CN112035981A - 一种涡轮叶片层板冷却结构的建模方法 - Google Patents

Abstract

一种涡轮叶片层板冷却结构的建模方法，涉及航空发动机领域，解决双层壁涡轮导叶复杂型面上的冷却结构定位和建模问题，使用绝对坐标系对各个冷却结构进行定位，在确定各冷却结构位置后使用局部坐标系对其进行建模。将叶型数据内置于建模程序内部，以数组的结构对其进行储存。对于有弯扭的复杂双层壁叶片，将其扭转规则和截面重心引导线同样存储于数组，对叶型数据进行几何坐标变换，得到沿叶高各个截面的参数化叶型数据。对存储参数化叶型数据的数组进行指针操作，完成对冷却结构绝对坐标的定位。便可以通过局部坐标对其进行建模。通过对前述数组进行操作，确定冷却结构局部的型面法向量，建立局部坐标系，完成对冷却结构的建模。

Description

一种涡轮叶片层板冷却结构的建模方法

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，具体涉及一种涡轮叶片层板冷却结构的建模方法。

背景技术

在航空发动机设计过程中，提高涡轮进口燃气温度是改善航空发动机性能的重要途径。相同发动机尺寸下，涡轮进口燃气温度每提高55℃，推力就能提高10％左右。目前，世界先进军用航空发动机涡轮进口燃气温度可以达到1970K，这样的温度是叶片材料无法承受的。且涡轮进口燃气温度的增长速度远远高于材料耐温程度的增长速度。因此，我们需要设计先进的冷却结构，来适应不断提高的涡轮前温度。

目前，国内外对涡轮冷却结构的研究现状和发展趋势主要是针对层板型涡轮冷却叶片进行设计。根据计算，使用双层壁涡轮叶片可以将冷却效率提高20％～30％，涡轮前温度提高222～333℃。要发展高性能的五代机叶片，乃至更先进的下一代叶片，双层壁涡轮叶片都是具有重大潜力的基础结构。

要在层板型涡轮冷却叶片上实现扰流柱、冲击孔、气膜孔等冷却结构阵列的综合建模，就要对各类冷却结构进行位置和轴线方向的定位。与此同时，使用三维建模软件逐个构建叶片模型需要耗费大量的时间和精力。为了加快双层壁涡轮导叶冷却结构的建模效率，需要对这些三维软件进行二次开发，即在设计人员输入几何参数后，建模程序便可以快速输出对应的三维结构模型，从而加快建模流程。

发明内容

本发明为解决双层壁涡轮导叶复杂型面上的冷却结构定位和建模问题，提供一种涡轮叶片层板冷却结构的建模方法。

一种涡轮叶片层板冷却结构的建模方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、对冷却结构进行定位；

对叶片的型面数据进行参数化，采用数组的形式对参数化后的数据进行存储，通过对数组指针的操作实现对冷却结构位置的定位；

步骤二、对步骤一定位的冷却结构建立局部坐标系；

在步骤一所述的数组中选取冷却结构的起始点，并采用局部二维角坐标系确定二维向量；具体为：

首先，采用垂直叶片型面的向量作为局部二维角坐标系的基准轴；取逆时针为正向，顺时针为负向；

然后，取冷却结构起始点P_i，取同数组中与所述起始点相邻的两点P_i-1和P_i+1，作其连线的垂直平分线，获得P_i垂直于叶片型面的向量作为二维向量；

步骤三、根据步骤二获得的冷却结构的起始点和P_i垂直于叶片型面的向量，完成建模。

本发明的有益效果：

(1)针对不同叶型的通用性强。将实验得到的叶型数据直接作为输入数据，以数组的形式存储于程序内部。辅以叶型扭转规则和截面重心引导线等设计参数，便可以实现对各种不同叶型复杂叶片的建模，无需重新编写程序。

(2)本发明的定位和建模方法省去了以往建模程序针对每个单独冷却结构的坐标运算和定位过程，定位和建模速度比较快，效率高。

(3)在建模阶段使用型面法向量确定的局部坐标系进行建模，更符合涡轮叶片的实际设计过程。

附图说明

图1为本发明所述的一种涡轮叶片层板冷却结构的建模方法中叶片型面参数化数据选取区域示意图；

图2为采用近似切线确定局部坐标系的方法原理图。

具体实施方式

结合图1和图2说明本实施方式，一种涡轮叶片层板冷却结构的建模方法，该方法中，要实现冷却结构的建模，首先要解决的便是冷却结构在叶片型面上定位的问题。冷却结构的定位大体上可以分为相对坐标和绝对坐标定位。考虑到导叶实际设计过程中以绝对坐标定位更加方便，，因此决定采用绝对坐标来定位冷却结构。

本实施方式总体上使用绝对坐标系对各个冷却结构进行定位，在确定各冷却结构位置后使用局部坐标系对其进行建模。

将叶型数据内置于建模程序内部，以数组的结构对其进行储存。对于有弯扭的复杂双层壁叶片，将其扭转规则和截面重心引导线同样存储于程序内部，依托这些数据对叶型数据进行几何坐标变换，就可以得到沿叶高各个截面的参数化叶型数据。对存储参数化叶型数据的数组进行指针操作，便完成了对冷却结构绝对坐标的定位。

