CN108717485A - 一种轴流式压气机叶片的逆向造型方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于发动机设备技术领域，具体涉及一种轴流式压气机叶片的逆向造型方法，将已有的一个轴流压气机叶片模型，按照从叶根到叶顶等间距的方法创建叶片截面曲线，然后将叶片截面曲线以点坐标的信息表达并输出，理论上点的数量越多，截面曲线的信息就会表达的越准确，但是考虑到数据处理的工作量，一般会给每一层截面曲线定义200左右的节点，最后再将节点坐标的信息输出成类似于.curve文件或者.geomturbo文件的离散点文本文件，.curve文件的格式是将压气机叶片的截面曲线整个表达出来，而.geomturbo文件的格式是将压气机叶片曲面分割成压力面曲面和吸力面曲面，然后分别截取截面曲线并分别表达出来。

Description

一种轴流式压气机叶片的逆向造型方法

技术领域：

本发明属于发动机设备技术领域，具体涉及一种轴流式压气机叶片的逆向造型方法。

背景技术：

压气机是利用高速旋转的叶片给空气作功以提高空气压力的部件，压气机可分为离心式与轴流式两大类，兼有两类特点的称为混合式压气机。其中轴流式压气机的特点是气流方向基本与叶轮旋转轴线平行，它由转子和静子两部分组成，并且大多采用多级联合的形式。

压气机是航空发动机以及其他燃气涡扇发动机的核心部件，其性能直接影响整机的性能指标。在影响压气机的各项因素中，多年以来的工程实践已经证明，压气机叶片的几何形状对压气机的整体性能起着非常关键的作用，但是依靠当前空气动力学方面的技术，想要设计得到一个高性能的压气机叶片模型依然难度很大，所以轴流式压气机叶片曲面造型方面一直是压气机研制中的一个瓶颈。

随着航空发动机与叶轮机械技术的发展，轴流式压气机叶片的设计和造型方式已经多种多样，但是随着设计技术的积累，如今已经出现很多在已有比较成熟的轴流式压气机叶片基础上进行叶片曲面优化改进的逆向造型方式，这种方式能够节省很多的人力物力及时间，而且逆向设计得到的轴流式压气机叶片性能往往都有比较可靠的保证。轴流式压气机叶片曲面的逆向造型技术迎合了轴流式压气机叶片造型发展的需求，由于逆向造型的曲面契合度高，所以其发展前景非常广阔，但是逆向曲面造型技术困难重重，很多情况下逆向出来的压气机叶片的效果也并不理想，所以轴流式压气机叶片造型领域急需一种能够稳定快捷的逆向造型技术。

发明内容：

本发明的目的是提供一种轴流式压气机叶片的逆向造型方法，从而有效提高压气机叶片的设计效率，进而能够在更短的时间内设计出高性能的轴流式压气机。

本发明采用的技术方案为：一种轴流式压气机叶片的逆向造型方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、使用TurboExchanger软件内部集成的功能模块，读取叶片截面曲线的点坐标信息文件，然后在TurboExchanger软件中创建出每一个空间点的特征和截面曲线；如果读取的是类似.curve的数据格式文件，TurboExchanger会按照数据文件中的顺序，一层一层的创建出叶片截面曲线空间点的特征，每创建一层叶型截面曲线的空间点，TurboExchanger就会穿过这一层的空间点特征创建出一条叶型截面曲线；如果读取的是类似.geomturbo格式的数据文件，TurboExchanger会按照数据文件中的顺序，先对压气机叶片的压力面曲面一层一层的创建空间点的特征，每创建一层空间点特征，TurboExchanger就会穿过这一层的空间点特征创建出一条压力面截面曲线，然后再对吸力面曲面一层一层的创建空间点的特征，再创建出一条条吸力面截面曲线；

