CN112214849B - 一种h型筋空心风扇叶片的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种H型筋空心风扇叶片的设计方法，属于航空发动机风扇叶片设计技术领域。所述H型筋空心风扇叶片的设计方法包括：确定设计参数；从空腔下边界至空腔上边界划分若干个沿弦向发展的截面；对于空腔截面，通过确定空腔前缘和空腔后缘的位置、确定加强筋的外壁型线、确定截面蒙皮变厚度段的蒙皮内壁曲线和设计加强筋与内壁面之间的过渡圆角建立空腔型线；根据空腔型线，建立空腔实体，将空腔实体与实心叶片的实体模型进行布尔运算求差，得到H型筋空心风扇叶片模型。所述H型筋空心风扇叶片的设计方法能够通过一组参数快速布置空腔结构布局，能够广泛适应于各种外形的风扇叶片，并保证叶片空腔的光顺性。

Description

一种H型筋空心风扇叶片的设计方法

技术领域

本发明涉及航空发动机风扇叶片设计技术领域，特别涉及一种H型筋空心风扇叶片的设计方法。

背景技术

现代民用大涵道比涡扇发动机的风扇叶片多采用宽弦叶片设计，与带阻尼台的窄弦叶片相比，宽弦叶片具有增加发动机喘振裕度、抗外物损伤、提高发动机推力、减少叶片数等优点。随着发动机对推重比等要求越来越高，宽弦风扇叶片也朝着尺寸越来越大的方向发展，对于叶片的减重需求也越来越大。为此，RR、PW等航空发动机公司，大力发展空心结构宽弦风扇叶片设计技术，先后开发了蜂窝结构、瓦楞型筋结构和H型筋结构空心风扇叶片，蜂窝结构因减质效果与承载能力受限，已被后两种结构叶片所取代。

风扇叶片外形特征复杂，叶片空腔的布局往往需要复杂的计算推导和高难度的建模。现有技术中已有一些H型筋及类似结构的空心风扇叶片设计方法，也能够实现叶片的快速建模，但也存在一些不足：(1)现有的设计建立的空腔形状较为规则，在蒙皮厚度、圆角等处设置较为单一；(2)未考虑到设计中可能会由于设计参数冲突导致的空腔布局冲突，而导致建模困难甚至失败。

发明内容

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种H型筋空心风扇叶片的设计方法，其能够通过一组参数快速布置空腔结构布局，能够广泛适应于各种外形的风扇叶片，并保证叶片空腔的光顺性。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种H型筋空心风扇叶片的设计方法，包括如下步骤：

S1、确定设计参数：

给定实心叶片外形数据和空腔的特征参数，根据所述实心叶片外形数据确定实心叶片的实体模型；所述空腔的特征参数包括空腔上边界到叶尖的距离、空腔下边界到叶根的距离、截面蒙皮等厚度段厚度DR、截面蒙皮变厚度段厚度DC、加强筋宽度、加强筋位置和过渡圆角，所述过渡圆角包括空腔前缘的过渡圆角LS1、空腔后缘的过渡圆角LS2、加强筋与内壁面之间的过渡圆角、空腔上边界的过渡圆角和空腔下边界的过渡圆角；

S2、从空腔下边界至空腔上边界划分若干个沿弦向发展的截面，并且空腔的上边界和下边界均设置在截面上，每个截面均包括叶盆曲线L1、叶背曲线L2和中弧线LM；

S3、对于空腔截面，建立空腔型线，采用以下步骤：

S3.1、确定空腔前缘和空腔后缘的位置：

每个截面上的空腔前缘和空腔后缘的位置由截面蒙皮等厚度段厚度DR、空腔前缘的过渡圆角半径R和空腔后缘的过渡圆角半径R共同确定，具体如下：

在截面内将叶盆曲线L1和叶背曲线L2均向内偏置，偏置距离为截面蒙皮等厚度段厚度 DR和空腔前缘的过渡圆角半径R之和，偏置后得到曲线LR1和LR2，曲线LR1与LR2交点分别为空腔前缘的过渡圆角的圆心O1和空腔后缘的过渡圆角的圆心O2；

