CN111859556B - 基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法及系统 - Google Patents

基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法及系统 Download PDF

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Abstract

发明公开了一种基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法及系统，整个三维叶片造型过程较为简单，并且通过双四次Bezier曲面生成的扰动量施加到叶片中弧面上后，叶片中弧面的空间三维型面在流向和展向上保持双四次Bezier曲面具有的光滑特点，该方法可以实现对离心叶轮叶片局部区域型面的精准控制，主要体现在：一方面通过叶片型面的局部调整抑制叶片表面的二次流动；另一方面还可有效实现对离心叶轮特定叶片区域强度和变形的控制，提高叶片的安全性。

Description

基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法及系统
技术领域
本发明涉及离心叶轮设计技术领域，特别地，涉及一种基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法及系统。
背景技术
目前在离心压气机技术领域，离心叶轮叶片通常采用根尖两个截面的直纹面进行设计，该种方法只能对离心叶轮叶片根部和尖部的几何形状进行控制，无法对叶片局部区域进行精准控制。随着技术的发展，离心压气机朝着负荷高、效率高、压比高的方向发展，采用根尖两个截面设计离心叶轮的传统方法难以满足未来高性能离心压气机的性能需求。高性能离心压气机叶轮叶片的设计要求越来越高，对叶片局部区域的控制需求增加，故叶片呈现的三维性越来越强，现有的一些离心叶轮设计方法借鉴了轴流叶片多截面设计方法以期望实现对离心叶轮叶片的三维控制。
但是，由于离心叶轮进出口叶片高度差异大，借鉴轴流叶片多截面设计方法最大的缺点就是要实现对截面的精细控制，需要控制的截面个数较多，控制参数多，使得三维叶片造型过程十分复杂，而且极易存在叶片展向不光滑的现象，实用性不强。
发明内容
本发明提供了一种基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法及系统，以解决目前借鉴轴流叶片多截面设计方法进行离心叶轮设计的方式存在的三维叶片造型过程中控制参数多，造型过程复杂以及极易存在叶片展向不光滑的现象的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法，包括以下步骤：
步骤S1：输入离心叶轮造型所需的几何参数，所述几何参数包括离心叶轮进出口流道坐标、进出口叶片角、叶片最大厚度及厚度位置、叶片数、叶片切割位置、叶片前缘半径、双四次Bezier曲面扰动参数；
步骤S2：基于离心叶轮进出口流道坐标采用Bezier曲线设计子午流道；
步骤S3：基于保角变换方法将叶片根部和尖部的中弧线变换到平面坐标系进行叶片中弧线设计，设计完成之后再将叶片中弧线映射到笛卡尔坐标系中计算得到叶片中弧线的三维空间坐标，采用线性插值的方式计算获得不同叶高截面叶片中弧线的空间三维坐标，从而得到叶片中弧面的三维空间坐标；
步骤S4：采用Bezier曲线生成投影到子午面的叶片前缘切割线，并根据叶片切割位置采用插值和二分法对叶片中弧面进行切割以得到基准离心叶轮叶片中弧面；
步骤S5：设计叶片厚度分布；
步骤S6：采用双四次Bezier曲面生成扰动量并将其施加到基准离心叶轮叶片中弧面上；
步骤S7：基于叶片厚度分布和施加扰动量的基准离心叶轮叶片中弧面，采用法向厚度叠加方法计算得到叶片型面坐标。
进一步地，所述步骤S6中采用的双四次Bezier曲面的表达式为：
Figure BDA0002543183840000021
其中，n，m均等于5，Bi,n(u)，Bj,m(v)分别为u方向和v方向上Bezier曲线基函数，Pi,j为控制点。
进一步地，所述步骤S6具体为：
