：过内形尾缘曲线两端点分别建立与内形叶盆曲线以及与内形叶背曲线相切的直线段，其中与半径线a相连且与内形叶盆曲线相切的直线段为关键曲线c，与半径线b相连且与内形叶背曲线相切的直线段为关键曲线d；其中关键曲线d从外形尾缘曲线段伸出叶身外形截面线，所有截面上的关键曲线c长度均相等，关键曲线c和关键曲线d不相交；

步骤2.3：过关键曲线c的自由端创建关键曲线c的垂线为成形曲线e；通过关键曲线d的自由端创建关键曲线d的垂线为成形曲线g；其中成形曲线e从外形叶盆曲线段伸出叶身外形截面线，所有截面上的成形曲线e长度均相等，成形曲线g与叶身外形截面线不想交；成形曲线e和成形曲线g不相交；

步骤2.4：连接成形曲线e的自由端与成形曲线g的自由端，得到闭合曲线f；其中闭合曲线f与叶身外形截面线不相交；

步骤3：对尾缘劈缝异形截面线中的关键曲线c和关键曲线d分别进行N等分离散；过所有关键曲线c上对应的离散点分别对应插值构造出N+1条空间曲线，形成第一交叉曲线集；过所有关键曲线d上对应的离散点分别对应插值构造出N+1条空间曲线，形成第二交叉曲线集；

步骤4：使用关键曲线c以及第一交叉曲线集，通过蒙皮法创建关键曲面C；使用关键曲线d以及第二交叉曲线集，通过蒙皮法创建关键曲面D；

步骤5：过所有半径线a，采用双三次插值得到边界曲面A；过所有半径线b，采用双三次插值得到边界曲面B；过所有成形曲线e，采用双三次插值得到边界曲面E；过所有成形曲线g，采用双三次插值得到边界曲面G；过所有闭合曲线f，采用双三次插值得到边界曲面F；

步骤6：取叶身顶部截面中的尾缘劈缝异形截面线为边界条件，建立上边界曲面，取叶身底部截面中的尾缘劈缝异形截面线为边界条件，建立下边界曲面；

步骤7：由关键曲面C、关键曲面D、边界曲面A、边界曲面B、边界曲面E、边界曲面G、边界曲面F、上边界曲面和下边界曲面，将尾缘劈缝片体拓扑连接成实体，得到完整的尾缘劈缝原始实体特征；

步骤8：根据尾缘劈缝个数、尾缘劈缝起始高度和尾缘劈缝间距创建基准平面，通过基准平面修建尾缘劈缝原始实体，得到尾缘劈缝实体特征；将尾缘劈缝实体特征与叶身内形实体进行布尔并操作，再与叶身外形实体进行布尔差操作，得到最终的尾缘劈缝特征。

有益效果

本发明的有益效果是，通过上述方法得到的尾缘劈缝既可以满足几何连续性的要求，又可以实现叶片设计下游进行更改，同时基于参数化设计，尾缘劈缝几何连续的精度可以调节，即在尾缘劈缝和叶身内形连接处在误差范围内达到G1连续，提高了叶身整体的冷却效果，同时使得尾缘劈缝设计和叶身内形设计相脱离，不会受到其它特征的影响。这使得本方法更加有利于应用于工程设计领域。

附图说明

图1是导入的叶身内形截面线、叶身外形截面线

图2是叶身外形截面线、叶身内形截面线各部分

图3是在截面处生成尾缘劈缝的截面曲线

图4是离散c、d直线，并插值构造交叉曲线集I，II。

图5是蒙皮法生成尾缘劈缝的边界曲面C、边界曲面D。

图6是双三次插值法得到尾缘劈缝的其余纵向边界曲面

图7是边界控制法得到尾缘劈缝的上下边界曲面

图8是缝合得到尾缘劈缝的原始实体特征O

图9是修剪后得到尾缘劈缝的实体特征W

图10是得到尾缘劈缝的特征Q

图号说明：

1-叶身外形截面线；2-叶身内形截面线；3-外形叶盆曲线；4-内形叶盆曲线；5-内形叶盆曲线与内形尾缘圆弧切点；6-内形尾缘圆弧；7-内形叶背曲线与内形尾缘圆弧切点；8-内形叶背曲线；9-外形叶背曲线

a-尾缘半径线a；b-尾缘半径线b；c-关键直线c；d-关键直线d；e-成形直线e；g-成形直线g；f-闭合直线f。

A-边界曲面A；B-边界曲面B；C-关键曲面C；D-关键曲面D；E-边界曲面E；F-边界曲面F；T-上边界曲面

I-第一交叉曲线集I；II-第二交叉曲线集II；

O-尾缘劈缝原始实体；N-叶身内形实体；W-尾缘劈缝实体；Q-尾缘劈缝特征。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

