CN111460571A

CN111460571A - 中介机匣部件的型线的构造方法、构造装置以及计算机可读存储介质

Info

Publication number: CN111460571A
Application number: CN201910001551.2A
Authority: CN
Inventors: 蔡宇桐; 闫嘉超; 李亮
Original assignee: AECC Commercial Aircraft Engine Co Ltd
Current assignee: AECC Commercial Aircraft Engine Co Ltd
Priority date: 2019-01-02
Filing date: 2019-01-02
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2039-01-02
Also published as: CN111460571B

Abstract

本发明涉及中介机匣部件及其型线的构造方法、构造装置以及计算机可读存储介质，其中，上述构造方法包括以下步骤：步骤a.确定位于中介机匣部件位于中介机匣的进口端点与出口端点之间的多个轴向位置不同的构造点，分别赋予所述多个构造点的每一个构造点对应的二阶导数值，所述多个构造点对应的二阶导数值分布于一光滑曲线上；步骤b.以所述步骤a的进口端点以及出口端点的位置、所述多个构造点的二阶导数值以及其轴向位置为已知量，求解得到所述多个构造点的位置；步骤c.根据所述的进口端点以及出口端点的位置以及所述步骤b求解得到的多个构造点的位置，构造中介机匣部件的型线。上述构造方法操作简单，其构造的中介机匣流动损失小。

Description

中介机匣部件的型线的构造方法、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，具体涉及叶轮机械的中介机匣部件及其型线的构造方法、构造装置以及计算机可读存储介质。

背景技术

叶轮机械的中介机匣，以航空发动的压气机的中介机匣为例，是航空发动机上连接风扇增压级与高压压气机的关键静子部件，气流由增压级出口通过中介机匣流入高压压气机进行进一步压缩。此外，中介机匣是发动机最重要的承力机构，往内有轴颈用于支承转子，往外有发动机安装节用于将发动机载荷传递给飞机。中介机匣主要由流路及支板构成，其中支板大小及形状主要受到传动轴大小及强度限制，设计优化空间有限。

相对而言，中介机匣流路设计则具有更大的自由度，通过合理设计能够获取更多的气动收益。

中介机匣的设计目标在于在尽量短的空间内实现增压级部件和高压压气机部件之间的过渡，并同时保证出口流场尽可能均匀以提供高压压气机良好的工作条件。

有数据表明，中介机匣长度减小20％则意味着发动机重量能够减少1％-2％，因此在涡扇发动机涵道比增大和紧凑性增强的趋势下，中介机匣流路具有复杂几何特征的S型弯管，轮毂、机匣端壁型线曲率变化十分强烈的特点，加之支板的干扰使其内部流动具有极强的三维性，容易引发端壁附面层分离、角区分离等二次流现象，给中介机匣的流路设计提出了更加严峻的考验。

在该领域，前人开展了大量的研究工作，总结出了影响中介机匣流路性能的重要指标有进出口面积比、轴向长度、半径落差比等，并通过三维优化、试验设计等方法开展设计工作。

由于中介机匣轮毂、机匣型线曲率变化剧烈，前述的研究方法未能在设计时对型线曲率进行很好的控制，型线曲率不光滑将会导致中介机匣的气动性能受到一定的影响。传统的中介机匣流路设计方法虽然考虑了沿流程的面积变化、半径落差等因素，但在设计时未能保证型线曲率的合理性，甚至出现曲率不连续的情况，导致壁面附近的马赫数出现不光滑的现象，对于中介机匣内部流场造成一定的影响，容易导致分离提前发生，尤其在角区区域避免不光滑造成的影响加剧。

因此，本领域需要一种能够保证中介机匣型线的曲率绝对光滑的的构造方法，以及气动性能更佳的中介机匣部件。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种中介机匣部件的型线的构造方法以及利用该构造方法构造的中介机匣。

本发明的另一个目的是提供一种用于构造中介机匣部件的型线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中介机匣部件的型线的构造方法，包括：

步骤a.确定位于中介机匣部件位于中介机匣的进口端点与出口端点之间的多个轴向位置不同的构造点，分别赋予所述多个构造点的每一个构造点对应的二阶导数值，所述多个构造点对应的二阶导数值分布于一光滑曲线上；