将双四次Bezier曲面按u方向和v方向分别映射到叶片中弧面的流向和展向，并将其叠加到中弧线坐标上。
进一步地，所述步骤S7包括以下内容：
步骤S71：基于叶片中弧面的三维空间坐标数据计算流向和展向的空间弧长；
步骤S72：在叶片中弧面任意一点上计算其沿着流向和展向的方向矢量；
步骤S73：基于流向和展向的方向矢量采用向量叉乘计算得到叶片中弧面的法向矢量；
步骤S74：基于叶片厚度分布在叶片法向上叠加厚度，并计算得到叶片型面坐标。
所述步骤S1中的几何参数根据一维参数计算或准三维S2流面计算得到。
进一步地，所述步骤S3中在保角变换坐标系中进行叶片中弧线设计的过程具体包括以下内容：
给定保角变换坐标系平面中叶片包角θ和
Figure BDA0002543183840000031
的分布趋势并计算得到叶片根部和尖部的叶片角分布曲线，根据叶片角分布曲线判断叶片角分布是否合理，若不合理则反复调整叶片包角θ和
Figure BDA0002543183840000032
的分布趋势，直至叶片角分布满足设计要求。
进一步地，所述叶片前缘切割线为直线或者曲线。
进一步地，所述步骤S5中基于叶片最大厚度及厚度位置、叶片前缘半径计算得到叶片厚度沿着叶片中弧线的分布。
本发明还提供一种基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计系统，包括：
输入单元，用于输入离心叶轮造型所需的几何参数；
子午流道设计单元，用于基于离心叶轮进出口流道坐标采用Bezier曲线设计子午流道；
叶片中弧线设计单元，用于采用保角变换方法将叶片根部和尖部中弧线投影到保角变换后的平面坐标系进行叶片中弧线设计，设计完成之后再将叶片中弧线映射到笛卡尔坐标系中计算得到叶片中弧线的三维空间坐标，采用线性插值的方式计算获得不同叶高截面叶片中弧线的空间三维坐标，从而得到叶片中弧面的三维空间坐标；
切割设计单元，用于采用Bezier曲线生成投影到子午面的叶片前缘切割线，并根据叶片切割位置采用插值和二分法对叶片中弧面进行切割以得到基准离心叶轮叶片中弧面；
厚度分布设计单元，用于设计叶片厚度分布；
扰动量设计单元，用于采用双四次Bezier曲面生成扰动量并将其施加到基准离心叶轮叶片中弧面上；
叶片坐标计算单元，用于基于叶片厚度分布和施加扰动量的基准离心叶轮叶片中弧面，并采用法向厚度叠加方法计算得到叶片型面坐标。
进一步地，还包括：数值仿真单元，用于通过一维参数计算和准三维S2流面计算得到离心叶轮造型所需的几何参数。
本发明具有以下效果：
本发明的基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法，先输入离心叶轮造型所需的几何参数，然后再采用Bezier曲线来设计子午流道，简单快捷，再在保角变换后的平面坐标系中进行叶片中弧线设计，保角变换后的平面坐标系中弧线的走向反映了叶片槽道气流的流向，对判断叶片载荷形式更为直观，然后对叶片中弧面进行切割得到基准离心叶轮叶片中弧面，进而进行叶片厚度分布设计，接下来采用双四次Bezier曲面生成扰动量并将其施加到基准离心叶轮叶片中弧面上，最后基于叶片厚度分布和施加扰动量后的离心叶轮叶片中弧面计算得到叶片型面坐标。整个三维叶片造型过程较为简单，并且通过双四次Bezier曲面生成的扰动量施加到叶片中弧面上后，叶片中弧面的空间三维型面在流向和展向上保持双四次Bezier曲面具有的光滑特点，该方法可以实现对离心叶轮叶片局部区域型面的精准控制,主要体现在：一方面通过叶片型面的局部调整抑制叶片表面的二次流动，提高气动性能；另一方面通过叶片型面的局部调整实现对离心叶轮特定叶片区域强度和变形的精确控制，提高叶片的安全性。
另外，本发明的基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计系统同样具有上述优点。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法的流程示意图。
图2是图1中的步骤S3中的叶片中弧线保角变换后的坐标平面示意图。
图3是图1中的步骤S3中进行中弧线设计得到的叶片根部和尖部的叶片角分布曲线示意图。
