CN114818436B - 一种离心叶轮和涡轮叶片叶型冷热态快速转换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种离心叶轮和涡轮叶片叶型冷热态快速转换方法，该方法主要针对迭代过程中，叶型各造型截面控制点变形计算量大的问题，综合考虑考气动载荷、温度载荷和离心载荷，通过计算各造型截面中弧线的变形，线性插值得到各造型截面控制点的变形。由于叶片本身较薄，通过中弧线的变形插值得到的造型截面控制点的变形代替各控制点实际的变形，误差很小。这样既保证了转换精度，同时又能解决变形输出点计算量大的问题。

Description

一种离心叶轮和涡轮叶片叶型冷热态快速转换方法
技术领域
本发明涉及叶片加工技术领域，特别是涉及一种离心叶轮和涡轮叶片叶型冷热态快速转换方法。
背景技术
发动机离心叶轮压气机或涡轮完成气动设计后，所给出的流道和叶型是设计点的热态尺寸，而根据设计模型加工的零件应是冷态模型。如果直接按照热态模型加工，离心叶轮压气机或涡轮转子工作状态下会发生变形，特别是涡轮转子在气动载荷、高温和离心载荷下会发生显著变形，这些变形会对部件的气动性能产生影响，偏离设计点的性能。
现有常规的准确性较高的冷热态转换方法是：(1)考虑温度场和离心载荷，以叶型各造型截面重心为变形输出点，建立笛卡尔坐标系，对各截面控制点进行三个方向的坐标换算，然后迭代得到满足精度的冷态模型：(2)另一种精度更高、但计算量更大的方法是，考虑考气动载荷、虑温度场和离心载荷，将无序排列的有限元网格节点投影到造型截面，以投影点进行变形输出，再进行三维插值得到各控制点的变形，然后迭代得到满足精度的冷态模型。
虽然此两种方法可以得到较高精度的冷态模型，但第一种转换方法对于轴流叶片精度基本能保证，但对于离心叶轮和向心涡轮叶片精度难以保证；第二种方法虽然精度高但计算量大，花费时间多，在工程实际中难以满足快速转换的需求。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明旨在提供一种离心叶轮和涡轮叶片叶型冷热态快速转换方法，克服了现有常规的冷热态转换方法中冷热态高精度转换和计算量大相矛盾的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
提供了一种离心叶轮和涡轮叶片叶型冷热态快速转换方法，其包括：
步骤S1：通过气动设计得到热态叶型R，确定热态叶型R各造型截面中弧线和控制点；
步骤S2：对热态叶型R中的各叶片进行划分有限元网格，获取造型截面的数量、各造型截面中弧线节点的数量和热态叶型R各型截面控制点的坐标；
步骤S3：导入CFD仿真的压力场和温度场结果，仿真得到热态叶型R中各造型截面中弧线的变形；
步骤S4：导出各造型截面中弧线节点变形前的坐标，以及各节点坐标的变化量，通过各中弧线变形前的坐标和中弧线各节点坐标的变化量，在离心叶轮或涡轮轴向对各造型截面控制点变形进行线性插值，得到各造型截面控制点坐标的变化量；将步骤S2中热态叶型R各个控制点的坐标减去进行线性插值后各造型截面控制点坐标的变化量得到初次转换的冷态叶型L1的坐标；
步骤S5：对步骤S4中的冷态叶型L1进行有限元仿真和线性插值，得到冷态叶型L1各造型截面控制点坐标的变化量，通过冷态叶型L1各造型截面控制点坐标的变化量加上冷态叶型L1的坐标，将初次的冷态叶型L1转换为计算热态叶型R1；
步骤S6：计算步骤S5中的计算热态叶型R1与步骤S1中的热态叶型R之间的偏差绝对值，判断偏差绝对值是否小于要求偏差，若是，则完成叶型冷热态转换，冷态叶型为L1，否则进入步骤S7；
