一種渦輪葉片沖擊孔參數化造型方法
【專利摘要】一種渦輪葉片沖擊孔參數化造型方法，通過下述步驟實現：1、在UG中導入渦輪葉片外型實體文件；2、選取要創(chuàng)建沖擊孔的隔肋曲面，并在隔肋曲面上縱向由上至下或由下至上依次選取n個基準點，則第i個基準點坐標為pi(xpi,ypi,zpi)；3、將n個基準點插值生成一條樣條曲線，并向隔肋曲面做投影，獲得一條投影曲線S0；4、創(chuàng)建沖擊孔定位參考基準面；5、創(chuàng)建沖擊孔定位參考點；6、創(chuàng)建沖擊孔輪廓草圖承載基準面與拉伸基準軸；7、創(chuàng)建沖擊孔輪廓草圖；8、拉伸沖擊孔工具實體；9、將步驟8中創(chuàng)建的工具實體與葉片外型進行布爾求差運算，得到新的帶有一組沖擊孔的葉片外型實體；10、返回步驟2，進行下一組沖擊孔的生成；通過步驟2?10，獲得帶有k組沖擊孔的渦輪葉片。
【專利說明】-種滿輪葉片沖擊孔參數化造型方法 【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種滿輪葉片沖擊孔參數化造型方法，可用于在直型隔肋與彎扭型隔 肋上造跑道形沖擊孔，屬于滿輪葉片設計技術領域。 【【背景技術】】
[0002] 滿輪發(fā)動機廣泛應用于航空、輪船W及大型工程車輛，滿輪前溫度的提升是提高 發(fā)動機推力的重要措施，然而滿輪前溫度受到滿輪葉片材料耐受性的限制。因此，精細化冷 卻空氣，增強冷卻氣體對滿輪葉片的冷卻效果，對提高滿輪發(fā)動機的效率有重要意義。
[0003] 氣膜冷卻和沖擊冷卻是滿輪葉片的主要冷卻方式，如圖1所示，冷氣從滿輪葉片下 部進入滿輪葉片內部，通過內流冷卻通道，對葉片的內表面實施有效的冷卻，最終冷卻氣體 從氣膜孔、尾縫和排氣孔中排出，從氣膜孔中排出的冷氣能夠在葉片表面形成一層冷氣薄 層，有效的保護葉片。由于葉片前緣部位需要承受更高的溫度，前緣部位采用沖擊孔進行沖 擊冷卻，一方面帶走更多的熱量，另一方面也吹掉前緣部位的灰塵，更好的保護葉片。冷氣 流動通道及葉片相關結構見圖1。
[0004] 冷卻通道由葉片內部的隔肋分割葉片內腔形成，沖擊孔位于隔肋上，是葉片沖擊 冷卻的核屯、結構，對于葉片前緣部位冷卻效果有著非常重要的影響。沖擊孔造型，一般先在 隔肋表面選取定位點，W定位點為基準創(chuàng)建草圖輪廓，將該草圖輪廓沿隔肋面法矢方向拉 伸成沖擊孔工具體，最后用隔肋實體減去沖擊孔工具體，得到沖擊孔，上述葉片相關結構見 圖2a和圖化。為了加速沖擊孔設計，一般會將沖擊孔工具體直線陣列，再與隔肋實體分別做 布爾減，快速創(chuàng)建多個沖擊孔。
[0005] 但在實際用途中，通過上述方法形成的沖擊孔存在一些不足：
[0006] (1)沖擊孔輪廓拉伸方向采用隔肋面法矢，只能適應直型隔肋，不能適應彎扭隔 肋。
[0007] (2)沖擊孔只能沿直線分布，設計缺乏靈活性。 【
【發(fā)明內容】
】
[000引針對現有技術中存在的問題，本發(fā)明提出一種滿輪葉片沖擊孔參數化造型方法， 通過在UG化nigra地ics，交互式計算機輔助設計與計算機輔助制造系統(tǒng)）中計算彎扭隔肋 曲面不同位置的法矢來給定沖擊孔輪廓拉伸方向，并采用樣條曲線與基準面截交的方式來 定位沖擊孔位置，增大了沖擊孔設計的靈活性。
[0009] 本發(fā)明一種滿輪葉片沖擊孔參數化造型方法，具體通過下述步驟實現：
