CN113236583A - 一种圆弧榫头叶片伸根结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种圆弧榫头叶片伸根结构设计方法，包括如下5个步骤：S1、确定设计参数：S2、提取厚度变化规律：S3、绘制控制圆弧：S4、绘制叶盆线和叶背线：S5、导入UG。该方法将复杂的叶根表面设计问题转换为叶型线生成问题，使问题简单化；通过一组参数及方程，灵活的控制了叶型线的曲率、形状、位置及厚度，能较好地适应风扇叶片的复杂扭曲结构，广泛适用于各类圆弧榫头叶片的设计。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；通过改变参数变量即可变换圆弧榫头叶片伸根结构，为后续的结构优化提供了优化变量。该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。

Description

一种圆弧榫头叶片伸根结构设计方法

技术领域

本发明涉及航空发动机风扇叶片设计技术领域，特别涉及一种圆弧榫头叶片伸根结构设计方法。

背景技术

对开型钛合金宽弦空心风扇叶片是目前国内正在研究的新型空心风扇叶片，是服务我国大涵道比航空发动机的关键结构。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，其叶身又弯又扭，榫头则是圆弧构型。在进行圆弧榫头叶片伸根结构计时，流道板以上的叶身部分处在流场中，其外形由气动因素决定，在进行强度设计时不宜对其做太大的改变。而流道板以内的叶根部分处在流场之外，在设计中强度因素占主导地位。目前这部分的伸根设计方法，主要是在UG软件中人工绘制而成，存在以下几个问题：(1)无法获得光顺的叶根表面，在有限元分析中，应力结果偏大，分布不理想；(2)手动调节，无法进行下一步的优化处理。

发明内容

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种空心风扇叶片伸根设计方法，其能够通过已有数据快速生成一组叶型线，将其导入到UG软件中即可生成合适的叶根表面，能够广泛适应于各种外形的风扇叶片，并保证叶根的光顺性。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种圆弧榫头叶片伸根结构的设计方法，包括如下步骤：

S1、确定设计参数：

给定空心叶片气动叶型及圆弧榫头特征参数，根据所述叶片及榫头外形数据确定空心叶片叶身及圆弧榫头的实体模型；所述气动叶型由气动设计人员给出的一组叶型线构成，该组叶型线包括叶盆线，叶背线以及前后缘圆角，其描述了空心叶片从叶尖至流道板处所的所有几何特征；所述圆弧榫头特征参数应包括圆弧榫头截面内外边界半径R₁和R₂及圆心坐标 (m，n)，榫头端面径向坐标z₀；

S2、提取厚度变化规律：

将流道板处的气动叶型线投影到榫头端面所在平面得到一组新的叶型线，称其为过渡叶型线。提取过渡叶型线几何特征，几何特征包括叶盆线和叶背线上控制点的极坐标(θ，r)，根据极坐标计算出在该坐标点对应的叶片厚度d。然后，拟合成一个厚度变化函数，即 d＝f(θ)。

S3、绘制控制圆弧：

控制圆弧的圆心坐标为(m₀，n₀)，半径为R₀，控制圆弧的极坐标参数方程为：

可以通过改变圆心的位置使控制圆弧在榫头截面上左右倾斜；通过改变圆弧半径R₀可以调整控制圆弧的曲率，即增大圆弧半径R₀即可让控制圆弧曲率变小，弯曲程度降低，降低圆弧半径R₀即可让控制圆弧曲率变大，弯曲程度升高。

S4、绘制叶盆线和叶背线：

通过偏置控制圆弧获得叶盆线与叶背线，偏置的距离和厚度变化规律相关。规定控制圆弧向叶盆偏置amm得到叶盆线；控制圆弧向叶背偏置b mm得到叶背线。其中a和b之间的关系为：

