CN104598684A - 一种气膜孔参数化造型方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种气膜孔参数化造型方法，将气膜孔的定位与叶身外型自由曲面截交线相关联，通过等弧长百分比、等间距的分布方式实现了气膜孔中心在外型面上的准确定位，满足了涡轮叶片设计要求，减小了气膜孔在外型面上的定位误差，增强了冷却效果，而且本方法对三维软件平台没有限制，可以运用此方法在多种软件平台上进行气膜孔参数化建模。

Description

一种气膜孔参数化造型方法

技术领域

本发明涉及涡轮叶片气膜孔参数化建模领域，尤其是涉及一种气膜孔参数化造型方法，用于气膜孔中心在叶身外型自由曲面上的定位及排列。

背景技术

航空发动机空心涡轮叶片的冷却是航空发动机涡轮安全有效运转的重要内容，涡轮叶片外部冷却即为气膜冷却，主要包括前缘气膜冷却、叶盆和叶背气膜冷却，由各对应位置的单排或多排气膜冷却孔来实现。构建气膜孔的相关信息，如：气膜孔中心轴线在外型面的定位、排列、矢量方向、与内部结构的干涉检查以及模型可修改性是影响气模孔设计效率的关键问题，而且根据冷却效果的仿真分析，需经常对气膜孔进行位置、方向、个数、直径等参数的修改。由于气膜孔在自由曲面上定位，其排列方式与曲面上的曲线关联，且受空心叶片隔板、横向肋干涉的影响，因此造成精确定位困难，计算繁琐，修改性差，设计效率低。气模孔建模的难点是：气模孔定位是在叶身外型自由曲面上，而一般建模系统只支持平面上打孔特征，因此难以直接使用孔特征进行参数化定位和修改；气模孔分布和精确定位是按照自由曲线弧长而不是线性定位。

现有方法中，一种方法是在叶身外型面上确定气膜孔起始点，过起始点做一矢量，作为气膜孔的排列方向，在该矢量方向上给出等间距分布的气膜孔中心。这种方法的缺陷是：直线上分布的等间距气膜孔中心，投影到叶身外型自由曲面上后，分布不均匀，造成较大的定位误差，会影响气模孔的冷却效果。

另一种气膜孔中心的定位方法是先求得已知轨迹曲线在叶身外型自由曲面上的投影曲线，然后在投影曲线上通过等间距排列来实现气膜孔的定位。虽然这种方式解决了气膜孔通过直线矢量定位造成的投影在叶身外型面上后分布不均匀的问题，但定位点和定位轨迹曲线与叶身外型截面线并没有任何关联，并没有完成气膜孔的准确定位，从而导致气膜冷却效率差,很难满足发动机冷却性能要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的气膜孔在外型面上的定位误差较大，冷却效率差的不足，提出一种气膜孔参数化造型方法，用于气膜孔中心在叶身外型自由曲面上的定位及排列,将气膜孔的定位与自由曲线相关联，通过等弧长百分比、等间距的分布方式实现气膜孔中心在叶身外型自由曲面上的定位，减小了气膜孔的定位误差，增强了冷却效果，且易于参数化修改,可满足涡轮叶片建模要求。气膜孔类型分为横排和竖排，每排由一组或多组构成，同一排气膜孔中心，对应弧长百分比相等。竖排指沿Z轴方向的气膜孔排列方式，横排指垂直于Z轴向方向的气膜孔排列方式，所述Z轴指沿叶身展向的坐标轴方向，Z轴垂直于叶身外型截面。

本发明的技术方案为：

所述一种气膜孔参数化造型方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：建立叶片三维模型，包括叶身内型和叶身外型；其中叶身外型每一截面上，截面线由四段曲线组成：前缘截面线、叶盆截面线、后缘截面线、叶背截面线；由前缘截面线组和叶盆截面线组生成叶盆曲面，由前缘截面线组和叶背截面线组生成叶背曲面；采用双管道法生成叶身外型中弧面，并得到叶身外型中弧面与叶盆曲面的交线；

步骤2：采用以下步骤分别造型横排和竖排在叶身外型面上的叶盆气膜孔中心：

竖排在叶身外型面上的叶盆气膜孔中心采用以下方式造型：

步骤2.1：从给定的起始Z向坐标开始，生成N1张垂直于Z轴的基准平面，基准平面间的间距为D1，N1张垂直于Z轴的基准平面组成基准平面组；所述Z轴指沿叶身展向的坐标轴；并得到基准平面组与叶盆曲面的交线组成的叶盆截交线组；