步骤b.以所述步骤a的进口端点以及出口端点的位置、所述多个构造点的二阶导数值以及其轴向位置为已知量，求解得到所述多个构造点的位置；

步骤c.根据所述的进口端点以及出口端点的位置以及所述步骤b求解得到的多个构造点的位置，构造中介机匣部件的型线。

在所述构造方法的实施例中，所述步骤a的分别赋予所述多个构造点的每一个构造点对应的二阶导数值，所述多个构造点对应的二阶导数值分布于一光滑的曲线上的步骤包括：

步骤a1.以中介机匣部件位于中介机匣的进口端点与出口端点以及两者之间的至少一处为控制点，生成样条曲线；

步骤a2.求解所述步骤a1得到的所述样条曲线的二阶导数，得到光滑的二阶导数分布曲线，从中任意选取的多个数值，赋予所述多个构造点。

在所述构造方法的实施例中，在所述步骤a中，选取的多个构造点在中介机匣部件上位于中介机匣的进口端点与出口端点之间轴向等距离分布。

在所述构造方法的实施例中，还包括步骤d，判断所述步骤c构造的所述中介机匣部件的型线是否满足气动性能要求，若不满足，则重新赋予多个构造点的每一个构造点新的对应的二阶导数值，和/或改变构造点的数量，和/或改变多个构造点的轴向位置，直至得到满足气动性能要求的中介机匣部件的型线。

根据本发明一方面的一种中介机匣，所述中介机匣的部件的型线通过以上任意一项所述的构造方法构造。

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：

在所述可读存储介质的实施例中，还包括步骤D，判断所述步骤C构造的所述中介机匣部件的型线是否满足气动性能要求，若不满足，则重新赋予多个构造点的每一个构造点新的对应的二阶导数值，和/或改变构造点的数量，和/或改变多个构造点的轴向位置，直至得到满足气动性能要求的中介机匣部件的型线。

根据本发明一方面的一种中介机匣部件的型线的构造装置，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中介机匣部件的型线的构造装置，包括数据导入模块，用于生成一光滑曲线，并输出所述光滑曲线至后述的构造模块；以及构造模块，通过接收所述数据导入模块的光滑曲线，确定位于中介机匣部件位于中介机匣的进口端点与出口端点之间的多个轴向位置不同的构造点，分别赋予所述多个构造点的每一个构造点对应的二阶导数值，所述多个构造点对应的二阶导数值分布于所述光滑曲线上；以所述进口端点以及出口端点的位置、所述多个构造点的二阶导数值以及其轴向位置为已知量，求解得到所述多个构造点的位置，构造中介机匣部件的型线。

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一种以构造点的二阶导数为输入的型线方法，相对于直接控制型线几何坐标点的方法，能够对型线的曲率有预知、方便自由控制等特点。

2.本发明所采用的技术方案由于保证了型线的曲率的绝对光滑性，对于优化中介机匣流场尤其是靠近端壁处的流场具有十分显著的作用，能够进一步降低损失。

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是一实施例的中介机匣的端壁的型线示意图。

图2是一实施例中的已有的中介机匣的轮毂与端壁的型线示意图。

图3是一实施例的构造方案构造的中介机匣型线二阶导数与已有中介机匣型线的二阶导数对比示意图。

图4是一实施例的构造方案构造的中介机匣型线与已有中介机匣型线的对比示意图。

图5是一实施例的构造方案构造的中介机匣与已有中介机匣的近端壁处表面马赫数对比的对比示意图。

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，中介机匣以连接上游的低压压气机至下游的高压压气机之间的中介机匣为例，中介机匣部件包括轮毂以及端壁，实施例中的构造方法可以适用于轮毂和/或端壁。

