CN116186945B - 一种叶片造型可变厚度分布曲线的实现方法 - Google Patents

一种叶片造型可变厚度分布曲线的实现方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种叶片造型可变厚度分布曲线的实现方法，属于燃气涡轮类发动机的风扇或压气机设计的技术领域，具体包括如下步骤：将叶片划分为前缘段、尾缘段以及前缘段和尾缘段之间的主体段；前缘段的厚度分布采用圆弧曲线控制形成前缘段的厚度分布曲线；尾缘段的厚度分布采用圆弧曲线控制形成尾缘段的厚度分布曲线；以叶片最大厚度的位置为分界点，将主体段沿叶片弦长方向分为前段和后段，前段的厚度分布采用圆弧曲线控制形成前段的厚度分布曲线，后段的厚度分布采用圆弧曲线和三次曲线共同控制形成后段的厚度分布曲线。通过本申请的方案，后段可变厚度分布曲线可以使叶型设计中的气动性能和强度性能达到更好的平衡。

Description

一种叶片造型可变厚度分布曲线的实现方法
技术领域
本申请涉及燃气涡轮类发动机的风扇或压气机设计的领域，尤其是涉及一种叶片造型可变厚度分布曲线的实现方法。
背景技术
叶片裂纹是航空发动机风扇/压气机常见的故障模式，已经成为制约航空发动机结构可靠性的重要因素，为加强风扇/压气机叶片的强度储备，在叶片造型中增大叶片的厚度成为重要的手段，但叶片厚度对于叶片气动性能影响不可忽略，怎样平衡叶片的气动性能和强度性能一直是摆在风扇/压气机叶片设计者面前的重要课题。
在航空发动机风扇/压气机叶型设计过程中，叶型厚度分布的规律决定了叶片气动载荷的分布规律，对叶片的气动性能有着重要影响；而在叶片强度分析中，叶型厚度是影响叶片静强度和动强度的重要因素。
叶片造型时，首先做出叶型的中弧线，然后在中弧线基础上，叠加厚度分布，可形成叶片的基元型面，厚度分布可选用不同类型的曲线控制，常用的厚度分布曲线有圆弧曲线和三次曲线，除前缘和尾缘外，叶片主体部分的厚度分布通常分为前后两段，前段厚度分布一般采用圆弧曲线控制，后段的厚度分布通常采用圆弧曲线或者三次曲线控制，目前厚度分布存在的问题是：（1）当后段采用三次曲线时，叶型厚度收缩快，厚度偏小，导致叶片的强度低；（2）当后段采用圆弧曲线时，叶型厚度较大，叶型气动性能较差。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种叶片造型可变厚度分布曲线的实现方法，解决了现有技术中的问题，使叶片后段的厚度分布可以根据使用工况在一定范围内调节，根据叶片的强度需求和气动性需求调节叶型的厚度分布，对于风扇压气机叶片的工程应用具有较好的适用性。
本申请提供的一种叶片造型可变厚度分布曲线的实现方法采用如下的技术方案：
一种叶片造型可变厚度分布曲线的实现方法，包括如下步骤：
将叶片划分为前缘段、尾缘段以及前缘段和尾缘段之间的主体段；
前缘段的厚度分布采用圆弧曲线控制形成前缘段的厚度分布曲线；
尾缘段的厚度分布采用圆弧曲线控制形成尾缘段的厚度分布曲线；
以叶片最大厚度的位置为分界点，将主体段沿叶片弦长方向分为靠近前缘段的前段和靠近尾缘段的后段，前段的厚度分布采用圆弧曲线控制形成前段的厚度分布曲线，后段的厚度分布采用圆弧曲线和三次曲线共同控制形成后段的厚度分布曲线。
可选的，建立叶片厚度分布曲线的直角坐标系，以叶片叶型的中弧线的起点作为原点，以中弧线的弦长方向作为轴，以叶片的厚度作为/>轴，沿/>轴从前到后分别做出前缘段、前段、后段和尾缘段的厚度分布曲线。
可选的，后段的厚度分布采用圆弧曲线和三次曲线共同控制形成后段的厚度分布曲线的步骤具体包括：
做出圆弧曲线控制的后段的厚度，形成后段的圆弧曲线；
做出三次曲线控制的后段的厚度，形成后段的三次曲线；
设置一个厚度系数，其中，/>，最终的后段厚度/>，当/>时，后段的厚度分布曲线为后段的三次曲线，当/>时，后段的厚度分布曲线为后段的圆弧曲线，当/>时，后段的厚度分布曲线介于后段的三次曲线和后段的圆弧曲线之间。
