CN110593960A - 一种可用于弯扭掠的轴流透平机械叶片参数化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于弯扭掠的轴流透平机械叶片参数化方法，包括步骤：将轴流透平机械叶片沿叶高方向为若干个叶片截面；确定各截面独立的叶型参数；由叶型参数计算关键控制点坐标和叶型曲线方程；确定截面叶型前缘点位置并通过曲线方程计算出若干叶型数据点坐标；以各截面叶型前缘点为基准确定叶高方向上叶片积迭线的方程；求出各截面前缘点空间坐标，对各截面叶型坐标数据集以前缘点为基准进行坐标变换，生成截面叶型空间坐标；组合各截面叶型数据形成完整的轴流透平机械叶片参数化文件。本发明可以有效进行弯扭掠等多种叶片形式的参数化，适用范围广，参数意义明确，方便叶片的设计和优化，为气动性能的研究解决参数化问题。

Description

一种可用于弯扭掠的轴流透平机械叶片参数化方法

技术领域

本发明属于汽轮机叶片设计技术领域，具体涉及一种可用于弯扭掠的轴流透平机械叶片参数化方法。

背景技术

叶片是汽轮机等透平机械的核心部件，对其进行设计和优化是工业领域的重要研究方向。近年来国民经济飞速发展，透平机械需要性能更佳的叶片，由于轴流透平工况的多变性，叶片的几何特征非常复杂，不同种类叶片具有弯扭掠等各种形式，对其进行参数化是进行叶片设计和优化的必要过程，目前叶片设计和优化过程需要一套准确便捷的参数化方法。现有的参数化方法在主要针对平面叶型，并且控制点较多，在解决弯扭掠方面还具有一定局限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于弯扭掠的轴流透平机械叶片参数化方法，至少解决现有轴流叶片参数法方法在处理具有弯扭掠等几何特征的叶片参数化问题，并且尽可能明确参数意义，方便参数优化。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：

一种可用于弯扭掠的轴流透平机械叶片参数化方法，包括以下步骤：

步骤一、将轴流叶片沿叶高方向为若干个叶片截面；

步骤二、对每一个叶片截面，确定8个独立的叶型参数；

步骤三、由给定参数计算4个叶型关键控制点坐标和4段叶型曲线方程；

步骤四、对截面叶型确定前缘点位置并通过曲线方程计算出若干叶型数据点坐标；

步骤五、以各截面叶型前缘点为基准确定叶高方向上叶片积迭线的方程；

步骤六、根据积迭线方程求出各截面前缘点坐标，对计算的叶型数据点坐标以前缘点为原点进行坐标变换，生成截面叶型空间坐标；

步骤七、将各截面叶型数据组合并给定叶片数目形成完整的轴流透平机械叶片参数化文件。

本发明进一步的改进在于，步骤二中，8个独立的叶型参数分别为：

前缘半径R_le、尾缘半径R_te、轴向弦长C_x、切向弦长C_t、进口几何角β_in、出口几何角β_out、前缘半楔角ε_in以及尾缘半楔角ε_out。

本发明进一步的改进在于，步骤三中，4个叶型关键控制点分别为：

尾缘圆与吸力面曲线切点A(x_A，y_A)，前缘圆与吸力面曲线切点B(x_B，y_B)，前缘圆与压力面曲线切点C(x_C，y_C)，尾缘圆与压力面曲线切点D(x_D，y_D)，以前额线为横坐标起始点，尾缘圆心为纵坐标起始点，原点为点O，叶片前缘点为O’。

本发明进一步的改进在于，四个控制点方程分别为：

点A(x_A，y_A)：

β_A＝β_out+ε_out

x_A＝C_x-R_te(1-sinβ_A)

y_A＝R_tecosβ_A

点B(x_B，y_B)：

β_B＝β_in+ε_in

x_B＝R_le(1-sinβ_B)

y_B＝C_t+R_le cosβ_B

点C(x_C，y_C)：

β_C＝β_in-ε_in

x_C＝R_le(1+sinβ_C)

y_C＝C_t-R_le cosβ_C

点D(x_D，y_D)：

β_D＝β_out-ε_out

x_D＝C_x-R_te(1+sinβ_D)

y_D＝-R_te cosβ_D。

本发明进一步的改进在于，步骤三中，4段叶型曲线方程分别为前缘圆弧方程、尾缘圆弧方程、压力面曲线方程、吸力面曲线方程，压力面和吸力面采用3阶Bezier曲线控制。

本发明进一步的改进在于，四个叶型曲线方程分别为：

前缘圆参数方程：

θ_le∈[0.5π+β_B，1.5π+β_C]

