JP3962931B2 - Method for forming cooling holes in gas turbine blades by image processing - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、画像処理によるガスタービンブレードへの冷却孔の形成方法に関し、コンピュータグラフィックス上でガスタービンブレードに多数の冷却孔を短時間で作成できるようにし、冷却設計などのシミュレーションに利用できるようにしたものである。
【0002】
【従来の技術】
ガスタービン、特に航空用エンジンにおいては、軽量、低燃費、高信頼性が常に要求され、そのためエンジンの主要構成要素であるタービンに対しは、タービン入り口温度の上昇がはかられ、それに対処するために材料の進歩とともに冷却性能の一層の向上が求められている。
【0003】
このようなガスタービンの冷却性能の向上のため、例えば図5に示すように、タービンブレード1に冷却孔2を多数形成し、冷却空気によるフィルム冷却などが行われている。
【0004】
このタービンブレード1に形成する冷却孔2はその配置や大きさなどによって冷却性能が変化する一方、個数が非常に多く実際のタービンブレードに放電加工などで冷却孔を形成して実験を行なうためには相当の時間と費用がかかってしまう。
【0005】
そこで、コンピュータグラフィックスを利用してタービンブレードに冷却孔をあけ、冷却設計などのシミュレーションが行われている。
【0006】
従来から行われている画像処理によるタービンブレードへの冷却孔の形成方法は、まず、タービンブレード単体のCADデータ上に冷却孔のCADデータを1つ入力して合成し、タービンブレード単体に1個の冷却孔をあける。
【0007】
すると、タービンブレード単体のCADデータは冷却孔1個分のデータが増大した状態になる。
【0008】
次に、冷却孔が1個形成された状態のタービンブレードのCADデータ上に、次の1個の冷却孔のCADデータを入力して合成し、タービンブレード単体に2つ目の冷却孔をあける。
【0009】
すると、タービンブレード単体のCADデータは冷却孔2個分のデータが増大した状態になる。
【0010】
このようにして、多数の冷却孔のCADデータを1つずつその前までの冷却孔が形成された状態のタービンブレード単体のCADデータに合成することを繰り返して全ての冷却孔を形成するようにしていた。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、タービンブレードの単体のCADデータに冷却孔のCADデータを1つずつ入力して冷却孔をあけることを繰り返さなければならないため、1つの冷却孔のCADデータの入力から処理までに相当の時間がかかり、多数の冷却孔を形成するために数日間にも及ぶ長時間がかかるという問題があった。
【0012】
この発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、タービンブレード単体のCADデータ上に多数の冷却孔の画像を短時間に能率良く形成することができる画像処理によるガスタービンブレードへの冷却孔の形成方法を提供しようとするものである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術が有する課題を解決するため、この発明の請求項1記載の画像処理によるガスタービンブレードへの冷却孔の形成方法は、予め定めた3次元座標に基づくガスタービンブレード単体のCADデータを収納しておく一方、前記ガスタービンブレード単体に形成すべき冷却孔をモデル化しこのモデル化した冷却孔で前記ガスタービンブレード単体に形成すべき個々のCADデータを入力し、これらのモデル化した冷却孔の個々のCADデータからモデル化した冷却孔全てを集合した冷却孔集合体のCADデータを形成した後、前記ガスタービンブレード単体のCADデータとこのモデル化した冷却孔集合体のCADデータとを合成し、次いでガスタービンブレード単体の形状より外側の余分な部分の冷却孔集合体のCADデータを取り除くようにしたことを特徴とするものである。
【0014】