步骤二、当把所有的截面曲线创建出来之后，TurboExchanger会将一系列的叶型截面曲线耦合起来，创建出初始的压气机叶片曲面，如果使用的是类似.curve的数据格式文件，创建出来的压气机叶片曲面就是一整个曲面；如果使用的是类似.geomturbo的数据格式文件，创建出来的压气机叶片曲面就是压力面和吸力面两个曲面；

步骤三、如果使用类似.curve的数据格式文件创建出来了一整个叶片曲面，TurboExchanger软件会将整个压气机叶片曲面分成压力面曲面和吸力面曲面两部分，然后重新定义两侧曲面的截面层数和每一层的节点数；如果使用类似.geomturbo的数据格式文件，则直接重新定义两侧曲面的截面层数和每一层的节点数，之后按照特定的转换关系将每一个节点转换成XY平面上的点，最后分别将这些平面上的点串联起来创建出压气机叶片的压力面型线和吸力面型线；

步骤四、点的转换关系是将空间坐标点按照圆柱坐标系下的数据转换成XY平面上的数据，若读取到的曲线上的节点坐标为p1(a,b,c)，使用计算式sqrt(a^2+b^2)求出p1点所在圆柱坐标系下的半径R，然后在XY平面的视角下，求出p2(0,0,c)与p1的连线与X轴正向的夹角θ，转换成XY平面上的点为p3(R*2π*θ/360,c,0)，等效为将空间中坐标点所在位置的圆周弧长和Z坐标变换到XY平面上；

步骤五、在压力面型线和吸力面型线之间，使用插入内切圆的方法，迅速提取出叶片截面型线的中弧线和厚度分布曲线；

步骤六、使用样条曲线拟合叶片截面型线的中弧线，拟合的过程如下：

(1)、将使用插入内切圆方法提取到的中弧线在前后缘位置做延伸处理，使中弧线刚好能够贯穿叶片截面型线的前缘点和尾缘点；

(2)、定义使用M个控制点的样条曲线来拟合中弧线；

(3)、在提取到的中弧线上按照均布或者曲率分布的方法定义M个点，并分别将对应的坐标赋值给样条曲线的M个控制点；

(4)、使用定义了坐标的M个控制点创建拟合出来的叶片截面型线的中弧线；

上述样条曲线具有起始点位置、终止点位置、起始点切角、终止点切角、中间控制点数量、中间控制点位置等信息可以调整，基本能够很好的表达出中弧线的特征；

步骤七、使用前、后圆弧曲线和样条曲线组合起来拟合叶片截面型线的厚度分布曲线，拟合的过程如下：

(1)、定义使用M个控制点的样条曲线来拟合叶型截面曲线的厚度分布曲线；

(2)、在提取到的厚度分布曲线上按照均布或者曲率分布的方法定义M个点，并分别将对应的坐标赋值给样条曲线的M个控制点；

(3)、使用定义了坐标的M个控制点创建拟合出来的叶片截面型线的厚度分布曲线；

(4)、在XY平面上创建叶片截面型线的厚度分布曲线起点，X坐标使用拟合出来的中弧线前缘点的横坐标，Y坐标定义为0，之后与拟合出来的样条曲线前缘点之间创建光顺相切的圆弧曲线；

(5)、在XY平面上创建叶片截面型线的厚度分布曲线终点，X坐标使用拟合出来的中弧线尾缘点的横坐标，Y坐标定义为0，之后与拟合出来的样条曲线尾缘点之间创建光顺相切的圆弧曲线；

(6)、将两段圆弧曲线和拟合出来的样条曲线组合起来，作为拟合出来的叶片截面型线的厚度分布曲线；

上述曲线具有起始点位置、终止点位置、中间控制点数量、中间控制点位置等信息可以调整，也基本能够很好的表达出叶片截面型线的厚度分布曲线的特征；

步骤八、在XY坐标平面上使用拟合出来的叶片截面型线的中弧线加拟合出来的叶片截面型线的厚度分布曲线的方法，即中弧线加厚度分布的方法创建出新的一整条叶片截面型线；

步骤九、将上述新的叶片型线按照空间截面曲线所在位置的半径信息进行空间位置的变换，从而实现空间叶片截面曲线的拟合；

步骤十、点的转换关系是将XY平面上的数据转换成按照圆柱坐标系下的空间坐标点数据，若XY平面上的点坐标为p4(d,e,0)，结合p1点所在圆柱坐标系下的半径R，转换成空间坐标点p5(R*cos(180*d/(π*R)),R*sin(180*d/(π*R)),e)；