步骤2.2：计算叶盆截交线组中每一条截交线的长度S_i，i＝1，2…N1；

步骤2.3：由叶盆截交线组与步骤1中的交线得到交点组，交点将叶盆截交线分成长短不一的两段，保留叶盆截交线中较长的一段，并计算叶盆截交线中较长的一段的长度；

步骤2.4：根据给定的气膜孔中心分布的弧长百分比，以及步骤2.3得到的叶盆截交线中较长的一段的长度，从交点组中的每一个交点开始，计算保留的叶盆截交线组中每一条截交线上的气膜孔中心位置，得到分布在叶身外型面上的竖排气膜孔中心集；

横排在叶身外型面上的叶盆气膜孔中心采用以下方式造型：

步骤2.5：根据给定的Z向坐标，生成垂直于Z轴的基准平面；并得到基准平面与叶盆曲面相交的叶盆截交线；

步骤2.6：计算叶盆截交线的长度S；

步骤2.7：叶盆截交线与步骤1中的交线产生交点，交点将叶盆截交线分成长短不一的两段，保留叶盆截交线中较长的一段，并计算叶盆截交线中较长的一段的长度；

步骤2.8：根据给定的气膜孔中心分布的弧长百分比，以及步骤2.8得到的叶盆截交线中较长的一段的长度，从步骤2.7中的交点开始，计算保留的叶盆截交线上的第一个气膜孔中心位置；

步骤2.9：根据给定的横排气膜孔数量N’、横排气膜孔间距D’，将第一个气膜孔中心沿保留的叶盆截交线向后缘方向移动弧长D’，移动N’-1次，得到的点集为分布在叶身外型面上的横排气膜孔中心集；

步骤3：生成气膜孔：

步骤3.1：由气膜孔中心轴线在坐标系XOY面上的投影与X轴夹角，以及气膜孔中心轴线与Z轴夹角确定气膜孔中心轴线方向；

步骤3.2：沿气膜孔中心轴线将分布在叶身外型面上的气膜孔中心平移设定的距离，得到生成气膜柱体所需的圆心坐标，并给定气膜孔直径，以圆心坐标做垂直于气膜孔中心轴线的圆；

步骤3.3：将步骤3.2得到的圆以叶身内型面为终止面进行拉伸，得到气膜柱体，并执行两次布尔减运算，完成气膜孔的造型；第一次布尔减运算指是叶身内型与叶身外型作布尔减运算，第二次是第一次布尔减运算得到的结果与气膜柱体作布尔减运算。

有益效果

本发明的有益效果是，将气膜孔的定位与叶身外型自由曲面截交线相关联，通过等弧长百分比、等间距的分布方式实现了气膜孔中心在外型面上的准确定位，满足了涡轮叶片设计要求，减小了气膜孔在外型面上的定位误差，增强了冷却效果，而且本方法对三维软件平台没有限制，可以运用此方法在多种软件平台上进行气膜孔参数化建模。

附图说明

图1叶身外型；

图中1-前缘截面线、2-叶盆截面线、3-后缘截面线、4-叶背截面线、5-叶身外型。

图2叶盆曲面；

图中6-叶盆曲面。

图3叶背曲面；

图中7-叶背曲面。

图4叶身外型中弧面与叶盆曲面的交线；

图中6-叶盆曲面，8-叶身外型中弧面，9-中弧面与叶盆曲面的交线。

图5垂直于Z轴的基准面组；

图中10-基准面组。

图6基准面组与叶盆曲面产生的截交线组；

图中6-叶盆曲面，9-中弧面与叶盆曲面的交线，11-基准面组与叶盆曲面产生的截交线组。

图7第一排第一组气膜孔中心；

图中9-中弧面与叶盆曲面的交线，12-保留的截交线组，13-交线9与截交线组11产生的交点组，14-第一排第一组气膜孔中心，15-第一排第一组最后一个气膜孔中心。

