确定压气机叶片所受气动合力及其作用点的方法技术

本申请涉及一种确定压气机的叶片所受气动合力及其作用点的方法，包括：将所述压气机的叶片的三维模型的表面划分成多个网格；针对叶片表面的每个所述网格计算出该网格的各顶点的静压值；将各网格顶点按随体网格的方式进行编号排列；对于所述叶片表面上的每个所述网格，将其按规律划分为两个三角形微元平面；通过遍历所述随体网络的每个网格计算相应三角形微元平面上的压力矢量，并将所有三角形微元平面上的压力矢量累加以获得整个叶片受到的合力；基于合力矩相等原理，计算合力作用线；以及根据叶片压力面上的各个网格顶点到所述合力作用线的距离确定合力作用点。

【技术实现步骤摘要】
确定压气机叶片所受气动合力及其作用点的方法
本申请涉及压气机设计领域，具体而言，涉及一种确定压气机叶片所受气动合力（以下简称为“合力”）及其作用点的方法。
技术介绍
在航空发动机领域中，涡扇发动机是一种常用的航空发动机，一般为双转子发动机，其主要由风扇、压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮等部件组成。压气机是在双转子航空发动机或燃气轮机中的部件。在低压轴、高压轴上各有一个压缩部件，高压轴上的压缩部件称为高压压气机，低压轴上的压缩部件称为低压压气机。所述高压压气机和低压压气机在本文中统称为压气机。在压气机的试验过程中，基于压气机工作原理，转子叶片将空气向试验件出口压缩排出时，由于气流的反作用力，转子会受到向前的推力。目前在国内外航空发动机压气机性能试验件中，因止推轴承承载能力的限制，通常需要采取轴向力平衡系统来对压气机产生的向前推力进行平衡。因此，在压气机叶片造型的设计阶段，如何能够准确快速地获取叶片表面所受的合力大小和其作用点对于轴向力平衡系统的设计具有重要的参考意义。此外，在压气机的设计过程中，通常需要和结构强度进行多轮迭代，精确地获取压气机表面所受的合力及其作用点，对于在压气机强度计算过程中的气动载荷及其作用点的施加设置能够提供指导依据。因此，存在一种需求，期望能够提供一种能够准确快速地确定压气机叶片所受气动合力及其作用点（也可称为“作用位置”）的方案。
技术实现思路
在本申请中，提供了一种用于确定压气机的叶片所受气动合力及其作用点的方案。利用所述方案可以准确快速地确定压气机叶片所受气动合力及其作用点，从而为叶片的设计提供有力的帮助。根据本申请的一个方面，公开了一种确定压气机的叶片所受气动合力及其作用点的方法，包括：将所述压气机的叶片的三维模型的表面划分成多个网格；针对叶片表面的每个所述网格计算出该网格的各顶点的静压值；将各网格顶点按随体网格的方式进行编号排列；对于所述叶片表面上的每个所述网格，将其按规律划分为两个三角形微元平面；通过遍历所述随体网络的每个网格计算相应三角形微元平面上的压力矢量，并将所有三角形微元平面上的压力矢量累加以获得整个叶片受到的合力；基于合力矩相等原理，计算合力作用线；以及根据叶片压力面上的各个网格顶点到所述合力作用线的距离确定合力作用点。根据本申请的另一方面，提供了一种存储有指令的计算机可读存储介质，当所述指令被执行时使得机器执行如上所述的方法。根据本申请的又一方面，提供了一种计算机系统，包括用于执行如上所述的方法的装置。提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。附图说明为了描述可获得本专利技术的上述和其它优点和特征的方式，将通过参考附图中示出的本专利技术的具体实施例来呈现以上简要描述的本专利技术的更具体描述。可以理解，这些附图只描绘了本专利技术的各典型实施例，并且因此不被认为是对其范围的限制，将通过使用附图并利用附加特征和细节来描述和解释本专利技术，在附图中：图1示出了根据本申请的一个实施例的用于确定压气机叶片所受气动合力及其作用点的方法。图2示出了对网格顶点进行编号排列的示例i、j的方向。图3示出了在被网格化的叶片表面的一个网格中划分出的三角形的局部放大图。图4示出了随体网络中各网格点的示例编号图。图5示出了在叶片的一个三角形微元上的压力矢量及其矢径的示意图。图6示出了在叶片的两个面与合力作用线的交点以及所确定的气动力作用点的示意图。具体实施方式如上所述，获取叶片表面所受的合力大小和其作用点对于压气机的设计具有重要的参考意义。压气机叶片表面所受的合力是指叶片表面各个位置所受的静压（气体带给叶片的压力）的矢量和，由于压气机叶片造型具有强弯扭掠的三维特征，叶片表面各个位置压力的方向均不一致，因此，如何快速便捷地获得叶片表面所受的合力是个难题。在现有技术中通常有两种方法来解决该问题。1）通过在叶片表面打孔并埋入多个压力传感器以测量叶片表面的静压分布。具体而言，可以通过在叶片表面打孔，通过取压管与压力传感器相连，然后将旋转件上物理量通过滑环等装置传递到静止仪器上。通过汇总每个传感器的读数来推导出叶片表面所受的合力。但这种物理测量法一方面成本高昂（需要先做出叶片的样品）且对叶片有损伤（需要在叶片表面各处打孔以安置数个乃至数十个传感器），另一方面传感器装置在信号传递时会引起信号损失，影响测量结果精度。而且，它只能测量成品的叶片所受的合力，而无法提前预估合力，即无法在设计阶段使用。因此，无法及时调整设计方案，缩短设计周期。2）利用三维专业分析软件构建叶片的三维模型，并将叶片的表面进行网格化以构建小块的叶片区域。通过利用一些常用的流体力学软件，例如Fluent，Numeca，Cfx等等计算出每个网格的叶片区域的静压，从而通过求和获得整体叶片表面所受的合力。为了方便划分和计算，所述小块叶片区域的网格通常是四边形形状。随后，通过对各个网格点上静压积分求出叶片表面的合力。但这些软件只能求出叶片所受的合力，却不能求出合力的作用点，而没有作用点的合力在工程设计上没有什么应用价值。因此，需要一种能够在制造叶片之前的设计阶段就能准确快速预估出所设计的叶片可能受到的气动合力并能准确推断出所述合力的作用点的方案。下面结合各附图来说明下本申请的方案。在图1中示出了根据本申请的一个实施例的用于确定压气机叶片所受气动合力及其作用点的方法。如图所示，在步骤102，采用三维设计分析软件，将压气机的叶片三维模型的表面划分成多个网格。并且在步骤104，由所述三维设计分析软件针对叶片表面的每个网格计算出该网格的各顶点的静压值。在现有的发动机设计领域，存在许多三维设计分析软件可以实现上述功能。例如Fluent，Numeca，Cfx等等。这些软件都是CFD（计算流体力学）领域中常用的三维设计软件。以Fluent为例，其是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。Fluent软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法。Fluent软件中的动/变形网格技术主要解决边界运动的问题，用户只需指定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动生成。Fluent软件具有强大的网格支持能力，支持界面不连续的网格、混合网格、动/变形网格以及滑动网格等。值得强调的是，Fluent软件还拥有多种基于解的网格的自适应、动态自适应技术以及动网格与网格动态自适应相结合的技术。因此，利用Fluent软件强大的网格生成技术，可以很容易地将叶片的表面划分成所需的网格。在划分完网格之后，这些三维设计软件还提供了针对每个网格顶点计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种确定压气机的叶片所受气动合力及其作用点的方法，包括：/n将所述压气机的叶片的三维模型的表面划分成多个网格；/n针对叶片表面的每个所述网格计算出该网格的各顶点的静压值；/n将各网格顶点按随体网格的方式进行编号排列；/n对于所述叶片表面上的每个所述网格，将其按规律划分为两个三角形微元平面；/n通过遍历随体网络的每个网格计算相应三角形微元平面上的压力矢量，并将所有三角形微元平面上的压力矢量累加以获得整个叶片受到的合力；/n基于合力矩相等原理，计算合力作用线；以及/n根据叶片压力面上的各个网格顶点到所述合力作用线的距离确定合力作用点。/n