本实施例中的三维造型软件环境为NX7.5软件，具体的设计过程为：

步骤1：向三维造型软件中导入叶身模型，叶身模型由叶身外形实体模型与叶身内形实体模型组成，叶身截面由叶身内形截面线2和叶身外形截面线1组成，其中叶身内形截面线分为内形叶盆曲线4、内形叶背曲线8、内形前缘曲线和内形尾缘曲线6四段；叶身外形截面线分为外形叶盆曲线3、外形叶背曲线9、外形前缘曲线和外形尾缘曲线四段；如图1和图2所示。

步骤2：在每个截面上都创建尾缘劈缝异形截面线，所述尾缘劈缝异形截面线由七条直线段首尾顺序相接封闭而成，如图3所示，七条直线段的创建步骤如下：

步骤2.1：将内形尾缘曲线圆心与内形尾缘曲线两端点分别连接，形成半径线a和半径线b；内形尾缘曲线两端点即为内形叶盆曲线与内形尾缘圆弧切点5和内形叶背曲线与内形尾缘圆弧切点7；

步骤2.2：过内形尾缘曲线两端点分别建立与内形叶盆曲线以及与内形叶背曲线相切的直线段，其中与半径线a相连且与内形叶盆曲线相切的直线段为关键曲线c，与半径线b相连且与内形叶背曲线相切的直线段为关键曲线d；其中关键曲线d从外形尾缘曲线段伸出叶身外形截面线，所有截面上的关键曲线c长度均相等，关键曲线c和关键曲线d不相交，若关键曲线c、d相交，说明关键曲线c过长，则缩短关键曲线c的长度；

步骤2.3：过关键曲线c的自由端创建关键曲线c的垂线为成形曲线e；通过关键曲线d的自由端创建关键曲线d的垂线为成形曲线g；其中成形曲线e从外形叶盆曲线段伸出叶身外形截面线，所有截面上的成形曲线e长度均相等，成形曲线g与叶身外形截面线不想交；成形曲线e和成形曲线g不相交，若成形曲线e和成形曲线g相交，则增大关键曲线d的长度；

步骤2.4：连接成形曲线e的自由端与成形曲线g的自由端，得到闭合曲线f；其中闭合曲线f与叶身外形截面线不相交，若相交，则说明成形曲线g的长度过小，需增大成形曲线g的长度。

步骤3：对尾缘劈缝异形截面线中的关键曲线c和关键曲线d分别进行N等分离散；过所有关键曲线c上对应的离散点分别对应插值构造出N+1条空间曲线，形成第一交叉曲线集；过所有关键曲线d上对应的离散点分别对应插值构造出N+1条空间曲线，形成第二交叉曲线集；如图4所示，其中过内形叶盆曲线与内形尾缘圆弧切点的交叉曲线在叶身内形表面上。

步骤4：使用关键曲线c以及第一交叉曲线集，通过蒙皮法创建关键曲面C；使用关键曲线d以及第二交叉曲线集，通过蒙皮法创建关键曲面D；关键曲面C以及关键曲面D与叶身内形表面G1连续，如图5所示。

步骤5：过所有半径线a，采用双三次插值得到边界曲面A；过所有半径线b，采用双三次插值得到边界曲面B；过所有成形曲线e，采用双三次插值得到边界曲面E；过所有成形曲线g，采用双三次插值得到边界曲面G；过所有闭合曲线f，采用双三次插值得到边界曲面F；如图6所示。

步骤6：取叶身顶部截面中的尾缘劈缝异形截面线为边界条件，建立上边界曲面，取叶身底部截面中的尾缘劈缝异形截面线为边界条件，建立下边界曲面；如图7所示。

步骤7：由关键曲面C、关键曲面D、边界曲面A、边界曲面B、边界曲面E、边界曲面G、边界曲面F、上边界曲面和下边界曲面，将尾缘劈缝片体拓扑连接成实体，得到完整的尾缘劈缝原始实体特征；如图8所示。

