CN110727995A - 叶片形状的构造方法、叶片以及计算机设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及叶片形状的构造方法、叶片以及构造叶片形状的计算机设备，其中，构造方法包括(a)输入设计参数，所述设计参数至少包括轴向弦长、几何进气角和几何出气角；构建截面的中弧线的曲率沿弧长分布函数，根据所述中弧线的曲率得到所述叶型的中弧线；(b)将所述(a)中的所述截面的厚度分布叠加于中弧线上，得到所述截面的二维叶型；(c)重复所述(a)、(b)生成系列的基元叶片的二维叶型，对所述系列的基元叶片的二维叶型进行三维叠加，形成三维叶片。上述构造方法具有操作简单直观的优点，其构造的叶片具有流动性能好等优点。

Description

叶片形状的构造方法、叶片以及计算机设备

技术领域

本发明属于叶轮机械技术领域，具体涉及叶片形状的构造方法、叶片以及计算机设备。

背景技术

航空发动机是航空工业的重要支柱，其发展水平是国家综合国力、工业基础和科技水平的集中体现。航空发动机性能指标的不断提升，对压气机设计提出了更高的要求。发展高负荷叶型，提高压气机的级负荷，进而减少压气机的级数，是必然的趋势。实现这一目标的主要途径之一，就是不断地优化压气机叶型，并采用更先进的叶片造型方法。

计算机辅助几何设计和参数化叶型设计方法的发展，为压气机叶型设计提供了有力的工具。为便于进行压气机叶型的设计、优化和制造，国内外发动机设计厂商、科研院所和高校等机构均发展出了各自的压气机叶片造型软件。

目前主流的压气机叶片造型软件所采用的造型方法基本一致，

即采用中线厚度法生成叶片若干截面的二维基元叶型，亦或直接构造吸力面和压力面形线生成二维基元叶型；

将各截面的基元叶型按一定规律积叠生成压气机叶片，

而在这些软件中通常是采用参数化曲线构造叶片型线。

近年来压气机气动热力学的研究表明，流体流线曲率的变化规律严重影响着流场压力梯度的变化规律，而流线曲率则是由流体边界即叶型几何约束的。也就是说，叶型的曲率分布对压气机叶片的性能有着至关作用的影响。压气机叶片造型的精度好坏将直接导致压力面、吸力面以及前尾缘的连接处的不光滑，从而引起流动损失的增加和抗分离能力的降低。因此如何有效保证叶型光滑和曲率连续对保证压气机叶片造型的高精度和高气动性能有着重要的意义。

目前主要的压气机叶型的构造方法中，设计者只能控制叶片型线的形状，在确定叶型以后才能查看曲率，给设计者带来了很大的不便。大部分的参数化的构造方法甚至不能保证叶型的曲率连续，在叶型设计过程中就引入了更多的叶型损失，这对压气机性能的提升是十分不利的。

为了满足精细化压气机叶型设计的工程需要，助力我国民用航空发动机设计技术的发展，必须对现有的压气机叶片造型方法加以改进，发展一种全新的构造方法，通过直接控制叶型曲率，实现对压气机内部流动的精细化组织，为压气机设计人员提供一种新的设计途径和方法，为日益提高的压气机设计需求提供技术支撑，以得到性能良好的叶片。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种叶片形状的构造方法以及利用该构造方法构造的叶片。