[0010] 步驟1:在UG中導入滿輪葉片外型實體文件；
[0011] 打開UG中建模模塊，導入存在的滿輪葉片外型;使UG絕對坐標系0(x，y，Z)中原點0 位于滿輪發(fā)動機的軸線上，Z軸正向位于葉高方向，X軸正向為沿發(fā)動機中屯、線從前向后方 向，Y軸正向按右手直角坐標系確定；
[0012] 步驟2:選取要創(chuàng)建沖擊孔的隔肋曲面，并在隔肋曲面上縱向由上至下或由下至上 依次選取11個基準點，2《]1，則第1個基準點坐標為91(卻1，7。1向〇;
[0013] 步驟3:將η個基準點插值生成一條樣條曲線，并向隔肋曲面做投影，獲得一條投影 曲線So;
[0014] 步驟4:創(chuàng)建沖擊孔定位參考基準面；
[0015]計算步驟3創(chuàng)建的投影曲線So的端點，取Z值大的端點為化(XI，yi，zi)。過化(XI，yi, Z1)點做垂直于Z坐標軸的基準面XOiY; WXOiY為參考向下做等距基準面XOiY，間距為S，數目 為m-1;即步驟4共創(chuàng)建m個垂直于Z坐標軸的基準面，任意兩個相鄰基準面間距為S，基準面 按照Z坐標由大到小第i個基準面為XOiY。完成步驟4后，UG自動生成等距間距的表達式P1與 等距面數目的表達式P2;
[0016]步驟5:創(chuàng)建沖擊孔定位參考點；
[0017]將基準面XOiY與投影曲線S日相交，得交點0如。1，7。1心1)，〇1即沖擊孔定位參考點， 化見圖5。下面分別對化執(zhí)行步驟6至步驟8;
[0018] 步驟6:創(chuàng)建沖擊孔輪廓草圖承載基準面與拉伸基準軸；
[0019] 計算隔肋曲面在點〇1處的單位法矢為基點，;5：為面法矢，創(chuàng)建沖擊孔輪廓 草圖承載基準面SD化；W化為始點，；?：方向矢量，創(chuàng)建沖擊孔拉伸基準軸DOi;
[0020] 步驟7:創(chuàng)建沖擊孔輪廓草圖；
[0021] 將隔肋曲面上的投影曲線So向基準面SD化投影，獲得投影曲線Si，點化必位于Si上， 求曲線Si在點化處的切矢?;在基準面SD化內部創(chuàng)建草圖SKi，將曲線Si加入到草圖SKi，并在 草圖內創(chuàng)建一個同時包含定形參數和定位參數的跑道形截面線線框;其中定形參數為跑道 寬度W與跑道徑向長度1，參數需要滿足w>0，l>w;定位參數為基準點〇1位置，需要使基準 點化位置位于跑道形輪廓中屯、，且使跑道輪廓徑向中屯、線平行于矢量皆。
[0022] 在步驟7中，當創(chuàng)建跑道輪廓完畢后，UG自動生成跑道寬度W的表達式P3i與跑道徑 向長度1的表達式P4i;
[0023] 步驟8:拉伸沖擊孔工具實體；
[0024] W草圖SKi為輪廓，為拉伸基準軸，分別向輪廓兩側拉伸長度h，獲取沖擊孔拉 伸工具實體。
[0025] 步驟9:將步驟8中創(chuàng)建的工具實體與葉片外型進行布爾求差運算，得到新的帶有 一組沖擊孔的葉片外型實體。通過步驟2-9,可W獲得一組沖擊孔，個數m個，位置與沖擊孔 定位參考點對應；同時獲得等距參數S，等距面?zhèn)€數m，沖擊孔草圖定形參數1與W的表達式。 通過調整1與W的值，可W修改沖擊孔輪廓，修改S與m，可W修改該組沖擊孔數目與排列分 布。
[00%] 步驟10:返回步驟2,進行下一組沖擊孔的生成;通過步驟2-10,可W獲得帶有k組 沖擊孔的滿輪葉片。
