叶片参数化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种叶片参数化设计方法，涉及叶片设计领域，包括步骤一，沿着径向方向再每一层生成2D叶片轮廓，所述2D叶片轮廓通过11个参数法确定叶片上的五个点；步骤二，将2D轮廓转换为3D并沿着堆叠线生成3D叶片，首先，径向平衡条件用于确定叶片从叶根到叶尖的不同径向界面处叶片进出口的金属角度，其次，用3D贝塞尔曲线作为叶轮廓的堆叠线，以生成可能的前倾和后掠。该叶片参数化设计方法能够高效地生成光滑的叶片造型。生成光滑的叶片造型。生成光滑的叶片造型。

【技术实现步骤摘要】
叶片参数化设计方法


[0001]本专利技术涉及叶片设计领域，尤其涉及一种叶片参数化设计方法。

技术介绍

[0002]目前，参数化生成叶片表面的方法有：如使用Casey的Bezier
‑
patches方法(一种基线设计及扰动函数叠加)，还有Zhang and He提出的结合弧线和厚度函数分布的组合方法，Arnone等人的工作，以及Kulfan提出的通用参数翼形函数。这些方法的主要缺点是缺乏对设计变量的物理意义定义。Pritchard的11参数法与本研究的使用方法的主要区别在于，Pritchard方法中的曲线2(喉道下游的吸力面曲线是一条圆形曲线)，意味着后缘楔角值ε
TE
取决于其他设计变量。
[0003]现有的方法主要的问题在于缺乏含物理意义的参数化。而Pritchard方法中虽然能够生成一片造型，但是由于曲线2是圆弧，对叶片几何形状有较大的限制，影响了叶片的性能提升空间，无法声场光滑的叶片造型。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种能够高效地生成光滑的叶片造型的叶片参数化设计方法。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种叶片参数化设计方法，包括：
[0006]步骤一，沿着径向方向再每一层生成2D叶片轮廓，所述2D叶片轮廓通过11个参数法确定叶片上的五个点；
[0007]步骤二，将2D轮廓转换为3D并沿着堆叠线生成3D叶片，首先，径向平衡条件用于确定叶片从叶根到叶尖的不同径向界面处叶片进出口的金属角度，其次，用3D贝塞尔曲线作为叶轮廓的堆叠线，以生成可能的前倾和后掠。
[0008]优选地，步骤一中的11个参数包括轴向弦长C
ax
、节距p、交错角α
stagger
、喉部t、无导向转向δ
unguided
、叶片前缘半径r
LE
、后缘半径r
TE
、前缘楔角ε
LE
、后缘楔角ε
TE
、前缘金属角β
LE
、后缘金属角β
TE
。
[0009]优选地，所述步骤二中的径向平衡条件的径向平衡方程(SRE)为：
[0010][0011]其中，r是半径，u
ax
和u
θ
分别是轴向流动速度和周向速度；
[0012]径向平衡方程表明，在相同的轴向位置，一旦定义了轴向速度的径向变化u
ax
，则可以相应的计算出周向速度的u
θ
相应变化，轴向速度u
ax
沿径向设置为常数，且假设为自由涡设计。
[0013]优选地，所述径向平衡方程由热力学第一定律方程、吉布斯方程和离心力平衡方程联合推导出来的，
[0014]热力学第一定律方程：dh＝de+Pdv+vdP
[0015]吉布斯方程为：Tds＝de+Pdv
[0016]离心力平衡方程为：
[0017]其中h是流动焓；e是流动内能；P是压力；v是比容，s是熵，d代表全微分运算；T代表温度；ρ代表温度；u
θ
代表周向速度。
[0018]优选地，du
ax
/dr等于0，基于径向平衡方程，d(r u
θ
)＝0,表明r u
θ
沿径向为恒定值，轴向和周向速度沿径向的变化，即u
ax
(r)和u
θ
(r)可以通过中跨的轴向u
ax,m
和周向速度u
θ,m
通过下述两个公式计算得到，其中，r
m
是中跨半径，
[0019]u
ax
(r)＝u
ax,m
[0020][0021]随着轴向速度沿径向变化u
ax
(r)，周向速度沿径向变化u
θ
(r)，以及已定义的叶片旋转速度，可以推导出静子的绝对气流角分布α
r
和转子的相对气流角分布β
r
，它们也是静子和转子的金属角。
[0022]优选地，所述叶片的金属角沿径向变化应用于叶片轮廓上的所有点，所述金属角的径向分布仅在前缘和尾缘采用，前缘金属角β
LE
和尾缘金属角β