图8第一排第二组气膜孔中心；

图中14-第一排第一组气膜孔中心，16-第一排第二组气膜孔中心。

图9横排气膜孔中心；

图中9-中弧面与叶盆曲面的交线，17-交线9与叶盆截交线的交点，18-保留的截交线，19-横排第一个气膜孔中心，20-横排气膜孔中心。

图10带有竖排气膜孔的叶身；

图中5-叶身外型，21-叶身内型。

图11带有横排气膜孔的叶身。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

本实施例为某叶片叶盆气膜孔参数化造型设计过程，采用CAD软件设计环境为UG NX7.5软件。

本实施例中的气膜孔参数化造型方法将气膜孔中心的定位与叶身外型自由曲面截交线相关联，以等弧长百分比、等间距的方式实现气膜孔中心在叶身外型自由曲面上的分布。以图1所示的叶身外型为例，具体步骤如下：

步骤1：建立叶片三维模型，包括叶身内型和叶身外型；其中叶身外型每一截面上，截面线由四段曲线组成：前缘截面线1、叶盆截面线2、后缘截面线3、叶背截面线4。为了方便建模，用通过曲线组生成曲面的方法，用前缘截面线组和叶盆截面线组生成叶盆曲面6，如图2所示、前缘截面线组和叶背截面线组生成叶背曲面7，如图3所示。运用双管道法生成叶身外型中弧面8，中弧面靠近前缘处沿切线方向适当延长，如图4所示，并得到叶身外型中弧面8与叶盆曲面的交线9，如图4所示。

步骤2：采用以下步骤分别造型横排和竖排在叶身外型面上的叶盆气膜孔中心：

竖排在叶身外型面上的叶盆气膜孔中心采用以下方式造型：

第一排第一组气膜孔中心：

步骤2.1：从给定的起始Z向坐标开始，生成N1张垂直于Z轴的基准平面，基准平面间的间距为D1，N1张垂直于Z轴的基准平面组成基准平面组，如图5为所得基准平面组10；所述Z轴指沿叶身展向的坐标轴；并得到基准平面组与叶盆曲面的交线组成的叶盆截交线组11，如图6所述；本实施例中N1＝6，D1＝2mm。

步骤2.2：计算叶盆截交线组11中每一条截交线的长度S_i，i＝1，2…N1。

步骤2.3：由叶盆截交线组与步骤1中的交线得到交点组13，如图7所示，每一个交点将所在截交线分为长短不一的两段，保留叶盆截交线中较长的一段12，并计算叶盆截交线中较长的一段的长度。

步骤2.4：根据给定的气膜孔中心分布的弧长百分比，以及步骤2.3得到的叶盆截交线中较长的一段的长度，从交点组13中的每一个交点开始，计算保留的叶盆截交线组中每一条截交线上的气膜孔中心位置，得到分布在叶身外型面上的竖排分布的第一排第一组气膜孔中心14。

如果需要创建第一排第二组气膜孔中心，造型如下：

将第一组的最后一个气膜孔中心15作为第二组气膜孔的起始参考点，如图7所示。给定气膜孔沿Z轴正向的间距D2、数量N2，本实施例中D2＝3mm、N2＝3。从距气膜孔中心15的Z轴正向距离为D2的位置开始做垂直于Z轴的基准平面N2张，基准平面间的间距为D2。然后根据步骤2.1至步骤2.4得到分布在叶身外型面上的竖排分布的第一排第二组气膜孔中心16，如图8所示。

横排在叶身外型面上的叶盆气膜孔中心采用以下方式造型：

步骤2.5：根据给定的Z向坐标，生成垂直于Z轴的基准平面；并得到基准平面与叶盆曲面6相交的叶盆截交线。

步骤2.6：计算叶盆截交线的长度S。

步骤2.7：叶盆截交线与步骤1中的交线9产生交点17，交点17将叶盆截交线分成长短不一的两段，保留叶盆截交线中较长的一段18，并计算叶盆截交线中较长的一段的长度。

步骤2.8：根据给定的气膜孔中心分布的弧长百分比，以及步骤2.8得到的叶盆截交线中较长的一段的长度，从步骤2.7中的交点17开始，计算保留的叶盆截交线18上的第一个气膜孔中心位置19，如图9所示。

步骤2.9：根据给定的横排气膜孔数量N’、横排气膜孔间距D’，将第一个气膜孔中心19沿保留的叶盆截交线18向后缘方向移动弧长D’，移动N’-1次，得到的点集为分布在叶身外型面上的横排气膜孔中心20，如图9所示。

