CN112035981B - 一种涡轮叶片层板冷却结构的建模方法 - Google Patents
一种涡轮叶片层板冷却结构的建模方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112035981B CN112035981B CN202010934816.7A CN202010934816A CN112035981B CN 112035981 B CN112035981 B CN 112035981B CN 202010934816 A CN202010934816 A CN 202010934816A CN 112035981 B CN112035981 B CN 112035981B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cooling structure
- blade
- modeling
- array
- coordinate system
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/10—Geometric CAD
- G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/10—Geometric CAD
- G06F30/15—Vehicle, aircraft or watercraft design
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Geometry (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
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
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Pi,取同数组中与所述起始点相邻的两点Pi-1和Pi+1,作其连线的垂直平分线,获得Pi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Pi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Pi,在其所在的数组内取与其相邻的两点Pi-1和Pi+1,将Pi-1和Pi+1连线的垂直平分线近似为冷却结构起始点Pi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Pi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 (1)
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,具体为:
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;
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Pi,取同数组中与所述起始点相邻的两点Pi-1和Pi+1,作其连线的垂直平分线,获得Pi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Pi垂直于叶片型面的向量,完成建模。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202010934816.7A CN112035981B (zh) | 2020-09-08 | 2020-09-08 | 一种涡轮叶片层板冷却结构的建模方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202010934816.7A CN112035981B (zh) | 2020-09-08 | 2020-09-08 | 一种涡轮叶片层板冷却结构的建模方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN112035981A CN112035981A (zh) | 2020-12-04 |
CN112035981B true CN112035981B (zh) | 2021-06-22 |
Family
ID=73585659
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202010934816.7A Active CN112035981B (zh) | 2020-09-08 | 2020-09-08 | 一种涡轮叶片层板冷却结构的建模方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN112035981B (zh) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104281751A (zh) * | 2014-10-14 | 2015-01-14 | 北京航空航天大学 | 一种基于特征的涡轮冷却叶片参数化构建系统及方法 |
CN107977523A (zh) * | 2017-12-14 | 2018-05-01 | 中国航发沈阳发动机研究所 | 一种面向参数化模型的涡轮气冷叶片设计方法 |
CN108549773A (zh) * | 2018-04-16 | 2018-09-18 | 西北工业大学 | 网格参数化方法及基于该网格参数化方法的涡轮叶片多学科可靠性设计优化方法 |
WO2020176841A1 (en) * | 2019-02-28 | 2020-09-03 | Georgia Tech Research Corporation | Systems and methods for predicting the geometry and internal structure of turbine blades |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7639253B2 (en) * | 2006-07-13 | 2009-12-29 | Inus Technology, Inc. | System and method for automatic 3D scan data alignment |
FR3004560A1 (fr) * | 2013-04-16 | 2014-10-17 | Snecma | Procede de modelisation d'une piece, en particulier un aubage |
CN103577654B (zh) * | 2013-11-21 | 2018-01-02 | 上海电气集团股份有限公司 | 一种大型汽轮发电机定子线棒的有限元精确建模方法 |
FR3021993B1 (fr) * | 2014-06-06 | 2016-06-10 | Snecma | Procede de dimensionnement d'une turbomachine |
-
2020
- 2020-09-08 CN CN202010934816.7A patent/CN112035981B/zh active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104281751A (zh) * | 2014-10-14 | 2015-01-14 | 北京航空航天大学 | 一种基于特征的涡轮冷却叶片参数化构建系统及方法 |
CN107977523A (zh) * | 2017-12-14 | 2018-05-01 | 中国航发沈阳发动机研究所 | 一种面向参数化模型的涡轮气冷叶片设计方法 |
CN108549773A (zh) * | 2018-04-16 | 2018-09-18 | 西北工业大学 | 网格参数化方法及基于该网格参数化方法的涡轮叶片多学科可靠性设计优化方法 |
WO2020176841A1 (en) * | 2019-02-28 | 2020-09-03 | Georgia Tech Research Corporation | Systems and methods for predicting the geometry and internal structure of turbine blades |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
涡轮冷却叶片参数化建模方法;侯超 等;《机械设计与制造》;20190930(第9期);190-192,196 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN112035981A (zh) | 2020-12-04 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN106446343B (zh) | 一种径流叶轮直纹叶片参数化型线的自动提取方法 | |
CN102735204B (zh) | 一种基于弦线的航空薄壁叶片加工扭曲度误差测量方法 | |
CN113435086B (zh) | 面向增减材复合制造的增减交替工序自动规划方法及系统 | |
CN104598684B (zh) | 一种气膜孔参数化造型方法 | |
CN113111552B (zh) | 一种固体火箭发动机药柱结构完整性分析建模方法 | |
Hsu et al. | On the development of airfoil section inspection and analysis technique | |
CN103823649B (zh) | 一种基于切片文件的三维打印均匀壁厚抽壳方法 | |
CN115841548A (zh) | 一种叶片模型的计算机辅助生成方法及系统 | |
Jiang et al. | Wall thickness monitoring method for wax pattern of hollow turbine blade | |
CN107066726B (zh) | 一种数控机床旋转轴垂直度误差建模方法 | |
CN107908914B (zh) | 离心压缩机闭式叶轮可加工性判断及中间截面的计算方法 | |
Mickaël et al. | 3D ISO manufacturing specifications with vectorial representation of tolerance zones | |
CN104317251A (zh) | 基于Obrechkoff算法的三次NURBS曲线实时插补方法 | |
CN112035981B (zh) | 一种涡轮叶片层板冷却结构的建模方法 | |
CN108345744B (zh) | 一种刀具轮廓设计空间计算方法 | |
Huang et al. | An on-machine tool path generation method based on hybrid and local point cloud registration for laser deburring of ceramic cores | |
CN102495593A (zh) | 一种自由曲面的数控铣削加工优化选刀方法 | |
Yu et al. | Repair of defective 3D blade model based on deformation of adjacent non-defective cross-sectional curve | |
CN108536932A (zh) | 基于互扭约束条件下的航空叶片积叠轴垂直度计算方法 | |
CN115034021A (zh) | 一种基于产形轮的齿轮加工机床设计方法、装置及介质 | |
Ding et al. | A comprehensive study of three dimensional deviation analysis methods for aero-engine rotors assembly | |
CN109194050A (zh) | 一种基于中心复合设计的转子结构优化方法 | |
Kong et al. | Cutter position optimization with tool runout for flank milling of non-developable ruled surfaces | |
CN111443660A (zh) | 一种叶轮车削模型生成方法及计算机程序 | |
Arkhipov et al. | Creation of models of fan blades according to airfoil measurements |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |