CN112329175A - 一种涡轮叶片型面建立方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于航空发动机涡轮叶片设计技术领域，特别涉及一种涡轮叶片型面建立方法，包括如下步骤：建立实物叶片的坐标系；等间距测量多个叶片横截面的型面数据，以及在叶型前缘、盆背侧和尾缘典型位置测量多个纵截面的型面数据，从而得到原始点云数据；将原始点云数据中异常的跳跃点、重影点去除，得到有效点云数据；在有效点云数据中，将单个横截面数据划分为四段型线，分别为前缘、尾缘、盆侧、背侧；步骤五、分别对各段型线进行光顺拟合；步骤六、进行型面线重构；步骤七、三维实物模型的构建。本申请的涡轮叶片型面建立方法，更能反映实物状态，有利于针对性开展叶片修复工作，降低修复成本，提高叶片修复合格率和型面质量。

Description

一种涡轮叶片型面建立方法

技术领域

本申请属于航空发动机涡轮叶片设计技术领域，特别涉及一种涡轮叶片型面建立方法。

背景技术

新生产的涡轮叶片外型面轮廓在理论模型公差范围内波动，由于涡轮叶片在高温环境下工作，使用一定时间后叶片可能发生局部变形的情况导致外型轮廓超出公差要求。继续使用该状态叶片会降低涡轮效率进而影响发动机推力，因此需要对叶片进行更换或者修理。为降低发动机生命周期成本，通常在发动机大修时对损伤较小的涡轮叶片进行修复。外型轮廓校型和叶尖接长是涡轮叶片修复中两项重要的技术，校型后叶片的型面和叶尖接长后的叶型轮廓是影响涡轮性能和效率的重要因素。

目前，大修时涡轮叶片外型面校型以及叶尖接长参照叶片的理论模型进行。理论模型不包含公差，与大修叶片状态偏差较大，参照理论模型对叶片校型使金属基体变形量大且针对性不强，参照理论模型进行叶尖接长的叶片型面也可能存在超过许可的波纹度，影响叶尖气体流动效率。

针对现行方法的解决方案是叶片大修参照实际叶片的模型进行。通过采用三坐标设备测量大修叶片有限截面的型面数据，对获得的离散数据处理拟合构建可以反映大修叶片状态的三维模型，然后根据该模型有针对性的修复叶片。

但是，由于缺乏大修叶片典型的型面轮廓变形信息，校型没有针对性只能对整个叶片采用统一的修理方式，导致叶片基体局部变形量大，修复成功率低；另外叶尖接长时参照理论模型可能导致接长的叶尖与叶身型面的波纹度超过许可要求。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种涡轮叶片型面建立方法。

本申请公开了一种涡轮叶片型面建立方法，包括如下步骤：

步骤一、建立实物叶片的坐标系；

步骤二、等间距测量多个叶片横截面的型面数据，以及在叶型前缘、盆背侧和尾缘典型位置测量多个纵截面的型面数据，从而得到包含横截面型面数据和纵截面型面数据的原始点云数据；

步骤三、对比实物叶片的实物型面，将原始点云数据中异常的跳跃点、重影点去除，得到有效点云数据；

步骤四、在有效点云数据中，将单个横截面数据划分为四段型线，分别为前缘、尾缘、盆侧、背侧；

步骤五、分别对各段型线进行光顺拟合；

步骤六、进行型面线重构；

步骤七、三维实物模型的构建。

根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤二中，是等间距测量5～N个叶片横截面的型面数据，记为Z₁～Z_N，其中，N≥5，；以及

在叶型前缘、盆背侧和尾缘典型位置测量3～M个纵截面的型面数据，记为P₁～P_M，其中M≥3。

根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤四中，将单个横截面数据划分为四段型线之前，包括前缘切点、尾缘切点、盆侧点以及背侧点的确定，具体包括：

步骤4.1、在前缘和尾缘提取预定量的点拟合成高精度圆弧，圆弧半径分别为R_q、R_h，然后求解与前缘和尾缘圆弧相切的弦长线；

步骤4.2、通过测量距离确定前缘与弦长线距离最近的点，将该点视为前缘切点，再通过测量距离确定尾缘与弦长线距离最近的点，将该点视为尾缘切点；

步骤4.3、以前缘切点为中心，分别向盆侧和背侧取弧长πR_q/2范围的点划分为前缘点，再以尾缘切点为起点，向背侧取πR_h弧长范围的点划分为尾缘点，其余的两段分别划分为盆侧点和背侧点。