x_le＝R_le+R_le cos θ_le

y_le＝C_t+R_le sin θ_le

尾缘圆参数方程：

θ_te∈[1.5π-β_D，2.5π-β_A]

x_te＝C_x-R_te+R_te cos θ_te

y_te＝R_te sin θ_te

吸力面曲线y_s：

d_s＝(tanβ_B-tanβ_A)/(x_B-x_A)²-2(y_B-y_A)/(x_B-x_A)³

c_s＝(y_B-y_A)/(x_B-x_A)²+tanβ_A/(x_B-x_A)-d_s(x_B+2x_A)

b_s＝-tanβ_A-2c_s*x_A-3d_s*x_A ²

a_s＝y_A-b_s*x_A-c_s*x_A ²-d_s*x_A ³

x_s∈[x_B，x_A]

y_s＝a_s-b_s*x_s-c_s*x_s ²-d_s*x_s ³

压力面曲线y_p：

d_p＝(tanβ_C-tanβ_D)/(x_C-x_D)²-2(y_C-y_D)/(x_C-x_D)³

c_p＝(y_C-y_D)/(x_C-x_D)²+tanβ_D/(x_C-x_D)-d_p(x_C+2x_D)

b_p＝-tanβ_D-2c_p*x_D-3d_p*x_D ²

a_p＝y_D-b_p*x_D-c_p*x_D ²-d_p*x_D ³

x_p∈[x_C，x_D]

y_p＝a_p-b_p*x_p-c_p*x_p ²-d_p*x_p ³。

本发明进一步的改进在于，步骤四中，对每一个叶片截面，利用多段叶型曲线方程生成基于原点O的坐标数据集P_n(x_n，y_n，0)，其中n是参数化坐标点总数量，前缘和尾缘圆各取6～10个点，即θ_le和θ_te在[0.5π+β_B，1.5π+β_C]和[1.5π-β_D，2.5π-β_A]内平均取值，生成若干个(x_le，y_le)和(x_te，y_te)；吸力面曲线取30～40个点，即x_s在[x_B，x_A]内平均取值，生成若干个(x_s，y_s)；压力面曲线取25～35个点，即x_p在[x_C，x_D]内平均取值，生成若干个(x_p，y_p)，将上述各区域的数据点组合即形成叶片截面坐标数据集P_n(x_n，y_n，0)。

本发明进一步的改进在于，步骤五中，针对叶片积迭线定义一个参数方程x＝x(t)且y＝y(t)且z＝z(t)，或者简写为矢量形式r＝r(t)，其中r是空间向量，t是参数，该参数方程在空间上的图像即为叶片积迭线，z即代表了某个叶片半径，对应于某个叶片半径R_m。

本发明进一步的改进在于，步骤六中，

对每一个叶片截面，通过该参数方程求得该叶片截面的前缘点O’空间坐标(x_o’，y_o’，z_o’)，对计算的每一个截面叶型坐标数据集P_n(x_n，y_n，0)以该截面前缘点O’为基准进行坐标变换，生成截面叶型空间坐标P_n’(x_n’，y_n’，z_n’)；

变换公式为：

x_n′＝x_n+x_o′-R_le+R_le cos(0.5(β_B+β_C))

y_n′＝y_n+y_o′-C_t+R_le sin(0.5(β_B+β_C))

z_n′＝z_o′。

本发明具有如下有益的技术效果：

1、本发明对轴流透平机械叶片的几何特征实现了有效参数化控制，通过给定的截面叶型参数和叶高积迭线曲线，可以形成数据文件准确描述叶片；

2、本发明适用范围广，除开直叶片外，对轴流透平机械叶片弯扭掠等各种情形均可以进行有效的参数化描述，能够适用不同几何特征叶片的调整和优化；

3、进一步，本发明的参数意义明确，很容易理解和使用各种参数进行叶型参数化；

4、本发明的参数较少，描述和控制方便快捷，在进行多变量优化控制时具有优势；

5、本发明可以直接通过编程转化成程序控制下的叶片参数化模块，有效开展轴流透平机械叶片设计优化工作，可操作性强。

附图说明

图1是本发明某一叶片高度截面的叶型参数化控制示意图；

图2是本发明的叶高积迭线曲线控制示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅局限于以下内容。在不脱离本发明上述思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。