すなわち、この画像処理によるガスタービンブレードへの冷却孔の形成方法によれば、ガスタービンブレードに形成する多数の冷却孔に共通する冷却孔のモデルを用い、このモデル化した全ての冷却孔の個々のCADデータを入力し、この全ての冷却孔の個々のCADデータから冷却孔集合体のCADデータを作成し、冷却孔集合体のCADデータをガスタービンブレードのCADデータに合成し、モデル化した冷却孔と実際の冷却孔との相違分に相当するガスタービンブレードの形状より外側の余分な部分の冷却孔集合体のCADデータを削除するようにしており、冷却孔の形成途中のCADデータの増大を最少にして短時間に多数の冷却孔を形成できるようにしている。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図1および図2はこの発明の画像処理によるガスタービンブレードへの冷却孔の形成方法の一実施の形態にかかるフローチャート及び工程図である。
【0016】
この画像処理によるガスタービンブレードへの冷却孔の形成方法では、コンピュータによる画像処理(コンピュータグラフィックス)のため、図5で説明したタービンブレード1及び冷却孔2のCADデータを作成するための基準となる3次元座標を定める。
【0017】
(1)基準となる3次元座標
この3次元座標としては、例えば図3(a)に示すように、プラットホーム上の位置決め基準点を座標の原点Oとし、この原点Oを通りエンジンの中心線に平行な方向をX軸に、翼断面の積重線に平行な半径方向の基準線を用い、原点Oを通り半径方向の基準線に平行にZ軸に、さらに、これらX軸及びZ軸に直角な方向をY軸にそれぞれ定める。そして、これらX軸、Y軸、Z軸の正の方向は次のように定める。
【0018】
X軸;エンジンの前方から後方に向かう方向を正の方向。
Y軸;X軸、Z軸に直角に左手系で指先の方向を正の方向。
Z軸;エンジン中心から離れる方向を正の方向。
【0019】
(2)このX−Y−Z座標を基準にしてタービンブレード1単体のCADデータをコンピュータに入力して収納する(図1(1)参照)。
【0020】
(3)次に、冷却孔をモデル化する(図1(2)参照)。
【0021】
この冷却孔のモデル化は、タービンブレード1に形成すべき冷却孔2の配置等にかかわらず全ての冷却孔2に共通した形状とされるもので、例えば図4に示すように、冷却孔がディフューザ3つきの冷却孔部4で構成される場合には、ディフューザ3が末広がりがある3面3a,3b,3cと末広がりのない1面3dとをもって構成され、このディフューザ3に円形断面の冷却孔部4が連続して構成されるモデルを考える。
【0022】
この冷却孔のモデルでは、タービンブレードのどの位置に配置しても内壁と外壁の間に位置させることができ、他方の内壁や外壁と干渉しないようにしてあり、ディフューザ3の外側部分や冷却孔部4の外側部分はタービンブレード1の翼断面上に配置した状態では、余分となる部分を有するものとなっている(図4(d)参照)。
【0023】
そして、例えば、冷却孔がディフューザ3つきの冷却孔部4で構成される場合は、そのディフューザ3と冷却孔部4との境界面を中心にしてそれぞれの長さが5mmとされ、冷却孔部4の孔径が冷却孔の個々の入力データで支持された大きさとされるとともに、末広がり部分の角度をそれぞれ10度としたモデルを用いる。
【0024】
(1)冷却孔のCADデータの入力に必要な方向を決める角度(図3 (b) 参照)図3(b)において、タービンブレード1上の冷却孔2の中心線LをX−Y−Z座標のX−Y平面に投影して出来た線L1 とX軸とのなす角度を角度Aとする。そして、この角度Aは線L1 が原点Oを通るX軸の正方向と一致するときが0度で、Z軸の正方向から原点Oを見て反時計方向を正方向とし、0〜360度の範囲で変化する。
【0025】
また、X−Y−Z座標をZ軸回りに上記角度Aだけ回転した座標をX´−Y´−Z座標を定め、冷却孔2の中心線LをX´−Z平面に投影して出来た線L2 とZ軸のなす角度を角度Bとする。そして、この角度Bは線L2 が原点Oを通るZ軸の正方向と一致するときが0度で、Y´軸の正方向から原点Oを見て反時計方向を正方向とし、0〜360度の範囲で変化する。
【0026】
さらに、冷却孔2が丸孔以外の形状とする場合にのみ必要となる角度であり、X´−Y´−Z座標をY´軸回りに上記角度Bだけ回転した座標をX´´−Y´´−Z´´座標を定め、X´´−Y´´平面上でY´´軸と冷却孔の形状方向を定義するベクトルとのなす角を角度Cとする。
【0027】
たとえば、図4に示すようなディフューザ3つきの冷却孔部4を備える冷却孔の場合には、ディフューザ3が末広がりがある3面3a,3b,3cと末広がりのない1面3dとをもって構成されているが、この末広がりのない1面3dに直角なベクトルがY´´軸となす角を角度Cとする。なお、この角度Cについても0〜360度の範囲で変化する。
【0028】
また、ディフューザ3つきの冷却孔部4の場合には、ディフューザ3の大きさを示す必要があり、深さDを用いるが、この深さDは理想的な翼面形状と冷却孔部4の中心線との交点からディフューザ3の始まり(ディフューザと冷却孔の境界面)間での冷却孔部4の中心線上での距離で定義される(図4(d)参照)。
