CN111339609A - 叶片及其厚度分布的构造方法、构造装置以及计算机可读存储介质 - Google Patents

叶片及其厚度分布的构造方法、构造装置以及计算机可读存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及叶片及其厚度分布的构造方法、构造装置以及计算机可读存储介质，其中，构造方法包括步骤a.根据对已有叶型的厚度分布进行基于最大厚度值的厚度换算得到的该已有叶型的转换厚度分布，在所述转换厚度分布中，选取至少五个控制点，所述至少五个控制点位于前缘处、尾缘处、最大厚度处、前缘与最大厚度之间至少一处，尾缘与最大厚度之间至少一处，根据所述至少五个控制点，通过样条曲线，生成修正转换厚度分布；步骤b.根据所述修正转换厚度分布，进行对于所述步骤a的厚度换算的逆换算，得到叶型的厚度分布。上述构造方法操作简单、效率高且具备很好的通用性，其构造的叶片具有流动性能好的优点。

Description

叶片及其厚度分布的构造方法、构造装置以及计算机可读存 储介质
技术领域
本发明属于叶轮机械技术领域，具体涉及叶片及其叶型厚度的构造方法、构造装置以及计算机可读存储介质。
背景技术
叶轮机械是一种以连续旋转叶片为本体，使能量在流体工质与轴动力之间相互转换的动力机械，例如汽轮机、燃气透平、风机、压气机皆属于叶轮机械的范畴。叶片作为叶轮机械最基本亦是最重要的组成部分，其外部几何对叶轮机械性能有着非常重要的影响，特别是对于航空发动机这样精密的叶轮机械，如何设计好叶片的几何形状保证其连续光滑至关重要。
基于目前的叶轮机械设计体系，叶片由不同叶高的二维叶型按照一定的积迭规律生成，而各叶高的二维叶型则主要依照中弧线叠加厚度的方法进行造型。从物理上而言，中弧线反映了功的加载形式，而气流真正感受到的几何则是叠加了厚度分布后的叶型型线。随着叶片设计逐渐精细化，产品性能对叶型的连续性、光滑性提出了更高的要求。对应地，本领域亟需有一种更为通用、高效的叶型厚度分布的构造方法以保证叶片的精细造型。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种叶型厚度分布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型厚度分布的构造装置以及计算机可读存储介质。
根据本发明一个方面的一种叶型厚度分布的构造方法，包括：
步骤a.根据对已有叶型的厚度分布进行基于最大厚度值的厚度换算得到的该已有叶型的转换厚度分布，在所述转换厚度分布中，选取至少五个控制点，所述至少五个控制点位于前缘处、尾缘处、最大厚度处、前缘与最大厚度之间至少一处，尾缘与最大厚度之间至少一处，根据所述至少五个控制点，通过样条曲线，生成修正转换厚度分布；
步骤b.根据所述修正转换厚度分布，进行对于所述步骤a的厚度换算的逆换算，得到叶型的厚度分布。
在所述构造方法的实施例中，所述步骤a中，通过下述公式(1)进行基于最大厚度值的厚度换算：
Figure BDA0001911252990000021
所述步骤b中，所述逆换算通过下述公式(2)进行：
Figure BDA0001911252990000022
在上述公式(1)、公式(2)中，Tmax为最大厚度，Xmax为对应的最大厚度位置；Ti为不同位置处的厚度值，而Xi为不同厚度值所对应的厚度位置；Ci不同位置处的转换厚度。
在所述构造方法的实施例中，所述步骤a中，样条曲线为Bezier曲线。
在所述构造方法的实施例中，所述步骤b还包括，通过计算所述叶型厚度分布的二阶导数，检验厚度分布的光滑性。
在所述构造方法的实施例中，还包括步骤c，判断所述修正转换厚度分布对应的叶型厚度分布是否满足叶片的设计要求，若不满足，则改变控制点，生成新的样条曲线以及其对应的新的修正转换厚度分布以及叶型厚度分布，直至得到满足设计要求的最终的修正转换厚度分布以及叶型厚度分布。
根据本发明一方面的一种叶片，所述叶片的厚度分布通过以上任意一项所述的造型方法构造。
根据本发明一方面的一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行实现以下步骤：
步骤A.根据对已有叶型的厚度分布进行基于最大厚度值的厚度换算得到的该已有叶型的转换厚度分布，在所述转换厚度分布中，选取至少五个控制点，所述至少五个控制点位于前缘处、尾缘处、最大厚度处、前缘与最大厚度之间至少一处，尾缘与最大厚度之间至少一处，根据所述至少五个控制点，通过样条曲线，生成修正转换厚度分布；
