CN108916113A - 一种直纹面压气机叶轮叶片曲面的调整方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种直纹面压气机叶轮叶片曲面的调整方法，首先根据已知直纹面叶片轮缘和轮毂端的准线分别计算出两端的厚度分布，然后根据需求调整厚度分布，并根据调整前后的厚度差值计算拟合出新的直纹面准线，继而在新的准线上定位直线段端点并拟合新的直纹面，完成曲面调整。该方法能够实现直纹面叶片曲面调整，满足直纹面压气机叶轮设计、仿真和加工的需求。

Description

一种直纹面压气机叶轮叶片曲面的调整方法
技术领域
本发明属于曲面的调整方法领域，尤其是涉及一种直纹面压气机叶轮叶片曲面的调整方法。
背景技术
典型的压气机叶轮由压力面、吸力面、轮缘、轮毂、进口和出口组成，见附图1。吸力面和压力面统称为叶型曲面，根据曲面构成方式的不同，叶型曲面可分为自由曲面和直纹面两种，自由曲面的两族等参数线都为曲线，直纹面的两族等参数线中有一族是直线，这族直线称为母线，另一族等参数线为曲线，称之为准线，两端的准线分别为轮缘端准线和轮毂端准线，见附图2。
压气机叶轮在方案优化过程中，往往需要调整叶型曲面，通用的三维建模软件可以通过调整曲面或曲线元素控制节点的方式改变曲面形状，但调整量不好控制，并且操作起来难度较大。专用的叶轮设计软件一般通过调整叶片倾角和厚度分布的方式调整叶型曲面，调整量精确可控，但多适用于自由曲面叶轮，如果应用于直纹面叶轮，往往会改变叶片的直纹面属性。
发明内容
有鉴于此，针对直纹面压气机叶轮的特点，本发明旨在提出一种直纹面压气机叶轮叶片曲面的调整方法，能够根据需求调整直纹面形状，调整量精确可控，并且不会改变叶片的直纹面属性。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种直纹面压气机叶轮叶片曲面的调整方法，包括如下步骤：
a、计算已知直纹面叶片轮缘和轮毂端的厚度分布值，并拟合厚度分布曲线：
应用等弧长的方法在叶片轮缘和轮毂端准线上抽取n个离散点，按照从进口到出口的顺序排列各点，形成以下4组点集的坐标值：
压力面轮缘：Ai(xAi,yAi,zAi),i＝1 to n；
吸力面轮缘：Bi(xBi,yBi,zBi),i＝1 to n；
压力面轮毂：Ci(xCi,yCi,zCi),i＝1 to n；
吸力面轮毂：Di(xDi,yDi,zDi),i＝1 to n；
按照式(1)计算出轮缘厚度分布值，TAB为轮缘厚度。
按照式(2)计算出轮毂厚度分布值，TCD为轮毂厚度。
在平面坐标系上绘制厚度分布点(i,TABi)，采用B样条曲线拟合分布点，形成轮缘厚度分布曲线。
在平面坐标系上绘制厚度分布点(i,TCDi)，采用B样条曲线拟合分布点，形成轮毂厚度分布曲线。
b、根据调整目标，调整厚度分布曲线，并计算调整前后的厚度差值
轮缘端：
根据需要调整B样条厚度分布曲线，得到新的厚度分布曲线Tab，提取厚度分布点(i,Tabi),i＝1 to n。
按照式(3)计算轮缘端厚度差值ΔL(单边厚度差值)。
轮毂端：
与轮缘端方法和步骤相同。
c、根据厚度差值计算新的准线点集坐标值，并拟合新的准线；
定义新的准线点集的坐标值如下：
压力面轮缘：ai(xai,yai,zai),i＝1 to n；
吸力面轮缘：bi(xbi,ybi,zbi),i＝1 to n；
压力面轮毂：ci(xci,yci,zci),i＝1 to n；
吸力面轮毂：di(xdi,ydi,zdi),i＝1 to n；
轮缘端：
新准线点集的坐标值的计算公式如下：
求出各点坐标值后，通过空间点集拟合三维B样条曲线，即为新的轮缘端准线。