TE
是上述叶片轮廓设计变量，可以应用径项平衡方程来推导出沿着跨度的角度径向变化β
LE
(r)和β
TE
(r)。
[0023]优选地，所述堆叠线由具有4个控制点：A、B、C和D的非均匀有理基样条生成，第一个控制点A是轮毂处叶片轮廓的驻点，坐标原点在A点沿径向延伸的半跨度出。
[0024]优选地，后掠角α
x
通过下述公式计算得到：
[0025][0026]优选地，所述叶片的扭曲可以通过围绕定义的旋转中心旋转制定的2D叶片轮廓来获得，锥度δ
taper
通过将叶片轮廓缩小/扩大到一定的锥度长度得到，锥度δ
taper
通过锥角α
taper
和锥形截面与中跨之间的半径差通过下述公式计算得到：
[0027]δ
taper
＝Δr tan α
taper
。
[0028]本专利技术叶片参数化设计方法的有益效果是，仅需指定10几个参数就能确定复杂叶片造型的几何，通过参数化有利于指导叶片造型的设计；有利于指导对叶片性能提升的研究。
附图说明
[0029]图1为用于参数化翼型的11个参数；请分别提供图1中a、b分别对应的中文说明；其中a为单个叶片；b为通道中的两个叶片；
[0030]图2为由10个控制点形成的九阶贝塞尔曲线生成Curv1、curv2和curv4；
[0031]图3为用于3D堆叠NURBS的局部圆柱坐标系；
[0032]图4为3D堆叠NURBS的局部圆柱坐标系。请分别提供图4中a、b分别对应的中文说明，Original:原始叶片造型；twisted:扭转后的叶片造型；tapered:缩放后的叶片造型。
具体实施方式
[0033]以下是本专利技术的具体实施例并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步的描述，但本专利技术并不限于这些实施例。
[0034]结合附图1
‑
4所示，本实施例中的一种叶片参数化设计方法，参数化设计系统以2D
‑
3D的方式进行。首先沿着径向方向再每一层生成2D叶片轮廓，然后将2D轮廓转换为3D并沿着堆叠线生成3D叶片。
[0035]1二维叶片轮廓的11个参数法
[0036]2D叶片轮廓通过11个参数法确定。该方法中的11个参数均有物理意义，因此设计人员可以便捷的识别设计特征，并可以将以往的设计经验融入到参数化设计系统中。11个参数分别是轴向弦长C
ax
,、节距p、交错角α
stagger
、喉本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种叶片参数化设计方法，其特征在于：包括步骤一，沿着径向方向再每一层生成2D叶片轮廓，所述2D叶片轮廓通过11个参数法确定叶片上的五个点；步骤二，将2D轮廓转换为3D并沿着堆叠线生成3D叶片，首先，径向平衡条件用于确定叶片从叶根到叶尖的不同径向界面处叶片进出口的金属角度，其次，用3D贝塞尔曲线作为叶轮廓的堆叠线，以生成可能的前倾和后掠。2.根据权利要求1所述的叶片参数化设计方法，其特征在于：步骤一中的11个参数包括轴向弦长C
ax
、节距p、交错角α
stagger
、喉部t、无导向转向δ
unguided
、叶片前缘半径r
LE
、后缘半径r
TE
、前缘楔角ε
LE
、后缘楔角ε
TE
、前缘金属角β
LE
、后缘金属角β
TE
。3.根据权利要求1所述的叶片参数化设计方法，其特征在于：所述步骤二中的径向平衡条件的径向平衡方程(SRE)为：其中，r是半径，u
ax
和u
θ
分别是轴向流动速度和周向速度；径向平衡方程表明，在相同的轴向位置，一旦定义了轴向速度的径向变化u
ax
，则可以相应的计算出周向速度的u
θ
相应变化，轴向速度u
ax
沿径向设置为常数，且假设为自由涡设计。4.根据权利要求3所述的叶片参数化设计方法，其特征在于：所述径向平衡方程由热力学第一定律方程、吉布斯方程和离心力平衡方程联合推导出来的，热力学第一定律方程：dh＝de+Pdv+vdP吉布斯方程为：Tds＝de+Pdv离心力平衡方程为：其中h是流动焓；e是流动内能；P是压力；v是比容，s是熵，d代表全微分运算；T代表温度；ρ代表温度；u
θ
代表周向速度。5.根据权利要求3所述的叶片参数化设计方法，其特征在于：du
ax
/dr等于0，基于径向平衡方程，d(r u
θ
)＝0,表明r ...

【专利技术属性】
技术研发人员：段鹏浩，韩闯，
申请(专利权)人：段鹏浩，
类型：发明
国别省市：