步骤十一、多重叶片截面曲线使用同样的方法拟合后，空间中就存在多条新创建的叶片截面曲线，最后将多条叶片截面曲线拟合成叶片曲面，就能实现初始压气机叶片曲面的逆向造型；

步骤十二、逆向创建出来的压气机叶片曲面与初始压气机叶片曲面模型有一定的近似度，而且逆向出来的模型还存在着很多的可供调整的自由度，在TurboExchanger中，当需要放弃已经调整了压气机叶片形状的模型，可以一键恢复到拟合完成的状态，重新开始新的调整。

本发明的有益效果：提供了一种轴流式压气机叶片的逆向造型方法，从而有效提高压气机叶片的设计效率，进而能够在更短的时间内设计出高性能的轴流式压气机。

附图说明：

图1是初始压气机叶片曲面及截面曲线图；

图2是XY平面点转换关系示意图；

图3是XY平面上压气机叶片的压力面型线和吸力面型线图；

图4是压力面型线和吸力面型线之间插入内切圆提取中弧线和厚度分布曲线图；

图5是叶片截面型线中弧线前后缘延伸图；

图6是拟合叶片型线的中弧线图；

图7是拟合叶片型线的厚度分布曲线图；

图8是中弧线加厚度分布创建叶片型线图；

图9是空间点转换关系示意图；

图10是初始叶片与拟合叶片的对比图；

图11是拟合叶片调整比较图。

具体实施方式：

参照各图，将已有的一个轴流压气机叶片模型，按照从叶根到叶顶等间距的方法创建叶片截面曲线，然后将叶片截面曲线以点坐标的信息表达并输出，理论上点的数量越多，截面曲线的信息就会表达的越准确，但是考虑到数据处理的工作量，一般会给每一层截面曲线定义200左右的节点，最后再将节点坐标的信息输出成类似于.curve文件或者.geomturbo文件的离散点文本文件，.curve文件的格式是将压气机叶片的截面曲线整个表达出来，而.geomturbo文件的格式是将压气机叶片曲面分割成压力面曲面和吸力面曲面，然后分别截取截面曲线并分别表达出来。

.geomturbo文件是Numeca等软件的标准文件格式，可以使用常见的文本文档打开工具打开并编辑，文件中包含叶轮的hub型线和shroud型线的点坐标信息，也包含叶片个数、吸力面截面型线和压力面截面型线的点坐标信息，所以在重构叶轮模型方面非常便捷，工程应用也非常广泛。

.curve文件是市场上最广泛使用的曲线离散点数据文件，尤其在ANSYS系列的Turbogrid软件中应用非常多，这种文件可以使用常见的文本文档打开工具打开并编辑，文件中可以包含的信息内容多样，可以只包含曲线输出的一系列点坐标，也可以包含多条叶片截面曲线输出的点坐标，并且能够使用不同的名称将不同层的坐标点区分开来，由于其结构简单，识别度高，所以在各式各样的领域均有应用。如下表：

使用TurboExchanger软件内部集成的功能模块，读取叶片截面曲线的点坐标信息文件，然后在TurboExchanger软件中创建出每一个空间点的特征和截面曲线。如果读取的是类似.curve的数据格式文件，TurboExchanger会按照数据文件中的顺序，一层一层的创建出叶片截面曲线空间点的特征，每创建一层叶型截面曲线的空间点，TurboExchanger就会穿过这一层的空间点特征创建出一条叶型截面曲线；如果读取的是类似.geomturbo格式的数据文件，TurboExchanger会按照数据文件中的顺序，先对压气机叶片的压力面曲面一层一层的创建空间点的特征，每创建一层空间点特征，TurboExchanger就会穿过这一层的空间点特征创建出一条压力面截面曲线，然后再对吸力面曲面一层一层的创建空间点的特征，再创建出一条条吸力面截面曲线。