图4是图1中的步骤S4中进行前缘切割的示意图。
图5是图1中的步骤S4中采用直线对叶片中弧面进行切割后的示意图。
图6是图1中的步骤S4中采用曲线对叶片中弧面进行切割后的示意图。
图7是图1中的步骤S5中计算厚度分布的原理示意图。
图8是本发明优选实施例的双四次Bezier曲面扰动示意图。
图9是图1中的步骤S7的子流程示意图。
图10是图1中的步骤S7中进行叶片厚度法向叠加的示意图。
图11是采用传统叶片设计方法设计出来的直纹面叶片子午投影直线切割的三维叶型示意图。
图12是基于本方法设计的子午投影为曲线切割的三维叶型的主视示意图。
图13是基于本方法设计的子午投影为曲线切割且在叶片出口实施局部三维设计的三维叶型等轴测示意图。
图14是基于本方法设计的子午投影为曲线切割且在叶片出口实施局部三维设计的三维叶型的叶片尾缘局部放大示意图。
另外，为了更加逼真地体现出叶轮的造型效果，申请人另外提交了附件，附件中包含了多张彩色效果图，附件中的图号与说明书附图中的图号一一对应。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图1所示，本发明的优选实施例提供一种基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法，其包括以下步骤：
步骤S1：输入离心叶轮造型所需的几何参数，所述几何参数包括离心叶轮进出口流道坐标、进出口叶片角、叶片最大厚度及厚度位置、叶片数、叶片切割位置、叶片前缘半径、双四次Bezier曲面扰动参数；
步骤S2：基于离心叶轮进出口流道坐标采用Bezier曲线设计子午流道；
步骤S3：基于保角变换方法将叶片根部和尖部中弧线变换到平面坐标系进行叶片中弧线设计，设计完成之后再将叶片中弧线映射到笛卡尔坐标系中计算得到叶片中弧线的三维空间坐标，采用线性插值的方式计算获得不同叶高截面叶片中弧线的空间三维坐标，从而得到叶片中弧面的三维空间坐标；
步骤S4：采用Bezier曲线生成投影到子午面的叶片前缘切割线，并根据叶片切割位置采用插值和二分法对叶片中弧面进行切割以得到基准离心叶轮叶片中弧面；
步骤S5：设计叶片厚度分布；
步骤S6：采用双四次Bezier曲面生成扰动量并将其施加到基准离心叶轮叶片中弧面上；
步骤S7：基于叶片厚度分布和施加扰动量后的基准离心叶轮叶片中弧面，采用法向厚度叠加方法计算得到叶片型面坐标。
可以理解，本优选实施例的基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法，先输入离心叶轮造型所需的几何参数，然后再采用Bezier曲线来设计子午流道，简单快捷，再在保角变换后的平面坐标系中进行叶片中弧线设计，保角变换后的平面坐标系中弧线的走向反映了叶片槽道气流的流向，对判断叶片载荷形式更为直观，然后对叶片中弧面进行切割得到基准离心叶轮叶片中弧面，进而进行叶片厚度分布设计，接下来采用双四次Bezier曲面生成扰动量并将其施加到基准离心叶轮叶片中弧面上，最后基于叶片厚度分布和施加扰动量后的离心叶轮叶片中弧面计算得到叶片型面坐标。整个三维叶片造型过程较为简单，并且通过双四次Bezier曲面生成的扰动量施加到叶片中弧面上后，叶片中弧面的空间三维型面在流向和展向上保持双四次Bezier曲面具有的光滑特点，该方法可以实现对离心叶轮叶片局部区域型面的精准控制，主要体现在：一方面通过叶片型面的局部调整抑制叶片表面的二次流动，提高气动性能；另一方面通过叶片型面的局部调整实现对离心叶轮特定叶片区域强度和变形的精确控制，提高叶片的安全性。
可以理解，所述步骤S1中的几何参数根据一维参数计算或准三维S2流面计算得到。所述几何参数包括离心叶轮进出口流道坐标、进出口叶片角、叶片最大厚度及厚度位置、叶片数、叶片切割位置、叶片前缘半径、双四次Bezier曲面扰动参数等，其中，所述离心叶轮进出口流道坐标包括进口根部坐标、进口尖部坐标、出口根部坐标和出口尖部坐标，所述进出口叶片角包括进口根部的叶片角、进口尖部的叶片角、出口根部的叶片角、出口尖部的叶片角。
可以理解，在所述步骤S2中，根据步骤S1输入的离心叶轮进出口流道坐标采用Bezier曲线来设计子午流道，十分方便快捷。其中，优选采用15点Bezier曲线进行设计。另外，具体的子午流道设计过程与常规的叶轮设计方法相同，故在此不再赘述。
