CN117874931B

CN117874931B - 一种叶片缘板楔形面参数化设计方法

Info

Publication number: CN117874931B
Application number: CN202410275449.2A
Authority: CN
Inventors: 程荣辉; 王超; 黄文周; 邵湲茗; 王磊; 黄子婴; 赵建霖
Original assignee: AECC Sichuan Gas Turbine Research Institute
Current assignee: AECC Sichuan Gas Turbine Research Institute
Priority date: 2024-03-12
Filing date: 2024-03-12
Publication date: 2024-05-17
Anticipated expiration: 2044-03-12
Also published as: CN117874931A

Abstract

本申请提供了一种叶片缘板楔形面参数化设计方法，属于航空发动机技术领域，具体包括建立三维坐标系，分析叶片缘板楔形面的几何特征，确定叶片缘板楔形面参数化设计的设计参数，θ为楔形面交点连线与X轴形成的平面与XOY平面的夹角，ω为楔形面交点连线在XOY平面的正投影线与X轴的夹角，L为楔形面交点连线在XOY平面的正投影线与坐标原点的距离；建立叶片和缘板实体；设定设计参数的初始值，根据初始值获得楔形面；利用楔形面对叶片和缘板实体进行切割，获得初始叶片缘板结构；通过调整设计参数初始值，调整初始叶片缘板结构，获得符合设计要求的叶片缘板结构。本申请提高了楔形面的设计精度和速度。

Description

一种叶片缘板楔形面参数化设计方法

技术领域

本申请涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种叶片缘板楔形面参数化设计方法。

背景技术

在航空燃气涡轮发动机中，风扇/压气机、涡轮叶片常采用分组设计。其中，涡轮叶片叶身多采用复合弯扭设计，缘板呈现空间复杂曲面特征，涡轮导向叶片示意图见图1和图2。涡轮叶片为保证其装配性，在缘板设计时采用楔形面（二面角）设计，楔形面的结构参照图10，楔形面是指缘板两侧平面，叶片缘板的楔形面是空间的立体几何问题，设计时，通常采用两种方法：

方法一：将立体几何转化为若干平面几何问题来求解，使设计过程复杂、求解参数多，无法直观的体现设计结果，无法实现快速的优化设计；

方法二：采用UG等软件实现三维设计，通过平面的空间变化实现楔形面设计，但缺少参数化的设计方法，无法实现高精度的设计。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种叶片缘板楔形面参数化设计方法，至少部分解决现有技术中叶片缘板的楔形面设计无法实现快速和高精度的设计的问题，以最少的参数实现楔形面的设计，简化设计过程，以实现目视化的快速设计和优化。

本申请实施例提供一种叶片缘板楔形面参数化设计方法，所述方法包括：

建立三维坐标系，以整环叶片圆心为原点O，以整环叶片径向竖直方向为Z轴，以整环叶片径向水平方向为Y轴，根据右手定则确定X轴；

在所述三维坐标系中分析叶片缘板楔形面的几何特征，确定叶片缘板楔形面参数化设计的设计参数，所述设计参数包括θ、ω和L，其中，设计参数θ为楔形面交点连线与X轴形成的平面与XOY平面的夹角，设计参数ω为楔形面交点连线在XOY平面的正投影线与X轴的夹角，设计参数L为楔形面交点连线在XOY平面的正投影线与坐标原点的距离；

基于所述三维坐标系建立叶片和缘板实体；

设定所述设计参数的初始值，根据所述设计参数的初始值获得楔形面；

利用所述楔形面对所述叶片和缘板实体进行切割，获得初始叶片缘板结构；

通过调整所述设计参数的初始值，调整所述初始叶片缘板结构，获得符合设计要求的叶片缘板结构。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述叶片缘板楔形面的几何特征包括：

垂直于X轴的截面与楔形面形成的交线的角平分线垂直于所述交线的交点到X轴的垂线；

多个垂直于X轴的截面与楔形面形成的交线的交点形成所述楔形面交点连线，所述楔形面交点连线经过X轴或平行于X轴。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述根据所述设计参数的初始值获得楔形面，包括：

根据设计参数θ的初始值，将XOY平面绕X轴旋转相应角度形成所述楔形面交点连线与X轴形成的平面；

在所述楔形面交点连线与X轴形成的平面上，根据设计参数ω和设计参数L的初始值，获得所述楔形面交点连线;