【技术特征摘要】
1.一种确定压气机的叶片所受气动合力及其作用点的方法，包括：
将所述压气机的叶片的三维模型的表面划分成多个网格；
针对叶片表面的每个所述网格计算出该网格的各顶点的静压值；
将各网格顶点按随体网格的方式进行编号排列；
对于所述叶片表面上的每个所述网格，将其按规律划分为两个三角形微元平面；
通过遍历随体网络的每个网格计算相应三角形微元平面上的压力矢量，并将所有三角形微元平面上的压力矢量累加以获得整个叶片受到的合力；
基于合力矩相等原理，计算合力作用线；以及
根据叶片压力面上的各个网格顶点到所述合力作用线的距离确定合力作用点。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述随体网络是指由依附在所述叶片表面上的所有网格所组成的网络，并且将各网格顶点按随体网格的方式进行编号排列包括：
将各网格顶点分别在i、j两个方向上进行编号排列，其中i方向为叶面沿叶片型线从前缘到尾缘再到前缘的方向，而j方向为沿叶高的方向。


3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述规律是指沿着相同对角线方向划分所有的网格。


4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过下述公式计算所述三角形微元平面上的压力矢量：



其中表示在该三角形微元上的压力矢量，p为三角形微元平面上的静压值，其可用该三角形三个顶点的静压值取平均得到，为该三角形微元的面积，为该三角形微元面的法向量。


5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，根据下述公式将所有三角形微元平面上的压力矢量累加以获得整个叶片受到的合力：



其中，为整个叶片受到的合力，而为从各个网格中划分出的各三角形微元所受的压力矢量，i...

【专利技术属性】
技术研发人员：张烔，王进春，樊琳，杨平，曹传军，吴志青，
申请(专利权)人：中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司，中国航发商用航空发动机有限责任公司，
类型：发明
国别省市：上海;31