本发明的另一个目的是提供一种用于构造叶片形状的计算机设备。

根据本发明一个方面的一种叶片形状的构造方法，包括

(a)输入设计参数，所述设计参数至少包括轴向弦长、几何进气角和几何出气角；构建截面的中弧线的曲率沿弧长分布函数，根据所述中弧线的曲率得到所述叶型的中弧线；

(b)将所述(a)中的所述截面的厚度分布叠加于中弧线上，得到所述截面的二维叶型；

(c)重复所述(a)、(b)生成一系列的径向基元叶型，对所述系列的基元叶型进行三维叠加，形成三维叶片。

在所述叶片形状的构造方法的实施例中，在所述(a)中，在平面直角坐标系构造一条由至少五个控制点确定的三次非均匀B样条曲线，定义中弧线曲率沿弧长的分布函数。

在所述叶片形状的构造方法的实施例中，采用以下公式的多级递推的方法生成所述三次非均匀B样条曲线：

其中d_i(i＝0,1,...,n)为控制点坐标，k＝3为曲线的次数，节点矢量为U＝[u₀,u₁,...,u_n+k+1]；

采用Hartley-Judd方法生成节点矢量，令首末节点为三重节点，采用如下：

其中：

式中l_j＝|d_i-d_i-1|,(i＝1,2,...,n)为控制多边形的边长；

利用(2)式生成节点矢量后，代入(1)式的递推公式，生成中弧线曲率的分布。

在所述叶片形状的构造方法的实施例中，如权利要求1所述的构造方法，其特征在于，所述(a)中，利用所述中弧线的曲率与折转角之间的关系，由以下公式得到所述叶型的中弧线：

其中κ为曲率，m为修正系数，以保证积分得到的折转角值与几何进、出口角一致；将得到的折转角分布再进行一次数值积分，得到截面的中弧线。

在所述构造方法的实施例中，所述(b)中，对构造的截面的厚度分布进行插值，以进行厚度分布叠加。

在所述叶片形状的构造方法的实施例中，采用以下公式的连分式插值法进行所述插值：

对目标插值点构建函数连分式：

并满足：

利用如下递推公式计算b_j的值：

从而由连分式计算出目标函数的插值点坐标。

根据本发明一方面的另一种叶片形状的构造方法，包括：

(e).输入设计参数，所述设计参数至少包括轴向弦长、几何进气角和几何出气角；构建截面的中弧线的曲率沿弧长分布函数，根据所述中弧线的曲率得到所述截面的中弧线；

(f).将所述(e)中的所述截面的厚度分布叠加于中弧线上，得到该截面的二维叶型；

(g).对所述(f)得到的二维叶型进行测试，若未满足设计要求，改变控制点的所述中弧线曲率，重复所述(e)、(f)直至得到满足设计要求的二维叶型；

(h).重复所述(e)、(f)、(g)，生成系列的基元叶片的二维叶型，生成一系列的径向基元叶型，对所述系列的基元叶型进行三维叠加，形成三维叶片。

在所述叶片形状的构造方法的实施例中，在所述(f)中，得到该截面的二维叶型后，采用一条三阶Bezier曲线得到该二维叶型的前/尾缘的叶型型线，具体如下

生成从前/尾缘点到吸/压力面中间厚度分布的起/止点，

给定前/尾缘部分的长度、前缘点处的曲率半径，

利用前/尾缘点与吸/压力面中间厚度分布斜率连续、曲率连续的条件，经过迭代，即可确定Bezier曲线的控制点坐标，从而确定前/后缘局部的叶型型线。

根据本发明另一方面的一种叶片，所述叶片的形状由以上任意一项所述构造方法构造。

根据本发明又一方面的一种用于构造叶片形状的计算机设备，所述计算机设备包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

(i).根据输入的设计参数构建截面的中弧线曲率沿弧长分布函数，所述设计参数至少包括轴向弦长、几何进气角和几何出气角，根据所述中弧线的曲率得到所述叶型的中弧线；

(j).将所述(i)中的所述截面的厚度分布叠加于中弧线上，得到该截面的二维叶型；

(k).对所述(j)得到的二维叶型进行测试，若未满足设计要求，改变控制点的所述中弧线曲率，重复所述(i)、(j)直至得到满足设计要求的二维叶型；

(l).重复所述(i)、(j)、(k)，生成系列的基元叶片的二维叶型，生成一系列的径向基元叶型，对所述系列的基元叶型进行三维叠加，形成三维叶片

本发明的进步效果至少包括：

1.实现了对叶型中弧线的曲率的直接控制，保证了构造的叶片叶型光滑和曲率连续；

2.实现了对叶型中弧线的曲率的直接控制，设计者能够直接查看和控制叶型的中弧线曲率，并够根据不同的设计要求，灵活地调整叶片不同位置的曲率，以满足针对内部流动精细化组织的设计要求，提高叶片造型精度，降低流动损失。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是根据叶片形状的构造方法的一种实施例得到的二维叶型中弧线的曲率分布图。