步骤S7：用步骤S2中热态叶型R各个控制点的坐标减去步骤S5中冷态叶型L1各造型截面控制点坐标的变化量得到冷态叶型L2，通过对冷态叶型L2进行有限元仿真和线性插值实现将冷态叶型L2转换为计算热态叶型R2，计算热态叶型R2和的热态叶型R之间的偏差绝对值，判断偏差绝对值是否小于要求偏差，若是，完成叶型冷热态转换，冷态叶型为L2；否则，热态叶型R各个控制点的坐标减去冷态叶型L2各造型截面控制点坐标的变化量得到冷态叶型L3，并对冷态叶型L3进行有限元仿真和线性插值实现将冷态叶型L3转换为计算热态叶型R3，计算热态叶型R和计算热态叶型R3之间的偏差绝对值，迭代计算，直至计算热态叶型Rn与热态叶型R之间的偏差绝对值小于要求偏差，完成叶型冷热态转换，冷态叶型为Ln。
本方案的基本原理为：针对迭代过程中，叶型各造型截面控制点变形计算量大的问题，综合考虑考气动载荷、温度载荷和离心载荷，通过计算各造型截面中弧线的变形，线性插值得到各造型截面控制点的变形。由于叶片本身较薄，通过中弧线的变形插值得到的造型截面控制点的变形代替各控制点实际的变形，误差很小。这样既保证了转换精度，同时又能解决变形输出点计算量大的问题。
进一步地，在步骤S1中，若热态叶型R各造型截面中无中弧线，则选择造型截面上构造与中弧线相近的曲线。
进一步地，在步骤S3中，热态叶型R各造型截面中弧线的变形量为D；
在步骤S4中，各造型截面中弧线节点的变形后的坐标为Dmk(xmk,ymk,zmk)，
各造型截面控制点变形进行线性插值后，各造型截面控制点坐标的变化量为Δmn(xmn,ymn,zmn)，初次转换的冷态叶型L1的坐标为L1mn(xmn,ymn,zmn)，其计算公式为：
L1mn＝Rmn-Δmn
式中，m为热态叶型R的造型截面的数量，n为各造型截面控制点的数量。
进一步地，在步骤S5中，初次的冷态叶型L1转换为计算热态叶型R1的计算公式为：
R1mn＝L1mn+ΔL1mn
式中，R1mn为计算热态叶型R1的各控制点的坐标；ΔL1mn为冷态叶型L1进行有限元仿真和线性插值后各造型截面控制点坐标的变化量。
本发明的有益效果为：为克服冷热态高精度转换和计算量大相矛盾的问题，本发明提出了一种离心叶轮和涡轮叶片叶型冷热态快速转换方法。该方法主要针对迭代过程中，叶型各造型截面控制点变形计算量大的问题，综合考虑考气动载荷、温度载荷和离心载荷，通过计算各造型截面中弧线的变形，线性插值得到各造型截面控制点的变形。由于叶片本身较薄，通过中弧线的变形插值得到的造型截面控制点的变形代替各控制点实际的变形，误差很小。既保证了转换精度，同时又能解决变形输出点计算量大的问题。
附图说明
图1为离心叶轮和涡轮叶片叶型冷热态快速转换方法的流程结构示意图。
图2为到热态叶型R的结构示意图。
图3为叶片有限元划分结构示意图。
图4为热态叶型R各造型截面中弧线的变形结构示意图。
图5为各造型截面控制点的结构示意图。
图6为计算热态叶型与热态叶型之间的转换偏差结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1～6所示，本发明提供了一种离心叶轮和涡轮叶片叶型冷热态快速转换方法，其包括：
步骤S1：通过气动设计得到热态叶型R，确定热态叶型R各造型截面中弧线和控制点；
步骤S2：对热态叶型R中的各叶片进行划分有限元网格，获取造型截面的数量、各造型截面中弧线节点的数量和热态叶型R各型截面控制点的坐标；
步骤S3：导入CFD仿真的压力场和温度场结果，仿真得到热态叶型R中各造型截面中弧线的变形；
步骤S4：导出各造型截面中弧线节点变形前的坐标，以及各节点坐标的变化量，通过各中弧线变形前的坐标和中弧线各节点坐标的变化量，在离心叶轮或涡轮轴向对各造型截面控制点变形进行线性插值，得到各造型截面控制点坐标的变化量；将步骤S2中热态叶型R各个控制点的坐标减去进行线性插值后各造型截面控制点坐标的变化量得到初次转换的冷态叶型L1的坐标；