【0029】
(2)個々の冷却孔のCADデータの入力(図1(3)参照)。
【0030】
以上のようにして冷却孔を表すための座標系と冷却孔のモデルが定義されることから、個々の冷却孔のCADデータとして次の値が用いられる。
【0031】
孔位置を表すための翼外面の座標(X,Y,Z)、孔方向を表す角度(A,B,C)、孔の直径、翼内面の座標(X,Y,Z)及びディフューザの深さDを定めることで個々の冷却孔をコンピュータグラフィックスを利用して表すことができる。
【0032】
そこで、タービンブレードに形成すべき冷却孔の全てについて、それぞれ上記のCADデータが用意され、たとえばフロッピディスク等に記憶させたものから全ての冷却孔のCADデータを読み込ませてコンピュータに入力する。
【0033】
(3)こうしてコンピュータに入力された全ての冷却孔のCADデータから、全ての冷却孔のみをモデル化した状態で画像とした冷却孔集合体5が作られる(図1(4)および図2(b)参照)。
【0034】
このモデル化した状態で冷却孔集合体5を作成する場合には、個々の冷却孔のCADデータのうちから冷却孔の翼外面の座標(X,Y,Z)と翼内面の座標(X,Y,Z)を用いその中間点の座標(X,Y,Z)を求め、この中間点にモデル化した冷却孔のディフューザ3と冷却孔部4との境界面での冷却孔部4の中心が位置するように配置するとともに孔径のデータに基づき冷却孔部4の大きさを定めることで作られる。
【0035】
(4)タービンブレード1単体の画像と冷却孔集合体5の画像を合成する(図1(5)参照)。
【0036】
冷却孔集合体5のCADデータと予め収納してあるタービンブレード1単体のCADデータを同一画像上で合成すると、図2(c)に示すように、タービンブレード1単体上に冷却孔集合体5が重ねられて表示される。このようなCADデータの合成は、これらタービンブレード1単体のCADデータも冷却孔集合体5のCADデータも既に説明した共通の3次元座標(X,Y,Z)に基づいてデータが作成されているので、簡単に合成することができる。
【0037】
こうしてタービンブレード1と冷却孔集合体が合成された画像では、モデル化した冷却孔をタービンブレードの所定の位置に配置したものであることから、各冷却孔の両端部が翼外面および翼内面から外側に突き出た状態となっている。
【0038】
(5)タービンブレード外側の冷却孔部分の除去(図1(6)参照)
タービンブレード1と冷却孔集合体5の合成された画像上からそれぞれの冷却孔部4の個々のCADデータとして入力されている翼外面の座標(X,Y,Z)および翼内面の座標(X,Y,Z)とタービンブレードのCADデータから冷却孔部4の両端部を翼の外面および内面の形状に合わせて取り除くデータ処理を行う。
【0039】
すると、モデル化した冷却孔の両端のタービンブレードの外側(翼外面の外側及び翼内面の外側のいずれも含む意)の余分な部分が取り除かれ、形成すべき冷却孔の形状になる(図2(d)参照)。
【0040】
(6)このようにして、冷却孔付きのタービンブレードの画像を得ることができる(図1(7)参照)。
【0041】
こうして得られる冷却孔付きのタービンブレードは、例えば図5に示すようになり、冷却設計などのシミュレーションに用いられる。
【0042】
以上のように、この画像処理によるガスタービンブレードへの冷却孔の形成方法によれば、多数の冷却孔を1つの冷却孔にモデル化し、モデル化した冷却孔をその位置データに基づきタービンブレートのCADデータとは別に冷却孔集合体のCADデータに合成するようにしており、短時間に冷却孔集合体のCADデータを作ることができる。
【0043】
そして、この冷却孔集合体のCADデータとタービンブレードのCADデータを合成するので、冷却孔のCADデータを1つずつタービンブレードのCADデータと合成することを繰り返す場合に比べて、この場合の合成も短時間にできる。さらに、タービンブレードとモデル化した冷却孔集合体のCADデータから余分な部分を削除することで、簡単に冷却孔付きのタービンブレードを得ることができる。
【0044】
【発明の効果】
