CN114065671A - 一种涡轮叶片外流域建模方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种涡轮叶片外流域建模方法和装置；所述方法包括：导入涡轮动叶模型，所述涡轮动叶模型包括二次流入口管道、叶片；以所述二次流入口管道为基准，构建二次流入口区域的流体域，形成第一流体域；识别所述叶片的特征，构造所述叶片的缘板周向装配间隙冷流入口和流体域的周期性面，形成第二流体域；导入所述叶片的装配特征参数，根据所述装配特征参数构建第三流体域；根据第一流体域、第二流体域和第三流体域确定涡轮叶片的完整流体域。本申请的方案在建模过程中，充分考虑了涡轮叶片的装配特征，使流体域更加贴合涡轮叶片的实际使用工况，提高了工程中对于涡轮叶片的CFD计算的准确性。

Description

一种涡轮叶片外流域建模方法和装置

技术领域

本申请涉及航空发动机涡轮叶片流体动力学技术领域，具体涉及一种涡轮叶片外流域建模方法和装置。

背景技术

航空涡轮发动机是国家最顶尖技术代表之一，象征着国家最高的工业水平。由于其对军事和国民经济的建设具有十分重要的作用，受到各工业国家的重视。涡轮是航空发动机的心脏，而涡轮叶片又是涡轮最重要的组成部分，其性能对航空涡轮发动机至关重要。涡轮叶片在极其恶劣的环境下工作，涡轮前温度已经远远超过了材料的耐受极限，因此引进了多种冷却结构及涂层以降低叶片上的实际温度。涡轮叶片上的温度分布对叶片热应力，蠕变等都有很大的影响。然而受限于涡轮叶片的实验的难度，现有技术方案无法准确地测量出涡轮叶片上的温度，只能借助数值模拟分析进行温度场的计算，为后续工作提供温度场的数据。

相关技术中，在对叶片进行CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）分析的时候，需要构造流体计算区域。而在进行流体计算域的构建过程中，不仅要考虑叶片自身复杂的冷却机构，也要考虑涡轮叶片与涡轮其他部分的装配关系，如导叶上缘板和动叶外环前间隙、盘前封严、盘后封严、缘板冷却、叶身冷却、缘板周向装配间隙等一系列装配特征。而且对于非轴对称端壁叶片，由于存在缘板周向装配间隙，会导致缘板左右两侧不对称，给流体计算域的周期性构建带来了极大的困难。

发明内容

为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种涡轮叶片外流域建模方法和装置。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种涡轮叶片外流域建模方法，包括：