步骤B.根据所述修正转换厚度分布，进行对于所述步骤A的厚度换算的逆换算，得到叶型的厚度分布。
在所述可读存储介质的实施例中，还包括步骤C，判断所述修正转换厚度分布对应的叶型厚度分布是否满足叶片的设计要求，若不满足，则改变控制点，生成新的样条曲线以及其对应的新的修正转换厚度分布以及叶型厚度分布，直至得到满足设计要求的最终的修正转换厚度分布以及叶型厚度分布。
根据本发明一方面的一种叶型厚度分布的构造装置，包括计算机可读存储介质，用于存储可由处理器执行的指令；处理器，用于执行所述指令以实现如以上任意一项所述的造型方法。
根据本发明一方面的一种叶型厚度分布的构造装置，包括：数据导入模块，用于对已有叶型的厚度分布进行基于最大厚度值的厚度换算得到的该已有叶型的转换厚度分布，并输出所述转换厚度分布至后述的构造模块；以及构造模块，通过接收所述数据导入模块的转换厚度分布，选取所述转换厚度分布中的至少五个控制点，所述至少五个控制点位于前缘处、尾缘处、最大厚度处、前缘与最大厚度之间至少一处，尾缘与最大厚度之间至少一处，根据所述至少五个控制点，再通过样条曲线，以生成修正转换厚度分布；通过逆转换所述修正转换厚度分布，构造叶型厚度分布。
本发明的进步效果包括下列之一：
1.本发明所采用的技术方案是将原有的厚度分布基于最大厚度值进行数学转换，得到新的变换曲线，通过样条曲线的方法得到光滑且满足设计要求的变换曲线，再通过反变化得到新的厚度分布，其操作方便，调整灵活，物理意义强等特点，具有很强的通用性与鲁棒性。
2.仅需要很少的控制点即可表达出绝对光滑的厚度分布曲线，该曲线能够保证所叠加生成的叶型型线的二阶导数连续，有利于叶片的流体流动，从而避免叶型型线出现间断、曲率不连续等不利于流体流动的情况。
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是一实施例中的已有叶型的厚度分布。
图2是一实施例中根据图1的已有叶型的转换厚度分布。
图3是一实施例中根据图2的转换厚度分布得到的修正转换厚度分布。
图4是一实施例中根据图3的修正转换厚度分布得到的叶型的厚度分布与图1的已有叶型的厚度分布的对比。
图5是一实施例中根据图4的叶型的厚度分布的二阶导数分布。
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).根据对已有叶型的厚度分布进行基于最大厚度值的厚度换算得到的该已有叶型的转换厚度分布，在所述转换厚度分布中，选取至少五个控制点，所述至少五个控制点位于前缘处、尾缘处、最大厚度处、前缘与最大厚度之间至少一处，尾缘与最大厚度之间至少一处，根据所述至少五个控制点，通过样条曲线，生成修正转换厚度分布；
对于已有叶型的具体例子，在一实施例中，如图1所示，可以是经典的NACA系列叶型，也可以是其它经典的叶型，例如C3-C5系列叶型，在实际工作中，也可以是设计者自建的标准叶型数据库中的叶型等等，均不以此为限。如图1所示的一实施例中，NACA系列厚度分布如图1所示，其中横坐标为厚度的相对位置而纵坐标为厚度的绝对值，可以看出在40％弦长的最大厚度位置处对应的最大厚度值接近为5mm。
对于基于最大厚度值的厚度换算，可以采用公式(1)进行厚度变换：
Figure BDA0001911252990000051
其中Tmax为最大厚度，Xmax为对应的最大厚度位置；Ti为不同位置处的厚度值，而Xi为不同厚度值所对应的厚度位置；Ci不同位置处的转换厚度。如图2所示，根据图1的NACA叶型的转换厚度分布转换厚度的分布曲线，从图中可以发现在最大厚度位置处对应的转换厚度值为0。在图2所示的转换厚度分布的基础上，应进行进一步修正，以保证得到的厚度分布绝对光滑，因此采用在转换厚度分布曲线中取控制点得到样条曲线的修正方法。如图3所示，通过Bezier曲线对转换厚度分布曲线进行修正，Bezier曲线能够用很少的控制点得到一条光滑的曲线，操作简单，计算量小，当然，也可以根据实际需要采用其它的样条曲线种类。控制点的数量以及位置根据实际的精度要求灵活调整，在图3所示的一些实施例中，选取了五个控制点，分别位于前缘处、尾缘处、最大厚度处、前缘与最大厚度之间一处，尾缘与最大厚度之间一处，若需要增加精度，可以在前缘与最大厚度之间，尾缘与最大厚度之间增加控制点。从图3的对比可以看出，修正转换厚度与原始的转换厚度的相比，修正转换厚度曲线绝对光滑。之后，再根据修正的转换厚度分布进行厚度换算的逆换算，得到设计的叶型的厚度分布。若采用公式(1)进行厚度换算，则逆换算通过下述公式(2)进行：