根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤四中，若尾缘包括直线段，则需先确定直线段范围，再确定盆侧点和背侧点。

根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤五中，包括：

步骤5.1、前缘拟合：

采用三次样条曲线拟合，调整曲线拟合阶次实现最大误差小于L₁，其中，0.01≤L₁≤0.06mm，然后在±L₁mm的公差带内调整移动局部型线使得曲率连续、无突变；

步骤5.2、盆侧与背侧拟合：

采用三次或者更高阶次进行拟合，采取分段控制实现最大误差小于L₁的目标，然后在公差带内调整型线；

步骤5.3、尾缘拟合：

对于尾缘是圆弧的叶片，采用与上述步骤5.1中前缘相同的拟合方法；或

对于尾缘包括平直段的型线，只需完成直线段拟合。

根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤六中，包括：

步骤6.1、将拟合好的前缘、盆侧、背侧三段型线连接形成一条非闭合型线，然后将该条型线再次离散成一系列点；

步骤6.2、采用三次或者更高阶次重新拟合上述步骤6.1中的点形成新的型线，控制型线公差不大于±L₂并控制曲率连续，其中，0.01≤L₂≤0.03mm；

步骤6.3、定义K条和尾缘直线段平行且相邻间距为d的直线段，其中，K>5，0.5<d<2mm，以各条直线段到尾缘的距离为自变量、各条直线段长度为因变量拟合建立三次多项式；

步骤6.4、基于叶型尾缘厚度渐变的规律，按照建立的三次多项式重新计算K条直线段长度，然后以背侧端点为基准，按照K条直线段的计算值调整盆侧型线位置。

根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤七中，是按照光顺拟合形成的横截面型线，逐个扫掠拉伸形成叶片的外型三维实物模型。

本申请至少存在以下有益技术效果：

本申请的涡轮叶片型面建立方法，更能反映实物状态，有利于针对性开展叶片修复工作，降低修复成本，提高叶片修复合格率和型面质量。

附图说明

图1是本申请涡轮叶片型面建立方法步骤二中得到的原始点云数据分布示意图；

图2是本申请涡轮叶片型面建立方法步骤四中数据分割示意图；

图3是本申请涡轮叶片型面建立方法步骤五中前缘型线拟合与曲率控制示意图；

图4是本申请涡轮叶片型面建立方法步骤五中盆侧型线拟合与曲率控制示意图；

图5是本申请涡轮叶片型面建立方法步骤五中尾缘直线段拟合示意图；

图6是本申请涡轮叶片型面建立方法步骤六中重构后的型线示意图；

图7是本申请涡轮叶片型面建立方法步骤六中尾缘厚度控制示意图；

图8是本申请涡轮叶片型面建立方法步骤七中三维实物模型示意图。

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。

本发明提出一种根据实物叶片建立外型三维模型的方法。采用三坐标设备测量叶片有限截面的型面数据，提取有效数据后采用最小二乘法拟合、型线曲率连续控制的方法建立实物叶片各截面的型线，通过拉伸扫掠各截面型线形成叶片三维模型。

下面结合附图1-图8对本申请的涡轮叶片型面建立方法做进一步详细说明。

本申请公开了一种涡轮叶片型面建立方法，包括如下步骤：

步骤一、建立实物叶片的坐标系；

具体可参见图1中左下角所示，可以根据六点定位确定实物叶片的坐标系和坐标原点。

步骤二、等间距测量多个叶片横截面的型面数据，以及在叶型前缘、盆背侧和尾缘典型位置测量多个纵截面的型面数据，从而得到包含横截面型面数据和纵截面型面数据的原始点云数据。

具体的，如图1所示，是等间距测量5～N个叶片横截面的型面数据，记为Z₁～Z_N，其中，N≥5，；以及在叶型前缘、盆背侧和尾缘典型位置测量3～M个纵截面的型面数据，记为P₁～P_M，其中M≥3。