[0027]通過上述方法可實現沖擊孔形狀參數W與1，陣列參數S和m的完全參數化，即由UG 生成表達式，通過更改表達式的值，直接驅動沖擊孔的修改。
[002引所述m的取值范圍為的取值范圍為:s>l;h的取值范圍為:h>0。
[0029] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0030] (1)本發(fā)明能夠為滿輪葉片提供靈活的沖擊孔造型方式，優(yōu)化滿輪葉片沖擊孔布 置，從而精細沖擊氣流的流動，達到更好的冷卻效果；
[0031] (2)本發(fā)明給出了沖擊孔的完全參數化造型方法，能夠快速準確的進行跑道形沖 擊孔造型設計，且方便后續(xù)更改，增加了葉片設計的自動化程度，縮短滿輪葉片研發(fā)周期， 為其他冷卻結構的參數化造型提供了參考。 【【附圖說明】】
[0032] 圖1為氣流在滿輪葉片腔內的流動示意圖。
[0033] 圖2a為帶有直隔肋與跑道形沖擊孔的葉片葉身。
[0034] 圖化為跑道形沖擊孔工具體示意圖。
[0035] 圖3為滿輪葉片沖擊孔參數化造型方法流程圖。
[0036] 圖4為帶有彎扭隔肋的滿輪葉片
[0037] 圖5為本發(fā)明的沖擊孔生成過程中定位參考基準面示意圖。
[0038] 圖6為本發(fā)明的沖擊孔輪廓草圖創(chuàng)建示意圖。
[0039] 圖7a為采用本發(fā)明方法創(chuàng)建一組沖擊孔的彎扭隔肋。
[0040] 圖7b為采用本發(fā)明方法創(chuàng)建一組沖擊孔的復合彎扭葉片葉身。
[0041] 圖8a為采用本發(fā)明方法創(chuàng)建兩組沖擊孔的彎扭隔肋。
[0042] 圖8b為采用本發(fā)明方法創(chuàng)建兩組沖擊孔的復合彎扭葉片葉身。
[0043] 圖中標號說明如下：
[0044] 1.氣膜孔2.沖擊孔3.排氣孔4.隔肋5.尾縫
[0045] 6.冷氣7.直型隔肋8.直型隔肋曲面法矢9.葉片葉身
[0046] 10.彎扭隔肋11.投影曲線So 【【具體實施方式】】
[0047] 下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0048] 本發(fā)明滿輪葉片沖擊孔2參數化造型方法，基于UG環(huán)境，通過下述步驟實現，如圖3 所示：
[0049] 步驟1:啟動UG，導入滿輪葉片外型文件；
[0050] 打開UG中建模模塊，導入存在的滿輪葉片外型;使UG絕對坐標系0(x，y，Z)中原點0 位于滿輪發(fā)動機的軸線上，Z軸正向位于葉高方向，X軸正向為沿發(fā)動機中屯、線從前向后方 向，Y軸正向按右手直角坐標系確定。導入的滿輪葉片模型及其坐標系如圖4所示。
[0051] 步驟2:選取要創(chuàng)建沖擊孔2的隔肋曲面，并在隔肋曲面上縱向由上至下或由下至 上依次選取11個基準點，2《]1，則第1個基準點坐標為91(卻1，7。1而〇。此處取]1 = 6,91(-1.85， 7.65,304.87)，P2(-2.69,7.67,299.91)，P3(-3.10,7.53,294.85)，P4(-3.07,7.12， 289.74)，P5(-2.67，6.17，284.72)，p6(-l.47，3.83，278.00)。
[0052] 步驟3:將η個基準點插值生成一條樣條曲線，并向隔肋曲面做投影，獲得一條投影 曲線Soil,見圖5.