步骤8：根据尾缘劈缝个数、尾缘劈缝起始高度和尾缘劈缝间距创建基准平面，通过基准平面修建尾缘劈缝原始实体，得到尾缘劈缝实体特征；如图9所示。将尾缘劈缝实体特征与叶身内形实体进行布尔并操作，再与叶身外形实体进行布尔差操作，得到最终的尾缘劈缝特征，如图10所示。

Claims (1)

1.一种气冷叶片尾缘劈缝参数化设计方法，其特征在于：采用以下步骤：

步骤1：向三维造型软件中导入叶身模型，叶身模型由叶身外形实体模型与叶身内形实体模型组成，叶身截面由叶身内形截面线和叶身外形截面线组成，其中叶身内形截面线分为内形叶盆曲线、内形叶背曲线、内形前缘曲线和内形尾缘曲线四段；叶身外形截面线分为外形叶盆曲线、外形叶背曲线、外形前缘曲线和外形尾缘曲线四段；

步骤2：在每个截面上都创建尾缘劈缝异形截面线，所述尾缘劈缝异形截面线由七条直线段首尾顺序相接封闭而成，七条直线段的创建步骤如下：

步骤2.1：将内形尾缘曲线圆心与内形尾缘曲线两端点分别连接，形成半径线a和半径线b；

步骤2.2：过内形尾缘曲线两端点分别建立与内形叶盆曲线以及与内形叶背曲线相切的直线段，其中与半径线a相连且与内形叶盆曲线相切的直线段为关键曲线c，与半径线b相连且与内形叶背曲线相切的直线段为关键曲线d；其中关键曲线d从外形尾缘曲线段伸出叶身外形截面线，所有截面上的关键曲线c长度均相等，关键曲线c和关键曲线d不相交；

步骤2.3：过关键曲线c的自由端创建关键曲线c的垂线为成形曲线e；通过关键曲线d的自由端创建关键曲线d的垂线为成形曲线g；其中成形曲线e从外形叶盆曲线段伸出叶身外形截面线，所有截面上的成形曲线e长度均相等，成形曲线g与叶身外形截面线不相交；成形曲线e和成形曲线g不相交；

步骤2.4：连接成形曲线e的自由端与成形曲线g的自由端，得到闭合曲线f；其中闭合曲线f与叶身外形截面线不相交；

步骤3：对尾缘劈缝异形截面线中的关键曲线c和关键曲线d分别进行N等分离散；过所有关键曲线c上对应的离散点分别对应插值构造出N+1条空间曲线，形成第一交叉曲线集；过所有关键曲线d上对应的离散点分别对应插值构造出N+1条空间曲线，形成第二交叉曲线集；

步骤4：使用关键曲线c以及第一交叉曲线集，通过蒙皮法创建关键曲面C；使用关键曲线d以及第二交叉曲线集，通过蒙皮法创建关键曲面D；

步骤5：过所有半径线a，采用双三次插值得到边界曲面A；过所有半径线b，采用双三次插值得到边界曲面B；过所有成形曲线e，采用双三次插值得到边界曲面E；过所有成形曲线g，采用双三次插值得到边界曲面G；过所有闭合曲线f，采用双三次插值得到边界曲面F；

步骤6：取叶身顶部截面中的尾缘劈缝异形截面线为边界条件，建立上边界曲面，取叶身底部截面中的尾缘劈缝异形截面线为边界条件，建立下边界曲面；

步骤7：由关键曲面C、关键曲面D、边界曲面A、边界曲面B、边界曲面E、边界曲面G、边界曲面F、上边界曲面和下边界曲面，将尾缘劈缝片体拓扑连接成实体，得到完整的尾缘劈缝原始实体特征；

步骤8：根据尾缘劈缝个数、尾缘劈缝起始高度和尾缘劈缝间距创建基准平面，通过基准平面修建尾缘劈缝原始实体，得到尾缘劈缝实体特征；将尾缘劈缝实体特征与叶身内形实体进行布尔并操作，再与叶身外形实体进行布尔差操作，得到最终的尾缘劈缝特征。