CN112284324A - 一种涡轮导向叶片几何喉部面积的求解方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于航空涡轮导向器领域，特别涉及一种涡轮导向叶片几何喉部面积的求解方法。包括：步骤一：基于叶片上缘板流道线以及叶片下缘板流道线构建m条样条曲线；步骤二：基于所述叶片上缘板流道线、所述叶片下缘板流道线以及m条样条曲线，构建m+2个回转面；步骤三：获取m+2个回转面与后视左叶片叶身的交线；步骤四：通过U向参数定义点在所述交线上的位置；步骤五：构建一组导向叶片的几何喉部曲面，定义几何喉部面积为S；步骤六：通过Global Simplex算法求解几何喉部面积S。本申请的涡轮导向叶片几何喉部面积的求解方法，兼顾叶型、流道以及叶身表面与上下缘板倒圆对叶栅几何喉部面积的影响，集成性强，可以更加准确地得到涡轮导向叶栅的几何喉部面积。

Description

一种涡轮导向叶片几何喉部面积的求解方法
技术领域
本申请属于航空涡轮导向器领域，特别涉及一种涡轮导向叶片几何喉部面积的求解方法。
背景技术
涡轮导向器排气面积对整台发动机性能非常重要，其中，高压涡轮导向器是发动机的喉部，其面积的大小直接影响着发动机的流量、推力等性能指标；低压涡轮导向器面积的大小对发动机转差及涡轮后温度影响很大，所以导向器排气面积必须准确测量且可调整。
现有技术中，针对涡轮导向叶栅几何喉部面积的测量，普遍采用的方案是将待测窗口近似为一个梯形，计算得到单个窗口面积，然后相加得到整个导向叶栅的几何喉部面积。这种方法仅考虑了叶型(宽度)对叶栅几何喉部面积的影响，而忽略了流道变化(高度)对几何喉部面积的影响，尤其是当流道沿轴向曲率变化较为剧烈时，采用传统技术方案对几何喉部面积计算产生的偏差就越明显；传统的计算方法未考虑叶身表面与上下缘板倒圆对叶栅几何喉部面积的影响，倒圆半径越大，倒圆部分占叶栅几何喉部面积的比例越大，采用传统技术方案计算几何喉部面积产生的偏差就越明显。
因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
发明内容
本申请的目的是提供了一种涡轮导向叶片几何喉部面积的求解方法，以解决现有技术存在的至少一个问题。
本申请的技术方案是：
一种涡轮导向叶片几何喉部面积的求解方法，包括：
步骤一：基于叶片上缘板流道线以及叶片下缘板流道线构建m条样条曲线；
步骤二：基于所述叶片上缘板流道线、所述叶片下缘板流道线以及m条样条曲线，构建m+2个回转面；
步骤三：获取m+2个回转面与后视左叶片叶身的交线；
步骤四：通过U向参数定义点在所述交线上的位置；
步骤五：构建一组导向叶片的几何喉部曲面，定义几何喉部面积为S；
步骤六：通过Global Simplex算法求解几何喉部面积S。
可选地，步骤一中，所述基于叶片上缘板流道线以及叶片下缘板流道线构建m条样条曲线包括：
S101：沿轴向在叶片上缘板流道线以及叶片下缘板流道线上分别等间距选取n个一一对应的第一控制点；
S102：将所述叶片上缘板流道线上的第一控制点与所述叶片下缘板流道线上对应的第一控制点相连，获得n条直线；
S103：在每条直线上分别选取m个等分点，将n条直线上对应的等分点相连，获得m条样条曲线。
可选地，其中，n为10，m为3。
可选地，步骤四中，所述通过U向参数定义点在所述交线上的位置包括：
S401：在m+2条交线的盆侧分别选取第二控制点：D1、D2…Dm+2；
S402：通过t1、t2…tm+2分别表示对应的第二控制点的U向参数值，即第二控制点在所述交线上的位置，取值范围为[0，1]。
可选地，步骤五中，所述构建一组导向叶片的几何喉部曲面，定义几何喉部面积为S包括：
S501：从m+2个第二控制点出发向相邻后视右叶片的叶背侧法向分别做一条直线；
S502：通过m+2条直线建立一个曲面，将曲面的四条边沿自然曲率延伸，直至上下流道面以及左右叶身表面，获取一组导向叶片的几何喉部曲面，定义几何喉部面积为S，S是第二控制点U向参数值t的函数，即S＝f(t1,t2...tm+2)。
可选地，步骤六中，所述通过Global Simplex算法求解几何喉部面积S包括：