轮毂端：
用相同的方法计算新的压力面轮毂准线点集ci(xci,yci,zci),i＝1 to n和吸力面轮毂准线点集di(xdi,ydi,zdi),i＝1 to n的各点坐标值，并拟合新的轮毂端准线。
d、在新的准线上定位直线段端点，构建直线族并拟合新的直纹面。
从原先的直纹面叶型曲面上抽取m条等参数直线段，并获取直线段端点的坐标，形成以下四组点集的坐标值：
压力面轮缘：Ej(xEj,yEj,zEj),j＝1 to m；
压力面轮毂：Fj(xFj,yFj,zFj),j＝1 to m；
吸力面轮缘：Gj(xGj,yGj,zGj),j＝1 to m；
吸力面轮毂：Hj(xHj,yHj,zHj),j＝1 to m；
定义新的准线上对应的直线段端点点集的坐标值：
压力面轮缘：ej(xej,yej,zej),j＝1 to m；
压力面轮毂：fj(xfj,yfj,zfj),j＝1 to m；
吸力面轮缘：gj(xgj,ygj,zgj),j＝1 to m；
吸力面轮毂：hj(xhj,yhj,zhj),j＝1 to m；
压力面轮缘：
按照公式(10)(11)(12)计算新的准线上对应的直线段端点坐标值。
j＝1 to m，i值取值满足zAi≤zEj≤zA(i+1) (10)
xej＝xai+u(zej-zai)/w (11)
yej＝yai+v(zej-zai)/w (12)
其中
Ui＝xA(i+1)-xAi
Vi＝yA(i+1)-yAi
Wi＝zA(i+1)-zAi
ui＝xa(i+1)-xai
vi＝ya(i+1)-yai
wi＝za(i+1)-zai
压力面轮毂：
按照相同的方式计算新的准线上对应的直线段端点坐标值fj(xfj,yfj,zfj),j＝1to m；
吸力面轮缘：
按照相同的方式计算新的准线上对应的直线段端点坐标值gj(xgj,ygj,zgj),j＝1to m；
吸力面轮毂：
按照相同的方式计算新的准线上对应的直线段端点坐标值hj(xhj,yhj,zhj),j＝1to m；
压力面创建：
连接压力面轮缘直线段端点和对应的压力面轮毂直线段端点，形成直线族ejfj，j＝1 to m，采用放样的方式创建新的压力面。
吸力面创建：
连接吸力面轮缘直线段端点和对应的吸力面轮毂直线段端点，形成直线族gjhj，j＝1 to m，采用放样的方式创建新的吸力面。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
本发明方法能够根据需求调整直纹面形状，调整量精确可控，并且不会改变叶片的直纹面属性，满足直纹面压气机叶轮设计、仿真和加工的需求。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为典型压气机叶轮示意图；
图2为直纹面示意图；
图3为叶片出口示意图；
图4为按等弧长方式抽取轮缘准线点集的示意图；
图5为轮缘厚度分布曲线及调整后厚度分布曲线的示意图；
图6为调整后的新轮缘端准线示意图；
图7为调整后的新直纹面示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明实施例为：一个直纹面叶轮，轮缘端出口宽度为0.38mm，轮毂端出口宽度为0.65mm，见附图3，为提高叶片出口强度，现将厚度调整为轮缘端出口宽度为1mm，轮毂端出口宽度为1.3mm，调整方法包括如下步骤：
a、计算已知直纹面叶片轮缘和轮毂端的厚度分布值，并分别拟合厚度分布曲线：
