一种带叶尖小翼的叶片设计方法及系统与流程

1.本发明属于叶尖小翼设计技术领域，特别涉及一种带叶尖小翼的叶片设计方法及系统。


背景技术：

2.涡轮是燃气涡轮发动机动力装置的核心部件之一，是将高温、高压燃气的能量转变为动能和机械能的叶轮机械。高温、高压燃气从涡轮进口流经导向叶片排转弯膨胀，将燃气压力势能转换成燃气动能，高速燃气通过工作叶片排发出了机械功，并由燃气涡轮轴提供给压气机进行空气压缩。涡轮设计的优劣决定了发动机整体设计水平，其发展水平对航空发动机的研制有着至关重要的作用。
3.在涡轮的实际流动过程中，叶尖泄漏流动具有强三维、强剪切和非定常等特征。涡轮叶尖间隙内气体的流动会导致气流对涡轮的做功减小，尤其是动叶叶尖部位，进入叶尖间隙的气流并未受涡轮工作叶片的作用而发生转折，流经叶尖间隙内气流的轮缘功几乎为零。由于涡轮叶尖存在着叶尖间隙，一部分高温气体会从涡轮的压力侧流向涡轮的吸力侧。这会造成涡轮的空气动力学损失和涡轮叶尖的传热系数猛增。研究发现叶尖泄漏损失占整个气动损失的1/3，而且还会发生涡轮叶尖的烧蚀。具体地，气流在叶尖间隙内会引发各种流动损失，其中包括气流绕过叶片压力面后形成分离泡所造成的分离损失；来自叶尖压力面侧不同区域的泄漏流在间隙中发生掺混而形成的损失；叶尖间隙中的气流与叶顶表面、外机匣内壁面摩擦产生的摩擦损失；泄漏流从叶片吸力面侧流入到叶片通道后，受通道中切向逆压力梯度以及吸力面侧附面层径向移动的影响而形成的泄漏涡造成的损失；泄漏涡流向下游时，与通道涡相互掺混造成的损失等。气流在涡轮叶尖间隙内流动还会减小流道的有效流通面积，泄漏涡的产生阻碍了主流在流道内的流动，使得流道的实际流通面积小于理论值；泄漏流还会改变下游叶栅进口气动条件，特别在叶片的叶尖附近，叶尖泄漏流使得叶片下游的叶栅进口气动参数分布更加不均匀。
4.将叶尖小翼技术应用于叶轮机械的叶片中，源于飞机翼尖小翼成功用于控制翼尖涡，降低飞机诱导阻力的启发。在转子叶片顶部増设一定形状和厚度的控制叶片后，加宽了叶尖厚度，将有助于削弱泄漏流，降低泄漏损失，从而提高祸轮效率。虽然叶轮机械动叶中间隙流动所形成的间隙涡与飞机机翼所形成的翼尖涡有相似的产生机理，但发动机动叶间隙内流动的流场复杂性要大的多。从上世纪八十年代开始展开涡轮叶尖小翼研究，大量研究显示涡轮叶尖小翼能减少叶顶泄漏损失，提高涡轮气动效率并能有效改善叶片叶顶的换热条件。
5.现有的设计方法所生成的带叶尖小翼结构的涡轮叶片存在结构简单，几何形状变化小的缺点，且无法通过调整参数实现小翼几何结构的精细化控制。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明提供一种带叶尖小翼的叶片设计方法及系统，采用了参数
化造型的设计思路，仅需对部分参数进行调整即可对叶尖小翼结构进行造型，实现小翼几何结构的精细化控制。
7.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
8.一种带叶尖小翼的叶片设计方法，包括以下步骤：
9.沿叶片径向确定回转面，取回转面的轮廓曲线作为作为叶尖小翼的起始叶型；
10.选定起始叶型的周向参数，确定叶尖小翼的周向控制曲线，将起始叶型进行周向偏移，获得叶尖小翼的初始平面曲线；
11.确定叶尖小翼的径向控制曲线，由所述初始平面曲线根据周向控制曲线和径向控制曲线生成叶尖小翼的侧面曲面；
12.补齐叶顶曲面，得到带叶尖小翼的叶片。
13.优选地，所述选定起始叶型的周向参数包括：以中弧线为基准将起始叶型分为吸力面和压力面，分别选定吸力面和压力面的周向参数。
14.优选地，所述周向控制曲线为叶尖小翼宽度沿起始叶型的数值变化规律。
15.优选地，所述径向控制曲线为叶尖小翼宽度沿叶片径向的数值变化规律。
16.优选地，所述周向参数包括小翼起始点、小翼前部控制系数、小翼后部控制系数、小翼终止点、小翼宽度；所述径向参数包括小翼起始高度。
17.优选地，所述选定起始叶型的周向参数包括：
18.以起始叶型的前缘和尾缘之间曲线长度为1进行换算，沿起始叶型进行取点，获得所述周向参数对应的位点。
19.优选地，所述小翼宽度为叶尖小翼沿叶片周向的宽度。
20.一种带叶尖小翼的叶片设计系统，包括