将叶盆曲线L1和叶背曲线L2均向内偏置截面蒙皮等厚度段厚度DR得到截面蒙皮等厚度段的蒙皮内壁曲线LT1'和LT2'；

分别在圆心O1和O2处做半径为R的圆弧LS1和LS2，圆弧LS1和LS2均分别与截面蒙皮等厚度段的蒙皮内壁曲线LT1'和LT2'相切，LS1为空腔前缘的过渡圆角，LS2为空腔后缘的过渡圆角；

S3.2、确定加强筋的外壁型线：

根据加强筋位置，确定加强筋的中心线，向加强筋中心线两侧分别偏置加强筋宽度的1/2，得到加强筋的外壁型线；

S3.3、确定截面蒙皮变厚度段的蒙皮内壁曲线；

每个加强筋中心线与叶盆曲线L1和叶背曲线L2的交点作为控制点，截面蒙皮等厚度段厚度DR、截面蒙皮变厚度段厚度DC和各控制点处的叶片厚度的一半D_max的关系为：

式中，x为比例因子，并且0≤x＜1；

给定x的取值，得到各控制点处的截面蒙皮变厚度段厚度DC，通过线性插值得到截面蒙皮变厚度段的蒙皮厚度沿中弧线LM弧长方向的分段线性函数，以该分段线性函数分别对叶盆曲线L1和叶背曲线L2进行不等厚度的偏置，得到截面蒙皮变厚度段的蒙皮内壁曲线LT1 和LT2；

S3.4、设计加强筋与内壁面之间的过渡圆角：

所述加强筋与内壁面之间的过渡圆角通过圆角自适应修正方法进行建立与自动修正，具体步骤如下：

给定加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径最大值R_i，以加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径最大值R_i建立空腔内壁曲线LT1和加强筋外壁型线的内切圆弧一以及空腔内壁曲线LT2 和加强筋外壁型线的内切圆弧二，如果圆弧一和圆弧二不相交，不用修正；如果圆弧一和圆弧二相交，通过如下公式进行修正：

式中，R_i为给定的加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径最大值，R_i+1为修正后的加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径，v₁为圆弧一与加强筋外壁型线的切点，v₂为圆弧二与加强筋外壁型线的切点，t₁为过圆弧一与空腔内壁曲线LT1的切点的切线与加强筋外壁型线的交点，t₁为过圆弧二与空腔内壁曲线LT2的切点的切线与加强筋外壁型线的交点；

再以修正后的加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径R_i+1作为加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径最大值，建立空腔内壁曲线LT1和加强筋外壁型线的内切圆弧一以及空腔内壁曲线 LT2和加强筋外壁型线的内切圆弧二，判断新内切圆弧一与加强筋外壁型线的切点v₁和新内切圆弧二与加强筋外壁型线的切点v₂之间的距离是否小于等于0.001mm，若满足，则停止迭代，以R_i+1为加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径的最终修正结果；若不满足，则继续进行迭代修正，直到v₁和v₂之间距离小于等于0.001mm，得到加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径；

依次完成各个加强筋与内壁面之间的过渡圆角的设计；

S4、每个截面的空腔前缘的过渡圆角LS1、空腔后缘的过渡圆角LS2、加强筋与内壁面之间的过渡圆角、截面蒙皮变厚度段的蒙皮内壁曲线、截面蒙皮等厚度段的蒙皮内壁曲线和加强筋的外壁型线合并成为空腔型线，根据各截面的空腔型线，建立起空腔实体，并在空腔上边界和下边界划分过渡圆角；再将空腔实体与实心叶片的实体模型进行布尔运算求差，得到H型筋空心风扇叶片模型。