通过Global Simplex算法求解函数关系式：
S＝f(t1,t2...tm+2)
其中，约束条件：t1、t2…tm+2∈[0，1]；
计算得到几何喉部面积S的最小值Smin，以及对应Smin的m+2个第二控制点的U向参数值t1op、t2op…t(m+2)op。
发明至少存在以下有益技术效果：
本申请的涡轮导向叶片几何喉部面积的求解方法，兼顾叶型、流道以及叶身表面与上下缘板倒圆对叶栅几何喉部面积的影响，集成性强，可以更加准确地得到涡轮导向叶栅的几何喉部面积。
附图说明
图1是本申请一个实施方式的涡轮导向叶片几何喉部面积的求解方法流程图；
图2是本申请一个实施方式的样条曲线建立示意图；
图3是本申请一个实施方式的回转面建立示意图；
图4是本申请一个实施方式的回转面子午面投影视图；
图5是本申请一个实施方式的回转面与后视左叶片叶身交线示意图；
图6是本申请一个实施方式的第二控制点选取示意图；
图7是本申请一个实施方式的几何喉部曲面建立示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
下面结合附图1至图7对本申请做进一步详细说明。
本申请提供了一种涡轮导向叶片几何喉部面积的求解方法，包括以下步骤：
步骤一：基于叶片上缘板流道线以及叶片下缘板流道线构建m条样条曲线；
步骤二：基于叶片上缘板流道线、叶片下缘板流道线以及m条样条曲线，构建m+2个回转面；
步骤三：获取m+2个回转面与后视左叶片叶身的交线；
步骤四：通过U向参数定义点在交线上的位置；
步骤五：构建一组导向叶片的几何喉部曲面，定义几何喉部面积为S；
步骤六：通过Global Simplex算法求解几何喉部面积S。
具体的，步骤一中，基于叶片上缘板流道线以及叶片下缘板流道线构建m条样条曲线具体包括：
S101：沿轴向在叶片上缘板流道线以及叶片下缘板流道线上分别等间距选取n个一一对应的第一控制点；
S102：将叶片上缘板流道线上的第一控制点与叶片下缘板流道线上对应的第一控制点相连，获得n条直线；
S103：在每条直线上分别选取m个等分点，将n条直线上对应的等分点相连，获得m条样条曲线。
在本申请的一个实施方式中，n可以为10，m可以为3。通过在叶片上缘板流道线以及叶片下缘板流道线上分别选取10个轴向等距的第一控制点，可以分别编号1～10，连接叶片上缘板流道线和叶片下缘板流道线上相同编号的控制点，得到10条直线，将这10条直线分别4等分，每条直线上均可得到3个等分点，通过这些等分点可做出3条样条曲线，如图2所示。
本申请的涡轮导向叶片几何喉部面积的求解方法，步骤二中，基于叶片上缘板流道线、叶片下缘板流道线以及m条样条曲线，构建m+2个回转面。在本实施例中，将叶片上缘板流道线、叶片下缘板流道线以及3条样条曲线回转得到5个回转面，如图3所示，5个回转面子午面投影如图4所示。
在本实施例的步骤三中，获取5个回转面与后视左叶片叶身的交线，如图5所示。
本申请的涡轮导向叶片几何喉部面积的求解方法，步骤四中，通过U向参数定义点在交线上的位置具体包括：
S401：在m+2条交线的盆侧分别选取第二控制点：D1、D2…Dm+2；
S402：通过t1、t2…tm+2分别表示对应的第二控制点的U向参数值，即第二控制点在交线上的位置，取值范围为[0，1]。
在本实施例中，通过应用建模软件中的U向参数定义点在曲线上的位置(UV坐标系为球面坐标系，U向代表纬度，利用U向参数即可定义点在现有交线上的位置)，在5条交线的盆侧分别选取5个第二控制点：D1、D2、D3、D4、D5，如图6所示，通过t1、t2、t3、t4、t5分别表示对应的第二控制点的U向参数值，即第二控制点在交线上的位置，取值范围为[0，1]。
在本实施例的步骤五中，如图7所示，构建一组导向叶片的几何喉部曲面，定义几何喉部面积为S具体包括：
S501：从5个第二控制点出发向相邻后视右叶片的叶背侧法向分别做一条直线；
S502：通过5条直线建立一个曲面，将曲面的四条边沿自然曲率延伸，直至上下流道面以及左右叶身表面，获取一组导向叶片的几何喉部曲面，定义几何喉部面积为S，S是第二控制点U向参数值t的函数，即S＝f(t1,t2,t3,t4,t5)。
