CN106471216B - 用于对叶片的陷槽部进行建模的方法 - Google Patents

用于对叶片的陷槽部进行建模的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于对叶片(1)的陷槽部(2)的至少一部分进行建模的方法，其特征在于，该方法包括由用于对系统(10)的数据进行处理的装置(11)来实施以下步骤：(a)将表示所述陷槽部部分(2)的体积(V)参数化为一组分块(20)，该一组分块从叶片(1)的横向基准表面(S)延伸，并且每个分块(20)：与从多个基本表面(Si)中选择的基本表面(Si)相关联，该多个基本表面(Si)形成所述横向基准表面(S)的至少一部分的分区；以及，由相对于所述基准表面(S)的分块高度来限定；(b)根据给定的空气动力学和/或热学准则确定分块高度的优化值；(c)在所述设备(10)的界面(13)上重现由此确定的值。

Description

用于对叶片的陷槽部进行建模的方法
技术领域
本发明涉及计算机辅助设计。
更准确地，本发明涉及一种用于对叶片的顶部的陷槽部进行建模的方法。
背景技术
外围具有多个叶片且在涡轮发动机内旋转的的圆盘被称为叶轮。如图1a中所示，每个叶片1的与包围叶轮的壳体之间存在间隙，以使得叶轮能够相对于壳体进行相对旋转。
由于叶片的下表面和上表面之间的压力差以及叶轮的运动，在该间隙处出现泄漏流。该泄漏流是许多空气动力和气动热问题的起因。泄漏流特别地在上表面产生涡流，该涡流能够在通道内消散(见图1b，由于涡轮机的通道发散)、通常被称为“间隙涡流”。由于在泄漏流位于壁附近时热流体的速度在尖端处局部增大，所以热传递由于强制对流而增加。
间隙越小，叶轮的效率越高，这是由于降低了泄漏流速率。然而，必须保持非零间隙，以避免叶片的顶部与壳体的壁发生摩擦。
事实上，摩擦的强度导致叶片组件的顶部及壳体的温度增加，在不考虑与高速旋转的元件有关的机械问题(接触)的情况下，这加速了叶片组件及壳体的磨损。这对叶片和壳体的使用寿命具有即时的影响。
因此，为了限制由于摩擦而引起的上述问题，在叶片组件的顶部安装了“陷槽部2”。图2a中示出了陷槽部(baignoire)的一个示例。陷槽部指的是是从叶片的顶部延伸、有很小高度(几毫米)并且有可能比较具有复杂的形状的开放式腔。
目的在于减小叶片端部的表面积，从而容许接触同时减小摩擦。计算陷槽部的高度以使得能够将磨损计入叶片的整个操作寿命。
此外，研究表明，上述技术能够特别地通过影响泄漏涡流和通道涡流以获得更好的空气动力性能。具有高度演化的形状的陷槽部2被提出来。人们可以引用专利EP1748153，其中提出了如图2b所示的陷槽部(限定了闭合式腔2a和开放式腔2b)。
希望进一步改进陷槽部的几何形状以进一步减小空气动力损耗以及磨损，尤其是热损耗和机械损耗，并因此改善涡轮发动机的性能(提高效率、延长使用寿命，改善机械行为、减少燃料消耗等等)。
已知有许多用于对叶片或其它航空部件进行建模的计算机工具，该计算机工具能够有助于通过自动优化某些特性来设计这些部件。原理是确定部件的最优几何空气动力学规律；换言之，在给定环境中，通过执行大量的仿真计算来确定对沿部件的一部分的物理量的值(诸如效率或压力上升)进行描述的一个或多个曲线。
这些工具适用于总体几何形状(例如腔的数量、开口的数量、存在小翼、导流片等等)得到限定的陷槽部。换言之，对拓扑结构的提前了解是必要的，在没有大大增加所利用的计算能力的情况下，该拓扑结构大体上限制了可以获得的陷槽部几何形状的创新性。
因此，仍然很难对陷槽部进行改进，因而仅有少量的拓扑结构得到开发。
因此，希望找到一种新的方法来对叶片陷槽部进行建模，该方法使得能够大幅改善陷槽部的空气动力性能，同时就计算机资源的使用而言比较经济。
发明内容
根据第一方面，本发明提出了一种用于对叶片的陷槽部的至少一部分进行建模的方法，其特征在于，该方法包括由一设备的数据处理装置来执行以下步骤：
(a)将体积参数化为一组分块，该体积表示所述陷槽部部分，该一组分块沿叶片的横向基准表面延伸，叶片物理地包括分块，并且每个分块：
-与从多个基本表面中选择的基本表面相关联，该多个基本表面形成所述横向基准表面的至少一部分的分区；以及
-由相对于所述基准表面的分块高度来限定；
(b)根据给定的空气动力学和/或热学准则，确定所述分块高度的优化值；
(c)在所述设备的表面上输出由此确定的值。
根据其它有利而非限制性特征：