Figure BDA0001911252990000061
图4给出了经过逆换算后新的叶型的厚度分布同已有叶型的厚度分布曲线的对比，可以明显看出，新的叶型厚度分布能够更好地实现从前缘点到最大厚度位置以及最大厚度位置处到尾缘的厚度过渡。
优选地，在得到新的叶型厚度分布曲线后，可以对其进行光滑性校验，如图5所示，给出了新的厚度分布曲线的二阶导数，从图中未看出明显间断，可以认为此的厚度分布是绝对光滑的，能够满足不同叶轮机械行业叶片造型的需求。
在一些实施例中，构造方法还可以包括步骤(c)，判断所述修正转换厚度分布对应的叶型厚度分布是否满足叶片的加速性能设计要求，若不满足，则改变控制点，生成新的样条曲线以及其对应的新的修正转换厚度分布以及叶型厚度分布，直至得到满足设计要求的最终的修正转换厚度分布以及叶型厚度分布。如此构造方法的有益效果是，得到的叶型厚度分布不仅绝对光滑，以减小流体的流动损失，而且能还应匹配研发人员对于叶片的不同的设计需求。例如，研发人员需要针对前缘与尾缘的加速性能的进行针对性的叶型厚度分布构造。例如若得到的叶型厚度分布无法满足叶片前缘的加速需要，则需要将前缘的曲率提高，对应地，只需要在转换厚度曲线中，选取更为靠近前缘的控制点生成新的修正转换厚度曲线，若需要加强尾缘的加速性能也是同理，选取更靠近尾缘的控制点生成新的修正转换厚度曲线。当然，叶片的设计要求，不限于以上介绍的叶片的加速性能的设计要求，改变控制点，也不限于以上介绍的改变前缘与最大厚度之间至少一处和/或尾缘与最大厚度之间至少一处的控制点位置。若有其它的叶片设计要求，除了改变前缘与最大厚度之间至少一处和/或尾缘与最大厚度之间至少一处的控制点位置之外，也可以改变最大厚度处的位置以及对应的最大厚度值，均可以根据设计需求快速调整，使得整个构造叶型厚度的过程操作方便，调整灵活。
可以理解到，上述构造方法的实施例对应的构造装置可以是计算机、服务器、智能移动设备、虚拟现实设备、增强现实设备等。构造装置可以包括处理器和计算机可读存储介质。处理器可以执行存储于计算机可读存储介质中的指令，以实现叶型厚度分布的构造的方法。在一些实施例中，处理器可以包括至少一个硬件处理器，例如，微控制器、微处理器、精简指令集计算机(RISC)、专用集成电路(ASIC)、专用指令集处理器(ASIP)、中央处理器(CPU)、图形处理器(GPU)、物理处理器(PPU)、单片机、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、先进精简指令集系统(ARM)、可编程逻辑设备(PLD)、能够执行至少一个功能的任何电路或处理器等，或其任何组合。
计算机可读存储介质可以存储计算机可读指令和/或数据。计算机可读存储介质可以包括内存和存储器。
内存可以易失性地存储计算机可读指令和/或数据，例如可以存储有电子地图数据、路线规划程序指令、多条规划路线比较程序指令等。内存可以为易失性读写存储器，例如随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)。内存例如可以包括动态RAM(DRAM)、双倍数据传输率同步动态RAM(DDR SDRAM)、静态RAM(SRAM)、晶闸管RAM(T-RAM)、零电容RAM(Z-RAM)等。
存储器可以非易失性地存储计算机可读指令和/或数据，例如可以存储有电子地图数据、路线规划程序、多条规划路线比较程序指令等。存储器可以包括大容量存储器、可移动存储器、只读存储器(ROM)等，或其任何组合。示例性的大容量存储器可以包括磁盘、光盘、固态驱动器等。示例性的可移动存储器可以包括闪存盘、软盘、光盘、存储卡、压缩盘、磁带等。示例性的ROM可以包括掩模型ROM(MROM)、可编程ROM(PROM)、可擦除可编程ROM(EPROM)、电擦除可编程ROM(EEPROM)、光盘ROM(CD-ROM)、数字通用盘ROM等。在一些实施例中，存储器可以在云平台上实现。仅作为示例，所述云平台可以包括私有云、公共云、混合云、分布式云、跨云、多云等，或其任何组合。
在一些实施例中，构造装置还可以包括数据导入模块以及构造模块。数据导入模块用于对已有叶型的厚度分布进行基于最大厚度值的厚度换算得到的该已有叶型的转换厚度分布，并输出所述转换厚度分布至后述的构造模块。而构造模块，通过接收所述数据导入模块的转换厚度分布，选取所述转换厚度分布中的至少五个控制点，所述至少五个控制点位于前缘处、尾缘处、最大厚度处、前缘与最大厚度之间至少一处，尾缘与最大厚度之间至少一处，根据所述至少五个控制点，再通过样条曲线，以生成修正转换厚度分布；通过逆转换所述修正转换厚度分布，构造叶型厚度分布。