步骤三、由于实物叶片表面状态的影响，原始的测量数据存在无效点，因此，本步骤中，是对比实物叶片的实物型面，将原始点云数据中异常的跳跃点、重影点去除，得到有效点云数据。

其中，对于每个Z截面的数据，分别计算各截面数据的平均高度值Z_1av～Z_nav，然后分别将Z₁～Z_n截面数据投影到Z_1av～Z_nav平面。

步骤四、叶片横截面的测量数据在前缘、尾缘位置弯曲变化十分剧烈，直接拟合产生的误差较大；因此，本步骤中，根据叶型特点，在有效点云数据中，将单个横截面数据划分为四段型线，分别为前缘、尾缘、盆侧、背侧。

参见图2所示，在步骤四中，将单个横截面数据划分为四段型线之前，包括前缘切点、尾缘切点、盆侧点以及背侧点的确定，具体包括：

步骤4.1、在前缘和尾缘提取预定量的点拟合成高精度圆弧，圆弧半径分别为R_q、R_h，然后求解与前缘和尾缘圆弧相切的弦长线；

步骤4.2、通过测量距离确定前缘与弦长线距离最近的点，将该点视为前缘切点，再通过测量距离确定尾缘与弦长线距离最近的点，将该点视为尾缘切点；

步骤4.3、以前缘切点为中心，分别向盆侧和背侧取弧长πR_q/2范围的点划分为前缘点，再以尾缘切点为起点，向背侧取πR_h弧长范围的点划分为尾缘点，其余的两段分别划分为盆侧点和背侧点。

另外需要说明的是，在步骤四中，若尾缘包括直线段，则需先确定直线段范围，再确定盆侧点和背侧点。

步骤五、分别对各段型线进行光顺拟合。

具体的，步骤五包括：

步骤5.1、前缘拟合：

参见图3所示，采用三次样条曲线拟合，调整曲线拟合阶次实现最大误差小于L₁，其中，0.01≤L₁≤0.06mm，然后在±L₁mm的公差带内调整移动局部型线使得曲率连续、无突变。

步骤5.2、盆侧与背侧拟合：

参见图4所示，采用三次或者更高阶次进行拟合，采取分段控制实现最大误差小于L₁的目标，然后在公差带内调整型线；另外，对于局部叶型变形导致曲率突变的型线，如盆侧靠近尾缘位置，可以适当加大移动距离，保证型线曲率连续，在后续再进行调整。

步骤5.3、尾缘拟合：

参见图5所示，对于尾缘是圆弧的叶片，采用与上述步骤5.1中前缘相同的拟合方法；或对于尾缘包括平直段的型线，只需完成直线段拟合。

最终，完成各分段型线初步拟合后，参照纵向截面线P₁～P_M，调整型面线与纵向横截面距离不大于L₁。

步骤六、进行型面线重构。

分别完成前缘、尾缘、盆侧、背侧四段型线拟合光顺后，若直接连接四段线则在各段型线连接位置存在曲率突变的情况，因此需要进行型面线重构，具体包括：

步骤6.1、将拟合好的前缘、盆侧、背侧三段型线连接形成一条非闭合型线，然后将该条型线再次离散成一系列点；

步骤6.2、采用三次或者更高阶次重新拟合上述步骤6.1中的点形成新的型线，控制型线公差不大于±L₂并控制曲率连续，其中，0.01≤L₂≤0.03mm；

步骤6.3、参见图7所示，定义K条和尾缘直线段平行且相邻间距为d的直线段，其中，K>5，0.5<d<2mm，以各条直线段到尾缘的距离为自变量、各条直线段长度为因变量拟合建立三次多项式；

步骤6.4、基于叶型尾缘厚度渐变的规律，按照建立的三次多项式重新计算K条直线段长度，然后以背侧端点为基准，按照K条直线段的计算值调整盆侧型线位置。

最终，按照上述方法完成所有型线的光顺调整，重构后的型线如图6所示。

步骤七、三维实物模型的构建。

具体的，是按照光顺拟合形成的横截面型线，逐个扫掠拉伸形成叶片的外型三维实物模型，参见图8所示。

综上所述，本申请的涡轮叶片型面建立方法，更能反映实物状态，有利于针对性开展叶片修复工作，降低修复成本，提高叶片修复合格率和型面质量。

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 (7)