进一步的，所述步骤S1中，加强筋位置按照如下方式确定：

给定加强筋的数量，并在空腔内中弧线LM的弧长分布比例表示加强筋的位置，通过每个加强筋与中弧线LM的交点到空腔前缘过渡圆角的圆心之间的中弧线LM弧长与空腔前缘过渡圆角的圆心和空腔后缘过渡圆角的圆心之间的中弧线LM弧长之比，确定每个加强筋与中弧线LM的交点，再分别过各个加强筋与中弧线LM的交点做垂直于中弧线LM的垂线，该垂线为每个加强筋的中心线。

进一步的，每个加强筋与中弧线LM的交点到空腔前缘过渡圆角的圆心之间的中弧线LM 弧长与空腔前缘过渡圆角的圆心和空腔后缘过渡圆角的圆心之间的中弧线LM弧长之比的比值范围为0～1。

本发明的有益效果：

1)本发明为一种较为完善的空心风扇叶片快速设计方法，给出了一系列较为完善的描述空腔特征的参数，以及通过参数得到叶片三维模型的快速建模方法，能够较好地适应风扇叶片的复杂扭曲结构；

2)本发明完善了描述空腔特征的参数，通过参数得到叶片空腔截面布局，并考虑到了各类参数之间的冲突，能较好地适应风扇叶片的复杂扭曲结构，广泛适用于各类H型筋结构以及相似结构空心叶片的设计，该方法也能为将来设计更为复杂结构的空心叶片提供基础；

3)本发明通过蒙皮厚度在弦向的不规则分布，以及H型筋的位置分布，适用于各种外形的风扇叶片的通用方法，参数定量少、简单，让空腔结构有更多的自由度；

4)本发明的设计方法已应用于设计项目，大大缩短了设计与建模时间，取得了良好效果。

本发明的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的H型筋空心风扇叶片的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的实心叶片截面的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的截面空腔前缘过渡圆角的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的截面H型筋分布的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的截面加强筋与内壁面之间的过渡圆角的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的加强筋与内壁面之间的过渡圆角的建立与修正的示意图，其中，图(a)是未修正的示意图；图(b)是修正后的示意图；

图7是本发明实施例提供的H型筋空心风扇叶片截面最终形式的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

为了解决现有技术存在的问题，如图1至图7所示，本发明提供了一种H型筋空心风扇叶片的设计方法，包括如下步骤：

S1、确定设计参数：

如图1所示，给定实心叶片外形数据和空腔的特征参数，根据所述实心叶片外形数据确定实心叶片的实体模型；所述空腔的特征参数包括空腔上边界到叶尖的距离、空腔下边界到叶根的距离、截面蒙皮等厚度段厚度DR、截面蒙皮变厚度段厚度DC、加强筋宽度、加强筋位置和过渡圆角，所述过渡圆角包括空腔前缘的过渡圆角LS1、空腔后缘的过渡圆角LS2、加强筋与内壁面之间的过渡圆角、空腔上边界的过渡圆角和空腔下边界的过渡圆角。