综上，采用上述实施例的叶片及其厚度分布的构造方法、构造装置以及计算机可读存储介质的有益效果包括下列之一：
1.本发明所采用的技术方案是将原有的厚度分布基于最大厚度值进行数学转换，得到新的变换曲线，通过样条曲线的方法得到光滑且满足设计要求的变换曲线，再通过反变化得到新的厚度分布，其操作方便，调整灵活，物理意义强等特点，具有很强的通用性与鲁棒性。
2.仅需要很少的控制点即可表达出绝对光滑的厚度分布曲线，该曲线能够保证所叠加生成的叶型型线的二阶导数连续，有利于叶片的流体流动，从而避免叶型型线出现间断、曲率不连续等不利于流体流动的情况。
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)

1.一种叶型的厚度分布的构造方法，其特征在于，包括：
步骤a.根据对已有叶型的厚度分布进行基于最大厚度值的厚度换算得到的该已有叶型的转换厚度分布，在所述转换厚度分布中，选取至少五个控制点，所述至少五个控制点位于前缘处、尾缘处、最大厚度处、前缘与最大厚度之间至少一处，尾缘与最大厚度之间至少一处，根据所述至少五个控制点，通过样条曲线，生成修正转换厚度分布；
步骤b.根据所述修正转换厚度分布，进行对于所述步骤a的厚度换算的逆换算，得到叶型的厚度分布。
2.如权利要求1所述的构造方法，其特征在于，所述步骤a中，通过下述公式(1)进行基于最大厚度值的厚度换算：
Figure FDA0001911252980000011
所述步骤b中，所述逆换算通过下述公式(2)进行：
Figure FDA0001911252980000012
在上述公式(1)、公式(2)中，Tmax为最大厚度，Xmax为对应的最大厚度位置；Ti为不同位置处的厚度值，而Xi为不同厚度值所对应的厚度位置；Ci不同位置处的转换厚度。
3.如权利要求1所述的构造方法，其特征在于，所述步骤a中，样条曲线为Bezier曲线。
4.如权利要求1所述的构造方法，其特征在于，所述步骤b还包括，通过计算所述叶型厚度分布的二阶导数，检验厚度分布的光滑性。
5.如权利要求1所述的构造方法，其特征在于，还包括步骤c，判断所述修正转换厚度分布对应的叶型厚度分布是否满足叶片的设计要求，若不满足，则改变控制点，生成新的样条曲线以及其对应的新的修正转换厚度分布以及叶型厚度分布，直至得到满足设计要求的最终的修正转换厚度分布以及叶型厚度分布。
6.一种叶片，其特征在于，所述叶片的厚度分布通过权利要求1-5任意一项所述的造型方法构造。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行实现以下步骤：
步骤A.根据对已有叶型的厚度分布进行基于最大厚度值的厚度换算得到的该已有叶型的转换厚度分布，在所述转换厚度分布中，选取至少五个控制点，所述至少五个控制点位于前缘处、尾缘处、最大厚度处、前缘与最大厚度之间至少一处，尾缘与最大厚度之间至少一处，根据所述至少五个控制点，通过样条曲线，生成修正转换厚度分布；
步骤B.根据所述修正转换厚度分布，进行对于所述步骤A的厚度换算的逆换算，得到叶型的厚度分布。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，还包括步骤C，判断所述修正转换厚度分布对应的叶型厚度分布是否满足叶片的设计要求，若不满足，则改变控制点，生成新的样条曲线以及其对应的新的修正转换厚度分布以及叶型厚度分布，直至得到满足设计要求的最终的修正转换厚度分布以及叶型厚度分布。
9.一种叶型的厚度分布的构造装置，其特征在于，包括：
计算机可读存储介质，用于存储可由处理器执行的指令；
处理器，用于执行所述指令以实现如权利要求1至5任一项所述的构造方法。
10.一种叶型厚度分布的构造装置，其特征在于，包括：
数据导入模块，用于对已有叶型的厚度分布进行基于最大厚度值的厚度换算得到的该已有叶型的转换厚度分布，并输出所述转换厚度分布至后述的构造模块；以及
构造模块，通过接收所述数据导入模块的转换厚度分布，选取所述转换厚度分布中的至少五个控制点，所述至少五个控制点位于前缘处、尾缘处、最大厚度处、前缘与最大厚度之间至少一处，尾缘与最大厚度之间至少一处，根据所述至少五个控制点，再通过样条曲线，以生成修正转换厚度分布；通过逆转换所述修正转换厚度分布，构造叶型厚度分布。
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