1.一种涡轮叶片型面建立方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、建立实物叶片的坐标系；

步骤二、等间距测量多个叶片横截面的型面数据，以及在叶型前缘、盆背侧和尾缘典型位置测量多个纵截面的型面数据，从而得到包含横截面型面数据和纵截面型面数据的原始点云数据；

步骤三、对比实物叶片的实物型面，将原始点云数据中异常的跳跃点、重影点去除，得到有效点云数据；

步骤四、在有效点云数据中，将单个横截面数据划分为四段型线，分别为前缘、尾缘、盆侧、背侧；

步骤五、分别对各段型线进行光顺拟合；

步骤六、进行型面线重构；

步骤七、三维实物模型的构建。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片型面建立方法，其特征在于，在所述步骤二中，是等间距测量5～N个叶片横截面的型面数据，记为Z₁～Z_N，其中，N≥5，；以及

在叶型前缘、盆背侧和尾缘典型位置测量3～M个纵截面的型面数据，记为P₁～P_M，其中M≥3。

3.根据权利要求2所述的涡轮叶片型面建立方法，其特征在于，在所述步骤四中，将单个横截面数据划分为四段型线之前，包括前缘切点、尾缘切点、盆侧点以及背侧点的确定，具体包括：

步骤4.1、在前缘和尾缘提取预定量的点拟合成高精度圆弧，圆弧半径分别为R_q、R_h，然后求解与前缘和尾缘圆弧相切的弦长线；

步骤4.2、通过测量距离确定前缘与弦长线距离最近的点，将该点视为前缘切点，再通过测量距离确定尾缘与弦长线距离最近的点，将该点视为尾缘切点；

步骤4.3、以前缘切点为中心，分别向盆侧和背侧取弧长πR_q/2范围的点划分为前缘点，再以尾缘切点为起点，向背侧取πR_h弧长范围的点划分为尾缘点，其余的两段分别划分为盆侧点和背侧点。

4.根据权利要求3所述的涡轮叶片型面建立方法，其特征在于，在所述步骤四中，若尾缘包括直线段，则需先确定直线段范围，再确定盆侧点和背侧点。

5.根据权利要求3所述的涡轮叶片型面建立方法，其特征在于，在所述步骤五中，包括：

步骤5.1、前缘拟合：

采用三次样条曲线拟合，调整曲线拟合阶次实现最大误差小于L₁，其中，0.01≤L₁≤0.06mm，然后在±L₁mm的公差带内调整移动局部型线使得曲率连续、无突变；

步骤5.2、盆侧与背侧拟合：

采用三次或者更高阶次进行拟合，采取分段控制实现最大误差小于L₁的目标，然后在公差带内调整型线；

步骤5.3、尾缘拟合：

对于尾缘是圆弧的叶片，采用与上述步骤5.1中前缘相同的拟合方法；或

对于尾缘包括平直段的型线，只需完成直线段拟合。

6.根据权利要求3所述的涡轮叶片型面建立方法，其特征在于，在所述步骤六中，包括：

步骤6.1、将拟合好的前缘、盆侧、背侧三段型线连接形成一条非闭合型线，然后将该条型线再次离散成一系列点；

步骤6.2、采用三次或者更高阶次重新拟合上述步骤6.1中的点形成新的型线，控制型线公差不大于±L₂并控制曲率连续，其中，0.01≤L₂≤0.03mm；

步骤6.3、定义K条和尾缘直线段平行且相邻间距为d的直线段，其中，K>5，0.5<d<2mm，以各条直线段到尾缘的距离为自变量、各条直线段长度为因变量拟合建立三次多项式；

步骤6.4、基于叶型尾缘厚度渐变的规律，按照建立的三次多项式重新计算K条直线段长度，然后以背侧端点为基准，按照K条直线段的计算值调整盆侧型线位置。

7.根据权利要求3所述的涡轮叶片型面建立方法，其特征在于，在所述步骤七中，是按照光顺拟合形成的横截面型线，逐个扫掠拉伸形成叶片的外型三维实物模型。

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