CN116522491A - 一种轴对称型减阻罩及其型线参数化造型方法 - Google Patents

一种轴对称型减阻罩及其型线参数化造型方法 Download PDF

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Abstract

本申请一种轴对称型减阻罩及其型线参数化造型方法，方法包括：减阻罩型线的前/尾缘配置为圆弧形，前/尾缘圆弧形的圆心连线为对称轴；根据减阻罩轴向限制长度确定对称轴线端点，将对称轴线向两侧对称偏置预定距离构造减阻罩最大宽度线，结合最大宽度轴向相对位置确定减阻罩型线控制点；给定前/尾缘小圆半径，确定前/尾缘小圆的圆心位置；减阻罩前/尾缘小圆与对称轴线分别具有两个交点，构建前/尾缘型线切点位置系数，通过控制前/尾缘圆弧形长度得到圆弧形切点，自切点做切线交最大宽度线于前后交点；通过切点、前后交点及型线控制点绘制减阻罩前后段型线，由前尾缘圆弧段和前、后段型线共同组成减阻罩单侧型线，对称后得到减阻罩完整型线。

Description

一种轴对称型减阻罩及其型线参数化造型方法
技术领域
本申请属于航空发动机结构设计技术领域，特别涉及一种轴对称型减阻罩及其型线参数化造型方法。
背景技术
如图1和图2所示，现代航空发动机和燃气轮机多采用承力框架11作为主要承力结构，其部分结构暴露在发动机主燃气流路中，为了避免承力框架11长期接触高温燃气发生热失效，并减小燃气流经承力框架11的流动损失，通常在燃气流路中设置减阻罩12来包覆承力框架11暴露在燃气中的结构部分。除此之外，减阻罩12的内部空间还可以起到引冷却气冷却承力框架11，包容其它需穿越主流道的油、气管路等功能。
为保证承力需求，承力框架11往往结构尺寸较大，在减阻罩12外型设计时需要主动适应承力框架及相关管路的包容要求。转换为减阻罩外型面的设计要求就是需要指定减阻罩型面的最大宽度及型面最大宽度所处的相对位置。同时减阻罩的外型需采用类似翼型的形状，抑制气流流动损失，减小对后端部件的影响。如图3所示，减阻罩外形设计时需将流道高度分成若干个径向造型截面122，在各个径向造型截面122内进行减阻罩外型面121的型线造型设计得到减阻罩截面型线123，将各截面型线123积叠即可形成三维的减阻罩外型面121，因此减阻罩外型面设计本质是对每个径向造型截面上型线的设计。各造型截面上的型线均能包容对应位置框架轮廓，则积叠形成的减阻罩可满足对框架的包容要求，这就需要在根据对应造型截面上框架的轮廓特点指定型线的最大宽度和最大宽度所在位置。现有技术的减阻罩型线设计方法中往往以型线造型的其他参数作为设计输入，而将型线最大宽度和最大宽度的轴向位置作为设计输出，往往设计出的型线最大宽度和最大宽度相对位置与指定值不符，或从气动性能角度进行调整时会引起最大宽度和最大宽度相对位置发生变化，从而无法包容框架轮廓，需要调整设计输入参数重新造型，反复试凑设计直至型线的最大宽度和最大宽度位置与指定值相同，才能满足对承力框架的包容要求，设计过程较为繁琐，效率低下。
发明内容
本申请的目的是提供了一种轴对称型减阻罩及其型线参数化造型方法，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。
一方面，本申请的技术方案是：一种轴对称型减阻罩型线参数化造型方法，包括：
减阻罩型线的前缘和尾缘配置为圆弧形，前缘圆弧和尾缘圆弧形所在圆为前缘小圆和尾缘小圆，两小圆圆心连线为轴对称型减阻罩的对称轴线；