完成对冷却结构的定位后，便可以通过局部坐标对其进行建模。通过对前述数组进行操作，可以确定冷却结构局部的型面法向量，从而建立局部坐标系，完成对冷却结构的建模。

具体由以下步骤实现：

1、通过叶片型面的参数化进行冷却结构定位

首先将叶片的型面进行参数化，综合考虑后取层板结构的内外表面作为参数化对象，所述层板结构位置如图1所示。在双层壁涡轮导叶的冷气夹层的两个面各取1000个Z坐标相同的点，并按顺序导出这些点的坐标。

因为使用的双层壁叶片是垂直拉伸出来的，故可以忽略Z坐标。将提取的点的X、Y坐标以数组的形式导入建模程序，形成四个数组。这四个数组分别为前缘层板内表面和外表面的X、Y坐标。

leading_in_x[2000]＝{}leading_in_y[2000]＝{}

leading_out_x[2000]＝{}leading_out_y[2000]＝{}

这样一来，便将固定不变的叶片型面参数嵌入了程序内部。之后便可以通过对数组指针的操作实现对冷却结构位置的精确定位和建模。

使用这样的定位方法，如果需要改变叶型，只需变更这些数组数据即可，不需要重新编写程序。建模的通用性较高。

2、冷却结构局部坐标系的建立和冷却结构建模

本实施方式通过1点加1向量的方式建立冷却结构的几何模型，冷却结构的起始点可以直接在上一节所述的数组中选取，而向量需要另行确定。在不考虑叶高方向角度分量的情况下，只需确定一个二维向量即可。综合考虑后，本实施方式采用局部二维角坐标系来确定该向量。

同时注意到导叶的大部分冷却结构均垂直于型面，故决定以垂直叶片型面的向量作为局部角坐标系的基准轴。取逆时针为正向，顺时针为负向。

取冷却结构的起始点P_i，在其所在的数组内取与其相邻的两点P_i-1和P_i+1，将P_i-1和P_i+1连线的垂直平分线近似为冷却结构起始点P_i垂直于叶片型面的向量，如图2所示。

3、根据得到冷却结构起始点和P_i垂直于叶片型面的向量后，便可以使用点加向量的方法建立各几何结构。得到的向量进行线性变换，可以得到结构要求的各种角度。调整布尔运算的类型为“合并”或“相减”，便可以分别得到圆孔和圆柱的结构。从而实现冲击孔、气膜孔、扰流柱三类几何结构的创建。

本实施方式所述的建模方法，可以实现对带弯扭复杂叶片的叶型参数变换，在叶片的设计阶段，叶片重心沿叶高在各个方向的偏移量和偏移规律是设计的重点，故叶片界面沿叶高的偏移选取截面重心作为引导线的定点。同时，假设涡轮叶片的扭转均是以叶片截面的重心作为旋转点。

因此，扭转中心的位置可以通过输入的叶型参数唯一确定，不再需要其他数据。这样就保证了设计参数到叶片模型的唯一性和输入设计参数的简洁性。通过几何坐标的变换，整体变换存有叶型参数的整个数组，实现了本实施方式所述的涡轮叶片层板冷却结构的定位和建模。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种涡轮叶片层板冷却结构的建模方法，其特征是：该方法由以下步骤实现：

步骤一、对冷却结构进行定位；

对叶片的型面数据进行参数化，采用数组的形式对参数化后的数据进行存储，通过对数组指针的操作实现对冷却结构位置的定位；

步骤二、对步骤一定位的冷却结构建立局部坐标系；

在步骤一所述的数组中选取冷却结构的起始点，并采用局部二维角坐标系确定二维向量；具体为：

首先，采用垂直叶片型面的向量作为局部二维角坐标系的基准轴；取逆时针为正向，顺时针为负向；

然后，取冷却结构起始点P_i，取同数组中与所述起始点相邻的两点P_i-1和P_i+1，作其连线的垂直平分线，获得P_i垂直于叶片型面的向量作为二维向量；

步骤三、根据步骤二获得的冷却结构的起始点和P_i垂直于叶片型面的向量，完成建模。

2.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片层板冷却结构的建模方法，其特征在于：步骤一中，选取冷气夹层的内外表面作为参数化对象，将提取的点的X、Y坐标以数组的形式存储，形成四个数组；所述四个数组分别为前缘层板内表面和外表面的X、Y坐标；通过对数组指针的操作实现对冷却结构位置的精确定位。

3.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片层板冷却结构的建模方法，其特征在于：对于弯扭的复杂双层壁叶片，将扭转规则和截面重心引导线存储于数组内，根据所述扭转规则和截面重心引导线数据对叶型数据进行几何坐标变换，获得沿叶高各个截面的参数化叶型数据，对存储参数化叶型数据的数组进行指针操作，完成对冷却结构绝对坐标的定位。

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