以轮缘端为例，应用等弧长的方法在叶片轮缘端准线上抽取100个离散点，按照从进口到出口的顺序排列，见附图4，压力面点集为Ai，i＝1 to 100，吸力面点集为Bi，i＝1 to100，应用如下公式(1)计算轮缘厚度分布值TABi，i＝1 to 100，TAB为轮缘厚度，如表1所示(示例，仅部分内容)。
表1轮缘端等弧长点集坐标值
在平面坐标系上绘制厚度分布点(i,TABi)，i＝1 to 100，采用B样条曲线拟合分布点，形成轮缘端厚度分布曲线，见附图5中的蓝色曲线。
同理，形成轮毂端厚度分布曲线。
b、依据调整目标，调整轮缘和轮毂端的厚度分布曲线，并计算调整前后的厚度差值。
以轮缘端为例，依据轮缘出口厚度应为1mm的调整目标，调整B样条厚度分布曲线，得到新的厚度分布曲线Tab，见附图5中的红色曲线,提取厚度分布点(i,Tabi),i＝1 to100，按照式(3)计算轮缘端单边厚度差值ΔL，
如表2所示(示例，仅部分内容)。
表2轮缘端厚度差值(单边厚度差值)
轮毂端：与轮缘端方法和步骤相同。
c、根据厚度差值计算新的准线点集坐标值，并拟合新的准线。
以轮缘端为例，
定义新的准线点集的坐标值如下：
压力面轮缘：ai(xai,yai,zai),i＝1 to n；
吸力面轮缘：bi(xbi,ybi,zbi),i＝1 to n；
新的准线点集的坐标值计算公式如下：
依据公式(4)(5)(6)(7)(8)(9)计算新的准线点集的坐标值，包括吸力面轮缘点集ai,i＝1 to 100和压力面轮缘点集bi,i＝1 to 100，如表3所示(示例，仅部分内容)
表3轮缘端新准线点集的坐标值
得到各点坐标值后，根据空间点集拟合出两条三维B样条曲线，即为新的轮缘端准线，见附图6。
轮毂端：用相同的方法计算新的压力面轮毂准线点集ci(xci,yci,zci),i＝1 to n和吸力面轮毂准线点集di(xdi,ydi,zdi),i＝1 to n的各点坐标值，并拟合新的轮毂端准线。
d、在新的准线上定位直线段端点，构建直线族并拟合新的直纹面。
以压力面为例，从原先的压力面上抽取30条等参数直线段，见附图2，并获取直线段端点的坐标，按照从进口到出口的顺序排列各点，形成轮缘端直线段端点点集Ej,j＝1to 30和轮毂端直线段端点点集Fj,j＝1 to 30，形成以下二组点集的坐标值，
压力面轮缘：Ej(xEj,yEj,zEj),j＝1 to 30；
压力面轮毂：Fj(xFj,yFj,zFj),j＝1 to 30；
见表4(示例，仅部分内容)
表4原先压力面直线段端点点集的坐标值
j＝1 to 30，i值取值满足zAi≤zEj≤zA(i+1) (10)
xej＝xai+u(zej-zai)/w (11)
yej＝yai+v(zej-zai)/w (12)
其中：
Ui＝xA(i+1)-xAi
Vi＝yA(i+1)-yAi
Wi＝zA(i+1)-zAi
ui＝xa(i+1)-xai
vi＝ya(i+1)-yai
wi＝za(i+1)-zai
按照上述公式(10)(11)(12),计算新的准线上对应的直线段端点坐标值，包括新的轮缘端直线段端点点集ej，j＝1 to 30；和新的轮毂端直线段端点点集fj，j＝1 to 30，如表5所示(示例，仅部分内容)
定义新的准线上对应的直线段端点点集的坐标值：
压力面轮缘：ej(xej,yej,zej),j＝1 to 30；
压力面轮毂：fj(xfj,yfj,zfj),j＝1 to 30；
表5新的准线上对应的直线段端点的坐标值
连接端点ej和fj，形成直线族ejfj，j＝1 to 30，采用放样的方式创建新的压力面，如附图7所示。
同理，进行新的吸力面创建。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种直纹面压气机叶轮叶片曲面的调整方法，其特征在于包含如下步骤：