可选的，前段的厚度分布采用圆弧曲线控制形成前段的厚度分布曲线的步骤包括：
前段的圆弧曲线满足如下公式：
；
其中，为叶片最大厚度位置和前缘点在中弧线的弦长方向的距离，/>为叶片最大厚度，/>为叶片的前缘半径，/>为前段的圆弧曲线的半径，/>为前段的圆弧曲线的圆心的横坐标，/>为前段的圆弧曲线的圆心的纵坐标；
联立解得前段的圆弧曲线的半径与前段的圆弧曲线的圆心坐标（/>，/>）：
；
前段的圆弧曲线的起点坐标为（，/>），前段的圆弧曲线的终点坐标为（/>，/>），可知：
；
；
；
；
前段的厚度分布曲线为：，/>＜/>＜/>，其中，/>为前段的厚度，/>为叶片厚度分布曲线的横坐标。
可选的，做出圆弧曲线控制的后段的厚度的步骤包括：
后段的圆弧曲线满足以下公式：
，其中，/>为叶片的弦长，/>为叶片最大厚度位置和前缘点在中弧线的弦长方向的距离，/>为叶片最大厚度/>为叶片的尾缘半径，/>为后段的圆弧曲线的半径，/>为后段的圆弧曲线的圆心的横坐标，/>为后段的圆弧曲线的圆心的纵坐标;
联立解得后端的圆弧曲线的圆的半径与后端的圆弧曲线的圆心坐标（/>，/>）：
；后段的圆弧曲线的起点坐标为（/>，/>），后段的圆弧曲线终点坐标为（/>，/>），可知：
;
;
;
;
圆弧曲线控制的后段的厚度分布曲线为：,/>＜/>＜，其中，/>为圆弧曲线控制下后段的厚度，/>为叶片厚度分布曲线的横坐标。
可选的，做出三次曲线控制的后段的厚度的步骤包括：
三次曲线满足以下公式：，其中，/>为三次常数，/>为二次常数，/>为一次常数，/>为零次常数，/>为叶片厚度分布曲线的横坐标，/>为三次曲线的纵坐标，后段的三次曲线的起点坐标和后段的圆弧曲线的起点坐标相同为（/>，/>），后段的三次曲线的终点坐标和后段的圆弧曲线的终点坐标相同为（/>，/>）;
其中，;
其中,为前段厚度分布曲线的终点的曲线斜率，/>为尾缘段厚度分布曲线起点的曲线斜率，/>，/>，其中，/>为叶片的弦长，/>为叶片的尾缘半径;
三次曲线控制的后段的厚度分布曲线为：，其中，/>＜/>＜/>，其中，/>为三次曲线控制下后段的厚度，/>为叶片厚度分布曲线的横坐标。
可选的，将前缘段的厚度分布曲线、前段的厚度分布曲线、后段的厚度分布曲线和尾缘段的厚度分布曲线组成一个完整的叶型厚度大小可变的分布曲线，前缘段的厚度分布曲线、前段的厚度分布曲线、后段的厚度分布曲线和尾缘段的厚度分布曲线之间光滑过渡。
综上所述，本申请包括以下有益技术效果：
将圆弧曲线和三次曲线进行结合对后段的厚度分布进行控制，实现了叶型后段的厚度分布大小可调，后段可变厚度分布曲线可以使风扇/压气机叶型设计中的气动性能和强度性能达到更好的平衡，具有很强的工程实用性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本申请叶片造型可变厚度分布曲线的实现方法的流程示意图；
图2为本申请叶片厚度分布曲线的示意图。
附图标记说明：1、前缘段的厚度分布曲线；2、尾缘段的厚度分布曲线；3、前段的厚度分布曲线；4、后段的圆弧曲线；5、后段的三次曲线；6、后段的厚度分布曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。
要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
本申请实施例提供一种叶片造型可变厚度分布曲线的实现方法。
如图1和图2所示，一种叶片造型可变厚度分布曲线的实现方法，包括如下步骤：
将叶片划分为前缘段、尾缘段以及前缘段和尾缘段之间的主体段；
前缘段的厚度分布采用圆弧曲线控制形成前缘段的厚度分布曲线1；
尾缘段的厚度分布采用圆弧曲线控制形成尾缘段的厚度分布曲线2；
以叶片最大厚度的位置为分界点，将主体段沿叶片弦长方向分为靠近前缘段的前段和靠近尾缘段的后段，前段的厚度分布采用圆弧曲线控制形成前段的厚度分布曲线3，后段的厚度分布采用圆弧曲线和三次曲线共同控制形成后段的厚度分布曲线6。