图2是根据叶片形状的构造方法的一种实施例得到的截面形状的结构图。

图3是根据叶片形状的构造方法的一种实施例得到的前缘放大结构图。

图4是根据叶片形状的构造方法的一种实施例得到的叶片的叶栅的通道面积变化规律图。

图5是根据现有技术的构造方法与本发明的一种实施例的构造方法构造的叶片截面对比图。

图6A、图6B分别是现有技术的构造方法与本发明的一种实施例的构造方法构造的叶片的马赫数云图。

图7是根据本发明的一种实施例的构造方法构造的叶片的三维结构示意图。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。

另外，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

下述实施例中，叶片均以压气机叶片为例。

在一些实施例中，叶片构造的具体方法如下：

(A).构建叶片截面的中弧线曲率沿弧长分布函数，反求中弧线

给定压气机叶型设计输入参数，包括轴向弦长、几何进气角和几何出气角等，构建截面的中弧线的曲率沿弧长分布函数，根据所述中弧线的曲率得到所述截面的中弧线。具体地，构建曲率的分布函数的具体方法的例子可以是，在平面直角坐标系构造一条由至少五个控制点确定的3次非均匀B样条曲线定义中弧线沿弧长的分布函数，控制点的个数与计算量有关，控制点越多，结果越精确，但计算量更大，因此最好选择尽量少控制点，五个控制点较能满足压气机叶片的设计精度，控制点的选择遵循两端多中间少的原则，例如七个控制点为例在截面两端各选取三个控制点，而中间部分选取一个，但不以此为限，根据设计具体需要进行选择。生成三次非均匀B样条曲线的具体方法可以是多级递推的方法，具体算法如下：

其中d_i(i＝0,1,...,n)为控制点坐标，k＝3为曲线的次数，节点矢量为U＝[u₀,u₁,...,u_n+k+1]。

采用Hartley-Judd方法生成节点矢量，令首末节点为3重节点，公式如下：

其中：

式中l_j＝|d_i-d_i-1|,(i＝1,2,...,n)为控制多边形的边长。

利用(2)式生成节点矢量后，代入(1)式的递推公式，即可生成中弧线曲率的分布函数。其结果如图1所示，坐标系的横轴为中弧线归一化的弧长(0-1表示，0为前缘点，1为尾缘点)，纵轴为曲率，给定曲率控制曲线的七个控制点的平面坐标，其中第一个控制点和最后一个控制点的坐标为固定值，分别为(0,0)和(1,0)，保证该叶片的叶栅通道与上下游流动方向的一致性。得到的二维叶型中弧线的曲率如图1所示。生成三次非均匀B样条曲线还存在其它方法，采用多级递推的方法计算效率高、结果可靠。构建截面的中弧线曲率的分布函数后，可以利用中弧线的曲率与折转角之间的关系，通过两次数值积分得到由以下公式得到所述叶型的中弧线截面的中弧线，具体如下：

其中κ为曲率，m为修正系数，以保证积分得到的折转角值与几何进、出口角一致，将得到的折转角分布再进行一次数值积分，得到该截面的中弧线。

(B).将(A)中的所述截面的厚度分布叠加于得到的截面的中弧线上，得到所述截面的二维叶型

首先，可以对厚度分布进行插值，进行厚度分布叠加，以克服中弧线和厚度分布时离散点的弧长坐标不一致的情况，具体可以采用高精度的连分式插值算法，精确求解厚度分布曲线上中弧线坐标点的对应点的厚度值和法线方向，具体算法如下：

对目标插值点构建函数连分式：

并满足：

利用如下递推公式计算b_j的值：

从而由连分式计算出目标函数的插值点坐标，连分式插值法在大部分计算中均具有良好的稳定性，完成厚度插值计算后，将厚度分布叠加于中弧线上，即得到如图2所示的该截面的二维叶型，图2中，图线1代表吸力面，图线2代表压力面，供构造叶片形状的设计人员直观参考。

