CN115688291A

CN115688291A - 叶型设计方法、叶片及其加工方法、可读介质

Info

Publication number: CN115688291A
Application number: CN202110862544.9A
Authority: CN
Inventors: 俞松林; 刘天一; 黄启鹤
Original assignee: AECC Commercial Aircraft Engine Co Ltd
Current assignee: AECC Commercial Aircraft Engine Co Ltd
Priority date: 2021-07-29
Filing date: 2021-07-29
Publication date: 2023-02-03

Abstract

本发明涉及一种叶型设计方法、叶片及其加工方法、可读介质。所述设计方法包括：根据柱面叶型笛卡尔坐标被进行m＇θ坐标系的坐标变换，变换得到变换坐标值；计算所述柱面叶型的笛卡尔坐标的轴向上的多个坐标值的边界，将该多个坐标值在边界内等分构成新坐标值；计算所述新坐标值对应的半径；根据该新坐标值以及对应的半径，计算任意流面m＇θ坐标的边界；根据任意流面m＇θ坐标的边界，以及所述柱面叶型的笛卡尔坐标的轴向上的多个坐标值的边界，计算柱面与任意流面之间的缩放系数；根据所述缩放系数，计算所述任意流面叶型的m＇θ坐标值；根据所述m＇θ坐标值，计算任意流面叶型的笛卡尔坐标值。

Description

叶型设计方法、叶片及其加工方法、可读介质

技术领域

本发明涉及叶轮机械领域，尤其涉及一种叶型设计方法、叶片及其加工方法、可读介质。

背景技术

对于叶轮机械的叶片，例如燃气涡轮发动机的轴流压气机，在设计叶片时一般采用将不同截面的叶型进行积叠的方法。根据叶型造型截面的不同，可以大致分为三个阶段：早期人们采用基元叶型，即在圆柱面上设计叶型。目前通常采用在任意流面上进行造型。圆柱面造型虽然原始，但却非常重要，对于任意流面造型而言，是通过某种方式将柱面叶型“变换”到任意流面上。

目前，本领域技术人员在任意流面叶型设计时，往往分为两步：采用对圆柱面叶型的中弧线进行在任意流面上的坐标变换，首先通过变换保证变换前后叶型的中弧线的转折角的变化规律相同，然后再在任意流面上叠加厚度分布，以得到任意流面叶型。

但发明人发现，采用上述的设计方法首先需要知道柱面叶型的中弧线，而人们在设计时有可能不采用中弧线叠加厚度的方式，这时就需要再反求出中弧线；其次上述方法保证了中弧线的转折角的变化规律相同，但不能保证叶型的型线的转折角也具有相同的变化规律。

因此，本领域需要一种新的叶型设计方法，使得仅需要输入叶型的型线就能进行“变换”，同时“变换”后的叶型与原叶型具有相同的型线转折角的变化规律，从而具有高度相似的气动特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种任意流面叶型的叶型设计方法。

本发明的目的在于提供一种叶片的加工方法。

本发明的目的在于提供一种叶片。

本发明的目的在于提供一种计算机可读介质。

根据本发明一个方面的一种任意流面叶型的叶型设计方法，包括：根据柱面叶型，柱面叶型的笛卡尔坐标被进行m＇θ坐标系的坐标变换，变换得到变换坐标值，转化公式包括：

θ＝atan(y/z)

其中，x,y,z为柱面叶型在笛卡尔坐标系的轴向、周向、展向的坐标值；

计算所述柱面叶型的笛卡尔坐标的轴向上的多个坐标值的边界，将该多个坐标值在边界内等分构成新坐标值；计算所述新坐标值对应的半径；根据该新坐标值以及对应的半径，计算任意流面m＇θ坐标的边界；根据任意流面m＇θ坐标的边界，以及所述柱面叶型的笛卡尔坐标的轴向上的多个坐标值的边界，计算柱面与任意流面之间的缩放系数；根据所述缩放系数，计算所述任意流面叶型的m＇θ坐标值；根据所述m＇θ坐标值，计算任意流面叶型的笛卡尔坐标值。