如图1所示，对某一叶片高度下叶型截面的关键定义参数包括：前缘半径R_le、尾缘半径R_te、轴向弦长C_x、切向弦长C_t、进口几何角β_in、出口几何角β_out、前缘半楔角ε_in、尾缘半楔角ε_out。其中叶片的轴向弦长C_x是指叶片前后额线之间的横向距离，而切向弦长C_t是指前缘圆心和尾缘圆心之间的纵向距离。四个关键控制点分别为尾缘圆与吸力面曲线切点A(x_A，y_A)，前缘圆与吸力面曲线切点B(x_B，y_B)，前缘圆与压力面曲线切点C(x_C，y_C)，尾缘圆与压力面曲线切点D(x_D，y_D)，以前额线为横坐标起始点，尾缘圆心为纵坐标起始点，原点为点O，叶片前缘点为O’。

如图2所示，在叶高方向上，各截面叶型前缘点连接形成一条线，通常称之为叶片积迭线，对于掠叶片而言，积迭线在轴向上具有变化，对于弯叶片而言，积迭线在周向上存在变化，对于扭叶片而言，积迭线是在叶高方向上的曲线，对该曲线可以定义一个参数方程进行控制。

本发明提供的一种可用于弯扭掠的轴流透平机械叶片参数化方法，包括以下步骤：

步骤一、将拟参数化的叶片沿着叶高方向分为若干截面，其中划分主要的依据是叶型所在半径R_m，本实施例中，可以根据叶片高度调整截面数目m，获得足够的叶片截面以充分保留叶片几何特征。

步骤二、针对划分的每一个叶片截面，确定如图1所示情形下的叶型关键参数，分别是前缘半径R_le、尾缘半径R_te、轴向弦长C_x、切向弦长C_t、进口几何角β_in、出口几何角β_out、前缘半楔角ε_in以及尾缘半楔角ε_out；。

步骤三、对每一个叶片截面，由给定参数计算4个叶型关键控制点坐标和4段叶型曲线方程，四个关键控制点分别为尾缘圆与吸力面曲线切点A(x_A，y_A)，前缘圆与吸力面曲线切点B(x_B，y_B)，前缘圆与压力面曲线切点C(x_C，y_C)，尾缘圆与压力面曲线切点D(x_D，y_D)，4段叶型曲线为前缘和尾缘圆弧方程，吸力面和压力面曲线方程；

其中四个控制点方程分别为：

点A(x_A，y_A)：

β_A＝β_out+ε_out

x_A＝C_x-R_te(1-sinβ_A)

y_A＝R_tecosβ_A

点B(x_B，y_B)：

β_B＝β_in+ε_in

x_B＝R_le(1-sinβ_B)

y_B＝C_t+R_le cosβ_B

点C(x_C，y_C)：

β_C＝β_in-ε_in

x_C＝R_le(1+sinβ_C)

y_C＝C_t-R_le coSβ_C

点D(x_D，y_D)：

β_D＝β_out-ε_out

x_D＝C_x-R_te(1+sinβ_D)

y_D＝-R_te cosβ_D

其中四个叶型曲线方程分别为：

前缘圆参数方程：

θ_le∈[0.5π+β_B，1.5π+β_C]

x_le＝R_le+R_le cosθ_le

y_le＝C_t+R_le sinθ_le

尾缘圆参数方程：

θ_te∈[1.5π-β_D，2.5π-β_A]

x_te＝C_x-R_te+R_te cosθ_te

y_te＝R_te sinθ_te

吸力面曲线y_s：

d_s＝(tanβ_B-tanβ_A)/(x_B-x_A)²-2(y_B-y_A)/(x_B-x_A)³

c_s＝(y_B-y_A)/(x_B-x_A)²+tanβ_A/(x_B-x_A)-d_s(x_B+2x_A)

b_s＝-tanβ_A-2c_s*x_A-3d_s*x_A ²

a_s＝y_A-b_s*x_A-c_s*x_A ²-d_s*x_A ³

x_s∈[x_B，x_A]

y_s＝a_s-b_s*x_s-c_s*x_s ²-d_s*x_s ³

压力面曲线y_p：

d_p＝(tanβ_C-tanβ_D)/(x_C-x_D)²-2(y_C-y_D)/(x_C-x_D)³

c_p＝(y_C-y_D)/(x_C-x_D)²+tanβ_D/(x_C-x_D)-d_p(x_C+2x_D)

b_p＝-tanβ_D-2c_p*x_D-3d_p*x_D ²

a_p＝y_D-b_p*x_D-c_p*x_D ²-d_p*x_D ³

x_p∈[x_C，x_D]