以上、実施の形態とともに具体的に説明したようにこの発明の画像処理によるガスタービンブレードへの冷却孔の形成方法によれば、ガスタービンブレードに形成する多数の冷却孔に共通する冷却孔のモデルを用い、このモデル化した全ての冷却孔の個々のCADデータを入力し、この全ての冷却孔の個々のCADデータから冷却孔集合体のCADデータを作成し、冷却孔集合体のCADデータをガスタービンブレードのCADデータに合成し、モデル化した冷却孔と実際の冷却孔との相違分に相当するガスタービンブレードの形状より外側の余分な部分の冷却孔集合体のCADデータを削除するようにしたので、冷却孔の形成途中のCADデータの増大を最少にして短時間に多数の冷却孔を形成した冷却孔付きのタービンブレードを得ることができる。
【0045】
特に、冷却孔の個数が数百個にも及ぶ場合でも、従来の1つずつ冷却孔を形成していく場合に比べ、大幅に冷却孔付きのタービンブレードの製作時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の画像処理によるガスタービンブレードへの冷却孔の形成方法の一実施の形態にかかるフローチャートである。
【図2】この発明の画像処理によるガスタービンブレードへの冷却孔の形成方法の一実施の形態にかかる工程図である。
【図3】この発明の画像処理によるガスタービンブレードへの冷却孔の形成方法の一実施の形態における基準となる座標の説明図である。
【図4】この発明の画像処理によるガスタービンブレードへの冷却孔の形成方法の一実施の形態における冷却孔のモデルの斜視図、左側面図、正面図、平面図である。
【図5】この発明の適用対象となる冷却孔付きのガスタービンブレードの一例にかかる斜視図である。
【符号の説明】
1 ガスタービンブレード(単体)
2 冷却孔
3 ディフューザ
4 冷却孔部
5 冷却孔集合体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for forming a cooling hole in a gas turbine blade by image processing, and allows a large number of cooling holes to be created in a gas turbine blade in a short time on computer graphics so that it can be used for simulation of cooling design and the like. It is a thing.
[0002]
[Prior art]
Gas turbines, especially aero engines, are always required to be lightweight, fuel efficient and highly reliable. Therefore, the turbine inlet temperature is increased for the turbine, which is the main component of the engine, to cope with it. In addition, further improvement in cooling performance is required with the progress of materials.
[0003]
In order to improve the cooling performance of such a gas turbine, for example, as shown in FIG. 5,
[0004]
While the cooling performance of the
[0005]
Therefore, simulation such as cooling design is performed by making cooling holes in the turbine blades using computer graphics.
[0006]
The conventional method for forming a cooling hole in a turbine blade by image processing is to first input and synthesize one CAD data of the cooling hole on the CAD data of the turbine blade alone, and then add one to the turbine blade alone. Open the cooling hole.
[0007]
Then, the CAD data of the turbine blade alone is in a state where the data for one cooling hole is increased.