在所述设计方法的一个或多个实施例中，选取柱面叶型的笛卡尔坐标系的轴向，计算所述柱面叶型的点的x坐标的最小值x_min与最大值x_max，构造新的x坐标值x2，x2_i＝x_min+(i-1)(x_max-x_min)/N，其中i＝1,……,N,N+1。

在所述设计方法的一个或多个实施例中，根据所述任意流面与子午面的交线的坐标点(x,r)以及所述x2_i，通过插值，得到所述x2_i对应的r2_i，其中i＝1,……,N,N+1。

在所述设计方法的一个或多个实施例中，根据所述r2_i以及所述x2_i，采用所述转化公式，得到所述r2_i以及所述x2_i对应的m2＇_i，其中i＝1,……,N,N+1，且m2＇₁＝0。

在所述设计方法的一个或多个实施例中，根据任意流面m＇θ坐标的边界，以及所述柱面叶型的笛卡尔坐标的轴向上的多个坐标值的边界，计算柱面与任意流面之间的缩放系数ratio＝(m2＇_N+1-m2＇₁)/(m＇_max-m＇_min)。

在所述设计方法的一个或多个实施例中，根据所述缩放系数，得到所述任意流面叶型的m＇θ坐标，记为M＇Θ坐标，第二转化公式包括：

其中，j＝1,……,n,n为所述柱面叶型的点的个数。

在所述设计方法的一个或多个实施例中，通过所述x2_i对应m2＇_i的对应关系，将该对应关系代入所述任意流面叶型的M＇Θ坐标，并通过插值，得到所述任意流面叶型的笛卡尔坐标的轴向坐标x，记为X_j,，其中，j＝1,…,n，n为所述柱面叶型的点的个数；根据所述任意流面与子午面的交线的坐标点r以及所述X_j，通过插值，得到所述任意流面叶型对应的r值，记为R_j，其中j＝1,…,n，n为所述柱面叶型的点的个数；根据所述R_j，以及所述Θ_j，得到所述任意流面叶型的笛卡尔坐标的周向坐标y，记为Y_j，以及展向坐标z，记为Z_j，其中j＝1,…,n，n为所述柱面叶型的点的个数。

在所述设计方法的一个或多个实施例中，所述插值为三次样条插值。

在所述设计方法的一个或多个实施例中，所述柱面叶型通过直接生成叶型的造型方法得到。

根据本发明一个方面的一种叶片的加工方法，所述叶片的叶型采用的任意流面叶型通过如以上任意一项所述的设计方法得到。

根据本发明一个方面的一种叶片，通过如上所述的加工方法得到。

根据本发明一个方面的一种计算机可读介质，其上有计算机程序，该程序被处理器执行实现如以上任意一项所述的设计方法。

综上，本发明的进步效果包括但不限于以下之一或者组合：

1.从气动性能上看，通过将笛卡尔坐标系转换为m＇θ坐标系，以及柱面与任意流面之间的缩放系数的计算，使得得到的任意流面叶型与柱面叶型几何具有保角变换的性质，从而具有高度相似的气动特性，叶片可以达到预期的气动性能。

2.另外，采用的柱面叶型仅需提供叶型型线，而无需柱面叶型的中弧线，使得设计方法具有更宽的适用范围。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，需要注意的是，附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制，其中：

图1是根据一实施例的叶型设计方法的流程示意图。

图2是根据一实施例的叶型设计方法的任意流面、柱面在子午面的视图。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

如图1所示的，在一个或多个实施例中，任意流面叶型的叶型设计方法包括：

S1.输入：即提供柱面叶型输入，柱面叶型可以是通过前缘、尾缘、吸力面、压力面等叶片关键位置的设计参数直接生成叶型的造型方法得到的柱面叶型的型线，也可以是通过中弧线叠加厚度得到的柱面叶型的型线。

S2.柱面叶型坐标变换：根据柱面叶型，柱面叶型的笛卡尔坐标被进行m＇θ坐标系的坐标变换，变换得到变换坐标值，转化公式包括：

θ＝atan(y/Z)

其中，x,y,z为柱面叶型在笛卡尔坐标系的轴向、周向、展向的坐标值。

S3.计算柱面叶型的笛卡尔坐标的轴向上的多个坐标值的边界；

S4.计算新的坐标值；

选取柱面叶型的笛卡尔坐标系的轴向，计算所述柱面叶型的点的x坐标的最小值x_min与最大值x_max，构造新的x坐标值x2，x2_i＝x_min+(i-1)(x_max-x_min)/N，其中i＝1,……,N,N+1。