优选地，得到截面的二维叶型后，可采用一条三阶Bezier曲线得到进一步确定前/后缘附近的叶型型线，具体方法如下：

生成从前/尾缘点到吸/压力面中间厚度分布的起/止点，

给定前/尾缘部分的长度、前缘点处的曲率半径，

利用前/尾缘点与吸/压力面中间厚度分布斜率连续、曲率连续的条件，经过迭代，即可确定Bezier曲线的控制点坐标，从而确定前/后缘局部的叶型型线。一实施例的构造方法得到的前缘局部的叶型的型线如图3所示，曲线3为吸力面，曲线4为压力面，形状构造的设计者可以通过图3直观地查看前缘关键区域的局部叶型型线。同时，设计者也可以通过根据设计输入参数以及得到的截面二维叶型，得到如图4叶栅通道面积变化规律，以及二维叶型的最大挠度、最大厚度值和位置，吸力面和压力面型线的曲率分布等叶栅几何参数，为设计者提供直观的参考。根据给定的设计输入参数，采用控制中弧线曲率的构造方法和传统构造方法的叶型对比如图5所示，曲线5、6分别是采用控制中弧线曲率的构造方法的叶型的吸力面与压力面，曲线7、8分别是采用传统构造方法的叶型的吸力面与压力面。图6A、图6B分别为采用传统构造方法的叶型(以下称现有叶型)、控制中弧线曲率的构造方法的一种实施例的叶型(以下称改进叶型)的流场马赫数对比云图，来流方向为图中从左至右的方向，可以看出，改进叶型前端区域(图6A、图6B中画圈部分)的颜色明显深于现有叶型，表明，改进叶型前端区域的流速明显快于现有叶型，说明对该实施例的改进叶型对于叶片的前端加速性能明显优于现有叶型，该实施例的改进叶型能够很好地满足来流速度不高，需要进行前加载的设计要求。若对于来流速度较快，要求后端加速性能好的设计要求，该实施例的改进叶型的叶片则不能满足时，设计者通过可以直接改变控制点的中弧线曲率分布，例如将图1所示的曲率峰值位置更靠后端，以提高后端的加速性能，适应对后端加速性能好的设计要求，可以反复测试，直至得到满足设计要求的二维叶型。从以上描述可以看出，采用对叶型中弧线的曲率的直接控制的方法构造叶片形状，设计者可以方便对叶型进行即时修改，以满足设计要求。

(C)重复上述(A)、(B)，生成一系列的径向基元叶型，对所述系列的基元叶型进行三维叠加，形成如图7所示的三维叶片9。

可以理解到，上述实施例也可以在计算机设备中实现，所述计算机设备包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

(i).根据输入的设计参数构建截面的中弧线曲率沿弧长分布函数，所述设计参数至少包括轴向弦长、几何进气角和几何出气角，根据所述中弧线的曲率得到所述截面的中弧线；

(j).将所述(i)中的所述截面的厚度分布叠加于中弧线上，得到该截面的二维叶型；

(k).对所述(j)得到的二维叶型进行测试，若未满足设计要求，改变控制点的所述中弧线曲率，重复所述(i)、(j)直至得到满足设计要求的二维叶型；

(l).重复所述(i)、(j)、(k)，生成系列的基元叶片的二维叶型，生成一系列的径向基元叶型，对所述系列的基元叶型进行三维叠加，形成三维叶片。

综上，采用上述实施例的构造方法、叶片以及计算机设备的有益效果包括但不限于：

1.实现了对叶型中弧线的曲率的直接控制，保证了构造的叶片叶型光滑和曲率连续；

2.实现了对叶型中弧线的曲率的直接控制，设计者能够直接查看和控制叶型的中弧线曲率，并够根据不同的设计要求，灵活地调整叶片不同位置的曲率，以满足针对内部流动精细化组织的设计要求，提高叶片造型精度，降低流动损失。

本发明虽然以上述实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。例如构造方法除了实施于压气机叶片以外，还可以用于航空发动机风扇叶片等叶轮机械的叶片，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种叶片形状的构造方法，其特征在于，包括：