在一些实施例中，中介机匣部件的具体方法如下：

步骤(a).确定位于中介机匣部件位于中介机匣的进口端点与出口端点之间的多个轴向位置不同的构造点，以图1为示例，中介机匣部件为端壁，其进口端点坐标P₁(x₁,y₁)，出口端点的坐标P_n(x_n,y_n)以及之间中间多个构造点的轴向位置x₂，x₃，……，x_n-1为已知量，分别赋予上述多个轴向位置x₂，x₃，……，x_n-1为已知量的构造点的对应的y坐标的二阶导数值y₂”，y₃”，……，y_n-1”，且上述多个构造点对应的二阶导数值应分布于一条光滑的曲线上；关于二阶导数值分布于一光滑曲线上的具体例子，在一实施例中，可以采取构造样条曲线的方法，以中介机匣部件位于中介机匣的进口端点与出口端点以及两者之间的至少一处为控制点，生成样条曲线；求解得到的所述样条曲线的二阶导数，本领域技术人员应当知道，样条曲线的二阶导数是绝对光滑的，因此可以通过任意选取在样条曲线的各点的二阶导数值，赋予所述多个构造点，使得多个构造点的二阶导数值y₂”，y₃”，……，y_n-1”分布于一光滑曲线。

步骤(b).以所述步骤(a)的进口端点以及出口端点的位置、所述多个构造点的二阶导数值以及其轴向位置为已知量，求解得到所述多个构造点的位置。

具体而言，通过二阶导数值求解坐标可以通过以下步骤实现：

从公式(1)中可以看出，点P_i处的二阶导数只与其相邻的两个点的几何坐标有关，然而在设计过程一般只关注曲线点的几何坐标，无法保证曲线各点处二阶导数的合理性。

若已知曲线进出口的坐标及中间离散点各点处x坐标以及y坐标的二阶导数，且当二阶导数位于一光滑曲线上时，

理论上可以反求出各构造点的坐标P_i(x_i,y_i)且该解是唯一的。

在一些实施例中，选取的多个构造点在中介机匣部件上位于中介机匣的进口端点与出口端点之间轴向等距离分布，如此可以的有益效果在于可以简化计算，从而使得构造方法更加高效，加速研发设计的进度。

令x_i+1-x_i＝x_i-x_i-1＝Δ，即离散点之间为等步长且步长为Δ，

则式(1)可以转化为如公式(2)的简洁形式，其中Δ按照公式(3)进行计算。

则对于点个数为n的中介机匣型线，沿进口到出口可以有如下方程组(4)，方程组中共有n-2个未知数，同方程组个数保持一致，即方程组封闭，存在唯一解。

将方程组(4)写成矩阵形式，可以表达为式(5)。从式(5)可以看出，系数矩阵为三对角矩阵，在构造点个数较多的情况仍能采用追赶法进行方便求解。

步骤(c).通过求解方程组(5)获得了各构造点的P_i(x_i,y_i)(i＝2,…,n-1)的几何坐标，加上进出口端点的坐标，构造中介机匣的端壁的型线。

同理，运用同样的方法，只需已知中介机匣的轮毂的进出口坐标及中间点的二阶导数即可以获得轮毂型线的几何坐标，构造中介机匣的轮毂的型线。

结合图2以及图4，可以看出，已有的中介机匣型线与采用实施例的构造方法构造的中介机匣型线的差别很小，两者均没有明显的间断，通过放大才能看出两者的细微差别。参考图3，对于已有的中介机匣型线，无论是其端壁还是轮毂的二阶导数分布，虽然其是连续的，但不光滑，存在明显坑坑洼洼的现象，这容易导致靠近端壁处流场恶化。可以看出，虽然已有的中介机匣型线与实施例构造得到的型线的二阶导数分布差别很大，但由于两者的型线基本一致，因此通过直接调整已有的中介机匣型线的坐标来得到光滑的二阶导分布，不仅费时，且难以实现，采用直接赋予各构造点位于光滑曲线的二阶导数值的构造方法更为高效。而采用实施例构造的中介机匣型线，由于赋予各构造点的二阶导数值位于一光滑曲线，因此其对应的二阶导数分布一定的光滑的。因此，采用本发明所述方法设计中介机匣流路能够保证曲线的光滑性，进而优化中介机匣端壁流场。参考图5，采用本实施例的构造方法设计得到的中介机匣型线，其表面马赫数分布更为光滑，流场更为稳定，表明，相比于已有的中介机匣型线，采用赋予各构造点位于光滑曲线的二阶导数值的构造方法构造的中介机匣型线，的确能够带来一定的气动增益。