S5.计算新的x坐标对应的半径：

根据任意流面与子午面的交线的坐标点(x,r)以及所述x2_i，通过插值，得到所述x2_i对应的r2_i，其中i＝1,……,N,N+1。

参考图2所示的，流面是由流线绕压气机轴线旋转而成的。图2中柱面与子午面的交线为交线100，任意流面与子午面的交线为交线200。

S6.计算任意流面m＇θ坐标的边界：

为了区别柱面的m＇θ坐标，任意流面的m＇θ坐标记为m2＇θ，根据所述r2_i以及所述x2_i，采用所述转化公式，得到所述r2_i以及所述x2_i对应的m2＇_i，其中i＝1,……,N,N+1，且m2＇₁＝0。

S7.计算缩放系数：

根据任意流面m2＇θ坐标的边界，以及所述柱面叶型的笛卡尔坐标的轴向上的多个坐标值的边界，计算柱面与任意流面之间的缩放系数ratio＝(m2＇N+₁-m2＇₁)/(m＇_max-m＇_min)。

S8.计算任意流面叶型的m＇θ坐标

根据所述缩放系数，得到所述任意流面叶型的m＇θ坐标，记为M＇Θ坐标，第二转化公式包括：

其中，j＝1,……,n,n为所述柱面叶型的点的个数。

S9.计算任意流面叶型的笛卡尔坐标

通过所述x2_i对应m2＇_i的对应关系，将该对应关系代入所述任意流面叶型的M＇Θ坐标，并通过插值，得到所述任意流面叶型的笛卡尔坐标的轴向坐标x，记为X_j,，其中，j＝1,…,n，n为所述柱面叶型的点的个数；

根据所述任意流面在与子午面的交线的坐标点r以及所述X_j，通过插值，得到所述任意流面叶型对应的r值，记为R_j，其中j＝1,…,n，n为所述柱面叶型的点的个数；

根据所述R_j，以及所述Θ_j，得到所述任意流面叶型的笛卡尔坐标的周向坐标y，记为Y_j，以及展向坐标z，记为Z_j，其中j＝1,…,n，n为所述柱面叶型的点的个数。得到Y_j以及Z_j的公式可以是：

S10.输出，即输出任意流面叶型的笛卡尔坐标值。

在以上介绍的“插值”步骤，发明人发现，对于任意流面叶型设计而言，优选地可以选用三次样条插值的方法进行，如此即兼顾了计算效率，也保证了计算的准确性，对于任意流面设计方法尤为适用。

以上介绍实施例的有益效果包括但不限于：

1.从气动性能上看，通过将笛卡尔坐标系转换为m＇θ坐标系，以及柱面与任意流面之间的缩放系数的计算，使得得到的任意流面叶型与柱面叶型几何具有保角变换的性质，从而具有高度相似的气动特性，叶片可以达到预期的气动性能；

2.另外，采用的柱面叶型仅需提供叶型型线，而无需柱面叶型的中弧线，使得设计方法具有更宽的适用范围。具体原理在于，以上实施例介绍的设计方法不仅适用于中弧线叠加厚度得到柱面叶型的造型方法，也适用于直接生成柱面叶型的造型方法，因为这两种造型方法都会得到柱面叶型型线，而柱面叶型型线就是以上实施例介绍的设计方法的输入；若背景技术中介绍的设计方法，对于直接生成叶型的造型方法得到的柱面叶型，就需要增加一步：反求出叶型的中弧线，这将导致步骤复杂，且反求中弧线得到的中弧线再进行现有技术的坐标变换，也无法保证得到与原叶型高度相似的气动特征的任意流面叶型。

根据本案的另一方面，在一些实施例中，本案还提供了一种计算机可读介质，例如存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行实现上述任意流面叶型的叶型设计方法的步骤。本领域技术人员可以理解到，该程序还可以被执行附加的步骤。

在一些实施例中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在专用集成电路(ASIC)中。ASIC可驻留在用户终端中。在一个或多个实施例中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。