建立垂直于X轴的截面；

在所述垂直于X轴的截面上建立所述垂直于X轴的截面与所述楔形面形成的交线的角平分线，所述角平分线经过所述楔形面交点连线与所述垂直于X轴的截面的交点，且该角平分线垂直于所述楔形面交点连线与X轴形成的平面；

将所述角平分线向两侧各偏转180°/N角度，获得所述垂直于X轴的截面与所述楔形面形成的交线，其中，N为叶片个数；

根据所述垂直于X轴的截面与所述楔形面形成的交线，以及所述楔形面交点连线，获得所述楔形面。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述调整所述设计参数的初始值的调整方式包括：

调整设计参数θ的初始值，实现叶片内、外缘板的相对位置调节；和/或，

调整设计参数ω的初始值，实现缘板与叶型的匹配度的调节；和/或，

调整设计参数L的初始值，实现缘板与叶型左右关系的调节。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述方法还包括：

根据叶片叶身的倾斜角度设置所述设计参数θ的初始值；

根据叶片叶身的叶型截面的角度和位置设置所述设计参数ω和所述设计参数L的初始值。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，当所述叶片叶身的倾斜角度小于预设阈值时，将所述设计参数θ设置为0°。

有益效果

本申请实施例中的叶片缘板楔形面参数化设计方法，将叶片楔形面设计参数收敛为3个，简化设计过程，通过三维设计软件可实现实时快速的参数化设计及优化，提高设计效率。通过设计参数θ、ω、L即可实现楔形面交点连线a与X轴形成的平面C以及楔形面交点连线a的参数化设计，并以此开展后续的优化设计；相对现有的三维设计，该方法可实现正向设计并提高设计精度。基于参数实时优化，选取角度时，可更高精度的实现参数的调节，设计方法优化后可实现利于加工的角度参数。

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为根据本发明一实施例的涡轮导向叶片的结构示意图；

图2为根据本发明一实施例的涡轮导向叶片的另一结构示意图；

图3为根据本发明一实施例的叶片和缘板实体的示意图；

图4为根据本发明一实施例的步骤41对应的示意图；

图5为根据本发明一实施例的步骤42对应的示意图；

图6为根据本发明一实施例的步骤43对应的示意图；

图7为根据本发明一实施例的步骤44对应的示意图；

图8为根据本发明一实施例的步骤46对应的示意图；

图9为根据本发明一实施例的步骤5对应的示意图；

图10为根据本发明一实施例的涡轮导向叶片的楔形面的示意图，（a）为正视图，（b）为侧视图；

图11为根据本发明一实施例的垂直于X轴的截面示意图；

图12为根据本发明一实施例的楔形面与垂直于X轴的截面的交线示意图，（a）为楔形面A与垂直于X轴的第二截面N的交线示意图，（b）为楔形面A与垂直于X轴的第一截面M的交线示意图；

图13为根据本发明一实施例的叶片缘板楔形面的几何特征分析示意图；

图14为根据本发明一实施例的调整设计参数θ的示意图；

图15为根据本发明一实施例的调整设计参数θ的另一示意图，（a）对应θ=50°，（b）对应θ=10°；

图16为根据本发明一实施例的调整设计参数ω和L的示意图，（a）对应ω=45°、L=71，（b）对应ω=50°、L=65。

图中：1、涡轮导向叶片；2、叶片叶身；3、缘板；A、楔形面；B、垂直于X轴的截面；C、楔形面交点连线a与X轴形成的平面；L、楔形面交点连线a在XOY平面的正投影线与坐标原点的距离；M、垂直于X轴的第一截面；N、垂直于X轴的第二截面；O_N、两条交线n的交点；O_M、两条交线m的交点；0_NN₁、两条交线n的角平分线；0_MM₁、两条交线m的角平分线；O_N’、相邻叶片的楔形面交点；X_NN₂、X_N0_N与X_NO_N’的角平分线；a、楔形面交点连线；b、垂直于X轴的截面B与楔形面A形成的交线；d、交线b的角平分线；m、楔形面A与垂直于X轴的第一截面M的交线；n、楔形面A与垂直于X轴的第二截面N的交线；θ、楔形面交点连线a与X轴形成的平面与XOY平面的夹角；ω、楔形面交点连线a在XOY平面的正投影线与X轴的夹角；β、交线n之间的夹角；γ、相邻叶片的楔形面交线交点与X轴垂线的夹角。