本发明中，空腔的特征参数的选值规律如下：

(1)空腔上边界到叶尖的距离：空腔上边界在选值时，空腔上边界与叶尖的距离应大于制造工艺和满足空腔留有足够空间的要求共同决定的最小距离，本实施例中，空腔上边界与叶尖的距离大于2mm)。(2)空腔下边界到叶根的距离：空腔下边界在选值时，空腔下边界应尽量远离叶根，下边界与叶根的距离一般在1/3叶高左右，本实施例中，空腔下边界到叶根的距离为叶片高度的1/5。(3)截面蒙皮等厚度段厚度：截面蒙皮等厚度段为空腔前缘与相邻的加强筋之间的蒙皮部分以及空腔后缘与相邻的加强筋之间的蒙皮部分。从空腔下边界至上边界选取若干个沿弦向发展的截面，该若干个沿弦向发展的截面作为描述截面蒙皮等厚度段厚度的控制参数，其余截面则根据这些截面通过插值获得。截面蒙皮等厚度段厚度与空腔前缘的过渡圆角半径和空腔后缘的过渡圆角半径共同决定空腔前缘到叶片前缘以及空腔后缘到叶片后缘的距离。截面蒙皮等厚度段在同一截面内的蒙皮厚度处处相等，但在不同截面内的蒙皮厚度一般不等。截面蒙皮等厚度段厚度小于叶片截面最大厚度(截面叶盆和叶背曲线最大间距)的一半，以保证空腔有足够空间，也应大于制造工艺和结构强度所决定的最小厚度，本实施例中，截面蒙皮等厚度段厚度大于2mm)。(4)截面蒙皮变厚度段厚度：截面蒙皮变厚度段为空腔内每相邻的两个加强筋之间的蒙皮部分，该段的蒙皮厚度呈线性变化。以加强筋中线与蒙皮相交处作为控制点，控制点的蒙皮厚度以对截面蒙皮等厚度段厚度的比值确定，再通过插值得到相邻两个控制点之间的蒙皮厚度。截面蒙皮变厚度段每个控制点处的蒙皮厚度小于该点处截面叶片厚度(截面叶盆、叶背曲线间距)的一半，以保证截面蒙皮变厚度段的蒙皮内侧曲线不相交。(5)加强筋的宽度：加强筋宽度可根据现有技术的方法设定，应满足制造工艺和结构强度所决定的最小值(一般为2mm)，在本实施例中设定定值 2.7mm。(6)加强筋的位置：以空腔内中弧线的弧长分布比例表示加强筋的位置，每个加强筋与中弧线的交点到空腔前缘的中弧线弧长与空腔前缘和空腔后缘之间的中弧线弧长之比为 0～1，以保证加强筋位置不会超出空腔前缘和空腔后缘，且能随空腔前缘和空腔后缘位置变化而自动变化。(7)过渡圆角包括空腔前缘的过渡圆角LS1、空腔后缘的过渡圆角LS2、加强筋与内壁面之间的过渡圆角、空腔上边界的过渡圆角和空腔下边界的过渡圆角,本实施例中，空腔前缘的过渡圆角LS1、空腔后缘的过渡圆角LS2、空腔上边界的过渡圆角和空腔下边界的过渡圆角的半径均为0.5mm,加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径的最大值为3mm，对于加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径圆角自适应修正方法进行建立与自动修正，通过缩小过渡圆角的半径，以适应空腔厚度，只需给定加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径最大值，即可在各加强筋自动完成圆角设计，且不会造成几何冲突。当然，在实际设计时，若不希望圆角发生以上修正，则需要自行给定圆角半径，或者调整加强筋位置至空腔厚度较大的区域，以使过渡圆角不会发生相交。

S2、如图2所示，从空腔下边界至空腔上边界划分若干个沿弦向发展的截面，并且空腔的上边界和下边界均设置在截面上，每个截面均包括叶盆曲线L1、叶背曲线L2和中弧线LM。

S3、对于空腔截面，建立空腔型线，采用以下步骤：

S3.1、确定空腔前缘和空腔后缘的位置：

每个截面上的空腔前缘和空腔后缘的位置由截面蒙皮等厚度段厚度DR、空腔前缘的过渡圆角半径R和空腔后缘的过渡圆角半径R共同确定，具体如下：

在截面内将叶盆曲线L1和叶背曲线L2均向内偏置，偏置距离为截面蒙皮等厚度段厚度 DR和空腔前缘的过渡圆角半径R之和，偏置后得到曲线LR1和LR2，曲线LR1与LR2交点分别为空腔前缘的过渡圆角的圆心O1和空腔后缘的过渡圆角的圆心O2；