a、计算已知直纹面叶片轮缘和轮毂端的厚度分布值，并分别拟合轮缘和轮毂端的厚度分布曲线；
b、根据轮缘和轮毂端的厚度调整目标，分别调整其厚度分布曲线，并计算调整前后的厚度差值；
c、根据厚度差值分别计算轮缘和轮毂端的新的准线点集的坐标值，并拟合轮缘和轮毂端的新的准线；
d、在新的准线上定位直线段端点，分别构建压力面和吸力面上直线族并拟合新的压力面和吸力面直纹面。
2.根据权利要求1所述的一种直纹面压气机叶轮叶片曲面的调整方法，其特征在于：在步骤a中，应用等弧长的方法在叶片轮缘和轮毂端准线上抽取n个离散点，按照从进口到出口的顺序排列各点，形成以下4组点集的坐标值：
压力面轮缘：Ai(xAi,yAi,zAi),i＝1 to n；
吸力面轮缘：Bi(xBi,yBi,zBi),i＝1 to n；
压力面轮毂：Ci(xCi,yCi,zCi),i＝1 to n；
吸力面轮毂：Di(xDi,yDi,zDi),i＝1 to n；
按照式(1)计算出轮缘厚度分布值：
按照式(2)计算出轮毂厚度分布值：
在平面坐标系上绘制厚度分布点(i,TABi)，采用B样条曲线拟合分布点，形成轮缘厚度分布曲线；
在平面坐标系上绘制厚度分布点(i,TCDi)，采用B样条曲线拟合分布点，形成轮毂厚度分布曲线。
3.根据权利要求2所述的一种直纹面压气机叶轮叶片曲面的调整方法，其特征在于：在步骤b中，轮缘端的厚度分布曲线调整方法为：
根据需要调整厚度分布曲线，得到新的厚度分布曲线，提取厚度分布点(i,Tabi),i＝1to n；
按照式(3)计算轮缘端的单边厚度差值：
式中，TABi为轮缘厚度分布值。
4.根据权利要求3所述的一种直纹面压气机叶轮叶片曲面的调整方法，其特征在于：在步骤c中，
定义轮缘端新的准线点集的坐标值如下：
压力面轮缘：ai(xai,yai,zai),i＝1 to n；
吸力面轮缘：bi(xbi,ybi,zbi),i＝1 to n；
轮缘端的新准线点集的坐标值的计算公式如下：
求出各点坐标值后，通过空间点集拟合三维B样条曲线，即为新的轮缘端准线。
5.根据权利要求4所述的一种直纹面压气机叶轮叶片曲面的调整方法，其特征在于：在步骤d中，新的压力面的的构建过程为：
从原先的直纹面叶型曲面上抽取m条等参数直线段，并获取直线段端点的坐标，形成以下四组点集的坐标值：
压力面轮缘：Ej(xEj,yEj,zEj),j＝1 to m；
压力面轮毂：Fj(xFj,yFj,zFj),j＝1 to m；
定义新的准线上对应的直线段端点点集的坐标值：
压力面轮缘：ej(xej,yej,zej),j＝1 to m；
压力面轮毂：fj(xfj,yfj,zfj),j＝1 to m；
压力面轮缘：
按照公式(10)(11)(12)计算新的准线上对应的直线段端点坐标值；
i值取值满足zAi≤zEj≤zA(i+1) (10)
xej＝xai+u(zej-zai)/w (11)
yej＝yai+v(zej-zai)/w (12)
其中
Ui＝xA(i+1)-xAi
Vi＝yA(i+1)-yAi
Wi＝zA(i+1)-zAi
ui＝xa(i+1)-xai
vi＝ya(i+1)-yai
wi＝za(i+1)-zai
压力面轮毂：
按照相同的方式计算新的准线上对应的直线段端点坐标值fj(xfj,yfj,zfj),j＝1 to m；
压力面创建：
连接压力面轮缘直线段端点和对应的压力面轮毂直线段端点，形成直线族ejfj，j＝1to m，采用放样的方式创建新的压力面。
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