后段的厚度分布采用圆弧曲线和三次曲线共同控制形成后段的厚度分布曲线6的步骤具体包括：
做出圆弧曲线控制的后段的厚度，形成后段的圆弧曲线4。
做出三次曲线控制的后段的厚度，形成后段的三次曲线5。
设置一个厚度系数，其中，/>，最终的后段厚度，当/>时，后段的厚度分布曲线为后段的三次曲线5，当/>时，后段的厚度分布曲线为后段的圆弧曲线4，当/>时，后段的厚度分布曲线6介于后段的三次曲线5和后段的圆弧曲线4之间。
在一个实施例中，建立叶片厚度分布曲线的直角坐标系，以叶片叶型的中弧线的起点作为原点，以中弧线的弦长方向作为轴，以叶片的厚度作为/>轴，沿/>轴从前到后分别做出前缘段、前段、后段和尾缘段的厚度分布曲线。
前段的厚度分布采用圆弧曲线控制形成前段的厚度分布曲线的步骤包括：
前段的圆弧曲线满足如下公式：
。
其中，为叶片最大厚度位置和前缘点在中弧线的弦长方向的距离，/>为叶片最大厚度，/>为叶片的前缘半径，/>为前段的圆弧曲线的半径，/>为前段的圆弧曲线的圆心的横坐标，/>为前段的圆弧曲线的圆心的纵坐标。
联立解得前段的圆弧曲线的半径与前段的圆弧曲线的圆心坐标（/>，/>）：
。
前段的圆弧曲线的起点坐标为（，/>），前段的圆弧曲线的终点坐标为（/>，/>），可知：
;
;
;
;
前段的厚度分布曲线3为：，/>＜/>＜/>，其中，为前段的厚度，/>为叶片厚度分布曲线的横坐标。
做出圆弧曲线控制的后段的厚度的步骤包括：
后段的圆弧曲线满足以下公式：
，其中，/>为叶片的弦长，/>为叶片最大厚度位置和前缘点在中弧线的弦长方向的距离，/>为叶片最大厚度/>为叶片的尾缘半径，为后段的圆弧曲线的半径，/>为后段的圆弧曲线的圆心的横坐标，/>为后段的圆弧曲线的圆心的纵坐标。
联立解得后端的圆弧曲线的圆的半径与后端的圆弧曲线的圆心坐标（/>，/>）：
。
后段的圆弧曲线的起点坐标为（，/>），后段的圆弧曲线终点坐标为（/>，/>），可知：
;
;
;
;
圆弧曲线控制的后段的厚度分布曲线为：,/>＜/>＜/>，其中，/>为圆弧曲线控制下后段的厚度，/>为叶片厚度分布曲线的横坐标。
做出三次曲线控制的后段的厚度的步骤包括：
三次曲线满足以下公式：，其中，/>为三次常数，/>为二次常数，/>为一次常数，/>为零次常数，/>为叶片厚度分布曲线的横坐标，/>为三次曲线的纵坐标，后段的三次曲线的起点坐标和后段的圆弧曲线的起点坐标相同为（/>，/>），后段的三次曲线的终点坐标和后段的圆弧曲线的终点坐标相同为（/>，/>）。
其中，。
其中,为前段厚度分布曲线的终点的曲线斜率，/>为尾缘段厚度分布曲线起点的曲线斜率，/>，/>，其中，/>为叶片的弦长，/>为叶片的尾缘半径。
三次曲线控制的后段的厚度分布曲线为：，＜/>＜/>，其中，/>为三次曲线控制下后段的厚度。
设置一个厚度系数，/>，最终的后段厚度分布，当/>时，后段的厚度分布曲线为后段的三次曲线5，当/>时，后段的厚度分布曲线为后段的圆弧曲线4，当/>时，后段的厚度分布曲线6介于后段的三次曲线5和后段的圆弧曲线4之间。
将前缘段的厚度分布曲线1、前段的厚度分布曲线3、后段的厚度分布曲线6和尾缘段的厚度分布曲线2组成一个完整的叶型厚度大小可变的分布曲线，前缘段的厚度分布曲线1、前段的厚度分布曲线3、后段的厚度分布曲线6和尾缘段的厚度分布曲线2之间光滑过渡无突变。
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权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种叶片造型可变厚度分布曲线的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
将叶片划分为前缘段、尾缘段以及前缘段和尾缘段之间的主体段；