将叶盆曲线L1和叶背曲线L2均向内偏置截面蒙皮等厚度段厚度DR得到截面蒙皮等厚度段的蒙皮内壁曲线LT1'和LT2'；

分别在圆心O1和O2处做半径为R的圆弧LS1和LS2，圆弧LS1和LS2均分别与截面蒙皮等厚度段的蒙皮内壁曲线LT1'和LT2'相切，LS1为空腔前缘的过渡圆角，LS2为空腔后缘的过渡圆角。

本实施例中，如图3所示，空腔前缘的过渡圆角半径和空腔后缘的过渡圆角半径是相等的，均为R，空腔前缘的过渡圆角的圆心O1和空腔后缘的过渡圆角的圆心O2均在中弧线LM上。

S3.2、确定加强筋的外壁型线：

根据加强筋位置，确定加强筋的中心线，向加强筋中心线两侧分别偏置加强筋宽度的1/2，得到加强筋的外壁型线。

如图4所示，以3根加强筋为例，每个加强筋与中弧线LM的交点到空腔前缘过渡圆角的圆心之间的中弧线LM弧长与空腔前缘过渡圆角的圆心和空腔后缘过渡圆角的圆心之间的中弧线LM弧长之比分别为D1、D2和D3，得到每个加强筋与中弧线LM的交点分别为a、b和c，分别过点a、b和c做中弧线LM的垂线作为加强筋的中心线A、B和C，向加强筋中心线的两侧分别偏置加强筋宽度d₁、d₂和d₃的1/2，得到加强筋的外壁型线。

S3.3、确定截面蒙皮变厚度段的蒙皮内壁曲线；

每个加强筋中心线与叶盆曲线L1和叶背曲线L2的交点作为控制点，截面蒙皮等厚度段厚度DR、截面蒙皮变厚度段厚度DC和各控制点处的叶片厚度的一半D_max的关系为：

式中，x为比例因子，并且0≤x＜1；

给定x的取值，得到各控制点处的截面蒙皮变厚度段厚度DC，通过线性插值得到截面蒙皮变厚度段的蒙皮厚度沿中弧线LM弧长方向的分段线性函数，以该分段线性函数分别对叶盆曲线L1和叶背曲线L2进行不等厚度的偏置，得到截面蒙皮变厚度段的蒙皮内壁曲线LT1 和LT2。

本实施例中，各控制点处的叶片厚度的一半D_max即为各控制点所在的加强筋中心线长度的一半，设定0≤x＜1，即在截面蒙皮变厚度段的控制点处，蒙皮厚度小于所在的叶片厚度的一半，保证空腔在此处留有足够空间，蒙皮厚度最小为等厚度段厚度，以保证蒙皮有足够厚度。如图5所示，对于截面蒙皮变厚度段，以加强筋的中心线A、B和C分别与叶盆曲线L1 和叶背曲线L2的交点a1、a2、b1、b2、c1和c2作为控制点，通过给定x的值，得到控制点a1、 a2、b1、b2、c1和c2处的截面蒙皮变厚度段厚度DC，通过线性插值得到截面蒙皮变厚度段的蒙皮厚度沿中弧线LM弧长方向的分段线性函数，以该分段线性函数分别对叶盆曲线L1和叶背曲线L2进行不等厚度的偏置，得到截面蒙皮变厚度段的蒙皮内壁曲线LT1和LT2。

对于空心风扇叶片，叶片蒙皮的应力水平沿弦向的分布，一般是在中间区域最大，在前后缘附近最小，本发明蒙皮厚度设置方法是设置蒙皮厚度沿弦向变化，以设置控制点的方式实现叶片厚度线性变化，给出了控制蒙皮厚度沿弦向变化的简单方法，使蒙皮仅在中间区域增厚，降低中间区域的应力水平，以提高叶片材料利用率。