[0053] 步驟4:創(chuàng)建沖擊孔2定位參考基準面；
[0054] 計算步驟3創(chuàng)建的投影曲線Soil的端點，取Z值較大的端點為化（XI，yi，zi)。過化 (xi，yi，zi)點做垂直于Z坐標軸的基準面X0iY;WX0iY為參考向下做等距基準面XOiY，間距為 s，數目為m-1;即本步驟共創(chuàng)建m個垂直于Z坐標軸的基準面，任意兩個相鄰基準面間距為s， 基準面按照Z坐標由大到小第i個基準面為XOiY。完成上述步驟后，UG自動生成等距間距的 表達式P1與等距面數目的表達式P2。此處化(-1.85,7.65,304.87)，s = 5，m = 5。生成表達式 P1 = 5.0，P2 = 5,等距面的創(chuàng)建可見圖5。
[0055] 步驟5:創(chuàng)建沖擊孔2定位參考點；
[0056] 將基準面XOiY與投影曲線So相交，得交點0l(x。l，y。l，z。l)，0l即沖擊孔2定位參考 點，Oi 見圖 5。此處，計算得0(-I .85, 7.65, ：， W-2.W.7.(，7,2W.87) :，〇3 (-3. 10,7.52， 294.87)，〇4(-3.08，7.14，289.87)，〇5(-2.67，6.21，284.87)。下面分別對Oi執(zhí)行步驟6至步 驟9。
[0057] 步驟6:創(chuàng)建沖擊孔輪廓草圖承載基準面與拉伸基準軸；
[0化引計算隔肋曲面在點化處的單位法矢化為基點，馬為面法矢，創(chuàng)建沖擊孔輪廓 草圖承載基準面SD化；W化為始點，每方向矢量，創(chuàng)建沖擊孔拉伸基準軸DOi。此處計算得到 η, =(0.978127, -0.0(10019, -0.208009) , ^ = (0.992407, -0.000018, -0.122995), ,7 =((1.999252, -(1.000017. -0.038659), /7 = (0.999063, -0.000017, 0.043280), 兩= (().9跑606, -0.()0()017, 0.12Π8])。
[0059] 步驟7:創(chuàng)建沖擊孔輪廓草圖；
[0060] 將隔肋曲面上的投影曲線So向基準面SD化投影，獲得投影曲線Si，點化必位于Si上， 求曲線Si在點化處的切矢在基準面SD化內部創(chuàng)建草圖SKi，將曲線Si加入到草圖SKi，并在 草圖內創(chuàng)建一個同時包含定形參數和定位參數的跑道形截面線線框;其中定形參數為跑道 寬度W與跑道徑向長度1，參數需要滿足w>0，l>w;定位參數為基準點〇1位置，需要使基準 點化位置位于跑道形輪廓中屯、，且使跑道輪廓徑向中屯、線平行于矢量i。沖擊孔草圖輪廓如 圖6所示。
[0061 ]此步驟中，互-(0.208009, 0.000(胤)，化978! 27)，與-（0.122995,化00000(). 0.992407)， = (0.(巧％59, 0.000()0化化99925引，二(0.005507、0.0()00()0,0.99 少λ85)， = (-0.059248,化000000,化998243)，取值w=0.8，1 = 1.7。
[0062] 在步驟7中，當創(chuàng)建跑道輪廓完畢后，UG自動生成跑道寬度W的表達式P3i與跑道徑 向長度1的表達式P4i。實例中，P3i = 0.8，P4i = 1.7。
[0063] 步驟8:拉伸沖擊孔工具實體；
[0064] W草圖SKi為輪廓，W ??：為拉伸基準軸，分別向輪廓兩側拉伸長度h，獲取沖擊孔拉 伸工具實體，同時獲得拉伸長度h的表達式P5。此處取值h = 3.0，P5 = 3.0。
[0065] 步驟9:將步驟8中創(chuàng)建的工具實體與葉片外型進行布爾求差運算，得到新的帶有 一組沖擊孔的葉片外型實體。通過上述步驟，可W獲得一組沖擊孔，個數m個，位置與沖擊孔 定位參考點對應；同時獲得等距參數S，等距面?zhèn)€數m，沖擊孔草圖定形參數1與W的表達式。 通過調整1與W的值，可W修改沖擊孔輪廓，修改S與m，可W修改該組沖擊孔數目與排列分 布。步驟9生成的沖擊孔見圖7a和圖化。
[0066] 步驟10:返回步驟2,進行下一組沖擊孔的生成;通過上述步驟，可W獲得帶有k組 沖擊孔的滿輪葉片。如圖8a和圖8b所示，為帶有2組沖擊孔的彎扭隔肋10及滿輪葉片9。
【主權項】