在一些实施例中，构造方法还可以包括步骤(d)，判断构造的所述中介机匣部件的型线是否满足气动性能要求，若不满足，则重新赋予多个构造点的每一个构造点新的对应的二阶导数值，和/或改变构造点的数量，和/或改变多个构造点的轴向位置，直至得到满足气动性能要求的中介机匣部件的型线。当然，容易理解的，重新赋予的二阶导数值也应当位于光滑曲线，该光滑曲线可以是步骤(a)中的同一条光滑曲线，也可以另外构造的光滑曲线。如此构造方法的有益效果是，得到的中介机匣型线不仅二阶导数光滑，能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，研发人员需要针对进口与出口的加速性能的进行针对性的中介机匣型线的构造。例如若得到的中介机匣型线无法满足进口的加速性能需求，则需要将进口段的型线曲率提高，对应地，只需要在赋予进口段位置的二阶导数值中，选取光滑曲线中二阶导数值更大一段，若需要加强出口段的加速性能也是同理，在赋予出口段位置的二阶导数值中，选取光滑曲线中二阶导数值更大一段。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，也不限于重新赋值的步骤。也可以改变构造点的数量以及构造点的位置，均可以根据设计需求快速调整，使得整个构造中介机匣部件的型线的过程操作方便，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，以实现中介机匣部件的型线的构造的方法。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。数据导入模块用于生成一光滑曲线，并输出所述光滑曲线至后述的构造模块。而构造模块，通过接收所述数据导入模块的光滑曲线，确定位于中介机匣部件位于中介机匣的进口端点与出口端点之间的多个轴向位置不同的构造点，分别赋予所述多个构造点的每一个构造点对应的二阶导数值，所述多个构造点对应的二阶导数值分布于所述光滑曲线上；以所述进口端点以及出口端点的位置、所述多个构造点的二阶导数值以及其轴向位置为已知量，求解得到所述多个构造点的位置，构造中介机匣部件的型线。

综上，采用上述实施例的中介机匣部件的型线的构造方法、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：

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低压压气机与高压压气机之间的中介机匣以外，还可以用于低压涡轮与高压涡轮之间的中介机匣。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

1.一种中介机匣部件的型线的构造方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的构造方法，其特征在于，所述步骤a的分别赋予所述多个构造点的每一个构造点对应的二阶导数值，所述多个构造点对应的二阶导数值分布于一光滑的曲线上的步骤包括：

3.如权利要求1所述的构造方法，其特征在于，在所述步骤a中，选取的多个构造点在中介机匣部件上位于中介机匣的进口端点与出口端点之间轴向等距离分布。

4.如权利要求1所述的构造方法，其特征在于，还包括步骤d，判断所述步骤c构造的所述中介机匣部件的型线是否满足气动性能要求，若不满足，则重新赋予多个构造点的每一个构造点新的对应的二阶导数值，和/或改变构造点的数量，和/或改变多个构造点的轴向位置，直至得到满足气动性能要求的中介机匣部件的型线。

5.一种中介机匣，其特征在于，所述中介机匣的部件的型线通过权利要求1-4任意一项所述的构造方法进行构造。

6.一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：

7.如权利要求6所述的计算机可读存储介质，其特征在于，还包括步骤D，判断所述步骤C构造的所述中介机匣部件的型线是否满足气动性能要求，若不满足，则重新赋予多个构造点的每一个构造点新的对应的二阶导数值，和/或改变构造点的数量，和/或改变多个构造点的轴向位置，直至得到满足气动性能要求的中介机匣部件的型线。

8.一种中介机匣部件的型线的构造装置，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4任一项所述的构造方法。

9.一种中介机匣部件的型线的构造装置，其特征在于，包括：

数据导入模块，用于生成一光滑曲线，并输出所述光滑曲线至后述的构造模块；以及

构造模块，通过接收所述数据导入模块的光滑曲线，确定位于中介机匣部件位于中介机匣的进口端点与出口端点之间的多个轴向位置不同的构造点，分别赋予所述多个构造点的每一个构造点对应的二阶导数值，所述多个构造点对应的二阶导数值分布于所述光滑曲线上；以所述进口端点以及出口端点的位置、所述多个构造点的二阶导数值以及其轴向位置为已知量，求解得到所述多个构造点的位置，构造中介机匣部件的型线。