可以理解，在所述步骤S3中，先根据步骤S2设计的子午流道采用保角变换方法将叶片根部和尖部空间中弧线投影到B2B平面(即保角变换坐标系)中进行中弧线设计。其中，保角变换的表达式具体如下：
Figure BDA0002543183840000081
其中，m表示子午流道长度，其可以表示为流道子午坐标(z，r)的函数m(z，r)，z、r分别表示轴向和半径方向的数值。
如图2所示，再通过给定B2B平面上叶片包角θ与
Figure BDA0002543183840000082
的分布趋势，通过以下公式(2)计算得到叶片根部和尖部的叶片角分布曲线，叶片角分布曲线如图3所示。其中，叶片角β和B2B平面坐标系之间的关系如下所示：
Figure BDA0002543183840000083
再根据叶片角分布曲线判断叶片角分布是否合理，若不合理则需要反复调整叶片包角θ和
Figure BDA0002543183840000084
的分布趋势，直至叶片角分布满足设计要求。其中，叶片载荷主要包括前加载、均匀加载、后加载，每一种载荷分布会对应一种典型的叶片角分布，具体采用哪种载荷需要根据压气机负荷水平、无量纲比转速大小来综合确定，从而可以根据叶片角分布曲线判定其属于哪一种叶片加载类型，进而判断叶片角分布是否合理。
当叶片角分布满足设计要求后，由于叶片包角和流道对应位置的子午坐标是一一映射的，再通过公式(3)计算得到叶片中弧线的三维空间坐标，然后采用线性插值的方法计算得到不同叶高截面叶片中弧线的三维空间坐标，而叶片根部到尖部的所有中弧线组成的面即为叶片中弧面，从而计算得到叶片中弧面的三维空间坐标。其中，公式(3)的表达式具体如下：
Figure BDA0002543183840000091
可以理解，公式(3)表示的是中弧线圆柱坐标系与笛卡尔坐标系的变换关系，在给定B2B平面上叶片包角θ与
Figure BDA0002543183840000092
的分布趋势后，即确定了X和Y的数值，其中m0和m1分别表示子午流线弧长开始和终了长度，即可根据公式(1)获得中弧线圆柱坐标系下的坐标(z，r，θ)，再通过公式(3)将其转化为笛卡尔坐标系，即可获得中弧线的三维空间坐标(x，y，z)。
可以理解，如图4至图6所示，在所述步骤S4中，采用Bezier曲线生成投影到子午面的叶片前缘切割线，所述叶片前缘切割线可以是直线或者任意曲线，然后根据叶片切割位置采用插值和二分法利用叶片前缘切割线对叶片中弧面进行切割，以得到基准离心叶轮叶片中弧面。其中，采用直线切割的方式，由于根部到尖部的切割线子午投影为直线，算法简单，对叶片前缘子午投影形状的控制较弱；而采用曲线切割的方式，由于根部到尖部的切割线子午投影为任意曲线，算法较为复杂，但对叶片前缘子午投影形状的控制较强。
可以理解，在所述步骤S5中，具体基于叶片最大厚度及最大厚度位置、叶片前缘半径计算得到叶片厚度沿着叶片中弧面的分布。具体地，叶片厚度采用5点Bezier曲线和一段圆弧表示，最大厚度位置定为Bezier曲线和圆弧相切的位置。如图7所示，横坐标X表示叶片中弧线长度，纵坐标Y表示叶片半厚度，Px0～Px4为控制点，其坐标依次为(x0,y0)，(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)，(x4,y4)，RL为叶片前缘最小曲率半径(工程上通常简称为叶片前缘半径)，XI为最大半厚度位置，最大半厚度为Tn_max/2，Rc表示圆弧的半径。Bezier曲线表示的前半段厚度分布可表示为：
Figure BDA0002543183840000101
其中n表示控制点阶次(等于控制点个数减1)，X(t)表示中弧线长度位置，Y(t)表示中弧线X(t)对应位置的厚度数值，Ji,n(t)为Bezier曲线的基函数。
叶片前缘曲率半径RL可表示为：
Figure BDA0002543183840000102
其中，a＝y1-y0表示控制点Px0和Px1的Y方向的坐标之差，b＝x3-x2表示控制点Px3和Px2的X方向的坐标之差。