·在步骤(b)中根据给定的空气动力学准则确定的优化值是分块的使得所述陷槽部(2)处的空气动力损耗和/或热冲击最小的高度值；
·基本表面的数量介于3和1000之间、优选地介于20和300之间；
·基本表面基于给定的网格划分形成所述横向基准表面的分区；
·每个分块是将基本表面作为底的柱形元件，每个分块与该基本表面相关联；
·每个分块相对于所述基准表面的高度小于最大参考高度，该最大参考高度取决于叶片的高度；
·所述最大参考高度小于叶片高度的25％、优选地介于叶片高度的1％和7％之间；
·所述最大参考高度使分块中的大多数的优化分块高度值为零；
·步骤(b)包括融合至少两个相连接的基本表面，针对与所融合的基本表面相关联的分块确定公共优化分块高度值；
·步骤(c)包括将确定为具有非零的优化分块高度值的且相关联的基本表面相连接的分块融合为成块群，将该块的边缘平滑化。
根据第二方面、然后根据第三方面，本发明涉及一种用于制造涡轮发动机的叶片的方法，该方法包括以下步骤：
-应用根据第一方面的方法，以对叶片的陷槽部的至少一部分进行建模；
-按照所获得的陷槽部的至少一部分的建模，制造所述叶片；
以及，涉及一种叶轮，包括通过根据第二方面的方法获得的多个叶片。
根据第四方面，本发明涉及一种用于对叶片的陷槽部的至少一部分进行建模的设备，其特征在于，所述设备包括数据处理装置，该数据处理装置配置成实现：
-参数化模块，用于将体积参数化为一组分块，该体积表示所述陷槽部部分，该一组分块从叶片的横向基准表面延伸，叶片物理地包括分块，并且每个分块：
-与从多个基本表面中选择的基本表面相关联，该多个基本表面形成所述横向基准表面的至少一部分的分区；以及
-由相对于所述基准表面的分块高度来限定；
-确定模块，用于根据给定的空气动力学和/或热学准则确定分块高度的优化值；
-输出模块，用于在所述设备的界面上输出所确定的值。
根据第五方面和第六方面，本发明分别涉及一种计算机程序产品，包括代码指令，该代码指令用于执行根据本发明的第一方面的用于对叶片的陷槽部的至少一部分进行建模的方法；以及一种存储装置，可由计算机设备读取，在该存储装置上，计算机程序产品包括代码指令，该代码指令用于执行根据本发明的第一方面的用于对叶片的陷槽部的至少一部分进行建模的方法。
附图说明
通过阅读按照优选的实施例作出的说明，本发明的其它特征及优点将变得明显。将参照附图给出该说明，在附图中：
-图1a如前所述示出了涡轮发动机的叶轮叶片；
-图1b如前所述示出了叶片的顶部出现的流动；
-图2a-2b如前所述示出了已知的陷槽部；
-图3示出了通过根据本发明的方法进行建模的陷槽部；
-图4示出了应用根据本发明的方法的系统；
-图5a-5c示出了在根据本发明的方法中使用的基准表面的网格划分的三个示例；
-图6a-6d示出了获得叶片顶部的最终几何形状的四个连续步骤。
具体实施方式
分块建模
本方法是用于对叶片1的至少一个陷槽部2部分进行建模的方法。在本说明书的下文中，将使用对一个完整陷槽部进行建模的示例。
本方法最初提出不将陷槽部表示为在叶片1的端部处的空腔(即去除材料)，而是表示为在叶片1的端部处的凸起(即添加材料)，该凸起包括体积(在立体情况下)V。
更准确地，参照图3，叶片1的顶部被离散成特定数量的高度变化的“块”(之后将更详细地进行描述)。
在陷槽部2的设计期间，由图4中示出的类型的计算机设备10对陷槽部部分2建模。该计算机设备10包括数据处理装置11(一个或多个处理器)、数据存储装置12(例如一个或多个硬盘)和界面装置13(由诸如键盘和鼠标、或触摸界面之类的输入装置和诸如用于显示结果的屏幕之类的数据输出装置组成)。有利地，设备10为超级计算机，但是应该理解的是，完全有可能在各种平台上实施。
根据空气动力学和/或热学准则来执行优化。换言之，仅空气动力学准则、仅热学准则、或者两者的组合可能比较合适。
空气动力学准则指的是与运动叶片1的性能、特别是使陷槽部2处的空气动力损耗最小化相关的准则。应该理解的是，可以选择其它空气动力学准则，通过示例，人们可以尝试使空气动力效率最大化等等。
热学准则指的是与叶片1在高温下的机械行为、特别是使热冲击最小化(即，在温度上升的影响下对陷槽部2的损毁)相关的准则。事实上，希望例如使用有利于热耗散或热均匀性的几何形状来限制由叶片1在高温下的氧化导致的磨损。需要牢记于心的是，撞击一高压涡轮叶片的气流大约为1500℃。在该温度下，如果未对热冲击进行控制，则叶片可能非常快速地劣化。并且在该情况中，即使执行了最佳的空气动力优化，相关的良好性能也不会持续并且会有出现技术故障的风险(损坏叶片内部的通风回路)。