导入涡轮动叶模型，所述涡轮动叶模型包括二次流入口管道、叶片；

以所述二次流入口管道为基准，构建二次流入口区域的流体域，形成第一流体域；

识别所述叶片的特征，构造所述叶片的缘板周向装配间隙冷流入口和流体域的周期性面，形成第二流体域；

导入所述叶片的装配特征参数，根据所述装配特征参数构建第三流体域；

根据第一流体域、第二流体域和第三流体域确定涡轮叶片的完整流体域。

进一步地，所述构建二次流入口区域的流体域，包括：

以所述二次流入口管道为基准，结合所述叶片缘板以下的流体域的特点，构建二次流入口区域的流体域，形成第一流体域；

其中，所述叶片缘板以下的流体域，是叶片缘板下方的冷流的流道。

进一步地，所述识别所述叶片的特征，包括：

识别所述叶片的模型特征，判断其缘板的两侧特征是否符合周期性的规则。

进一步地，所述构造所述叶片的缘板周向装配间隙冷流入口和流体域的周期性面，包括：

如果缘板的两侧特征符合周期性的规则，则任取缘板一侧为基准，结合叶片中弧面的曲率特征，构造缘板周向装配间隙冷流入口和流体域的左右周期性面。

进一步地，所述构造所述叶片的缘板周向装配间隙冷流入口和流体域的周期性面，包括：

如果缘板的两侧特征不符合周期性的规则，则选取缘板两侧中较低的一侧为基准，再结合叶片中弧面的曲率特征，构造缘板周向装配间隙冷流入口和流体域的左右周期性面。

进一步地，所述形成第二流体域之后，还包括：

检查所述第二流体域是否贴合所述叶片的模型特征；

检查所述第二流体域是否满足以下关系：

；

其中，

为所述第二流体域的两侧和转轴组成的角度，m为一个周期的动叶的数量。

进一步地，所述叶片的装配特征参数包括如下项中的至少一项：所述叶片的Hub线和Shroud线、所述叶片的导叶上缘板和动叶外环前间隙值、缘板周向装配间隙值。

进一步地，根据所述装配特征参数构建第三流体域，包括：

以所述装配特征参数为基础，构建叶片中面草图；

将草图左右旋转大于

的角度，形成第三流体域。

进一步地，所述根据第一流体域、第二流体域和第三流体域确定涡轮叶片的完整流体域，包括：

将所述第二流体域和所述第三流体域求交集，获得第四流体域；

将所述第一流体域和所述第四流体域求并集，形成涡轮叶片的完整流体域。

根据本申请实施例的第二方面，提供一种涡轮叶片外流域建模装置，包括：

导入模块，用于导入涡轮动叶模型，所述涡轮动叶模型包括二次流入口管道、叶片；

第一构建模块，用于以所述二次流入口管道为基准，构建二次流入口区域的流体域，形成第一流体域；

第二构建模块，用于识别所述叶片的特征，构造所述叶片的缘板周向装配间隙冷流入口和流体域的周期性面，形成第二流体域；

第三构建模块，用于导入所述叶片的装配特征参数，根据所述装配特征参数构建第三流体域；

确定模块，用于根据第一流体域、第二流体域和第三流体域确定涡轮叶片的完整流体域。

本申请的实施例提供的技术方案具备以下有益效果：

本申请的方案在建模过程中，充分考虑了涡轮叶片的装配特征，使流体域更加贴合涡轮叶片的实际使用工况，提高了工程中对于涡轮叶片的CFD计算的准确性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种涡轮叶片外流域建模方法的流程图。

图2是本发明实施例的一种涡轮叶片流体计算域建模方法流程图。

图3是本发明实施例的一种二次流入口管道的形态示意图。

图4是本发明实施例的一种流体计算域下半部分（流体域1）示意图。

图5是本发明实施例的一种流体计算域的周期性面示意图。

图6是本发明实施例的一种流体域2的示意图。

图7是本发明实施例的一种流体计算域的中面示意图。

图8是本发明实施例的一种流体域3示意图。

图9是本发明实施例的一种流体域4示意图。

图10是本发明实施例的一种整个流体域（流体域5）示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的方法和装置的例子。

在进行涡轮叶片CFD计算的流体计算域的构建的时候，不仅要考虑叶片自身复杂的冷却机构，还要考虑涡轮叶片与涡轮其他部分的装配关系。而且对于非轴对称端壁叶片，由于存在缘板周向装配间隙，会导致缘板左右两侧不对称，给流体计算域的周期性构建带来了极大的问题。为了解决这些问题，本发明提出一种涡轮叶片外流域建模方法。

图1是根据一示例性实施例示出的一种涡轮叶片外流域建模方法的流程图。该方法可以包括以下步骤：

步骤S1、导入涡轮动叶模型，所述涡轮动叶模型包括二次流入口管道、叶片；

步骤S2、以所述二次流入口管道为基准，构建二次流入口区域的流体域，形成第一流体域；

步骤S3、识别所述叶片的特征，构造所述叶片的缘板周向装配间隙冷流入口和流体域的周期性面，形成第二流体域；

步骤S4、导入所述叶片的装配特征参数，根据所述装配特征参数构建第三流体域；

步骤S5、根据第一流体域、第二流体域和第三流体域确定涡轮叶片的完整流体域。

本申请的方案在建模过程中，充分考虑了涡轮叶片的装配特征，使流体域更加贴合涡轮叶片的实际使用工况，提高了工程中对于涡轮叶片的CFD计算的准确性。

应当理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

如图2所示，下面结合具体的应用场景，对本申请的方案进行拓展说明。

首先执行步骤S1，导入涡轮动叶模型，所述涡轮动叶模型包括二次流入口管道、叶片。本申请的方案，在导入涡轮叶片模型后，需要对模型进行检查和修复。导入模型后需检查模型是否有破面、缺损等各种特征。若检查有问题，则进行模型修改。若检查没问题，则进行步骤S2。

接下来执行步骤S2，以所述二次流入口管道为基准，构建二次流入口区域的流体域，形成第一流体域（图2中所示流体域1）。具体地，以二次流入口管道为基准，结合叶片缘板以下的流体域的特点，构建二次流入口区域的流体域，作为整个流体域的下半部分，此部分所建域为流体域1。