步骤3：生成气膜孔：

步骤3.1：由气膜孔中心轴线在坐标系XOY面上的投影与X轴夹角，以及气膜孔中心轴线与Z轴夹角确定气膜孔中心轴线方向；

步骤3.2：沿气膜孔中心轴线将分布在叶身外型面上的气膜孔中心平移设定的距离，得到生成气膜柱体所需的圆心坐标，并给定气膜孔直径，以圆心坐标做垂直于气膜孔中心轴线的圆；

步骤3.3：将步骤3.2得到的圆以叶身内型面为终止面进行拉伸，得到气膜柱体，并执行两次布尔减运算，完成气膜孔的造型；第一次布尔减运算指是叶身内型与叶身外型作布尔减运算，第二次是第一次布尔减运算得到的结果与气膜柱体作布尔减运算，如图10、11所示。

Claims (1)

1.一种气膜孔参数化造型方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：建立叶片三维模型，包括叶身内型和叶身外型；其中叶身外型每一截面上，截面线由四段曲线组成：前缘截面线、叶盆截面线、后缘截面线、叶背截面线；由前缘截面线组和叶盆截面线组生成叶盆曲面，由前缘截面线组和叶背截面线组生成叶背曲面；采用双管道法生成叶身外型中弧面，并得到叶身外型中弧面与叶盆曲面的交线；

步骤2：采用以下步骤分别造型横排和竖排在叶身外型面上的叶盆气膜孔中心：

竖排在叶身外型面上的叶盆气膜孔中心采用以下方式造型：

步骤2.1：从给定的起始Z向坐标开始，生成N1张垂直于Z轴的基准平面，基准平面间的间距为D1，N1张垂直于Z轴的基准平面组成基准平面组；所述Z轴指沿叶身展向的坐标轴；并得到基准平面组与叶盆曲面的交线组成的叶盆截交线组；

步骤2.2：计算叶盆截交线组中每一条截交线的长度S_i，i＝1，2…N1；

步骤2.3：由叶盆截交线组与步骤1中的交线得到交点组，交点将叶盆截交线分成长短不一的两段，保留叶盆截交线中较长的一段，并计算叶盆截交线中较长的一段的长度；

步骤2.4：根据给定的气膜孔中心分布的弧长百分比，以及步骤2.3得到的叶盆截交线中较长的一段的长度，从交点组中的每一个交点开始，计算保留的叶盆截交线组中每一条截交线上的气膜孔中心位置，得到分布在叶身外型面上的竖排气膜孔中心集；

横排在叶身外型面上的叶盆气膜孔中心采用以下方式造型：

步骤2.5：根据给定的Z向坐标，生成垂直于Z轴的基准平面；并得到基准平面与叶盆曲面相交的叶盆截交线；

步骤2.6：计算叶盆截交线的长度S；

步骤2.7：叶盆截交线与步骤1中的交线产生交点，交点将叶盆截交线分成长短不一的两段，保留叶盆截交线中较长的一段，并计算叶盆截交线中较长的一段的长度；

步骤2.8：根据给定的气膜孔中心分布的弧长百分比，以及步骤2.8得到的叶盆截交线中较长的一段的长度，从步骤2.7中的交点开始，计算保留的叶盆截交线上的第一个气膜孔中心位置；

步骤2.9：根据给定的横排气膜孔数量N’、横排气膜孔间距D’，将第一个气膜孔中心沿保留的叶盆截交线向后缘方向移动弧长D’，移动N’-1次，得到的点集为分布在叶身外型面上的横排气膜孔中心集；

步骤3：生成气膜孔：

步骤3.1：由气膜孔中心轴线在坐标系XOY面上的投影与X轴夹角，以及气膜孔中心轴线与Z轴夹角确定气膜孔中心轴线方向；

步骤3.2：沿气膜孔中心轴线将分布在叶身外型面上的气膜孔中心平移设定的距离，得到生成气膜柱体所需的圆心坐标，并给定气膜孔直径，以圆心坐标做垂直于气膜孔中心轴线的圆；

步骤3.3：将步骤3.2得到的圆以叶身内型面为终止面进行拉伸，得到气膜柱体，并执行两次布尔减运算，完成气膜孔的造型；第一次布尔减运算指是叶身内型与叶身外型作布尔减运算，第二次是第一次布尔减运算得到的结果与气膜柱体作布尔减运算。