其中λ为偏置比例因子，该因子可以改变叶型线的形状，让叶型线向叶盆或叶背移动；ε为厚度因子，该因子控制叶型线的厚度大小。

由上可得叶盆线极坐标参数方程为：

叶背线方程极坐标参数方程为：

S5、导入UG：

将生成的叶盆线和叶背线导入到UG叶片模型中，通过软件内置功能“桥接曲线”生成前后缘圆角，圆角半径与气动叶型线一致。再通过内置功能“通过曲线组”，将生成的叶型线与气动叶型线相连，生成叶根表面。

本发明的有益效果：

1)本发明为一种较为完善的圆弧榫头叶片伸根结构快速设计方法，该方法将复杂的叶根表面设计问题转换为叶型线生成问题，使问题简单化；

2)本发明通过一组参数及方程，灵活的控制了叶型线的曲率、形状、位置及厚度，能较好地适应风扇叶片的复杂扭曲结构，广泛适用于各类圆弧榫头叶片的设计，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)本发明通过改变参数变量即可变换圆弧榫头叶片伸根结构，为后续的结构优化提供了优化变量；

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空心风扇叶片叶型线及榫头的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的叶身和榫头实体模型图。

图3是本发明实施例提供的控制圆弧示意图。

图4是本发明实施例提供的叶型线示意图。

图5是本发明实施例提供的完成设计后圆弧榫头叶片伸根结构示意图。

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4所示，本发明提供了一种圆弧榫头叶片伸根结构的设计方法，包括如下步骤：

S1、确定设计参数：

如图1所示，给定空心叶片气动叶型及圆弧榫头特征参数。如图2所示，根据所述叶片及榫头外形数据确定空心叶片叶身及圆弧榫头的实体模型；圆弧榫头截面内外边界半径R₁＝180.1361mm，R₂＝160.1531mm；圆心坐标为(98，170)，单位为mm；榫头端面径向坐标 z₀＝213mm；

S2、提取厚度变化规律：

将流道板处的气动叶型线投影到榫头端面所在平面得到过渡叶型线。在过渡叶型线的叶盆线和叶背线上各取50个控制点，提取控制点极坐标(θ，r)，根据极坐标计算出在该坐标点对应的叶片厚度d。然后，拟合成一个厚度变化函数。通过测试，当方程次数为四次时，结果收敛。拟合得到的方程如下：

d＝19.470θ⁴-3.658θ³-2523.5360θ²+7565.3703θ+8309.5933

其中θ∈[1.303π，1.677π]。

S3、绘制控制圆弧：

通过观察气动叶型线，发现控制圆弧曲率不宜过大，应低于圆弧榫头的曲率，所以取控制圆弧半径为180.1441mm；控制圆弧应放置在榫头端面居中位置，所以控制圆弧的圆心坐标取(98，180)，控制圆弧的方程为：

控制圆弧如图3所示。

S4、绘制叶盆线和叶背线：

如图4所示，通过偏置控制圆弧获得叶盆线与叶背线，通过观察榫头端面和气动叶型线，为使伸根过渡光顺，偏置比例因子取1；为给后续到角留有足够空间，厚度因子取0.5。

由上可得叶盆线方程为：

叶背线方程为：

S5、导入UG：

如图5所示，将生成的叶盆线和叶背线导入到UG叶片模型中，通过软件内置功能“桥接曲线”生成前后缘圆角，圆角半径为1mm。再通过内置功能“通过曲线组”，将生成的叶型线与气动叶型线相连，生成叶根表面。

本发明的设计方法基于程序设计语言和3D建模平台完成，首先确定叶片的气动叶型和圆弧榫头几何特征，然后提取最后一组气动叶型线的厚度变化规律，再绘制出控制圆弧，根据厚度变化规律偏置控制圆弧获得叶盆线和叶背线，将两条线导入到UG模型中，生成圆角，生成叶根表面。

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 (10)