当把所有的截面曲线创建出来之后，TurboExchanger会将一系列的叶型截面曲线耦合起来，创建出初始的压气机叶片曲面，如果使用的是类似.curve的数据格式文件，创建出来的压气机叶片曲面就是一整个曲面；如果使用的是类似.geomturbo的数据格式文件，创建出来的压气机叶片曲面就是压力面和吸力面两个曲面，如图1所示。

如果使用类似.curve的数据格式文件创建出来了一整个叶片曲面，TurboExchanger软件会将整个压气机叶片曲面分成压力面曲面和吸力面曲面两部分，然后重新定义两侧曲面的截面层数和每一层的节点数；如果使用类似.geomturbo的数据格式文件，则直接重新定义两侧曲面的截面层数和每一层的节点数。之后按照特定的转换关系将每一个节点转换成XY平面上的点，最后分别将这些平面上的点串联起来创建出压气机叶片的压力面型线和吸力面型线。

点的转换关系是将空间坐标点按照圆柱坐标系下的数据转换成XY平面上的数据，比如读取到的曲线上的节点坐标为p1(a,b,c)，使用计算式sqrt(a^2+b^2)求出p1点所在圆柱坐标系下的半径R，然后在XY平面的视角下，求出p2(0,0,c)与p1的连线与X轴正向的夹角θ，转换成XY平面上的点为p3(R*2π*θ/360,c,0)，等效为将空间中坐标点所在位置的圆周弧长和Z坐标变换到XY平面上，如图2和图3所示。

在压力面型线和吸力面型线之间，使用插入内切圆的方法，能够迅速提取出叶片截面型线的中弧线和厚度分布曲线，如图4所示。

使用样条曲线拟合叶片截面型线的中弧线，拟合的过程如下：

(1)、将使用插入内切圆方法提取到的中弧线在前后缘位置做延伸处理，使中弧线刚好能够贯穿叶片截面型线的前缘点和尾缘点；

(2)、定义使用M个控制点的样条曲线来拟合中弧线；

(3)、在提取到的中弧线上按照均布或者曲率分布的方法定义M个点，并分别将对应的坐标赋值给样条曲线的M个控制点；

(4)、使用定义了坐标的M个控制点创建拟合出来的叶片截面型线的中弧线；

上述样条曲线具有起始点位置、终止点位置、起始点切角、终止点切角、中间控制点数量、中间控制点位置等信息可以调整，基本能够很好的表达出中弧线的特征，如图5和图6所示。

使用前、后圆弧曲线和样条曲线组合起来拟合叶片截面型线的厚度分布曲线，拟合的过程如下：

(1)、定义使用M个控制点的样条曲线来拟合叶型截面曲线的厚度分布曲线；

(2)、在提取到的厚度分布曲线上按照均布或者曲率分布的方法定义M个点，并分别将对应的坐标赋值给样条曲线的M个控制点；

(3)、使用定义了坐标的M个控制点创建拟合出来的叶片截面型线的厚度分布曲线；

(4)、在XY平面上创建叶片截面型线的厚度分布曲线起点，X坐标使用拟合出来的中弧线前缘点的横坐标，Y坐标定义为0，之后与拟合出来的样条曲线前缘点之间创建光顺相切的圆弧曲线；

(5)、在XY平面上创建叶片截面型线的厚度分布曲线终点，X坐标使用拟合出来的中弧线尾缘点的横坐标，Y坐标定义为0，之后与拟合出来的样条曲线尾缘点之间创建光顺相切的圆弧曲线；