S3.4、设计加强筋与内壁面之间的过渡圆角：

所述加强筋与内壁面之间的过渡圆角通过圆角自适应修正方法进行建立与自动修正，具体步骤如下：

给定加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径最大值R_i，以加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径最大值R_i建立空腔内壁曲线LT1和加强筋外壁型线的内切圆弧一以及空腔内壁曲线LT2 和加强筋外壁型线的内切圆弧二，如果圆弧一和圆弧二不相交，不用修正；如果圆弧一和圆弧二相交，通过如下公式进行修正：

式中，R_i为给定的加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径最大值，R_i+1为修正后的加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径，v₁为圆弧一与加强筋外壁型线的切点，v₂为圆弧二与加强筋外壁型线的切点，t₁为过圆弧一与空腔内壁曲线LT1的切点的切线与加强筋外壁型线的交点，t₁为过圆弧二与空腔内壁曲线LT2的切点的切线与加强筋外壁型线的交点；

再以修正后的加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径R_i+1作为加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径最大值，建立空腔内壁曲线LT1和加强筋外壁型线的内切圆弧一以及空腔内壁曲线 LT2和加强筋外壁型线的内切圆弧二，判断新内切圆弧一与加强筋外壁型线的切点v₁和新内切圆弧二与加强筋外壁型线的切点v₂之间的距离是否小于等于0.001mm，若满足，则停止迭代，以R_i+1为加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径的最终修正结果；若不满足，则继续进行迭代修正，直到v₁和v₂之间距离小于等于0.001mm，得到加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径；

依次完成各个加强筋与内壁面之间的过渡圆角的设计。

如图5和图6所示，以加强筋中心线B的LSB₁和LSB₂为例，首先以加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径最大值R₁，建立空腔内壁曲线LT1和加强筋中心线B左侧外壁型线B_left的内切圆弧一LSB₁，以及空腔内壁曲线LT2和加强筋中心线B左侧外壁型线B_left的内切圆弧二LSB₂；圆弧一LSB₁与LT1和B_left分别相切于u₁、v₁，圆弧二LSB₂与LT2和B_left分别相切于点u₂、v₂,两圆弧相交；分别过u₁和u₂作圆弧一LSB₁和圆弧二LSB₂的切线LQB₁和 LQB₂，LQB₁和LQB₂分别与B_left交于t₁和t₂，根据下面的计算公式计算修正后的加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径R₂，

重复上述方法，以修正后的加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径R₂作为加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径最大值，建立空腔内壁曲线LT1和加强筋中心线B左侧外壁型线B_left的内切圆弧一，以及空腔内壁曲线LT2和加强筋中心线B左侧外壁型线B_left的内切圆弧二，如果v₁和v₂之间距离小于等于0.001mm，得到加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径R₂；如果v₁和v₂间距大于0.001mm，继续迭代，直到v₁和v₂之间距离小于等于0.001mm，停止迭代，此时的加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径最大值即为加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径。

本发明的圆角自适应修正方法通过缩小过渡圆角的半径，以适应空腔厚度，只需给定加加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径最大值，即可在各加强筋自动完成圆角设计，且不会造成几何冲突，本实施例中，加强筋与内壁面之间的过渡圆角的半径最大值R₁为3mm，LQB₁与LT1以及LQB₂与LT2重合度越高，需要的迭代次数越少。

S4、每个截面的空腔前缘的过渡圆角LS1、空腔后缘的过渡圆角LS2、加强筋与内壁面之间的过渡圆角、截面蒙皮变厚度段的蒙皮内壁曲线、截面蒙皮等厚度段的蒙皮内壁曲线和加强筋的外壁型线合并成为空腔型线，根据各截面的空腔型线，建立起空腔实体，并在空腔上边界和下边界划分过渡圆角；再将空腔实体与实心叶片的实体模型进行布尔运算求差，得到H型筋空心风扇叶片模型。

如图7所示，将截面空腔前缘的过渡圆角LS1、空腔后缘的过渡圆角LS2、加强筋与内壁面之间的过渡圆角LSA、LSB和LSC，以及截面蒙皮变厚度段的蒙皮内壁曲线、截面蒙皮等厚度段的蒙皮内壁曲线和加强筋的外壁型线合并成为最终的空腔型线。