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。

涡轮导向叶片1的结构参照图1和图2，缘板3位于叶片叶身2的两侧，缘板3为环状结构，目前叶片缘板楔形面的设计存在着设计精度低速度慢的问题。

为解决上述问题，本申请实施例提供一种叶片缘板楔形面参数化设计方法，下面参照图3至图16进行详细描述。所述方法包括：

步骤1、建立三维坐标系，以整环叶片圆心为原点O，以整环叶片径向竖直方向为Z轴，以整环叶片径向水平方向为Y轴，根据右手定则确定X轴，参照图3所示；

步骤2、在所述三维坐标系中分析叶片缘板楔形面的几何特征，确定叶片缘板楔形面参数化设计的设计参数，所述设计参数包括θ、ω和L，其中，设计参数θ为楔形面交点连线a与X轴形成的平面与XOY平面的夹角，设计参数ω为楔形面交点连线a在XOY平面的正投影线与X轴的夹角，设计参数L为楔形面交点连线a在XOY平面的正投影线与坐标原点的距离，θ、ω和L的表示形式参照图4和图5；

步骤3、基于所述三维坐标系建立叶片和缘板3实体，参照图3；

步骤4、设定所述设计参数的初始值，根据所述设计参数的初始值获得楔形面A，参照图8；

步骤5、利用所述楔形面A对所述叶片和缘板3实体进行切割，获得初始叶片缘板结构，参照图9；

步骤6、通过调整所述设计参数的初始值，获得符合设计要求的叶片缘板结构。

在一个具体的实施例中，所述叶片缘板楔形面的几何特征包括：

垂直于X轴的截面B与楔形面A形成的交线b的角平分线d垂直于所述交线b的交点到X轴的垂线；

多个垂直于X轴的截面与楔形面A形成的交线的交点形成所述楔形面交点连线a，所述楔形面交点连线a经过X轴或平行于X轴。

为了更清楚的说明，下面对叶片缘板楔形面的几何特征的分析过程进行详细说明。

参照图10至图13，由几何特征可以看出，楔形面A在任意垂直于X轴的截面剖面上，均为绕X轴的轴对称。以画法几何，得到垂直于X轴的任意两个截面（以垂直于X轴的第一截面M和垂直于X轴的第二截面N为例）和楔形面A，形成图13所示平面几何，推出楔形面A的两个特征：

特征1、垂直于X轴的截面B与楔形面A形成的交线b的角平分线d垂直于所述交线b的交点到X轴的垂线。

本实施例中，以楔形面A与垂直于X轴的第一截面M的交线m以及楔形面A与垂直于X轴的第二截面N的交线n为例进行推导说明，O_N为两条交线n的交点，O_M为两条交线m的交点，0_NN₁为两条交线n的角平分线，0_MM₁为两条交线m的角平分线，O_N’为相邻叶片的楔形面交点；X_NN₂为X_N0_N与X_NO_N’的角平分线，图中β为两条交线n的夹角，为360°/N（N为叶片数），γ为相邻叶片的楔形面交线交点与X轴垂线的夹角，为360°/N（N为叶片数）。具体的，因为X_N0_N=X_NO_N’，所以角平分线X_NN₂垂直于0_N0_N'，所以∠X_N0_NN₁=90°-γ/2+β/2，又因为γ=β=360°/N ，进而得到N₁0_N⊥0_NX_N。

特征2、多个垂直于X轴的截面与楔形面A形成的交线的交点形成所述楔形面交点连线a，所述楔形面交点连线a经过X轴或平行于X轴。

根据垂直于X轴的第一截面M和垂直于X轴的第二截面N，可知第一截面M平行于第二截面N。由平行平面定理可知，第一截面N的两条交线n分别平行于第二截面M的两条交线m，0_NN₁平行于0_MM₁。

因为0_NN₁垂直于0_NX_N、0_MM₁垂直于0_MX_M，所以0_NX_N平行于0_MX_M。

可知，0_NX_N与0_MX_M形成的平面，必经过X轴。

所以，基于楔形面的两个空间几何特征，形成叶片缘板楔形面快速参数化设计方法，将设计参数收敛为3个，简化了设计过程，通过三维设计软件可实现实时快速的参数化设计及优化，提高设计效率。通过设计参数θ、ω、L即可实现平面C、楔形面交点连线a的参数化设计，并以此开展后续的优化设计。相对现有的三维设计，该方法可实现正向设计并提高设计精度。基于参数实时优化，选取角度时，可更高精度的实现参数的调节，优化后可实现利于加工的角度参数。