在本实施例的步骤六中，通过Global Simplex算法求解几何喉部面积S包括：
通过Global Simplex算法求解函数关系式：
S＝f(t1,t2,t3,t4,t5)
其中，约束条件：t1、t2、t3、t4、t5∈[0，1]；
计算得到几何喉部面积S的最小值Smin，以及对应Smin的5个第二控制点的U向参数值t1op、t2op、t3op、t4op、t5op。
本申请的涡轮导向叶片几何喉部面积的求解方法，在保证求解精度的同时，为了加快求解速度，可先通过传统求解方法预估m+2个第二控制点在曲线上的位置，缩小自变量t1、t2…tm+2的取值范围。此外控制点的个数可根据叶型复杂程度自行确定，理论上自变量越多求解精度越高，但所需的求解时间和资源也就越多，一般5个控制点基本可以满足多数叶片求解的需要。
本申请的涡轮导向叶片几何喉部面积的求解方法，构建出涡轮导向叶栅几何喉部曲面，通过建立曲面面积和控制点间的函数关系，基于三维建模软件的优化功能求解得到涡轮导向叶栅几何喉部面积的最小值。兼顾了叶型、流道以及叶身表面与上下缘板倒圆对叶栅几何喉部面积的影响，尤其对上下流道面曲率变化大的涡轮导向叶栅，该方法集成性强，相对于传统方法可以更加准确地计算得到导向叶栅的几何喉部面积。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种涡轮导向叶片几何喉部面积的求解方法，其特征在于，包括：
步骤一：基于叶片上缘板流道线以及叶片下缘板流道线构建m条样条曲线；
步骤二：基于所述叶片上缘板流道线、所述叶片下缘板流道线以及m条样条曲线，构建m+2个回转面；
步骤三：获取m+2个回转面与后视左叶片叶身的交线；
步骤四：通过U向参数定义点在所述交线上的位置；
步骤五：构建一组导向叶片的几何喉部曲面，定义几何喉部面积为S；
步骤六：通过GlobalSimplex算法求解几何喉部面积S。
2.根据权利要求1所述的涡轮导向叶片几何喉部面积的求解方法，其特征在于，步骤一中，所述基于叶片上缘板流道线以及叶片下缘板流道线构建m条样条曲线包括：
S101：沿轴向在叶片上缘板流道线以及叶片下缘板流道线上分别等间距选取n个一一对应的第一控制点；
S102：将所述叶片上缘板流道线上的第一控制点与所述叶片下缘板流道线上对应的第一控制点相连，获得n条直线；
S103：在每条直线上分别选取m个等分点，将n条直线上对应的等分点相连，获得m条样条曲线。
3.根据权利要求2所述的涡轮导向叶片几何喉部面积的求解方法，其特征在于，其中，n为10，m为3。
4.根据权利要求3所述的涡轮导向叶片几何喉部面积的求解方法，其特征在于，步骤四中，所述通过U向参数定义点在所述交线上的位置包括：
S401：在m+2条交线的盆侧分别选取第二控制点：D1、D2…Dm+2；
S402：通过t1、t2…tm+2分别表示对应的第二控制点的U向参数值，即第二控制点在所述交线上的位置，取值范围为[0，1]。
5.根据权利要求4所述的涡轮导向叶片几何喉部面积的求解方法，其特征在于，步骤五中，所述构建一组导向叶片的几何喉部曲面，定义几何喉部面积为S包括：
S501：从m+2个第二控制点出发向相邻后视右叶片的叶背侧法向分别做一条直线；
S502：通过m+2条直线建立一个曲面，将曲面的四条边沿自然曲率延伸，直至上下流道面以及左右叶身表面，获取一组导向叶片的几何喉部曲面，定义几何喉部面积为S，S是第二控制点U向参数值t的函数，即S＝f(t1,t2...tm+2)。
6.根据权利要求5所述的涡轮导向叶片几何喉部面积的求解方法，其特征在于，步骤六中，所述通过Global Simplex算法求解几何喉部面积S包括：
通过Global Simplex算法求解函数关系式：
S＝f(t1,t2...tm+2)
其中，约束条件：t1、t2…tm+2∈[0，1]；
计算得到几何喉部面积S的最小值Smin，以及对应Smin的m+2个第二控制点的U向参数值t1op、t2op…t(m+2)op。
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