可以理解，在所述步骤S6中，采用双四次Bezier曲面生成扰动量并将其施加到基准离心叶轮叶片中弧面上，从而获得三维叶片扰动的空间曲面，通过将扰动量施加到基准离心叶轮叶片中弧面上以后，叶片中弧面的空间三维型面会始终保持光滑性，使得整体叶片型面光滑。其中，如图8所示，采用的双四次Bezier曲面的表达式为：
Figure BDA0002543183840000103
其中，n，m均等于5，Bi,n(u)，Bj,m(v)分别为u方向和v方向上Bezier曲线基函数，Pi,j为控制点。
具体地，将双四次Bezier曲面按照u方向和v方向分别映射到基准离心叶轮叶片中弧面的流向和展向，那么基准离心叶轮叶片中弧面上任意位置的扰动量可表示为Δo＝S(u,v)|i,j，将其叠加到中弧线坐标上即可实现扰动效果，这里可以选择将扰动量叠加到中弧线圆柱坐标系(z，r，θ)中，或者叠加到笛卡尔坐标系(x，y，z)的任意方向上，叠加扰动后中弧面上任意点的笛卡尔坐标表示为
Figure BDA0002543183840000111
其中，i表示展向，j表示流向。
可以理解，在所述步骤S6中，通过采用双四次Bezier曲面按照u方向和v方向分别映射到基准离心叶轮叶片中弧面的流向和展向上以生成扰动量，然后将扰动量叠加到中弧线坐标中，即使叶片上某一点的位置坐标发生改变，叶片上其它点的位置坐标也会相应地发生改变，确保整体叶片型面在流向和展向上始终保持光滑性，不仅可以实现对离心叶轮叶片局部区域的精准控制，而且确保了整体叶型的光滑性，通过对特定区域叶片进行调整即可实现对离心叶轮叶片强度和变形的精准控制，提高了叶片的安全性。
可以理解，如图9所示，所述步骤S7具体包括以下内容：
步骤S71：基于叶片中弧面的三维空间坐标数据计算流向和展向的空间弧长；
步骤S72：在叶片中弧面任意一点上计算其沿着流向和展向的方向矢量；
步骤S73：基于流向和展向的方向矢量采用向量叉乘计算得到叶片中弧面的法向矢量；
步骤S74：基于叶片厚度分布在叶片法向上叠加厚度，并计算得到叶片型面坐标。
可以理解，在所述步骤S7中，叶片厚度是基于叶片中弧面的法向叠加厚度，在相邻的展向高度或流向位置厚度变化是缓慢变化的，没有突变，可以保证叶片型面的光滑性。
具体地，如图10所示，中弧面任意点坐标为
Figure BDA0002543183840000112
其中i表示展向，j表示流向。则沿着流向任意位置空间弧长SSi,j表示为：
Figure BDA0002543183840000113
其中
Figure BDA0002543183840000114
表示当前x方向坐标，
Figure BDA0002543183840000115
表示流向上游坐标，其他同理，其中，i＝1，MJX表示展向数据点个数；j＝2，KMX表示流向数据点个数。
沿着展向任意位置的空间弧长SRi,j表示为：
Figure BDA0002543183840000121
其中，i＝2，MJX表示展向数据点个数；j＝1，KMX表示流向数据点个数。
而任意点
Figure BDA0002543183840000122
对应的流向矢量
Figure BDA0002543183840000123
可表示为：
Figure BDA0002543183840000124
其中Bx，By，Bz分别表示流向矢量
Figure BDA0002543183840000125
笛卡尔坐标系x、y、z方向的分量，
Figure BDA0002543183840000126
表示x方向的单位矢量，
Figure BDA0002543183840000127
为y方向的单位矢量，
Figure BDA0002543183840000128
为z方向的单位矢量，
Figure BDA0002543183840000129
表示流向弧长对x方向的导数，
Figure BDA00025431838400001210
分别表示y方向和z方向的导数。
任意点
Figure BDA00025431838400001211
对应的展向矢量
Figure BDA00025431838400001212
可表示为：
Figure BDA00025431838400001213
其中Tx，Ty，Tz分别表示展向矢量
Figure BDA00025431838400001214