1.一种圆弧榫头叶片伸根结构设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、确定设计参数：

给定空心叶片气动叶型及圆弧榫头特征参数，根据所述叶片及榫头外形数据确定空心叶片叶身及圆弧榫头的实体模型；

S2、提取厚度变化规律：

将流道板处的气动叶型线投影到榫头端面所在平面得到一组新的叶型线，称为过渡叶型线；提取过渡叶型线几何特征；

S3、绘制控制圆弧：

控制圆弧的圆心坐标为(m₀，n₀)，半径为R₀，控制圆弧的极坐标参数方程为：

S4、绘制叶盆线和叶背线：

通过偏置控制圆弧获得叶盆线与叶背线，偏置的距离和厚度变化规律相关；控制圆弧向叶盆偏置amm得到叶盆线；控制圆弧向叶背偏置b mm得到叶背线；其中a和b之间的关系为：

其中，λ为偏置比例因子，该因子能改变叶型线的形状，让叶型线向叶盆或叶背移动；ε为厚度因子，该因子控制叶型线的厚度大小；

S5、导入UG：

将生成的叶盆线和叶背线导入到UG叶片模型中，通过软件内置功能“桥接曲线”生成前后缘圆角，圆角半径与气动叶型线一致；再通过内置功能“通过曲线组”，将生成的叶型线与气动叶型线相连，生成叶根表面。

2.根据权利要求1所述的一种圆弧榫头叶片伸根结构设计方法，其特征在于：在S1中，所述气动叶型由气动设计人员给出的一组叶型线构成，该组叶型线包括叶盆线、叶背线以及前后缘圆角，描述了空心叶片从叶尖至流道板处的所有几何特征。

3.根据权利要求1所述的一种圆弧榫头叶片伸根结构设计方法，其特征在于：在S1中，所述圆弧榫头特征参数应包括圆弧榫头截面内外边界半径R₁和R₂及圆心坐标(m，n)，榫头端面径向坐标z₀。

4.根据权利要求1所述的一种圆弧榫头叶片伸根结构设计方法，其特征在于：在S2中，渡叶型线几何特征包括叶盆线和叶背线上控制点的极坐标(θ，r)，根据极坐标计算出在该坐标点对应的叶片厚度d；然后，拟合成一个厚度变化函数，即d＝f(θ)。

5.根据权利要求1所述的一种圆弧榫头叶片伸根结构设计方法，其特征在于：在S3中，通过改变圆心的位置使控制圆弧在榫头截面上左右倾斜；通过改变圆弧半径R₀调整控制圆弧的曲率，即增大圆弧半径R₀让控制圆弧曲率变小，弯曲程度降低，降低圆弧半径R₀让控制圆弧曲率变大，弯曲程度升高。

6.根据权利要求1所述的一种圆弧榫头叶片伸根结构设计方法，其特征在于：在S4中，得到叶盆线极坐标参数方程为：

叶背线方程极坐标参数方程为：

7.根据权利要求3所述的一种圆弧榫头叶片伸根结构设计方法，其特征在于：圆弧榫头截面内外边界半径R₁＝180.1361mm，R₂＝160.1531mm；圆心坐标为(98，170)，单位为mm；榫头端面径向坐标z₀＝213mm。

8.根据权利要求4所述的一种圆弧榫头叶片伸根结构设计方法，其特征在于：在过渡叶型线的叶盆线和叶背线上各取50个控制点，拟合得到的方程如下：

d＝19.470θ⁴-3.658θ³-2523.5360θ²+7565.3703θ+8309.5933；其中θ∈[1.303π，1.677π]。

9.根据权利要求1所述的一种圆弧榫头叶片伸根结构设计方法，其特征在于：取控制圆弧半径为180.1441mm；控制圆弧应放置在榫头端面居中位置，所以控制圆弧的圆心坐标取(98，180)，控制圆弧的方程为：

10.根据权利要求1所述的一种圆弧榫头叶片伸根结构设计方法，其特征在于：偏置比例因子取1；厚度因子取0.5。

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