作为优选实施例，步骤S1中，加强筋位置按照如下方式确定：

给定加强筋的数量，并在空腔内中弧线LM的弧长分布比例表示加强筋的位置，通过每个加强筋与中弧线LM的交点到空腔前缘过渡圆角的圆心之间的中弧线LM弧长与空腔前缘过渡圆角的圆心和空腔后缘过渡圆角的圆心之间的中弧线LM弧长之比，确定每个加强筋与中弧线LM的交点，再分别过各个加强筋与中弧线LM的交点做垂直于中弧线LM的垂线，该垂线为每个加强筋的中心线。

每个加强筋与中弧线LM的交点到空腔前缘过渡圆角的圆心之间的中弧线LM弧长与空腔前缘过渡圆角的圆心和空腔后缘过渡圆角的圆心之间的中弧线LM弧长之比的比值范围为 0～1，以保证加强筋位置不会超出空腔前缘和空腔后缘，且能随空腔前缘和空腔后缘位置变化而自动变化。

本发明的设计方法基于程序设计语言和3D建模平台完成，首先确立一系列空腔几何特征参数，将叶片沿叶高分为多个截面，确定空腔位置和截面几何参数，建立空腔型线，导入三维建模程序建成空腔的三维模型，再通过布尔运算求差即可得到空心风扇叶片的三维CAD模型。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种H型筋空心风扇叶片的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、确定设计参数：

给定实心叶片外形数据和空腔的特征参数，根据所述实心叶片外形数据确定实心叶片的实体模型；所述空腔的特征参数包括空腔上边界到叶尖的距离、空腔下边界到叶根的距离、截面蒙皮等厚度段厚度DR、截面蒙皮变厚度段厚度DC、加强筋宽度、加强筋位置和过渡圆角，所述过渡圆角包括空腔前缘的过渡圆角LS1、空腔后缘的过渡圆角LS2、加强筋与内壁面之间的过渡圆角、空腔上边界的过渡圆角和空腔下边界的过渡圆角；

S2、从空腔下边界至空腔上边界划分若干个沿弦向发展的截面，并且空腔的上边界和下边界均设置在截面上，每个截面均包括叶盆曲线L1、叶背曲线L2和中弧线LM；

S3、对于空腔截面，建立空腔型线，采用以下步骤：

S3.1、确定空腔前缘和空腔后缘的位置：

每个截面上的空腔前缘和空腔后缘的位置由截面蒙皮等厚度段厚度DR、空腔前缘的过渡圆角半径R和空腔后缘的过渡圆角半径R共同确定，具体如下：

在截面内将叶盆曲线L1和叶背曲线L2均向内偏置，偏置距离为截面蒙皮等厚度段厚度DR和空腔前缘的过渡圆角半径R之和，偏置后得到曲线LR1和LR2，曲线LR1与LR2交点分别为空腔前缘的过渡圆角的圆心O1和空腔后缘的过渡圆角的圆心O2；

将叶盆曲线L1和叶背曲线L2均向内偏置截面蒙皮等厚度段厚度DR得到截面蒙皮等厚度段的蒙皮内壁曲线LT1'和LT2'；

分别在圆心O1和O2处做半径为R的圆弧，两圆弧分别与截面蒙皮等厚度段的蒙皮内壁曲线LT1'和LT2'相切，得到空腔前缘的过渡圆角和空腔后缘的过渡圆角，其中，空腔前缘的过渡圆角为LS1，空腔后缘的过渡圆角为LS2；