步骤S5：对步骤S4中的冷态叶型L1进行有限元仿真和线性插值，得到冷态叶型L1各造型截面控制点坐标的变化量，通过冷态叶型L1各造型截面控制点坐标的变化量加上冷态叶型L1的坐标，将初次的冷态叶型L1转换为计算热态叶型R1；
步骤S6：计算步骤S5中的计算热态叶型R1与步骤S1中的热态叶型R之间的偏差绝对值，判断偏差绝对值是否小于要求偏差，若是，则完成叶型冷热态转换，冷态叶型为L1，否则进入步骤S7；
步骤S7：用步骤S2中热态叶型R各个控制点的坐标减去步骤S5中冷态叶型L1各造型截面控制点坐标的变化量得到冷态叶型L2，通过对冷态叶型L2进行有限元仿真和线性插值实现将冷态叶型L2转换为计算热态叶型R2，计算热态叶型R2和的热态叶型R之间的偏差绝对值，判断偏差绝对值是否小于要求偏差，若是，完成叶型冷热态转换，冷态叶型为L2；否则，热态叶型R各个控制点的坐标减去冷态叶型L2各造型截面控制点坐标的变化量得到冷态叶型L3，并对冷态叶型L3进行有限元仿真和线性插值实现将冷态叶型L3转换为计算热态叶型R3，计算热态叶型R和计算热态叶型R3之间的偏差绝对值，迭代计算，直至计算热态叶型Rn与热态叶型R之间的偏差绝对值小于要求偏差，完成叶型冷热态转换，冷态叶型为Ln。
本发明应用于涡喷发动机发动机的离心叶轮、涡轮转子，以及某涡轴发动机动力涡轮冷热态转换。如图2所示，本实例的涡轮转子叶片由13个造型截面，每个造型截面有若干个控制点。热态叶片的各造型截面和各截面的控制点，以及热态叶片的CFD流场仿真结果由气动设计提供。冷热态转换针对于已有的热态叶片模型转换为加工的冷态叶片模型的过程。
由于冷热态转换迭代过程中，叶片变形较小，对于CFD流场仿真中的压力场和温度场影响很小，在冷热态转换迭代过程中有限元仿真计算变形的压力场和温度场采用热态叶型的CFD流场仿真结果。
首先通过热态叶型R中各造型截面中弧线形成的曲面将涡轮转子叶片三维模型划分为压力面和吸力面；再通过造型截面进一步细分模型。如无中弧线，可在造型截面上构造与中弧线相近的曲线。
如图3所示，划分叶片有限元网格，其中各造型截面中弧线上有k个节点，共有m个造型截面。
如图4所示，导入热态叶片CFD仿真的压力场和温度场结果，施加气动载荷、温度载荷和离心载荷，仿真得到热态叶型R各造型截面中弧线的变形量D。
导出各中弧线节点坐标的变化量Dmk(xmk,ymk,zmk)，按涡轮转子的轴向坐标对各造型截面控制点变形进行线性插值，得到各造型截面控制点的变形Δ，用热态叶型R的各控制点坐标Rmn(xmn,ymn,zmn)减去各造型截面控制点坐标的变化量Δmn(xmn,ymn,zmn)，即得到初次转换的冷态叶型L1的坐标L1mn(xmn,ymn,zmn)：
L1mn＝Rmn-Δmn
其中，m为造型截面数；n为各造型截面控制点数。
如图6所示，用类似的方式，由初次的冷态叶型L1转换为计算热态叶型R1，即R1mn＝L1mn+ΔL1mn；然后与理论热态叶型R进行对比，计算偏差绝对值|R-R1|。
判断偏差绝对值是否小于要求偏差，当偏差绝对值超过要求偏差ε时，用热态叶型R减去冷态叶型L1的变形ΔL1，得到冷态叶型L2，并由冷态叶型L2转换得到R2，再次与热态叶型R进行对比，计算偏差绝对值|R-R2|：
L2mn＝L1mn-(R1mn-Rmn)＝Rmn-ΔL1mn
R2mn＝L2mn+ΔL2mn
迭代计算，当计算热态叶型Rn和理论热态叶型R偏差绝对值|R-Rn|小于要求偏差ε时，则完成冷热态转换，冷态叶型即为Ln。
上述转换方法主要针对迭代过程中，叶型各造型截面控制点变形计算量大的问题，综合考虑考气动载荷、温度载荷和离心载荷，通过计算各造型截面中弧线的变形，线性插值得到各造型截面控制点的变形。由于叶片本身较薄，通过中弧线的变形插值得到的造型截面控制点的变形代替各控制点实际的变形，误差很小，既保证了转换精度，同时又能解决变形输出点计算量大的问题。

Claims (5)