在一个具体的实施例中，所述根据所述设计参数的初始值获得楔形面A，包括：

步骤41、根据设计参数θ的初始值，将XOY平面绕X轴旋转相应角度形成所述楔形面交点连线a与X轴形成的平面C，参照图4；

步骤42、在所述楔形面交点连线a与X轴形成的平面C上，根据设计参数ω和设计参数L的初始值，获得所述楔形面交点连线a，参照图5;

步骤43、建立垂直于X轴的截面B，以截面B作为缘板楔形面的典型截面，开展楔形面交线的后续设计，参照图6；

步骤44、在所述垂直于X轴的截面B上建立所述垂直于X轴的截面B与楔形面A形成的交线b的角平分线d，所述角平分线d经过所述楔形面交点连线a与所述垂直于X轴的截面B的交点，且该角平分线d垂直于所述楔形面交点连线a与X轴形成的平面C，参照图7；

步骤45、将所述角平分线d向两侧各偏转180°/N角度，获得所述垂直于X轴的截面B与所述楔形面A形成的交线b，其中，N为叶片个数；

步骤46、根据所述垂直于X轴的截面B与所述楔形面A形成的交线b，以及所述楔形面交点连线a，获得所述楔形面A，参照图8。

在一个具体的实施例中，所述调整所述设计参数的初始值的调整方式包括：

调整设计参数θ的初始值，实现叶片内、外缘板3的相对位置调节；和/或，

调整设计参数ω的初始值，实现缘板3与叶型的匹配度的调节；和/或，

调整设计参数L的初始值，实现缘板3与叶型左右关系的调节。

具体的，得到叶片和缘板3实体后，通过优化设计参数θ，可实现叶片内、外缘板3的相对位置调节，调整效果见图14和图15，可以明显看出不同角度对叶片内、外缘板3相对关系的影响。设计参数θ的优化，尤其适用于对缘板3有特殊要求的叶片，例如，叶型偏斜导致内外缘板3相对偏移的叶片、一个楔形面垂直与XOY平面便于加工的要求等。而对于无特殊要求时，可将该角度设计为0°，以降低设计和加工难度。

通过优化设计参数ω和设计参数L，可实现叶片内、外缘板3的优化，以更好的实现对叶型的包容性，调整效果见图16中的（a）和（b）。设计参数ω适用于调节缘板3与叶型的匹配度，设计参数L适用于调整缘板3与叶型左右关系。

在一个具体的实施例中，所述方法还包括：

根据叶片叶身2的倾斜角度设置所述设计参数θ的初始值；

根据叶片叶身2的叶型截面的角度和位置设置所述设计参数ω和所述设计参数L的初始值。

在一个具体的实施例中，当所述叶片叶身2的倾斜角度小于预设阈值时，将所述设计参数θ设置为0°。

本发明提供的实施例，将叶片楔形面设计参数收敛为3个，简化设计过程，通过三维设计软件可实现实时快速的参数化设计及优化，提高设计效率。通过设计参数θ、ω、L即可实现楔形面交点连线a与X轴形成的平面C以及楔形面交点连线a的参数化设计，并以此开展后续的优化设计；相对现有的三维设计，该方法可实现正向设计并提高设计精度。基于参数实时优化，选取角度时，可更高精度的实现参数的调节，设计方法优化后可实现利于加工的角度参数。

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

1.一种叶片缘板楔形面参数化设计方法，其特征在于，所述方法包括：

基于所述三维坐标系建立叶片和缘板实体；

通过调整所述设计参数的初始值，调整所述初始叶片缘板结构，获得符合设计要求的叶片缘板结构；

其中，所述叶片缘板楔形面的几何特征包括：

多个垂直于X轴的截面与楔形面形成的交线的交点形成所述楔形面交点连线，所述楔形面交点连线经过X轴或平行于X轴；

所述根据所述设计参数的初始值获得楔形面，包括：

建立垂直于X轴的截面；

2.根据权利要求1所述的叶片缘板楔形面参数化设计方法，其特征在于，所述调整所述设计参数的初始值的调整方式包括：

调整设计参数L的初始值，实现缘板与叶型左右关系的调节。

3.根据权利要求1所述的叶片缘板楔形面参数化设计方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据叶片叶身的倾斜角度设置所述设计参数θ的初始值；

4.根据权利要求3所述的叶片缘板楔形面参数化设计方法，其特征在于，当所述叶片叶身的倾斜角度小于预设阈值时，将所述设计参数θ设置为0°。