计算机可读介质包括计算机存储介质和通讯介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

另外，本案的一些实施例还可以包括燃气涡轮发动机的压气机的叶片的加工方法，采用上述任意流面叶型的叶型设计方法得到的任意流面叶型作为加工工艺的模型，加工工艺可以包括铸造、增材制造等工艺。本案的一些实施例还可以包括通过上述加工方法加工得到的叶片。承上所述的，由于得到的任意流面叶型与柱面叶型几何具有保角变换的性质，从而具有高度相似的气动特性，叶片可以达到预期的气动性能。

综上，本发明虽然以上述实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims

1.一种任意流面叶型的叶型设计方法，其特征在于，包括：

根据柱面叶型，柱面叶型的笛卡尔坐标被进行m＇θ坐标系的坐标变换，变换得到变换坐标值，转化公式包括：

θ＝atan(y/z)

计算所述柱面叶型的笛卡尔坐标的轴向上的多个坐标值的边界，将该多个坐标值在边界内等分构成新坐标值；

计算所述新坐标值对应的半径；

根据该新坐标值以及对应的半径，计算任意流面m＇θ坐标的边界；

根据任意流面m＇θ坐标的边界，以及所述柱面叶型的笛卡尔坐标的轴向上的多个坐标值的边界，计算柱面与任意流面之间的缩放系数；

根据所述缩放系数，计算所述任意流面叶型的m＇θ坐标值；

根据所述m＇θ坐标值，计算任意流面叶型的笛卡尔坐标值。

2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，选取柱面叶型的笛卡尔坐标系的轴向，计算所述柱面叶型的点的x坐标的最小值x_min与最大值x_max，构造新的x坐标值x2，x2_i＝x_min+(i-1)(x_max-x_min)/N，其中i＝1,……,N,N+1。

3.如权利要求2所述的设计方法，其特征在于，根据所述任意流面与子午面的交线的坐标点(x,r)以及所述x2_i，通过插值，得到所述x2_i对应的r2_i，其中i＝1,……,N,N+1。

4.如权利要求3所述的设计方法，其特征在于，根据所述r2_i以及所述x2_i，采用所述转化公式，得到所述r2_i以及所述x2_i对应的m2＇_i，其中i＝1,……,N,N+1，且m2＇₁＝0。

5.如权利要求4所述的设计方法，其特征在于，根据任意流面m＇θ坐标的边界，以及所述柱面叶型的笛卡尔坐标的轴向上的多个坐标值的边界，计算柱面与任意流面之间的缩放系数ratio＝(m2＇_N+1-m2＇₁)/(m＇_max-m＇_min)。

6.如权利要求5所述的设计方法，其特征在于，根据所述缩放系数，得到所述任意流面叶型的m＇θ坐标，记为M＇Θ坐标，第二转化公式包括：

其中，j＝1,……,n,n为所述柱面叶型的点的个数。

7.如权利要求6所述的设计方法，其特征在于，

通过所述x2_i对应m2＇_i的对应关系，将该对应关系代入所述任意流面叶型的M＇Θ坐标，并通过插值，得到所述任意流面叶型的笛卡尔坐标的轴向坐标x，记为X_j，其中，j＝1,…,n，n为所述柱面叶型的点的个数；

根据所述任意流面与子午面的交线的坐标点r以及所述X_j，通过插值，得到所述任意流面叶型对应的r值，记为R_j，其中j＝1,…,n，n为所述柱面叶型的点的个数；

根据所述R_j，以及所述Θ_j，得到所述任意流面叶型的笛卡尔坐标的周向坐标y，记为Y_j，以及展向坐标z，记为Z_j，其中j＝1,…,n，n为所述柱面叶型的点的个数。

8.如权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述插值为三次样条插值。

9.如权利要求1-7任意一项所述的设计方法，其特征在于，所述柱面叶型通过直接生成叶型的造型方法得到。

10.一种可读介质，其上有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行实现如权利要求1-9任意一项所述的设计方法。

11.一种叶片的加工方法，其特征在于，所述叶片的叶型采用的任意流面叶型通过如权利要求1-9任意一项所述的设计方法得到。

12.一种叶片，其特征在于，通过如权利要求11所述的加工方法得到。