1.一种离心叶轮和涡轮叶片叶型冷热态快速转换方法，其特征在于，包括：
步骤S1：通过气动设计得到热态叶型R，确定热态叶型R各造型截面中弧线和控制点；
步骤S2：对热态叶型R中的各叶片进行划分有限元网格，获取造型截面的数量、各造型截面中弧线节点的数量和热态叶型R各造型截面控制点的坐标；
步骤S3：导入CFD仿真的压力场和温度场结果，仿真得到热态叶型R中各造型截面中弧线的变形；
步骤S4：导出各造型截面中弧线节点变形前的坐标，以及各节点坐标的变化量，通过各中弧线变形前的坐标和中弧线各节点坐标的变化量，在离心叶轮或涡轮轴向对各造型截面控制点变形进行线性插值，得到各造型截面控制点坐标的变化量；将步骤S2中热态叶型R各个控制点的坐标减去进行线性插值后各造型截面控制点坐标的变化量得到初次转换的冷态叶型L1的坐标；
步骤S5：对步骤S4中的冷态叶型L1进行有限元仿真和线性插值，得到冷态叶型L1各造型截面控制点坐标的变化量，通过冷态叶型L1各造型截面控制点坐标的变化量加上冷态叶型L1的坐标，将初次的冷态叶型L1转换为计算热态叶型R1；
步骤S6：计算步骤S5中的计算热态叶型R1与步骤S1中的热态叶型R之间的偏差绝对值，判断偏差绝对值是否小于要求偏差，若是，则完成叶型冷热态转换，冷态叶型为L1，否则进入步骤S7；
步骤S7：用步骤S2中热态叶型R各个控制点的坐标减去步骤S5中冷态叶型L1各造型截面控制点坐标的变化量得到冷态叶型L2，通过对冷态叶型L2进行有限元仿真和线性插值实现将冷态叶型L2转换为计算热态叶型R2，计算热态叶型R2和热态叶型R之间的偏差绝对值，判断偏差绝对值是否小于要求偏差，若是，完成叶型冷热态转换，冷态叶型为L2；否则，热态叶型R各个控制点的坐标减去冷态叶型L2各造型截面控制点坐标的变化量得到冷态叶型L3，并对冷态叶型L3进行有限元仿真和线性插值实现将冷态叶型L3转换为计算热态叶型R3，计算热态叶型R和计算热态叶型R3之间的偏差绝对值，迭代计算，直至计算热态叶型Rn与热态叶型R之间的偏差绝对值小于要求偏差，完成叶型冷热态转换，冷态叶型为Ln。
2.根据权利要求1所述的离心叶轮和涡轮叶片叶型冷热态快速转换方法，其特征在于，在步骤S1中，若热态叶型R各造型截面中无中弧线，则选择造型截面上构造与中弧线相近的曲线。
3.根据权利要求2所述的离心叶轮和涡轮叶片叶型冷热态快速转换方法，其特征在于，在步骤S2中，热态叶型R的造型截面数量为m，造型截面中弧线上节点的数量为k，各造型截面控制点的数量为n，热态叶型R的各控制点的坐标为Rmn(xmn,ymn,zmn)。
4.根据权利要求2所述的离心叶轮和涡轮叶片叶型冷热态快速转换方法，其特征在于，在步骤S3中，热态叶型R各造型截面中弧线的变形量为D；
在步骤S4中，各造型截面中弧线节点坐标的变化量为Dmk(xmk,ymk,zmk)，
各造型截面控制点变形进行线性插值后，各造型截面控制点坐标的变化量为Δmn(xmn,ymn,zmn)，初次转换的冷态叶型L1的坐标为L1mn(xmn,ymn,zmn)，其计算公式为：
L1mn＝Rmn-Δmn
式中，m为热态叶型R的造型截面的数量，n为各造型截面控制点的数量。
5.根据权利要求2所述的离心叶轮和涡轮叶片叶型冷热态快速转换方法，其特征在于，在步骤S5中，初次的冷态叶型L1转换为计算热态叶型R1的计算公式为：
R1mn＝L1mn+ΔL1mn
式中，R1mn为计算热态叶型R1的各控制点的坐标；ΔL1mn为冷态叶型L1进行有限元仿真和线性插值后各造型截面控制点坐标变化量。
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GR01 Patent grant
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