y_p＝a_p-b_p*x_p-c_p*x_p ²-d_p*x_p ³

步骤四、对每一个叶片截面，利用多段叶型曲线方程生成基于原点O的坐标数据集P_n(x_n，y_n，0)，其中n是参数化坐标点总数量，前缘和尾缘圆各取6～10个点，即θ_le和θ_te在[0.5π+β_B，1.5π+β_C]和[1.5π-β_D，2.5π-β_A]内平均取值，生成若干个(x_1e，y_le)和(x_te，y_te)；吸力面曲线取30～40个点，即x_s在[x_B，x_A]内平均取值，生成若干个(x_s，y_s)；压力面曲线取25～35个点，即x_p在[x_C，x_D]内平均取值，生成若干个(x_p，y_p)，将上述各区域的数据点组合即形成叶片截面坐标数据集P_n(x_n，y_n，0)，具体取点数量根据叶型大小可进行调整。

步骤五、针对叶片积迭线定义一个参数方程x＝x(t)且y＝y(t)且z＝z(t)，或者简写为矢量形式r＝r(t)，其中r是空间向量，t是参数，该参数方程在空间上的图像即为叶片积迭线，z即代表了某个叶片半径，对应于某个叶片半径R_m。

步骤六、对每一个叶片截面，通过该参数方程求得该叶片截面的前缘点O’空间坐标(x_o’，y_o’，z_o’)，对计算的每一个截面叶型坐标数据集P_n(x_n，y_n，0)以该截面前缘点O’为基准进行坐标变换，生成截面叶型空间坐标P_n’(x_n’，y_n，z_n’)。

变换公式为：

x_n′＝x_n+x_o′-R_le+R_le cos(0.5(β_B+β_C))

y_n′＝y_n+y_o′-C_t+R_le sin(0.5(β_B+β_C))

z_n′＝z_o′

步骤七、将上述生成的各截面叶型坐标数据集文件组合形成一个叶型参数化数据文件，完成叶型参数化过程。

本发明提供的一种可用于弯扭掠的轴流透平机械叶片参数化方法，可以在轴流透平机械叶片设计中有效进行弯扭掠等多种叶片形式的参数化，适用范围广，参数意义明确，方便叶片的设计和优化，为气动性能的研究解决参数化问题。

Claims (9)

1.一种可用于弯扭掠的轴流透平机械叶片参数化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将轴流叶片沿叶高方向为若干个叶片截面；

步骤二、对每一个叶片截面，确定8个独立的叶型参数；

步骤三、由给定参数计算4个叶型关键控制点坐标和4段叶型曲线方程；

步骤四、对截面叶型确定前缘点位置并通过曲线方程计算出若干叶型数据点坐标；

步骤五、以各截面叶型前缘点为基准确定叶高方向上叶片积迭线的方程；

步骤六、根据积迭线方程求出各截面前缘点坐标，对计算的叶型数据点坐标以前缘点为原点进行坐标变换，生成截面叶型空间坐标；

步骤七、将各截面叶型数据组合并给定叶片数目形成完整的轴流透平机械叶片参数化文件。

2.根据权利要求1所述的一种可用于弯扭掠的轴流透平机械叶片参数化方法，其特征在于，步骤二中，8个独立的叶型参数分别为：

前缘半径R_le、尾缘半径R_te、轴向弦长C_x、切向弦长C_t、进口几何角β_in、出口几何角β_out、前缘半楔角ε_in以及尾缘半楔角ε_out。

3.根据权利要求2所述的一种可用于弯扭掠的轴流透平机械叶片参数化方法，其特征在于，步骤三中，4个叶型关键控制点分别为：

尾缘圆与吸力面曲线切点A(x_A，y_A)，前缘圆与吸力面曲线切点B(x_B，y_B)，前缘圆与压力面曲线切点C(x_C，y_C)，尾缘圆与压力面曲线切点D(x_D，y_D)，以前额线为横坐标起始点，尾缘圆心为纵坐标起始点，原点为点O，叶片前缘点为O’。