1. 一種渦輪葉片沖擊孔參數化造型方法，其特征在于，具體通過下述步驟實現： 步驟1:在UG中導入渦輪葉片外型實體文件； 步驟2:選取要創(chuàng)建沖擊孔的隔肋曲面，并在隔肋曲面上縱向由上至下或由下至上依次 選取11個基準點，2彡11，則第;[個基準點坐標為口心1^，71^，21^) ; 步驟3:將η個基準點插值生成一條樣條曲線，并向隔肋曲面做投影，獲得一條投影曲線 So； 步驟4:創(chuàng)建沖擊孔定位參考基準面； 步驟5:創(chuàng)建沖擊孔定位參考點； 步驟6:創(chuàng)建沖擊孔輪廓草圖承載基準面與拉伸基準軸； 步驟7:創(chuàng)建沖擊孔輪廓草圖； 步驟8:拉伸沖擊孔工具實體； 步驟9:將步驟8中創(chuàng)建的工具實體與葉片外型進行布爾求差運算，得到新的帶有一組 沖擊孔的葉片外型實體； 步驟10:返回步驟2,進行下一組沖擊孔的生成;通過步驟2-10,獲得帶有k組沖擊孔的 渦輪葉片。2. 根據權利要求1所述的一種渦輪葉片沖擊孔參數化造型方法，其特征在于:在步驟1 中，打開UG中建模模塊，導入存在的渦輪葉片外型；使UG絕對坐標系0(x，y，z)中原點0位于 渦輪發(fā)動機的軸線上，Z軸正向位于葉高方向，X軸正向為沿發(fā)動機中心線從前向后方向，Y 軸正向按右手直角坐標系確定。3. 根據權利要求1所述的一種渦輪葉片沖擊孔參數化造型方法，其特征在于:在步驟4 中，計算步驟3創(chuàng)建的投影曲線So的端點，取z值大的端點為Oi (XI，y 1，zi);過Oi (XI，y 1，zi)點 做垂直于Z坐標軸的基準面X(hY;以X(hY為參考向下做等距基準面XOiY，間距為s，數目為m-1;即步驟4共創(chuàng)建m個垂直于Z坐標軸的基準面，任意兩個相鄰基準面間距為s，基準面按照Z 坐標由大到小第i個基準面為X0J;完成步驟4后，UG自動生成等距間距的表達式P1與等距 面數目的表達式P2。4. 根據權利要求1所述的一種渦輪葉片沖擊孔參數化造型方法，其特征在于:在步驟5 中，將基準面X0J與投影曲線So相交，得交點(^(^+^"辦即沖擊孔定位參考點^面 分別對⑴執(zhí)行步驟6至步驟8。5. 根據權利要求1所述的一種渦輪葉片沖擊孔參數化造型方法，其特征在于:在步驟6 中，計算隔肋曲面在點⑴處的單位法矢以⑴為基點，$為面法矢，創(chuàng)建沖擊孔輪廓草圖承 載基準面SDOi;以Oi為始點，；ζ方向矢量，創(chuàng)建沖擊孔拉伸基準軸DOi。6. 根據權利要求1所述的一種渦輪葉片沖擊孔參數化造型方法，其特征在于:在步驟7 中，將隔肋曲面上的投影曲線So向基準面SDOi投影，獲得投影曲線5 1，點⑴必位于Si，求曲 線Si在點Oi處的切矢&在基準面SDOi內部創(chuàng)建草圖SKi，將曲線Si加入到草圖SKi，并在草圖 內創(chuàng)建一個同時包含定形參數和定位參數的跑道形截面線線框;其中定形參數為跑道寬度 w與跑道徑向長度1，參數需要滿足w>0，l>w;定位參數為基準點Oi位置，需要使基準點Oi位 置位于跑道形輪廓中心，且使跑道輪廓徑向中心線平行于矢量$。7. 根據權利要求1所述的一種渦輪葉片沖擊孔參數化造型方法，其特征在于:在步驟7 中，當創(chuàng)建跑道輪廓完畢后，UG自動生成跑道寬度w的表達式P3i與跑道徑向長度1的表達式 P4i〇8. 根據權利要求1所述的一種渦輪葉片沖擊孔參數化造型方法，其特征在于:在步驟8 中，以草圖SI為輪廓，以^為拉伸基準軸，分別向輪廓兩側拉伸長度h，獲取沖擊孔拉伸工具 實體。9. 根據權利要求1所述的一種渦輪葉片沖擊孔參數化造型方法，其特征在于:在步驟9 中，通過步驟2-9，獲得一組沖擊孔，個數m個，位置與沖擊孔定位參考點對應;同時獲得等距 參數s，等距面?zhèn)€數m，沖擊孔草圖定形參數1與w的表達式;通過調整1與w的值，修改沖擊孔 輪廓，修改s與m，修改該組沖擊孔數目與排列分布。10. 根據權利要求3或8或9所述的一種渦輪葉片沖擊孔參數化造型方法，其特征在于： 所述m的取值范圍為1;所述s的取值范圍為s > 1;所述參數h的取值范圍為h > 0。
【文檔編號】F01D5/18GK105927287SQ201610258283
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月22日
【發(fā)明人】席平, 李吉星, 胡畢富, 王添
【申請人】北京航空航天大學