[0008]
Next, CAD data of the next one cooling hole is inputted and synthesized on the CAD data of the turbine blade in a state where one cooling hole is formed, and a second cooling hole is made in the turbine blade alone. .
[0009]
Then, the CAD data of the turbine blade alone is in a state where data for two cooling holes is increased.
[0010]
In this way, all of the cooling holes are formed by repeatedly synthesizing the CAD data of a large number of cooling holes one by one into the CAD data of the turbine blade alone with the previous cooling holes formed. It was.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, since it is necessary to repeatedly input the CAD data of the cooling holes one by one to the CAD data of the turbine blade and to make the cooling holes, it takes a considerable time from the input of the CAD data of one cooling hole to the processing. There is a problem that it takes a long time of several days to form a large number of cooling holes.
[0012]
The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and to a gas turbine blade by image processing that can efficiently form images of a large number of cooling holes on CAD data of a single turbine blade in a short time. An object of the present invention is to provide a method for forming a cooling hole.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems of the prior art, a cooling hole forming method for a gas turbine blade by image processing according to
[0014]
That is, according to the method of forming the cooling holes in the gas turbine blade by this image processing, a cooling hole model common to a large number of cooling holes formed in the gas turbine blade is used. The CAD data of the cooling hole assembly was created from the individual CAD data of all the cooling holes, and the CAD data of the cooling hole assembly was synthesized with the CAD data of the gas turbine blade and modeled. The CAD data of the cooling hole assembly of the extra portion outside the shape of the gas turbine blade corresponding to the difference between the cooling hole and the actual cooling hole is deleted, and the CAD data in the course of forming the cooling hole is deleted. A large number of cooling holes can be formed in a short time while minimizing the increase.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 and FIG. 2 are a flowchart and a process diagram according to an embodiment of a method for forming a cooling hole in a gas turbine blade by image processing according to the present invention.
[0016]
In this method of forming a cooling hole in a gas turbine blade by image processing, for image processing (computer graphics) by a computer, a reference for creating CAD data of the
[0017]
(1) Reference three-dimensional coordinate As this three-dimensional coordinate, for example, as shown in FIG. 3 (a), the positioning reference point on the platform is set as the origin O of the coordinate, and this origin O is passed through to the center line of the engine. Use the parallel direction as the X-axis, the radial reference line parallel to the stack line of the blade cross section, pass through the origin O and parallel to the radial reference line to the Z-axis, and further to these X-axis and Z-axis A perpendicular direction is defined for each Y axis. The positive directions of these X axis, Y axis, and Z axis are determined as follows.
[0018]
X axis: The direction from the front to the rear of the engine is the positive direction.
Y axis: The direction of the fingertip is positive in the left hand system perpendicular to the X and Z axes.
Z axis: The direction away from the engine center is the positive direction.
[0019]
(2) The CAD data of the
[0020]
(3) Next, the cooling holes are modeled (see FIG. 1 (2)).
[0021]
Modeling of the cooling holes, intended to be a common shape to all cooling holes Notwithstanding the arrangement of
[0022]
In this model of cooling holes, disposed in any position of the turbine blade can be located between the inner and outer walls, Yes so as not to interfere with the other inner wall and an outer wall, the outer portion and the cooling holes of the
[0023]
Then, for example, when the cooling holes are formed in the
[0024]
(1) Angle that determines the direction required for inputting CAD data of cooling holes (see FIG. 3B) In FIG. 3B, the center line L of the cooling holes 2 on the
[0025]
Further, the coordinate obtained by rotating the XYZ coordinate around the Z axis by the angle A is defined as the X′-Y′-Z coordinate, and the center line L of the
[0026]
Furthermore, the angle is necessary only when the
[0027]
For example, in the case of a cooling hole having a
[0028]
In the case of the
[0029]
(2) Input of CAD data of individual cooling holes (see FIG. 1 (3)).
[0030]
Since the coordinate system and the cooling hole model for representing the cooling holes are defined as described above, the following values are used as CAD data of the individual cooling holes.