前缘段的厚度分布采用圆弧曲线控制形成前缘段的厚度分布曲线；
尾缘段的厚度分布采用圆弧曲线控制形成尾缘段的厚度分布曲线；
以叶片最大厚度的位置为分界点，将主体段沿叶片弦长方向分为靠近前缘段的前段和靠近尾缘段的后段，前段的厚度分布采用圆弧曲线控制形成前段的厚度分布曲线，后段的厚度分布采用圆弧曲线和三次曲线共同控制形成后段的厚度分布曲线；
建立叶片厚度分布曲线的直角坐标系，以叶片叶型的中弧线的起点作为原点，以中弧线的弦长方向作为轴，以叶片的厚度作为/>轴，沿/>轴从前到后分别做出前缘段、前段、后段和尾缘段的厚度分布曲线；
后段的厚度分布采用圆弧曲线和三次曲线共同控制形成后段的厚度分布曲线的步骤具体包括：
做出圆弧曲线控制的后段的厚度，形成后段的圆弧曲线；
做出三次曲线控制的后段的厚度，形成后段的三次曲线；
设置一个厚度系数，其中，/>，最终的后段厚度/>，当时，后段的厚度分布曲线为后段的三次曲线，当/>时，后段的厚度分布曲线为后段的圆弧曲线，当/>时，后段的厚度分布曲线介于后段的三次曲线和后段的圆弧曲线之间。
2.根据权利要求1所述的叶片造型可变厚度分布曲线的实现方法，其特征在于，前段的厚度分布采用圆弧曲线控制形成前段的厚度分布曲线的步骤包括：
前段的圆弧曲线满足如下公式：
；
其中，为叶片最大厚度位置和前缘点在中弧线的弦长方向的距离，/>为叶片最大厚度，/>为叶片的前缘半径，/>为前段的圆弧曲线的半径，/>为前段的圆弧曲线的圆心的横坐标，/>为前段的圆弧曲线的圆心的纵坐标；
联立解得前段的圆弧曲线的半径与前段的圆弧曲线的圆心坐标（/>，/>）：
；
前段的圆弧曲线的起点坐标为（，/>），前段的圆弧曲线的终点坐标为（/>，/>），可知：
；
；
；
；
前段的厚度分布曲线为：，/>＜/>＜/>，其中，/>为前段的厚度，/>为叶片厚度分布曲线的横坐标。
3.根据权利要求2所述的叶片造型可变厚度分布曲线的实现方法，其特征在于，做出圆弧曲线控制的后段的厚度的步骤包括：
后段的圆弧曲线满足以下公式：
，其中，/>为叶片的弦长，/>为叶片最大厚度位置和前缘点在中弧线的弦长方向的距离，/>为叶片最大厚度/>为叶片的尾缘半径，/>为后段的圆弧曲线的半径，/>为后段的圆弧曲线的圆心的横坐标，/>为后段的圆弧曲线的圆心的纵坐标;
联立解得后端的圆弧曲线的圆的半径与后端的圆弧曲线的圆心坐标（/>，/>）：
；后段的圆弧曲线的起点坐标为（/>，/>），后段的圆弧曲线终点坐标为（/>，/>），可知：
;
;
;
;
圆弧曲线控制的后段的厚度分布曲线为：,/>＜/>＜/>，其中，/>为圆弧曲线控制下后段的厚度，/>为叶片厚度分布曲线的横坐标。
4.根据权利要求2所述的叶片造型可变厚度分布曲线的实现方法，其特征在于，做出三次曲线控制的后段的厚度的步骤包括：
三次曲线满足以下公式：，其中，/>为三次常数，/>为二次常数，为一次常数，/>为零次常数，/>为叶片厚度分布曲线的横坐标，/>为三次曲线的纵坐标，后段的三次曲线的起点坐标和后段的圆弧曲线的起点坐标相同为（/>，/>），后段的三次曲线的终点坐标和后段的圆弧曲线的终点坐标相同为（/>，/>）;
其中，;
其中,为前段厚度分布曲线的终点的曲线斜率，/>为尾缘段厚度分布曲线起点的曲线斜率，/>，/>，其中，/>为叶片的弦长，/>为叶片的尾缘半径;
三次曲线控制的后段的厚度分布曲线为：，其中，/>＜/>＜/>，其中，/>为三次曲线控制下后段的厚度，/>为叶片厚度分布曲线的横坐标。
5.根据权利要求1所述的叶片造型可变厚度分布曲线的实现方法，其特征在于，将前缘段的厚度分布曲线、前段的厚度分布曲线、后段的厚度分布曲线和尾缘段的厚度分布曲线组成一个完整的叶型厚度大小可变的分布曲线，前缘段的厚度分布曲线、前段的厚度分布曲线、后段的厚度分布曲线和尾缘段的厚度分布曲线之间光滑过渡。
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