在一些实施例中，二次流入口管道的形态如图3所示，最终的流体域1的形态如图4所示。其中，叶片缘板以下的流体域，是指叶片缘板下方的冷流的流道，具体可以包括叶片缘板以下、榫头内部的冷流流道部分，其形态参照图4中椭圆形框所圈出的区域。本申请的方案以二次流入口管道模型为基准构建二次流入口区域，会使入口区域的流体更加接近真实工况。

随后检查流体域1和叶片模型是否贴合等特征，若检查有问题，则进行模型修改。若检查没问题，则将流体域1送至步骤S5等待后续处理。

接下来执行步骤S3，识别所述叶片的特征，构造所述叶片的缘板周向装配间隙冷流入口和流体域的周期性面，形成第二流体域（图2中所示流体域2）。

由于叶片存在缘板周向装配间隙，加之非轴对称端壁的影响，因此叶片缘板的特征有些时候并不符合周期性。在流体计算域构建的时候，考虑到是否存在涡轮叶片的周向装配间隙和非轴对称端壁的影响，使叶片左右缘板出现非周期性的特征，本申请的方案需要先识别叶片的特征，并判断其缘板左右两侧特征是否符合周期性的规则。

若其缘板左右两侧特征符合周期性的规则，则任取缘板一侧为基准，结合叶片中弧面的曲率特征，构造缘板周向装配间隙冷流入口和流体域的左右周期性面。若其缘板左右两侧特征不符合周期性的规则，必须要选取缘板左右较低的一侧为基准，再结合叶片中弧面的曲率特征，构造缘板周向装配间隙冷流入口和流体域的左右周期性面，此部分所建域为流体域2。在一些实施例中，周期性面的形态如图5所示，流体域2的形态如图6所示。

随后检查流体域2是否贴合叶片的模型特征，以及其是否满足以下关系：

；

其中

表示流体域2左右两侧和转轴组成的角度，m为一个周期的动叶的数量。若检查有问题，则对流体域2进行修改。若检查没问题，则进行步骤S4。

接下来执行步骤S4，导入所述叶片的装配特征参数，根据所述装配特征参数构建第三流体域（图2中所示流体域3）。

导入叶片的Hub线和Shroud线，以及导叶上缘板和动叶外环前间隙值，缘板周向装配间隙值等装配特征。以上述特征为基础，构建叶片的中面草图，并将草图左右旋转大于

的角度，此部分所建域为流体域3。在一些实施例中，中面的形态如图7所示，流体域3的形态如图8所示。

本申请的方案在流体计算域构建的时候，以Shroud线、Hub线及各种涡轮装配特征为基础，使之更加贴合工程实际。

随后检查流体域3和叶片模型是否贴合，旋转的角度是否满足要求等特征，若检查有问题，则对流体域3修改。若检查没问题，则进行步骤S5。

最后执行步骤S5，根据第一流体域、第二流体域和第三流体域确定涡轮叶片的完整流体域。

在具体应用中，先求流体域2和流体域3的交集，作为叶片整个流体域的上半部分，此部分所建域为流体域4；在一些实施例中，流体域4的形态如图9所示。再求流体域1和流体域4的并集，此部分所建域为流体域5，即为涡轮动叶的整个流体域；在一些实施例中，流体域5的形态如图10所示。

综上所述，本申请的方案在流体计算域每一步构建结束后，都要检查和涡轮叶片的匹配性以及是否满足CFD计算的各种要求如周期性等，确保每一个区域的流体域以及最终的完整流体域都准确、完整。

本发明提出的流体计算域构建方法，通过分析涡轮部分的装配关系，建立涡轮动叶计算所需的具有复杂冷却结构的流体计算域；该流体计算域的建模过程包括导叶上缘板和动叶外环前间隙、盘前封严、盘后封严、缘板冷却、叶身冷却、缘板周向装配间隙等一系列装配特征，更加贴合涡轮叶片的实际使用工况，提高了工程中对于涡轮叶片的CFD计算的准确性。