根据减阻罩轴向限制长度确定对称轴线的端点，将对称轴线向两侧对称偏移预定距离构造减阻罩最大宽度线，结合最大宽度轴向相对位置确定最大宽度线上的减阻罩型线控制点；
给定前缘小圆和尾缘小圆半径，构建前缘小圆和尾缘小圆半径与其圆心位置的关系式，确定前缘小圆和尾缘小圆的圆心位置；
减阻罩前缘小圆与对称轴线相交于两点，尾缘小圆与对称轴线相交于两点，构建前缘型线切点位置系数和尾缘型线切点位置系数，以及前缘型线切点位置系数与前缘小圆两交点的关系式和尾缘型线切点位置系数与尾缘小圆两交点的关系式，通过所述前缘型线切点位置系数和尾缘型线切点位置系数控制减阻罩一侧的前缘圆弧长度和尾缘圆弧长度得到圆弧切点，自前缘圆弧和尾缘圆弧上的切点做切线交最大宽度线于前、后两交点；
通过控制前缘圆弧上的切点、最大宽度线上的前交点及最大宽度线上的型线控制点绘制减阻罩前段型线，通过控制尾缘圆弧上的切点、最大宽度线上的后交点及最大宽度线上的型线控制点绘制减阻罩后段型线，前、后段型线与前、尾缘圆弧形组成减阻罩单侧型线，将减阻罩单侧型线以圆心连线对称得到减阻罩型线，完成减阻罩一个基截面型线造型。
进一步的，减阻罩的来流角度与所述圆心连线形成圆心连线角，所述圆心连线角角度使圆心连线尽可能贴合减阻罩来流方向以减小流动损失。
进一步的，所述预定距离为Cmax为减阻罩型面最大宽度。
进一步的，所述前缘小圆和尾缘小圆的半径与其圆心位置的关系式为：
HA＝RLE，VA＝RLE·tanα，HB＝RTE，VB＝RTE·tanα
HA为前缘小圆圆心与对称轴线前端点在发动机轴线方向上的距离；
HB为尾缘小圆圆心与对称轴线后端点在发动机轴线方向上的距离；
VA为前缘小圆圆心与对称轴线前端点在垂直于发动机轴线方向上的距离；
VB为尾缘小圆圆心与尾缘端点在垂直于发动机轴线方向上的距离；
RLE为前缘小圆半径；
RTE为尾缘小圆半径；
α为圆心连线角。
进一步的，前缘型线切点位置系数和尾缘型线切点位置系数的取值范围为(0,0.25)。
进一步的，所述前缘型线切点位置系数与前缘小圆上两交点的关系式为：
所述尾缘型线切点位置系数与尾缘小圆上两交点的关系式为：
式中，δLE为前缘型线切点位置系数；
δTE为尾缘型线切点位置系数；
A’和C为前缘小圆与对称轴线的交点；
B’和D为尾缘小圆与对称轴线的交点；
P1为前缘圆弧形上的切点；
P3为尾缘圆弧形上的切点。
进一步的，绘出减阻罩前段型线和减阻罩后段型线时，采用二次贝塞尔曲线进行绘制。
另一方面，本申请提供的技术方案是：一种轴对称型减阻罩，所述轴对称型减阻罩按照如上任一所述的轴对称型减阻罩型线参数化造型方法进行绘制。
本申请提供的轴对称型减阻罩造型方法以减阻罩型线的最大宽度及其轴向位置为控制参数，在对型线进行气动调整时可以保证最大宽度和最大宽度所在位置不变，更能满足对其内部框架机体和油气管路的包容性要求，选取的输入参数可以直接反映减阻罩型线的几何特征，造型方法简便，便于设计人员进行快速方案设计。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为隔热减阻罩剖视图。
图2为基于图1的隔热减阻罩A-A剖视图。
图3为减阻罩型线积叠示意图。
图4为本申请的轴对称型减阻罩型线参数化造型方法流程图。
图5为本申请中减阻罩型线对称轴线示意图。
图6为本申请中减阻罩型线前缘、尾缘小圆圆心定位尺寸示意图。
图7为本申请中减阻罩型线前缘、尾缘型线切点位置系数示意图。
图8为本申请中减阻罩单侧型线示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