参数化
有必要将希望进行优化的陷槽部2参数化，即，使其作为输入参数N的函数。然后，优化包括在约束下改变这些不同的参数，直到针对预先确定的准则(尤其是空气动力损耗)确定出这些参数的最优值，从而确定“准则”。然后，通过根据所确定的交叉点进行内插来获得“平滑”的几何形状。
必要的计算次数则与问题的输入参数的数量直接(线性地或指数地)关联。
希望使用大量的参数以提高建模的质量(这是设计叶片的主要问题)，但是该方法很快受到了当前的处理器的资源容量的限制。
即便是使用昂贵的超级计算机，用于建模所需的时间也是相当大的。
应该注意的另一问题是，在大量参数存在的情况下，出现了以下问题：事实上，所确定的规律需要满足太多的交叉点，并且所获得的第一几何形状异常地“起伏”并且在该第一几何形状的当前状态不可用。这些几何形状需要重新进行制作直到他们足够平滑，这进一步增加了获得结果所需的时间。
正如将看到的，本方法使得对陷槽部2的任何几何形状(包括之前从未开发过的几何形状)都能够具有优异的建模质量，这使得能够采用有限数量的参数来获得空气动力损耗的显著降低。
在操作员的控制下由数据处理装置11来实施的一步骤(a)中，将(之前提到的)表示所述陷槽部部分2的体积V参数化为一组分块20，该组分块20从叶片1的横向基准表面S延伸。
基准表面S有利地与(在添加陷槽部2之前)由叶片的顶部形成的表面对应。该基准表面特别地组成了叶片1的剖面，该剖面优选地在与叶片1的堆叠轴线正交的平面中延伸。如在图3中可以看出，表面S与陷槽部2和叶片1的其余部分之间的边界对应。
理解“分块”20物理地构成陷槽部2是很重要的，并且在该情况下，“分块”20是叶片1的一部分。因此，体积V是叶片的体积的一部分。如果该方法用来对陷槽部2整体进行建模，则体积V和陷槽部重合(可能在平滑化操作内)。
每个分块20：
-与从多个基本表面Si中选择的一个基本表面Si相关联，该多个基本表面Si形成所述横向基准表面S的至少一部分的分区；以及
-由相对于所述基准表面S的分块高度来限定；
每个分块是有预先确定的底座(表面Si)并且有变化高度hi的立体。
因此，将陷槽部2(或陷槽部的一部分)参数化为分块高度值hi的N维矢量，其中，N为基本表面Si的数量，且hi为分块20相对于相关联的表面Si的高度。
在对陷槽部整体进行建模的情况中，基本表面形成整个基准表面S的分区。
基本表面Si可以通过遵循给出的表面S的网格划分来获得，图5a-5c示出了该网格划分的三种示例。在图5a中，网格划分为笛卡尔(基本表面Si为正方形或正方形片段)。在图5b中，网格划分遵循与叶片1的剖面的两个主要方向对应的两个角β1和β2。该网格划分与笛卡尔网格划分对应之处在于，标线不正交(基本表面S1为菱形或菱形片段)。在图5c中，网格划分是“混合”的，这意味着该网格划分在表面S的中心处为笛卡尔并且在表面S的边缘处遵循叶片的轮廓。
图6a(将作为以后开发的示例的基础)描述了有160个基本表面S1的网格划分的特别示例，该网格划分仅遵循叶片1的轮廓。该网格划分在使得能够精确地对传统的陷槽部的几何形状进行建模的方面特别有效。
然而，应该理解的是，本方法不限于基本表面Si的任何特定的分布，只要基本表面Si形成待建模的区域的分区就足够了，所有分区具有大致相等的面积。
基本表面Si的数量N与输入参数的数量对应(因为必须针对每个分块20确定最佳高度，并因此针对每个基本表面Si确定最佳高度)，并且为三个(下表面、上表面和底部)里面最小的，但优选地，基本表面Si的数量N非常大(表面Si越多，模型质量越好)。当前的计算机资源使得能够管理多达1000个表面Si，但是应该理解的是，为了合理利用计算机资源(限制优化参数的数量)，区间20-300是极好的结果(表面的相关离散化)。特别优选地大约为值200(示例中为160)。
每个分块20是根据叶片1的高度从基本表面Si升高高度hi的物理元件，该高度hi有利地介于0和最大参考高度e之间。该最大高度e在图3中可见，并且在叶片中限定了基准表面S的位置。所选择的高度e优选地应该等于陷槽部2的理想深度。这能够使最佳高度为0(即，相关联的表面Si与陷槽部的底部重合)的分块20的数量最大化，这降低了优化计算的复杂度。每个高度hi可以表达为e的分数(介于0和100％之间)。