笛卡尔坐标系x、y、z方向的分量，
Figure BDA00025431838400001215
表示x方向的单位矢量，
Figure BDA00025431838400001216
为y方向的单位矢量，
Figure BDA00025431838400001217
为z方向的单位矢量，
Figure BDA00025431838400001218
表示展向弧长对x方向的导数，
Figure BDA00025431838400001219
分别表示y方向和z方向的导数。
因此，任意点
Figure BDA0002543183840000131
对应的法向矢量
Figure BDA0002543183840000132
则可表示为：
Figure BDA0002543183840000133
其中Px，Py，Pz分别表示法向矢量
Figure BDA0002543183840000134
笛卡尔坐标系x、y、z方向的分量，
Figure BDA0002543183840000135
表示x方向的单位矢量，
Figure BDA0002543183840000136
为y方向的单位矢量，
Figure BDA0002543183840000137
为z方向的单位矢量。
然后根据叶片厚度分布在叶片中弧面上按法向叠加厚度，则叶片型面坐标可表示为：
Figure BDA0002543183840000138
其中|P|表示法矢量
Figure BDA0002543183840000139
的模，tni,j表示任意位置叶片厚度。
可以理解，所述基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法还包括以下步骤：
步骤S8：输出叶片型面数据。
可以理解，为了直观地体现出叶轮设计效果，本申请人将本发明设计出来的叶轮造型与传统设计方法设计出来的叶轮造型进行了对比，如图11至图14所示，图11是采用传统叶片设计方法设计出来的直纹面叶片子午投影直线切割的三维叶型，图12至图14是基于本方法设计的子午投影为曲线切割的三维叶型，可以明显地看出，本方法设计出来的叶轮造型相对于传统的叶片设计方法而言，整个叶型在流向和展向上均体现出更好的光滑性，实现了对离心叶轮叶片局部区域型面的精准控制。
另外，本发明还提供一种基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计系统，其优选采用如上述实施例所述的离心叶轮设计方法，所述离心叶轮设计系统包括：
输入单元，用于输入离心叶轮造型所需的几何参数；
子午流道设计单元，用于基于离心叶轮进出口流道坐标采用Bezier曲线设计子午流道；
叶片中弧线设计单元，用于采用保角变换方法将叶片根部和尖部中弧线投影到保角变换后的平面坐标系进行叶片中弧线设计，设计完成之后再将叶片中弧线映射到笛卡尔坐标系中计算得到叶片中弧线的三维空间坐标，采用线性插值的方式计算获得不同叶高截面叶片中弧线的空间三维坐标，从而得到叶片中弧面的三维空间坐标；
切割设计单元，用于采用Bezier曲线生成投影到子午面的叶片前缘切割线，并根据叶片切割位置采用插值和二分法对叶片中弧面进行切割以得到基准离心叶轮叶片中弧面；
厚度分布设计单元，用于设计叶片厚度分布；
扰动量设计单元，用于采用双四次Bezier曲面生成扰动量并将其施加到基准离心叶轮叶片中弧面上；
叶片坐标计算单元，用于基于叶片厚度分布和施加扰动量后的基准离心叶轮叶片中弧面，并采用法向厚度叠加方法计算得到叶片型面坐标。
可以理解，所述离心叶轮设计系统还包括：
输出单元，用于输出叶片型面数据。
作为优选的，所述离心叶轮设计系统还包括：
数值仿真单元，用于通过一维参数计算和准三维S2流面计算得到离心叶轮造型所需的几何参数。
可以理解，本实施例的离心叶轮设计系统中的各个单元的具体工作过程在上述方法实施例中已经对应阐述，故在此不再赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法，其特征在于，
包括以下步骤：
步骤S1：输入离心叶轮造型所需的几何参数，所述几何参数包括离心叶轮进出口流道坐标、进出口叶片角、叶片最大厚度及厚度位置、叶片数、叶片切割位置、叶片前缘半径、双四次Bezier曲面扰动参数；