21.起始叶型生成模块，用于沿叶片径向确定回转面，取回转面的轮廓曲线作为作为叶尖小翼的起始叶型；
22.周向偏移模块，用于选定起始叶型的周向参数，确定叶尖小翼的周向控制曲线，将起始叶型进行周向偏移，获得叶尖小翼的初始平面曲线；
23.侧面曲面生成模块，用于确定叶尖小翼的径向控制曲线，由所述初始平面曲线根据周向控制曲线和径向控制曲线生成叶尖小翼的侧面曲面；
24.补齐模块，用于补齐叶顶曲面，得到带叶尖小翼的叶片。
25.优选地，所述周向偏移模块，用于选定起始叶型的周向参数包括：以中弧线为基准将起始叶型分为吸力面和压力面，分别选定吸力面和压力面的周向参数。
26.优选地，所述侧面曲面生成模块中，所述周向控制曲线为叶尖小翼宽度沿起始叶型的数值变化规律；所述径向控制曲线为叶尖小翼宽度沿叶片径向的数值变化规律。
27.优选地，所述周向参数包括小翼起始点、小翼前部控制系数、小翼后部控制系数、小翼终止点、小翼宽度；所述径向参数包括小翼起始高度。
28.优选地，所述选定起始叶型的周向参数包括：以起始叶型的前缘和尾缘之间曲线长度为1进行换算，沿起始叶型进行取点，获得所述周向参数对应的位点；所述小翼宽度为叶尖小翼沿叶片周向的宽度；所述小翼起始高度为叶尖小翼在叶片径向变化的起始高度。
29.本发明技术方案具有以下有益效果：本发明叶片设计方法或系统采用了参数化造型的设计思路，仅需对部分参数进行调整即可对叶尖小翼结构进行造型，并以尽量少的设
计参数生成几何结构合理、可变性较大的叶尖小翼叶型，通过调整造型参数能够实现自动构建小翼结构模型，实现小翼几何结构的精细化控制，同时能够保证叶尖小翼与叶身连接处的连续光顺；应用到燃气涡轮工作叶片的制造中，能够有效避免燃气涡轮工作叶片存在叶尖泄漏损失过大、而且容易发生涡轮叶尖烧蚀的现象的问题。
30.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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他的附图。
32.图1示出了压力面叶尖小翼各项造型参数示意图；
33.图2示出了本发明实施例叶尖小翼的起始叶型；
34.图3示出了本发明实施例叶尖小翼的起始叶型的吸力面和压力面示意图；
35.图4示出了本发明实施例的叶尖小翼周向控制曲线；
36.图5示出了本发明实施例的叶尖小翼的初始平面曲线；
37.图6示出了本发明实施例的叶尖小翼径向控制曲线；
38.图7示出了本发明实施例的叶尖小翼的侧面曲面。
具体实施方式
39.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.一种带叶尖小翼的叶片设计方法，示例性地用于涡轮叶片的设计，包括以下步骤：
41.如图2所示，沿叶片径向确定回转面，取回转面的轮廓曲线作为作为叶尖小翼的起始叶型，以起始叶型的中弧线为基准将起始叶型分为吸力面和压力面，分别选定吸力面和压力面的周向参数，以便于对吸力面压力面叶尖小翼进行单独控制，如图3所示，图中凹面为压力面，凸面为吸力面；
42.选定起始叶型的周向参数，确定叶尖小翼的周向控制曲线，其中，周向控制曲线为叶尖小翼宽度沿起始叶型的数值变化规律，即以叶型单侧由前缘至尾缘的相对位置为横坐标、以小翼宽度为纵坐标的曲线图，如图4所示，图中的a、d两点即为小翼的起始和终止点，示例性地，b、c两点为小翼有效宽度的起始和终止点，b、c两点所在直线的高度即为小翼的绝对宽度；在起始叶型通过控制叶尖小翼的周向参数值以达到控制起始叶型的叶型曲线沿叶型周向变化的规律，分别对起始叶型的压力面和吸力面两条曲线进行周向偏移(周向和轴向的设置如图1所示)，获得叶尖小翼的初始平面曲线，如图5所示；
43.确定叶尖小翼的径向控制曲线，由所述初始平面曲线根据周向控制曲线和径向控
制曲线生成叶尖小翼的侧面曲面；其中，径向控制曲线为叶尖小翼宽度沿叶片径向的数值变化规律，即以叶片径向相对高度为横坐标、以小翼宽度为纵坐标的曲线图，用以控制叶尖小翼的各周向参数沿径向叶高方向的发展规律，如图6所示，示例性地，采用压力面小翼起始高度作为叶尖小翼由初始叶型沿径向向叶尖发展的相对高度，取值范围为0～1，确定好起始高度之后，采用径向控制曲线控制小翼的宽度分布，确保整个叶尖小翼在叶高方向的宽度分布连续光顺，其中a点即为压力面小翼起始高度。叶片径向即垂直于起始叶型的方向，与叶片周向和叶片周向共同构成三维空间坐标体系；