(6)、将两段圆弧曲线和拟合出来的样条曲线组合起来，作为拟合出来的叶片截面型线的厚度分布曲线；

上述曲线具有起始点位置、终止点位置、中间控制点数量、中间控制点位置等信息可以调整，也基本能够很好的表达出叶片截面型线的厚度分布曲线的特征，如图7所示。

在XY坐标平面上使用拟合出来的叶片截面型线的中弧线加拟合出来的叶片截面型线的厚度分布曲线的方法，即中弧线加厚度分布的方法创建出新的一整条叶片截面型线，如图8所示。

将新的叶片型线按照空间截面曲线所在位置的半径信息进行空间位置的变换，从而实现空间叶片截面曲线的拟合。

点的转换关系是将XY平面上的数据转换成按照圆柱坐标系下的空间坐标点数据，比如XY平面上的点坐标为p4(d,e,0)，结合p1点所在圆柱坐标系下的半径R，转换成空间坐标点p5(R*cos(180*d/(π*R)),R*sin(180*d/(π*R)),e)，如图9所示。

多重叶片截面曲线使用同样的方法拟合后，空间中就存在多条新创建的叶片截面曲线，最后将多条叶片截面曲线拟合成叶片曲面，就能实现初始压气机叶片曲面的逆向造型。

逆向创建出来的压气机叶片曲面，跟初始压气机叶片曲面模型有很高的近似度，而且逆向出来的模型还存在着很多的可供调整的自由度，比如截面的层数，每一层截面的中弧线信息，每一层截面的厚度分布信息等，因此在模型的后续使用中会很方便进行模型形状的调整，而且初始模型的存在方便了适时查看模型的形状变化。在TurboExchanger中，当需要放弃已经调整了压气机叶片形状的模型，可以一键恢复到拟合完成的状态，重新开始新的调整，如图10和图11所示。

Claims (1)

1.一种轴流式压气机叶片的逆向造型方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、使用TurboExchanger软件内部集成的功能模块，读取叶片截面曲线的点坐标信息文件，然后在TurboExchanger软件中创建出每一个空间点的特征和截面曲线；如果读取的是.curve的数据格式文件，TurboExchanger会按照数据文件中的顺序，一层一层的创建出叶片截面曲线空间点的特征，每创建一层叶型截面曲线的空间点，TurboExchanger就会穿过这一层的空间点特征创建出一条叶型截面曲线；如果读取的是.geomturbo格式的数据文件，TurboExchanger会按照数据文件中的顺序，先对压气机叶片的压力面曲面一层一层的创建空间点的特征，每创建一层空间点特征，TurboExchanger就会穿过这一层的空间点特征创建出一条压力面截面曲线，然后再对吸力面曲面一层一层的创建空间点的特征，再创建出一条条吸力面截面曲线；

步骤二、当把所有的截面曲线创建出来之后，TurboExchanger会将一系列的叶型截面曲线耦合起来，创建出初始的压气机叶片曲面，如果使用的是.curve的数据格式文件，创建出来的压气机叶片曲面就是一整个曲面；如果使用的是.geomturbo的数据格式文件，创建出来的压气机叶片曲面就是压力面和吸力面两个曲面；

步骤三、如果使用.curve的数据格式文件创建出来了一整个叶片曲面，TurboExchanger软件会将整个压气机叶片曲面分成压力面曲面和吸力面曲面两部分，然后重新定义两侧曲面的截面层数和每一层的节点数；如果使用.geomturbo的数据格式文件，则直接重新定义两侧曲面的截面层数和每一层的节点数，之后按照特定的转换关系将每一个节点转换成XY平面上的点，最后分别将这些平面上的点串联起来创建出压气机叶片的压力面型线和吸力面型线；