步骤S2：基于离心叶轮进出口流道坐标采用Bezier曲线设计子午流道；
步骤S3：基于保角变换方法将叶片根部和尖部中弧线变换到平面坐标系进行叶片中弧线设计，设计完成之后再将叶片中弧线映射到笛卡尔坐标系中计算得到叶片中弧线的三维空间坐标，采用线性插值的方式计算获得不同叶高截面叶片中弧线的空间三维坐标，从而得到叶片中弧面的三维空间坐标；
步骤S4：采用Bezier曲线生成投影到子午面的叶片前缘切割线，并根据叶片切割位置采用插值和二分法对叶片中弧面进行切割以得到基准离心叶轮叶片中弧面；
步骤S5：设计叶片厚度分布；
步骤S6：采用双四次Bezier曲面生成扰动量并将其施加到基准离心叶轮叶片中弧面上；
步骤S7：基于叶片厚度分布和施加扰动量的基准离心叶轮叶片中弧面，采用法向厚度叠加方法计算得到叶片型面坐标。
2.如权利要求1所述的基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法，其特征在于，
所述步骤S6中采用的双四次Bezier曲面的表达式为：
Figure FDA0003695448370000011
其中，n，m均等于5，Bi,n(u)，Bj,m(v)分别为u方向和v方向上Bezier曲线基函数，Pi,j为控制点。
3.如权利要求2所述的基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法，其特征在于，
所述步骤S6具体为：
将双四次Bezier曲面按u方向和v方向分别映射到叶片中弧面的流向和展向，并将其叠加到中弧线坐标上。
4.如权利要求1所述的基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法，其特征在于，
所述步骤S7包括以下内容：
步骤S71：基于叶片中弧面的三维空间坐标数据计算流向和展向的空间弧长；
步骤S72：在叶片中弧面任意一点上计算其沿着流向和展向的方向矢量；
步骤S73：基于流向和展向的方向矢量采用向量叉乘计算得到叶片中弧面的法向矢量；
步骤S74：基于叶片厚度分布在叶片法向上叠加厚度，并计算得到叶片型面坐标。
5.如权利要求1所述的基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法，其特征在于，
所述步骤S1中的几何参数根据一维参数计算或准三维S2流面计算得到。
6.如权利要求1所述的基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法，其特征在于，
所述步骤S3中在保角变换坐标系中进行叶片中弧线设计的过程具体包括以下内容：
给定保角变换坐标系平面中叶片包角θ和
Figure FDA0003695448370000031
的分布趋势并计算得到叶片根部和尖部的叶片角分布曲线，根据叶片角分布曲线判断叶片角分布是否合理，若不合理则反复调整叶片包角θ和
Figure FDA0003695448370000032
的分布趋势，直至叶片角分布满足设计要求，其中，m0和m1分别表示子午流线弧长开始长度和终了长度，m表示子午流道长度，具体表示为流道子午坐标(z，r)的函数m(z，r)，z、r分别表示轴向和半径方向的数值。
7.如权利要求1所述的基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法，其特征在于，
所述叶片前缘切割线为直线或者曲线。
8.如权利要求1所述的基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法，其特征在于，
所述步骤S5中基于叶片最大厚度及厚度位置、叶片前缘半径计算得到叶片厚度沿着叶片中弧线的分布。
9.一种基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计系统，其特征在于，
包括：
输入单元，用于输入离心叶轮造型所需的几何参数；
子午流道设计单元，用于基于离心叶轮进出口流道坐标采用Bezier曲线设计子午流道；