[0031]
Coordinates (X, Y, Z) of blade outer surface for representing hole position, angles (A, B, C) representing hole direction, hole diameter, coordinates (X, Y, Z) of blade inner surface and diffuser depth By defining the length D, each cooling hole can be represented using computer graphics.
[0032]
Therefore, the above-mentioned CAD data is prepared for all the cooling holes to be formed in the turbine blade. For example, the CAD data of all the cooling holes is read from what is stored in the floppy disk or the like and input to the computer.
[0033]
(3) From the CAD data of all the cooling holes input to the computer in this way, the
[0034]
When the
[0035]
(4) The image of the
[0036]
When the CAD data of the
[0037]
In the combined image of the
[0038]
(5) Removal of the cooling hole outside the turbine blade (see FIG. 1 (6))
The coordinates (X, Y, Z) of the blade outer surface and the coordinates (X of the blade inner surface) which are inputted as individual CAD data of each
[0039]
Then, an extra portion outside the turbine blade (inclusive of both the outside of the blade outer surface and the outside of the blade inner surface) at both ends of the modeled cooling hole is removed to form the shape of the cooling hole to be formed (FIG. 2). (See (d)).
[0040]
(6) In this way, an image of a turbine blade with cooling holes can be obtained (see FIG. 1 (7)).
[0041]
The turbine blade with cooling holes obtained in this way is as shown in FIG. 5, for example, and is used for simulation such as cooling design.
[0042]
As described above, according to the method of forming the cooling holes in the gas turbine blade by this image processing, a large number of cooling holes are modeled as one cooling hole, and the modeled cooling holes are converted into the turbine blades based on the position data. The CAD data of the cooling hole aggregate is synthesized separately from the CAD data, and the CAD data of the cooling hole aggregate can be created in a short time.
[0043]
Then, since the CAD data of the cooling hole aggregate and the CAD data of the turbine blade are synthesized, the synthesis in this case is compared with the case where the CAD data of the cooling holes is synthesized with the CAD data of the turbine blade one by one. Can be done in a short time. Furthermore, the turbine blade with the cooling hole can be easily obtained by deleting the extra portion from the CAD data of the cooling hole aggregate modeled as the turbine blade.
[0044]
【The invention's effect】
As described above in detail with the embodiment, according to the method for forming a cooling hole in a gas turbine blade by image processing according to the present invention, a cooling hole model common to a large number of cooling holes formed in the gas turbine blade. The CAD data of all the cooling holes that have been modeled is input, and the CAD data of the cooling hole assembly is created from the individual CAD data of all the cooling holes. The CAD data of the gas turbine blade is combined with the CAD data of the gas turbine blade, and the CAD data of the cooling hole aggregate in the excess portion outside the shape of the gas turbine blade corresponding to the difference between the modeled cooling hole and the actual cooling hole is deleted. Therefore, it is possible to obtain a turbine blade with cooling holes in which a large number of cooling holes are formed in a short time while minimizing the increase in CAD data during the formation of cooling holes. Can.
[0045]
In particular, even when the number of cooling holes reaches several hundred, the time for manufacturing turbine blades with cooling holes can be greatly reduced as compared with the conventional case where cooling holes are formed one by one.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart according to an embodiment of a method for forming a cooling hole in a gas turbine blade by image processing according to the present invention.
FIG. 2 is a process diagram according to an embodiment of a method for forming a cooling hole in a gas turbine blade by image processing according to the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram of coordinates serving as a reference in an embodiment of a method for forming a cooling hole in a gas turbine blade by image processing according to the present invention.
FIG. 4 is a perspective view, a left side view, a front view, and a plan view of a cooling hole model in an embodiment of a method for forming a cooling hole in a gas turbine blade by image processing according to the present invention.
FIG. 5 is a perspective view according to an example of a gas turbine blade with a cooling hole to which the present invention is applied.
[Explanation of symbols]
1 Gas turbine blade (single unit)
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