CN110298052B - 串列叶片优化实现方法 - Google Patents

Abstract

一种串列叶片模型优化实现方法，根据选定的串列静子叶片的轴向与周向相对位置的参数变量，在原始几何模型的基础上计算出更新几何模型，在更新几何模型上对前后排叶片在不同径向叶高截面处的轮廓点的集合，逐层逐点检测设计参数是否合理，最后计算通过检测的设计参数与若干参考样本的差异，选取差异最小的样本所对应的数值模拟结构化网格点的分布方案用于生成网格；本发明设计合理，能够提高串列叶片的相对位置参数的设计效率，降低出错率，减少人工耗时，缩短设计周期并降低成本，适合二次开发和拓展应用。

Description

串列叶片优化实现方法

技术领域

本发明涉及的是一种适用于叶轮机械领域的技术，具体是一种关于串列叶片的几何重合检测与数值模拟网格自动生成方法。

背景技术

串列叶片技术能够在不增加太多重量和整体长度的前提下，提高航空发动机的工作负荷，提高气流的折转角度，进而提高航空发动机压气机的气动载荷，在一些航空发动机的型号中得到了有效的应用。

在设计串列叶片时，前后排叶片的相对位置对流场和压气机效率、压比、稳定工作裕度等性能有很大的影响。因此在串列叶片的设计过程中，找到一个合适的相对位置是十分重要的。但在传统的设计方法里，所需的考察的设计样本数量较大，逐一人工检查几何是否发生重合效率低下，容易出错。此外，较大数量的样本也增加了手动绘制网格的工作量。因此，几何重合的检测以及网格自动化生成的需求十分迫切。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种串列叶片优化实现方法，通过对给定的串列叶片轴向和周向的位置参数进行数学几何分析，求解出这种设计参数是否发生了几何重合的状况，并通过现有的商业计算流体力学软件的造型模块，利用其内置代码指令，实现了较高质量的数值模拟网格的自动化生成。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明根据选定的串列静子叶片的轴向与周向相对位置的参数变量，在原始几何模型的基础上计算出更新几何模型，在更新几何模型上对前后排叶片在不同径向叶高截面处的轮廓点的集合，逐层逐点检测设计参数是否合理，最后计算通过检测的设计参数与若干参考样本的差异，选取差异最小的样本所对应的数值模拟结构化网格点的分布方案用于生成网格。

所述的检测设计参数是否合理，即前排叶片的轮廓点是否在后排叶片的轮廓点的顺序连线所构成的封闭区域外。

所述的参数变量为：后排叶片相对前排叶片的轴向位置和周向位置，其坐标系设定为：以叶轮机械转动中心轴为轴向，设定叶轮机械出口至叶轮机械入口的轴向为正，轴向位置的单位为米。环绕正向轴向，右手旋转的方向为周向正向方向，周向位置的单位为弧度。叶片从叶根到叶尖的方向为径向位置正方向，单位为米；以后排叶片的轮毂截面上的前缘点和前排叶片的轮毂截面上的尾缘点为基准，确定前后两排叶片的相对位置。

技术效果

与现有技术相比，本发明提高了航空发动机串列叶片相对位置设计的效率，提高了自动化程度，减少了人力成本与工作时间，降低了出错的概率。基于上述方法开发的程序，具有良好的扩展性，可以对数量很大的样本进行批量处理，适合二次开发与迁移。

附图说明

图1为本发明流程示意图；

图2为串列叶片相对位置变量的示意图；

图中：1串列叶片前排、2串列叶片后排、ΔZ串列叶片轴向位置、Δθ串列叶片周向位置、

相对轴向位置、

相对周向位置、Z_FrontBlade是前排叶片轴向长度、θ_Blade串列叶片单个通道角度；

图3为串列叶片发生几何重合时的相对位置示意图；

图4为串列叶片几何重合检测的结果示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例为轴流压气机的一级串列静子叶片的几何相对位置的设计与优化过程中，对几何重合的检测以及随后的网格自动生成流程，具体包括以下过程：