叶片中弧线设计单元，用于采用保角变换方法将叶片根部和尖部中弧线投影到保角变换后的平面坐标系进行叶片中弧线设计，设计完成之后再将叶片中弧线映射到笛卡尔坐标系中计算得到叶片中弧线的三维空间坐标，采用线性插值的方式计算获得不同叶高截面叶片中弧线的空间三维坐标，从而得到叶片中弧面的三维空间坐标；
切割设计单元，用于采用Bezier曲线生成投影到子午面的叶片前缘切割线，并根据叶片切割位置采用插值和二分法对叶片中弧面进行切割以得到基准离心叶轮叶片中弧面；
厚度分布设计单元，用于设计叶片厚度分布；
扰动量设计单元，用于采用双四次Bezier曲面生成扰动量并将其施加到基准离心叶轮叶片中弧面上；
叶片坐标计算单元，用于基于叶片厚度分布和施加扰动量后的基准离心叶轮叶片中弧面，并采用法向厚度叠加方法计算得到叶片型面坐标。
10.如权利要求9所述的基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计系统，其特征在于，
还包括：数值仿真单元，用于通过一维参数计算和准三维S2流面计算得到离心叶轮造型所需的几何参数。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112576546B (zh) * 2020-12-15 2021-12-03 华中科技大学 一种非等厚翼型轴流叶片的优化方法
CN112257204B (zh) * 2020-12-17 2021-03-02 中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司 多级压气机s2流面参数的计算方法
CN112733252B (zh) * 2020-12-24 2024-03-29 中国航空工业集团公司金城南京机电液压工程研究中心 一种骨架成型的轴流涡轮叶片设计方法
CN113217418B (zh) * 2021-06-29 2022-07-19 中国科学院工程热物理研究所 多级轴流压气机气动外形结构
CN113530885A (zh) * 2021-07-06 2021-10-22 西北工业大学 一种耦合全三维诱导轮叶片造型的串列叶片式离心叶轮
CN115758629B (zh) * 2023-01-10 2023-05-16 广东顺威精密塑料股份有限公司 一种扫地机器人专用的高速离心风机及其设计方法和装置
CN117094181B (zh) * 2023-10-19 2024-02-06 广东顺威精密塑料股份有限公司 一种非等厚度扭曲后向离心风机及其设计方法和装置

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB0701866D0 (en) * 2007-01-31 2007-03-14 Rolls Royce Plc Tone noise reduction in turbomachines
GB2469489A (en) * 2009-04-16 2010-10-20 Rolls Royce Plc Impeller with circumferential thickness variation
CN104765923B (zh) * 2015-04-13 2018-03-30 西北工业大学 带支板高低压涡轮过渡流道优化设计方法
CN105240310B (zh) * 2015-12-03 2017-09-26 浙江工业大学之江学院 一种双叶片无堵塞离心叶轮水力设计方法
CN106650105B (zh) * 2016-12-25 2020-04-24 宁波至高点工业设计有限公司 一种混流泵叶轮的设计方法
JP6708995B2 (ja) * 2017-04-17 2020-06-10 株式会社Ihi 軸流流体機械の翼の設計方法及び翼
CN108644152B (zh) * 2018-04-04 2020-05-15 中国航发湖南动力机械研究所 扩压器弯扭叶片及设计方法、扩压器和离心/斜流压气机
CN110059414B (zh) * 2019-04-22 2020-09-29 北京理工大学 一种直接控制通道的二维叶片造型方法

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