一般地，将该高度e选择为小于叶片1的总高度的25％，并且优选地高度e介于叶片1的总高度的1％和7％之间(陷槽部足够深，同时将操作期间叶片上的磨损考虑在内)。
有利地，每个分块20是将相关联的基本表面Si作为底的柱形元件。“柱形”是在数学意义上采用的术语，并且指的是由沿闭合曲线(生成器)放置的恒定方向上的直线生成的表面以及由两个平行的平面(柱形的底)界定的任何立体。传统的直圆柱(称为圆柱体)仅是一个示例(还有平板、棱柱等等)。在本方法中，应该理解的是，每个分块20是有底Si(任何形状)的立体，以使沿平行于S的平面的任何截面等于Si。
该分块20的体积由公式hi×si给出(其中，si为基本表面Si的面积)。然后，体积V(即陷槽部2的体积)的总体积v为
优化和输出
根据第二步骤(b)，该方法包括由数据处理装置11确定分块的高度hi的优化值(并且可能的话为最优值)的步骤。该步骤是优化步骤。
本领域内的技术人员已经知道用于执行上述步骤的多种技术，并且人们能够例如在执行仿真以用于确定这些优化值(即，那些所选择的空气动力学和/或热学准则，例如能最大限度地减少间隙涡流)时，使选择的变化参数伪随机地改变。然而，本发明不限于这个可能性。
应该注意的是，可以执行预处理来限制参数的数量(使参数的数量小于N)，以进一步加速建模。
特别地，步骤(b)可以包括分块(20)的融合。该融合包括将相关联的基本表面Si连接的至少两个分块20进行整合，则针对这些分块20确定公共分块高度优化值。换言之，针对两个(或更多)相邻分块块20确定单个高度hi。可以使用遗传算法来确定该融合。
在最后的步骤(c)中，设备10的界面装置13例如通过显示体积V将确定的参数值输出以供使用，在该体积V中将这些参数设为这些优化值。
优选地，步骤(c)包括通过“块群”使分块平滑化。参照图6b，将确定为具有非零优化分块高度值(即，“高”的分块)和相关联的基本表面连接(即，具有至少一个公共顶部)的分块20融合成块群。
如图6c中可以看出，块的边缘被“软化”，以使构成该边缘的分块20形成缘部。如图6d中所示，由此起作用的体积V可以与其余的叶片1组合用于步骤(c)的输出。
可替换地，界面装置13可以仅显示最优高度值hi的数值。
制造方法及叶片
一旦对陷槽部2建模，则可以制造叶片1。可以自然地执行其它建模方法来对其余的叶片1建模。可以对多个叶片1进行组装以获得完整的叶轮。
因此提出了一种用于制造涡轮发动机的叶片的方法，该方法包括以下步骤：
-应用根据第一方面的方法，以对叶片1的陷槽部2的至少一部分进行建模；
-按照所获得的陷槽部的至少一部分的建模，制造所述部件；
由此获得的叶片(叶片的顶部具有按如上解释进行建模的演进的陷槽部)具有更高质量的几何形状、减小了间隙涡流和相关损耗。
在可能的制造方法中可以引用铸造、或直接制造(例如增材制造或粉末冶金)。
设备
用于应用对叶片1的陷槽部2的至少一部分进行建模的设备10(图4所示)包括数据处理装置11，该数据处理装置11配置成实现：
-参数化模块，用于将体积V参数化，该体积V表示陷槽部2部分，该一组分块20从叶片1的横向基准表面S延伸，叶片1物理地包括分块20，并且每个分块20：
-与从多个基本表面Si中选择的基本表面Si相关联，该多个基本表面Si形成所述横向表面S的至少一部分的分区；以及
-由相对于所述基准表面S的分块高度来限定；
-确定模块，用于根据给定的空气动力学和/或热学准则确定所述分块高度的优化值；
-输出模块，用于在所述设备10的界面13上输出所确定的值。
计算机程序产品
根据其它方面，本发明涉及一种计算机程序产品，包括代码指令，该代码指令用于(在数据处理装置11、尤其是设备10的数据处理装置上)执行根据本发明的第一方面的用于对叶片1的陷槽部2的至少一部分进行建模的方法，以及一种存储装置(例如该设备10的存储器12)，可由计算机设备读取，该计算机程序位于该存储装置上。

Claims (16)

1.一种用于对叶片(1)的陷槽部(2)的至少一部分进行建模的方法，其特征在于，所述方法包括由设备(10)的数据处理装置(11)来执行以下步骤：
(a)将体积(V)参数化为一组分块(20)，所述体积(V)表示所述陷槽部(2)部分，所述分块(20)从所述叶片(1)的横向基准表面(S)延伸，所述叶片(1)物理地包括所述分块(20)，并且每个分块(20)：
-与从多个基本表面(Si)中选择的基本表面(Si)相关联，所述多个基本表面(Si)形成所述横向基准表面(S)的至少一部分的分区；以及