步骤1、根据选定的串列静子叶片的轴向与周向相对位置的参数变量，在原始几何模型的基础上计算出更新几何模型。

如图2所示，所述的参数变量为以下任意一种组合：

①轴向位置ΔZ和周向位置Δθ，或

②相对轴向位置

和相对周向位置

所述的原始几何模型是指：叶片的数个径向高度的截面内的轮廓点的坐标的集合，其坐标系是以叶轮机械转轴为中心轴的圆柱坐标系。

步骤2、对前后排叶片在不同径向叶高截面处的轮廓点的集合，逐层逐点检测设计参数是否合理，即前排叶片的轮廓点是否在后排叶片的轮廓点的顺序连线所构成的封闭区域内。

由于本实施例中为直叶片，故叶片不同径向叶高的截面为该串列叶片造型时所需要的控制面为轮毂和机匣截面上的两个控制面。

所述的逐层逐点检测是指：以前排叶片上任意一点作为被检测的射线起点，向任意方向做一射线，计算此射线与后排叶片轮廓点顺序连线所构成的所有线段的相交次数：当相交次数为偶数时被检测点在后排叶片轮廓点顺序连线的封闭区域之外，否则被检测点在后排叶片轮廓点顺序连线的封闭区域之内；当存在任一截面内的任一前排叶片轮廓点位于后排叶片的轮廓区域内，即前、后排叶片存在几何重合时，该设计参数判定为不合理，应重新选取设计参数，当所有截面内的所有前排叶片轮廓点都位于后排叶片的轮廓区域外，即前、后排叶片不存在几何重合时，该设计参数判定为合理。

如图4所示，串列叶片相对位置的设计参数空间经过几何重合的检查，划分为发生几何重合的参数区间(白色区域)，和不发生几何重合的参数区间(黑色区域)，唯有在该区域内所选取的参数是合理的(白色圆圈)。

相比于人工目视检测，采用这种几何重合自动检测的方法可以迅速判断某个设计参数的可行性，从而无需在三维几何可视化软件中目视逐个判断所有样本，实现了该过程的全自动化。此外对于单个样本，人工目视一般需要数分钟的工作时间，而该方法的计算机耗时在数秒之内。

步骤3、对于通过检测的设计参数，计算其与若干参考样本的差异，选取差异最小的样本所对应的数值模拟结构化网格点的分布方案用于生成网格。

所述的参考样本为设计参数的变化空间内预先均匀给定的样本以及对应样本的数值模拟结构化网格点的分布方案。

所述的差异，即设计参数与参考样本的参数之间的差值所对应的范数。

所述的范数采用但不限于平方范数。

所述的数值模拟结构化网格点的分布方案为O4H型结构化网格，包括：

1)叶片上方H型网格进口截面周向网格点数；

2)叶片上方H型网格出口截面周向网格点数；

3)叶片下方H型网格进口截面周向网格点数；

4)叶片下方H型网格出口截面周向网格点数；

5)叶片前方H型网格进口截面周向网格点数；

6)叶片后方H型网格出口截面周向网格点数；

7)叶片前方H型网格轴向网格点数；

8)叶片后方H型网格轴向网格点数；

9)叶片贴体O型网格吸力面网格点数；

10)叶片贴体O型网格压力面网格点数；

11)叶片贴体O型网格厚度方向网格点数。

所述的生成网格是指：将设计参数对应的数值模拟结构化网格点的分布方案采用但不限于流体力学软件Numeca中的网格绘制模块Autogrid所支持的指令生成，并写入代码文件中执行后得到网格。

相比于人工绘制网格，该网格自动生成方法实现了网格生成的自动化。通常对于单个样本，人工绘制网格的参数设置需要数分钟，并且需要等待数十分钟网格生成完毕之后，进行保存网格等后续操作，全程需要人工参与。而采用新的网格自动生成方法之后，仅需启动程序，交由计算机完成所有步骤。