针对现有技术中的减阻罩设计过程繁琐、设计效率低等问题，本申请提出一种轴对称型减阻罩型线参数化造型方法，该方法通过将减阻罩的最大宽度及其所在位置作为输入参数来完成减阻罩基截面型线设计，之后通过三维积叠生成减阻罩型面来满足减阻罩的包容功能要求，并且在对减阻罩进行气动调整时保证其最大宽度和最大宽度位置不发生变化，避免因型面最大宽度不足难以包容减阻罩内部管路和承力框架而反复进行试凑设计的问题。
如图4所示，本申请提供的轴对称型减阻罩型线参数化造型方法中包括如下步骤：
步骤S1、减阻罩型线采用圆弧形前、尾缘设计，减阻罩型线以前、尾缘小圆圆心连线为对称轴呈对称分布，确定对称轴一侧型线即可完成造型。
减阻罩型线造型时，首先根据减阻罩的来流角度选取合适的两小圆圆心连线角α，确定型线的对称轴线方向。其中，圆心连线角α的选取原则是使对称轴线尽可能贴合减阻罩来流方向以减小流动损失，避免气流在前缘处发生流动分离。
步骤S2、根据减阻罩轴向限制长度L，确定对称轴线两端端点A、B；将对称轴线向两侧对称偏置一定距离构造减阻罩最大宽度线，单侧偏置距离为Cmax为减阻罩型面最大宽度，结合最大宽度轴向相对位置X，确定最大宽度线上的减阻罩型线控制点P2，如图5所示。
步骤S3、给定前、尾缘小圆半径RLE、RTE，构建前、尾缘小圆半径RLE、RTE与其圆心位置的关系式，即可确定前、尾缘小圆的圆心位置，如图6所示，图中所示圆心定位尺寸计算方法：
HA＝RLE，VA＝RLE·tanα，HB＝RTE，VB＝RTE·tanα。
步骤S4、减阻罩前缘小圆与对称轴线AB相交于A’、C点(前侧为A’，后侧为C)，尾缘小圆与对称轴线AB相交于B’、D点(后侧为B’，前侧为D)，构建前、尾缘型线切点位置系数δLE、δTE，初始时前、尾缘切点位置系数任意选取，两位置系数的取值范围均为(0,0.25)，位置系数的物理意义计算公式如下：
通过前、尾缘位置系数可确定控制切点P1、P3在前后小圆上所处的位置，位置系数将对前、尾缘圆弧段长短和前、后段型线产生影响，过点P1、P3做前后小圆的切线交最大宽度线于P0、P0’点，如图7。
步骤S5、通过曲线控制点P1、P0、P2即可确定二次贝塞尔曲线，该二次贝塞尔曲线即可作为减阻罩前段型线，同理通过P3、P0’、P2可确定二次贝塞尔曲线，该二次贝塞尔曲作为后段型线。
如图8所示，前、尾缘圆弧段和前、后段型线共同组成减阻罩单侧型线，曲线A’P1P2P3B’即为减阻罩单侧型线，减阻罩另一侧型线以AB为轴对称得到，完成减阻罩一个基截面型线造型。
以上中的参数：
L为减阻罩型线轴向长度；
X为型线最大宽度处的轴向相对位置；
HA为前缘小圆圆心与对称轴线前端点在发动机轴线方向上的距离；
HB为尾缘小圆圆心与对称轴线后端点在发动机轴线方向上的距离；
VA为前缘小圆圆心与对称轴线前端点在垂直发动机轴线方向上的距离；
VB为尾缘小圆圆心与对称轴线后端点在垂直发动机轴线方向上的距离；
α为两小圆圆心连线角；
Cmax为减阻罩型面最大宽度；
RLE为前缘小圆半径；
RTE为尾缘小圆半径；
δLE为前缘型线切点位置系数；
δTE为尾缘型线切点位置系数。
通过上述过程，可得到一轴对称型减阻罩。
本申请提供的轴对称型减阻罩造型方法以减阻罩型线的最大宽度及其轴向位置为直接控制参数，在对型线进行气动调整时可以保证最大宽度和最大宽度所在位置不变，更能满足对其内部框架机体和油气管路的包容性要求，选取的输入参数可以直接反映减阻罩型线的几何特征，造型方法简便，便于设计人员进行快速方案设计。