本申请的实施例还提出一种涡轮叶片外流域建模装置，该装置包括：

导入模块，用于导入涡轮动叶模型，所述涡轮动叶模型包括二次流入口管道、叶片；

第一构建模块，用于以所述二次流入口管道为基准，构建二次流入口区域的流体域，形成第一流体域；

第二构建模块，用于识别所述叶片的特征，构造所述叶片的缘板周向装配间隙冷流入口和流体域的周期性面，形成第二流体域；

第三构建模块，用于导入所述叶片的装配特征参数，根据所述装配特征参数构建第三流体域；

确定模块，用于根据第一流体域、第二流体域和第三流体域确定涡轮叶片的完整流体域。

关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体步骤已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处不再详细阐述说明。上述涡轮叶片外流域建模装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种涡轮叶片外流域建模方法，其特征在于，包括：

导入涡轮动叶模型，所述涡轮动叶模型包括二次流入口管道、叶片；

以所述二次流入口管道为基准，构建二次流入口区域的流体域，形成第一流体域；

识别所述叶片的特征，构造所述叶片的缘板周向装配间隙冷流入口和流体域的周期性面，形成第二流体域；

导入所述叶片的装配特征参数，根据所述装配特征参数构建第三流体域；

根据第一流体域、第二流体域和第三流体域确定涡轮叶片的完整流体域。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片外流域建模方法，其特征在于，所述构建二次流入口区域的流体域，包括：

以所述二次流入口管道为基准，结合所述叶片缘板以下的流体域的特点，构建二次流入口区域的流体域，形成第一流体域；

其中，所述叶片缘板以下的流体域，是叶片缘板下方的冷流的流道。

3.根据权利要求1所述的涡轮叶片外流域建模方法，其特征在于，所述识别所述叶片的特征，包括：

识别所述叶片的模型特征，判断其缘板的两侧特征是否符合周期性的规则。

4.根据权利要求3所述的涡轮叶片外流域建模方法，其特征在于，所述构造所述叶片的缘板周向装配间隙冷流入口和流体域的周期性面，包括：

如果缘板的两侧特征符合周期性的规则，则任取缘板一侧为基准，结合叶片中弧面的曲率特征，构造缘板周向装配间隙冷流入口和流体域的左右周期性面。

5.根据权利要求3所述的涡轮叶片外流域建模方法，其特征在于，所述构造所述叶片的缘板周向装配间隙冷流入口和流体域的周期性面，包括：

如果缘板的两侧特征不符合周期性的规则，则选取缘板两侧中较低的一侧为基准，再结合叶片中弧面的曲率特征，构造缘板周向装配间隙冷流入口和流体域的左右周期性面。

6.根据权利要求1-5任一项所述的涡轮叶片外流域建模方法，其特征在于，所述形成第二流体域之后，还包括：

检查所述第二流体域是否贴合所述叶片的模型特征；

检查所述第二流体域是否满足以下关系：

；

其中，

为所述第二流体域的两侧和转轴组成的角度，m为一个周期的动叶的数量。

7.根据权利要求6所述的涡轮叶片外流域建模方法，其特征在于，所述叶片的装配特征参数包括如下项中的至少一项：所述叶片的Hub线和Shroud线、所述叶片的导叶上缘板和动叶外环前间隙值、缘板周向装配间隙值。

8.根据权利要求7所述的涡轮叶片外流域建模方法，其特征在于，根据所述装配特征参数构建第三流体域，包括：

以所述装配特征参数为基础，构建叶片中面草图；

将草图左右旋转大于

的角度，形成第三流体域。

9.根据权利要求1-5、7、8任一项所述的涡轮叶片外流域建模方法，其特征在于，所述根据第一流体域、第二流体域和第三流体域确定涡轮叶片的完整流体域，包括：

将所述第二流体域和所述第三流体域求交集，获得第四流体域；

将所述第一流体域和所述第四流体域求并集，形成涡轮叶片的完整流体域。

10.一种涡轮叶片外流域建模装置，其特征在于，包括：

导入模块，用于导入涡轮动叶模型，所述涡轮动叶模型包括二次流入口管道、叶片；

第一构建模块，用于以所述二次流入口管道为基准，构建二次流入口区域的流体域，形成第一流体域；

第二构建模块，用于识别所述叶片的特征，构造所述叶片的缘板周向装配间隙冷流入口和流体域的周期性面，形成第二流体域；

第三构建模块，用于导入所述叶片的装配特征参数，根据所述装配特征参数构建第三流体域；

确定模块，用于根据第一流体域、第二流体域和第三流体域确定涡轮叶片的完整流体域。

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