(a)输入设计参数，所述设计参数至少包括轴向弦长、几何进气角和几何出气角；构建截面的中弧线的曲率沿弧长分布函数，根据所述中弧线的曲率得到所述截面的中弧线；

(b)将所述(a)中的所述截面的厚度分布叠加于中弧线上，得到所述截面的二维叶型；

(c)重复所述(a)、(b)，生成一系列的径向基元叶型，对所述系列的基元叶型进行三维叠加，形成三维叶片。

2.如权利要求1所述的构造方法，其特征在于，在所述(a)中，在平面直角坐标系构造一条由至少五个控制点确定的三次非均匀B样条曲线，定义中弧线曲率沿弧长的分布函数。

3.如权利要求2所述的构造方法，其特征在于，采用以下公式的多级递推的方法生成所述三次非均匀B样条曲线：

其中d_i(i＝0,1,...,n)为控制点坐标，k＝3为曲线的次数，节点矢量为U＝[u₀,u₁,...,u_n+k+1]；

采用Hartley-Judd方法生成节点矢量，令首末节点为三重节点，采用如下：

其中：

式中l_j＝|d_i-d_i-1|,(i＝1,2,...,n)为控制多边形的边长；

利用(2)式生成节点矢量后，代入(1)式的递推公式，生成中弧线曲率的分布。

4.如权利要求1所述的构造方法，其特征在于，所述(a)中，利用所述中弧线的曲率与折转角之间的关系，由以下公式得到所述叶型的中弧线：

其中κ为曲率，m为修正系数，以保证积分得到的折转角值与几何进、出口角一致；将得到的折转角分布再进行一次数值积分，得到截面的中弧线。

5.如权利要求1所述的构造方法，其特征在于，所述(b)中，对构造的截面的厚度分布进行插值，以进行厚度分布叠加。

6.如权利要求5所述的构造方法，其特征在于，采用以下公式的连分式插值法进行所述插值：

对目标插值点构建函数连分式：

并满足：

利用如下递推公式计算b_j的值：

从而由连分式计算出目标函数的插值点坐标。

7.一种叶片形状的构造方法，其特征在于，包括：

(e).输入设计参数，所述设计参数至少包括轴向弦长、几何进气角和几何出气角；构建截面的中弧线的曲率沿弧长分布函数，根据所述中弧线的曲率得到所述截面的中弧线；

(f).将所述(e)中的所述截面的厚度分布叠加于中弧线上，得到该截面的二维叶型；

(g).对所述(f)得到的二维叶型进行测试，若未满足设计要求，改变控制点的所述中弧线曲率，重复所述(e)、(f)直至得到满足设计要求的二维叶型；

(h).重复所述(e)、(f)、(g)，生成系列的基元叶片的二维叶型，生成一系列的径向基元叶型，对所述系列的基元叶型进行三维叠加，形成三维叶片。

8.如权利要求7所述的构造方法，其特征在于，包括：

在所述(f)中，得到该截面的二维叶型后，采用一条三阶Bezier曲线得到该二维叶型的前/尾缘的叶型型线，具体如下

生成从前/尾缘点到吸/压力面中间厚度分布的起/止点，

给定前/尾缘部分的长度、前缘点处的曲率半径，

利用前/尾缘点与吸/压力面中间厚度分布斜率连续、曲率连续的条件，经过迭代，即可确定Bezier曲线的控制点坐标，从而确定前/后缘局部的叶型型线。

9.一种叶片，其特征在于，所述叶片的形状由权利要求1-8任意一项所述的构造方法构造。

10.一种用于构造叶片形状的计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

(i).根据输入的设计参数构建截面的中弧线曲率沿弧长分布函数，所述设计参数至少包括轴向弦长、几何进气角和几何出气角，根据所述中弧线的曲率得到所述截面的中弧线；

(j).将所述(i)中的所述截面的厚度分布叠加于中弧线上，得到该截面的二维叶型；

(k).对所述(j)得到的二维叶型进行测试，若未满足设计要求，改变控制点的所述中弧线曲率，重复所述(i)、(j)直至得到满足设计要求的二维叶型；

(l).重复所述(i)、(j)、(k)，生成系列的基元叶片的二维叶型，生成一系列的径向基元叶型，对所述系列的基元叶型进行三维叠加，形成三维叶片。

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