步骤四、点的转换关系是将空间坐标点按照圆柱坐标系下的数据转换成XY平面上的数据，若读取到的曲线上的节点坐标为p1(a,b,c)，使用计算式sqrt(a^2+b^2)求出p1点所在圆柱坐标系下的半径R，然后在XY平面的视角下，求出p2(0,0,c)与p1的连线与X轴正向的夹角θ，转换成XY平面上的点为p3(R*2π*θ/360,c,0) ，等效为将空间中坐标点所在位置的圆周弧长和Z坐标变换到XY平面上；

步骤五、在压力面型线和吸力面型线之间，使用插入内切圆的方法，迅速提取出叶片截面型线的中弧线和厚度分布曲线；

步骤六、使用样条曲线拟合叶片截面型线的中弧线，拟合的过程如下：

（1）、将使用插入内切圆方法提取到的中弧线在前后缘位置做延伸处理，使中弧线刚好能够贯穿叶片截面型线的前缘点和尾缘点；

（2）、定义使用M个控制点的样条曲线来拟合中弧线；

（3）、在提取到的中弧线上按照均布或者曲率分布的方法定义M个点，并分别将对应的坐标赋值给样条曲线的M个控制点；

（4）、使用定义了坐标的M个控制点创建拟合出来的叶片截面型线的中弧线；

上述样条曲线具有起始点位置、终止点位置、起始点切角、终止点切角、中间控制点数量、中间控制点位置等信息可以调整，基本能够很好的表达出中弧线的特征；

步骤七、使用前、后圆弧曲线和样条曲线组合起来拟合叶片截面型线的厚度分布曲线，拟合的过程如下：

（1）、定义使用M个控制点的样条曲线来拟合叶型截面曲线的厚度分布曲线；

（2）、在提取到的厚度分布曲线上按照均布或者曲率分布的方法定义M个点，并分别将对应的坐标赋值给样条曲线的M个控制点；

（3）、使用定义了坐标的M个控制点创建拟合出来的叶片截面型线的厚度分布曲线；

（4）、在XY平面上创建叶片截面型线的厚度分布曲线起点， X坐标使用拟合出来的中弧线前缘点的横坐标，Y坐标定义为0，之后与拟合出来的样条曲线前缘点之间创建光顺相切的圆弧曲线；

（5）、在XY平面上创建叶片截面型线的厚度分布曲线终点， X坐标使用拟合出来的中弧线尾缘点的横坐标，Y坐标定义为0，之后与拟合出来的样条曲线尾缘点之间创建光顺相切的圆弧曲线；

（6）、将两段圆弧曲线和拟合出来的样条曲线组合起来，作为拟合出来的叶片截面型线的厚度分布曲线；

上述曲线具有起始点位置、终止点位置、中间控制点数量、中间控制点位置等信息可以调整，也基本能够很好的表达出叶片截面型线的厚度分布曲线的特征；

步骤八、在XY坐标平面上使用拟合出来的叶片截面型线的中弧线加拟合出来的叶片截面型线的厚度分布曲线的方法，即中弧线加厚度分布的方法创建出新的一整条叶片截面型线；

步骤九、将上述新的叶片型线按照空间截面曲线所在位置的半径信息进行空间位置的变换，从而实现空间叶片截面曲线的拟合；

步骤十、点的转换关系是将XY平面上的数据转换成按照圆柱坐标系下的空间坐标点数据，若XY平面上的点坐标为p4(d,e,0)，结合 p1点所在圆柱坐标系下的半径R，转换成空间坐标点p5(R*cos(180* d /(π*R)),R*sin(180* d /(π*R)) ,e)；

步骤十一、多重叶片截面曲线使用同样的方法拟合后，空间中就存在多条新创建的叶片截面曲线，最后将多条叶片截面曲线拟合成叶片曲面，就能实现初始压气机叶片曲面的逆向造型；

步骤十二、逆向创建出来的压气机叶片曲面与初始压气机叶片曲面模型有一定的近似度，而且逆向出来的模型还存在着很多的可供调整的自由度，在TurboExchanger中，当需要放弃已经调整了压气机叶片形状的模型，可以一键恢复到拟合完成的状态，重新开始新的调整。