S3.2、确定加强筋的外壁型线：

根据加强筋位置，确定加强筋的中心线，向加强筋中心线两侧分别偏置加强筋宽度的1/2，得到加强筋的外壁型线；

S3.3、确定截面蒙皮变厚度段的蒙皮内壁曲线；

每个加强筋中心线与叶盆曲线L1和叶背曲线L2的交点作为控制点，截面蒙皮等厚度段厚度DR、截面蒙皮变厚度段厚度DC和各控制点处的叶片厚度的一半D_max的关系为：

式中，x为比例因子，并且0≤x＜1；

给定x的取值，得到各控制点处的截面蒙皮变厚度段厚度DC，通过线性插值得到截面蒙皮变厚度段的蒙皮厚度沿中弧线LM弧长方向的分段线性函数，以该分段线性函数分别对叶盆曲线L1和叶背曲线L2进行不等厚度的偏置，得到截面蒙皮变厚度段的蒙皮内壁曲线LT1和LT2；

S3.4、设计加强筋与内壁面之间的过渡圆角：

所述加强筋与内壁面之间的过渡圆角通过圆角自适应修正方法进行建立与自动修正，具体步骤如下：

给定加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径最大值R_i，以加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径最大值R_i建立空腔内壁曲线LT1和加强筋外壁型线的内切圆弧一以及空腔内壁曲线LT2和加强筋外壁型线的内切圆弧二，如果圆弧一和圆弧二不相交，不用修正；如果圆弧一和圆弧二相交，通过如下公式进行修正：

式中，R_i为给定的加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径最大值，R_i+1为修正后的加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径，v₁为圆弧一与加强筋外壁型线的切点，v₂为圆弧二与加强筋外壁型线的切点，t₁为过圆弧一与空腔内壁曲线LT1的切点的切线与加强筋外壁型线的交点，t₂为过圆弧二与空腔内壁曲线LT2的切点的切线与加强筋外壁型线的交点；

再以修正后的加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径R_i+1作为加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径最大值，建立空腔内壁曲线LT1和加强筋外壁型线的内切圆弧一以及空腔内壁曲线LT2和加强筋外壁型线的内切圆弧二，判断新内切圆弧一与加强筋外壁型线的切点v₁和新内切圆弧二与加强筋外壁型线的切点v₂之间的距离是否小于等于0.001mm，若满足，则停止迭代，以R_i+1为加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径的最终修正结果；若不满足，则继续进行迭代修正，直到v₁和v₂之间距离小于等于0.001mm，得到加强筋与内壁面之间的过渡圆角半径；

依次完成各个加强筋与内壁面之间的过渡圆角的设计；

S4、每个截面的空腔前缘的过渡圆角LS1、空腔后缘的过渡圆角LS2、加强筋与内壁面之间的过渡圆角、截面蒙皮变厚度段的蒙皮内壁曲线、截面蒙皮等厚度段的蒙皮内壁曲线和加强筋的外壁型线合并成为空腔型线，根据各截面的空腔型线，建立空腔实体，并在空腔上边界和下边界划分过渡圆角；再将空腔实体与实心叶片的实体模型进行布尔运算求差，得到H型筋空心风扇叶片模型。

2.根据权利要求1所述的H型筋空心风扇叶片的设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，加强筋位置按照如下方式确定：

给定加强筋的数量，并在空腔内中弧线LM的弧长分布比例表示加强筋的位置，通过每个加强筋与中弧线LM的交点到空腔前缘过渡圆角的圆心之间的中弧线LM弧长与空腔前缘过渡圆角的圆心和空腔后缘过渡圆角的圆心之间的中弧线LM弧长之比，确定每个加强筋与中弧线LM的交点，再分别过各个加强筋与中弧线LM的交点做垂直于中弧线LM的垂线，该垂线为每个加强筋的中心线。

3.根据权利要求2所述的H型筋空心风扇叶片的设计方法，其特征在于，每个加强筋与中弧线LM的交点到空腔前缘过渡圆角的圆心之间的中弧线LM弧长与空腔前缘过渡圆角的圆心和空腔后缘过渡圆角的圆心之间的中弧线LM弧长之比的比值范围为0～1。

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