所述的生成网格，优先对多个设计参数进行几何重合检测，并将各个参数对应的设计方案的网格生成指令写入一个代码文件中并执行，则可计算获得所有的设计参数所对应的网格文件，从而适用于数值模拟计算的过程。

上述具体实施方式的应用环境为压气机串列静子叶片设计和优化的过程，具体操作中所涉及的参数包括串列静子前后排叶片的轴向位置和周向位置两个参数。使用该方法可以对给定的串列叶片相对位置的设计参数进行几何重合的检测，并自动化生成对应的数值模拟网格。与现有的手动生成网格，并目视观察是否发生几何重合的操作相比，本发明可以大大提高工作效率，降低出错概率，并且能够实现大量样本的批量化处理，大大提高了程序的自动化程度。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (5)

1.一种串列叶片模型优化实现方法，其特征在于，根据选定的串列静子叶片的轴向与周向相对位置的参数变量，在原始几何模型的基础上计算出更新几何模型，在更新几何模型上对前后排叶片在不同径向叶高截面处的轮廓点的集合，逐层逐点检测设计参数是否合理，最后计算通过检测的设计参数与若干参考样本的差异，选取差异最小的样本所对应的数值模拟结构化网格点的分布方案用于生成网格；

所述的参数变量为以下任意一种组合：

①轴向位置ΔZ和周向位置Δθ，或

②相对轴向位置

和相对周向位置

所述的原始几何模型是指：叶片的数个径向高度的截面内的轮廓点的坐标的集合，其坐标系是以叶轮机械转轴为中心轴的圆柱坐标系；

所述的逐层逐点检测是指：以前排叶片上任意一点作为被检测的射线起点，向任意方向做一射线，计算此射线与后排叶片轮廓点顺序连线所构成的所有线段的相交次数：当相交次数为偶数时被检测点在后排叶片轮廓点顺序连线的封闭区域之外，否则被检测点在后排叶片轮廓点顺序连线的封闭区域之内；当存在任一截面内的任一前排叶片轮廓点位于后排叶片的轮廓区域内，即前、后排叶片存在几何重合时，该设计参数判定为不合理，应重新选取设计参数，当所有截面内的所有前排叶片轮廓点都位于后排叶片的轮廓区域外，即前、后排叶片不存在几何重合时，该设计参数判定为合理；

所述的生成网格是指：将设计参数对应的数值模拟结构化网格点的分布方案采用但不限于流体力学软件Numeca中的网格绘制模块Autogrid所支持的指令生成，并写入代码文件中执行后得到网格；

所述的生成网格，对多个设计参数进行几何重合检测，并将各个参数对应的设计方案的网格生成指令写入一个代码文件中并执行，则可计算获得所有的设计参数所对应的网格文件，从而适用于数值模拟计算的过程。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的检测设计参数是否合理，即前排叶片的轮廓点是否在后排叶片的轮廓点的顺序连线所构成的封闭区域外。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的参考样本为设计参数的变化空间内预先均匀给定的样本以及对应样本的数值模拟结构化网格点的分布方案。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的差异，即设计参数与参考样本的参数之间的差值所对应的范数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的数值模拟结构化网格点的分布方案为O4H型结构化网格，包括：

1)叶片上方H型网格进口截面周向网格点数；

2)叶片上方H型网格出口截面周向网格点数；

3)叶片下方H型网格进口截面周向网格点数；

4)叶片下方H型网格出口截面周向网格点数；

5)叶片前方H型网格进口截面周向网格点数；

6)叶片后方H型网格出口截面周向网格点数；

7)叶片前方H型网格轴向网格点数；

8)叶片后方H型网格轴向网格点数；

9)叶片贴体O型网格吸力面网格点数；

10)叶片贴体O型网格压力面网格点数；

11)叶片贴体O型网格厚度方向网格点数。

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