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所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种轴对称型减阻罩型线参数化造型方法，其特征在于，包括：
减阻罩型线的前缘和尾缘配置为圆弧形，前缘圆弧和尾缘圆弧形所在圆为前缘小圆和尾缘小圆，两小圆圆心连线为轴对称型减阻罩的对称轴线；
根据减阻罩轴向限制长度确定对称轴线的端点，将对称轴线向两侧对称偏移预定距离构造减阻罩最大宽度线，结合最大宽度轴向相对位置确定最大宽度线上的减阻罩型线控制点；
给定前缘小圆和尾缘小圆半径，构建前缘小圆和尾缘小圆半径与其圆心位置的关系式，确定前缘小圆和尾缘小圆的圆心位置；
减阻罩前缘小圆与对称轴线相交于两点，尾缘小圆与对称轴线相交于两点，构建前缘型线切点位置系数和尾缘型线切点位置系数，以及前缘型线切点位置系数与前缘小圆两交点的关系式和尾缘型线切点位置系数与尾缘小圆两交点的关系式，通过所述前缘型线切点位置系数和尾缘型线切点位置系数控制减阻罩一侧的前缘圆弧长度和尾缘圆弧长度得到圆弧切点，自前缘圆弧和尾缘圆弧上的切点做切线交最大宽度线于前、后两交点；
通过控制前缘圆弧上的切点、最大宽度线上的前交点及最大宽度线上的型线控制点绘制减阻罩前段型线，通过控制尾缘圆弧上的切点、最大宽度线上的后交点及最大宽度线上的型线控制点绘制减阻罩后段型线，前、后段型线与前、尾缘圆弧形组成减阻罩单侧型线，将减阻罩单侧型线以圆心连线对称得到减阻罩型线，完成减阻罩一个基截面型线造型。
2.如权利要求1所述的轴对称型减阻罩型线参数化造型方法，其特征在于，减阻罩的来流角度与所述圆心连线形成圆心连线角，所述圆心连线角角度使圆心连线尽可能贴合减阻罩来流方向以减小流动损失。
3.如权利要求2所述的轴对称型减阻罩型线参数化造型方法，其特征在于，所述预定距离为Cmax为减阻罩型面最大宽度。
4.如权利要求3所述的轴对称型减阻罩型线参数化造型方法，其特征在于，所述前缘小圆和尾缘小圆的半径与其圆心位置的关系式为：
HA＝RLE，VA＝RLE·tanα，HB＝RTE，VB＝RTE·tanα
HA为前缘小圆圆心与对称轴线前端点在发动机轴线方向上的距离；
HB为尾缘小圆圆心与对称轴线后端点在发动机轴线方向上的距离；
VA为前缘小圆圆心与对称轴线前端点在垂直于发动机轴线方向上的距离；
VB为尾缘小圆圆心与尾缘端点在垂直于发动机轴线方向上的距离；
RLE为前缘小圆半径；
RTE为尾缘小圆半径；
α为圆心连线角。
5.如权利要求4所述的轴对称型减阻罩型线参数化造型方法，其特征在于，前缘型线切点位置系数和尾缘型线切点位置系数的取值范围为(0,0.25)。
6.如权利要求5所述的轴对称型减阻罩型线参数化造型方法，其特征在于，所述前缘型线切点位置系数与前缘小圆上两交点的关系式为：
所述尾缘型线切点位置系数与尾缘小圆上两交点的关系式为：
式中，δLE为前缘型线切点位置系数；
δTE为尾缘型线切点位置系数；
A’和C为前缘小圆与对称轴线的交点；
B’和D为尾缘小圆与对称轴线的交点；
P1为前缘圆弧形上的切点；
P3为尾缘圆弧形上的切点。
7.如权利要求6所述的轴对称型减阻罩型线参数化造型方法，其特征在于，绘出减阻罩前段型线和减阻罩后段型线时，采用二次贝塞尔曲线进行绘制。
8.一种轴对称型减阻罩，其特征在于，所述轴对称型减阻罩按照如权利要求1至7任一所述的轴对称型减阻罩型线参数化造型方法进行绘制。
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