4.根据权利要求3所述的一种可用于弯扭掠的轴流透平机械叶片参数化方法，其特征在于，四个控制点方程分别为：

点A(x_A，y_A)：

β_A＝β_out+ε_out

x_A＝C_x-R_te(1-sinβ_A)

y_A＝R_tecosβ_A

点B(x_B，y_B)：

β_B＝β_in+ε_in

x_B＝R_le(1-sinβ_B)

y_B＝C_t+R_lecosβ_B

点C(x_C，y_C)：

β_C＝β_in-ε_in

x_C＝R_le(1+sinβ_C)

y_C＝C_t-R_lecosβ_C

点D(x_D，y_D)：

β_D＝β_out-ε_out

x_D＝C_x-R_te(1+sinβ_D)

y_D＝-R_tecosβ_D。

5.根据权利要求4所述的一种可用于弯扭掠的轴流透平机械叶片参数化方法，其特征在于，步骤三中，4段叶型曲线方程分别为前缘圆弧方程、尾缘圆弧方程、压力面曲线方程、吸力面曲线方程，压力面和吸力面采用3阶Bezier曲线控制。

6.根据权利要求5所述的一种可用于弯扭掠的轴流透平机械叶片参数化方法，其特征在于，四个叶型曲线方程分别为：

前缘圆参数方程：

θ_le∈[0.5π+β_B，1.5π+β_C]

x_le＝R_le+R_lecoSθ_le

y_le＝C_t+R_lesinθ_le

尾缘圆参数方程：

θ_te∈[1.5π-β_D，2.5π-β_A]

x_te＝C_x-R_te+R_tecosθ_te

y_te＝R_tesinθ_te

吸力面曲线y_s：

d_s＝(tanβ_B-tanβ_A)/(x_B-x_A)²-2(y_B-y_A)/(x_B-x_A)³

c_s＝(y_B-y_A)/(x_B-x_A)²+tanβ_A/(x_B-x_A)-d_s(x_B+2x_A)

b_s＝-tanβ_A-2c_s*x_A-3d_s*x_A ²

a_s＝y_A-b_s*x_A-c_s*x_A ²-d_s*x_A ³

x_s∈[x_B，x_A]

y_s＝a_s-b_s*x_s-c_s*x_s ²-d_s*x_s ³

压力面曲线y_p：

d_p＝(tanβ_C-tanβ_D)/(x_C-x_D)²-2(y_C-y_D)/(x_C-x_D)³

c_p＝(y_C-y_D)/(x_C-x_D)²+tanβ_D/(x_C-x_D)-d_p(x_C+2x_D)

b_p＝-tanβ_D-2c_p*x_D-3d_p*x_D ²

a_p＝y_D-b_p*x_D-c_p*x_D ²-d_p*x_D ³

x_p∈[x_C，x_D]

y_p＝a_p-b_p*x_p-c_p*x_p ²-d_p*x_p ³。

7.根据权利要求6所述的一种可用于弯扭掠的轴流透平机械叶片参数化方法，其特征在于，步骤四中，对每一个叶片截面，利用多段叶型曲线方程生成基于原点O的坐标数据集P_n(x_n，y_n，0)，其中n是参数化坐标点总数量，前缘和尾缘圆各取6～10个点，即θ_le和θ_te在[0.5π+β_B，1.5π+β_C]和[1.5π-β_D，2.5π-β_A]内平均取值，生成若干个(x_le，y_le)和(x_te，y_te)；吸力面曲线取30～40个点，即x_s在[x_B，x_A]内平均取值，生成若干个(x_s，y_s)；压力面曲线取25～35个点，即x_p在[x_C，x_D]内平均取值，生成若干个(x_p，y_p)，将上述各区域的数据点组合即形成叶片截面坐标数据集P_n(x_n，y_n，0)。

8.根据权利要求7所述的一种可用于弯扭掠的轴流透平机械叶片参数化方法，其特征在于，步骤五中，针对叶片积迭线定义一个参数方程x＝x(t)且y＝y(t)且z＝z(t)，或者简写为矢量形式r＝r(t)，其中r是空间向量，t是参数，该参数方程在空间上的图像即为叶片积迭线，z即代表了某个叶片半径，对应于某个叶片半径R_m。

9.根据权利要求8所述的一种可用于弯扭掠的轴流透平机械叶片参数化方法，其特征在于，步骤六中，

对每一个叶片截面，通过该参数方程求得该叶片截面的前缘点O’空间坐标(x_o’，y_o’，z_o’)，对计算的每一个截面叶型坐标数据集P_n(x_n，y_n，0)以该截面前缘点O’为基准进行坐标变换，生成截面叶型空间坐标P_n’(x_n’，y_n’，z_n’)；

变换公式为：

x_n′＝x_n+x_o′-R_le+R_lecos(0.5(β_B+β_C))

y_n′＝y_n+y_o′-C_t+R_lesin(0.5(β_B+β_C))

z_n′＝z_o′。