-由相对于所述横向基准表面(S)的分块高度来限定；
(b)根据给定的空气动力学和/或热学准则，确定所述分块高度的优化值；
(c)在所述设备(10)的界面(13)上输出所确定的值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(b)中根据给定的空气动力学准则确定的所述优化值是所述分块的使得所述陷槽部(2)处的空气动力损耗和/或热冲击最小的高度值。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述多个基本表面(Si)的数量介于3和1000之间。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述多个基本表面(Si)基于给定的网格划分形成所述横向基准表面(S)的分区。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，每个分块(20)是将与该分块关联的所述基本表面(Si)作为底的柱形元件。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，相对于所述横向基准表面(S)的每个分块高度小于或等于最大参考高度，所述最大参考高度取决于所述叶片(1)的高度。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述最大参考高度小于所述叶片(1)的高度的25％。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述最大参考高度被选择成使得具有分块高度的优化值为零的所述分块(20)的数量最大化。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述最大参考高度被选择成使得具有分块高度的优化值为零的所述分块(20)的数量最大化。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤(b)包括融合至少两个相连接的基本表面(Si)，针对与所融合的基本表面(Si)相关联的所述分块(20)确定公共的分块高度的优化值。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤(c)包括将确定为具有非零的分块高度的优化值且相关联的基本表面(Si)相连接的分块(20)融合成块群，将所述分块的边缘平滑化。
12.一种用于制造涡轮发动机的叶片(1)的方法，所述方法包括以下步骤：
-执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法，以使得对所述叶片(1)的陷槽部(2)的至少一部分进行建模；
-按照所获得的所述陷槽部(2)的所述至少一部分的建模，制造所述叶片(1)。
13.一种叶轮，包括通过根据权利要求12所述的方法获得的多个叶片(1)。
14.一种用于对叶片(1)的陷槽部(2)的至少一部分进行建模的设备(10)，其特征在于，所述设备(10)包括数据处理装置(11)，所述数据处理装置(11)配置成实现：
-参数化模块，用于将体积(V)参数化为一组分块(20)，所述体积(V)表示所述陷槽部(2)部分，所述分块(20)从所述叶片(1)的横向基准表面(S)延伸，所述叶片(1)物理地包括所述分块(20)，并且每个分块(20)：
-与从多个基本表面(Si)中选择的基本表面(Si)相关联，所述多个基本表面(Si)形成所述横向基准表面(S)的至少一部分的分区；以及
-由相对于所述横向基准表面(S)的分块高度来限定；
-确定模块，用于根据给定的空气动力学和/或热学准则确定所述分块高度的优化值；
-输出模块，用于在所述设备(10)的界面(13)上输出所确定的值。
15.一种计算机存储介质，该计算机存储介质存储有代码指令，当所述代码指令被处理器执行时用于执行根据权利要求1至11中任一项所述的用于对叶片(1)的陷槽部(2)的至少一部分进行建模的方法。
16.一种存储装置，可由计算机设备读取，在所述存储装置上，计算机程序产品包括代码指令，所述代码指令用于执行根据权利要求1至11中任一项所述的用于对叶片(1)的陷槽部(2)的至少一部分进行建模的方法。
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