44.补齐叶顶曲面，得到带叶尖小翼的涡轮叶片。
45.进一步地，如图1所示，径向参数包括小翼起始高度，小翼起始高度为叶尖小翼在叶片径向变化的起始高度；所述周向参数包括小翼起始点、小翼前部控制系数、小翼后部控制系数、小翼终止点、小翼宽度(小翼宽度为叶尖小翼沿叶片周向扩展的距离)、小翼有效宽度起止点(小翼有效宽度起始点和终止点)和小翼长度，其中需要设定的参数为小翼起始点、小翼前部控制系数、小翼后部控制系数、小翼终止点、小翼宽度，小翼有效宽度起止点和小翼长度为辅助参数，不需要人为设定，但在造型过程中可辅助确定小翼的其它参数，表1为叶尖小翼于压力面及吸力面的周向参数。具体地，通过确定叶尖小翼起始终止点来确定叶尖小翼在叶片上分布的长度；叶尖小翼宽度分成有效宽度部分和非有效宽度两部分，有效宽度部分为叶尖小翼宽度与设定的宽度相同的部分，剩下的部分即原始叶型曲线(即起始叶型)向叶尖小翼最大宽度过渡的部分(即过渡曲线)，该部分的实际宽度要小于设定的小翼宽度；接下来通过采用小翼前部控制系数和后部控制系数来控制过渡曲线的发展，该参数能确定叶尖小翼前、后部分非有效宽度的占比，进而得到叶尖小翼宽度起始点、小翼宽度终止点的位置。确定好叶尖小翼宽度起始点、小翼宽度终止点和小翼有效宽度起止点后，分别将小翼宽度起始点与小翼有效宽度起始点、小翼宽度终止点与小翼有效宽度终止点相连接，即可以得到小翼最大宽度与原始平面叶型的完整曲线。通过调整小翼前部、后部控制系数的大小，可达到控制曲线过渡形状的效果。
46.进一步地，选定起始叶型周向参数的过程中，由于叶尖小翼起始叶型的压力面和吸力面参数化造型(即选定压力面和吸力面的周向参数)所采用的方法一致，示例性地以压力面的叶尖小翼参数化造型过程为例进行详细说明，如图1所示：以起始叶型前缘和尾缘之间曲线长度为1进行换算，即起始叶型上的点由叶片前缘至尾缘的相对位置由0变化至1，在起始叶型上沿叶型曲线进行取点，获得所述周向参数对应的位点。这样做的目的是简化参数，并且能更加直观的了解所选点在叶型的相对位置，两侧叶尖小翼的起始和终止点均由该方法选取；在对叶尖小翼宽度进行定义时，则选取叶尖小翼的实际宽度作为其宽度的控制参数，即参数化造型中的叶尖小翼宽度与叶尖小翼的几何宽度一致。
47.叶尖小翼选定起始叶型各项参数的过程(参数化造型过程)主要分为两个部分：叶尖小翼周向造型和叶尖小翼径向造型，本发明使用了叶型曲线相对位置和叶片周向绝对宽度结合的造型方法，简化参数，并且能更加直观的了解所选点在叶片的相对位置。
48.表1叶尖小翼于压力面及吸力面的参数
[0049][0050][0051]
一种带叶尖小翼的叶片设计系统，基于上述带叶尖小翼的叶片设计的方法，包括：
[0052]
起始叶型生成模块，用于沿叶片径向确定回转面，取回转面的轮廓曲线作为作为叶尖小翼的起始叶型；
[0053]
周向偏移模块，用于以中弧线为基准将起始叶型分为吸力面和压力面，分别选定吸力面和压力面的周向参数，确定叶尖小翼的周向控制曲线，将起始叶型进行周向偏移，获得叶尖小翼的初始平面曲线，所述周向控制曲线为叶尖小翼宽度沿起始叶型的数值变化规律；周向参数包括小翼起始点、小翼前部控制系数、小翼后部控制系数、小翼终止点、小翼宽度；
[0054]
侧面曲面生成模块，用于确定叶尖小翼的径向控制曲线，径向参数包括小翼起始高度，由所述初始平面曲线根据周向控制曲线和径向控制曲线生成叶尖小翼的侧面曲面；所述径向控制曲线为叶尖小翼宽度沿叶片径向的数值变化规律；
[0055]
补齐模块，用于补齐叶顶曲面，得到带叶尖小翼的叶片。
[0056]
进一步地，所述选定起始叶型的周向参数包括：以起始叶型前缘和尾缘之间曲线长度为1进行换算，沿起始叶型进行取点，获得所述周向参数对应的位点；所述小翼宽度为叶尖小翼沿叶片周向的宽度。
[0057]
综上所述，本发明叶片设计方法或系统采用了参数化造型的设计思路，仅需对部分参数进行调整即可对叶尖小翼结构进行造型，并以尽量少的设计参数生成几何结构合理、可变性较大的叶尖小翼叶型，通过调整造型参数能够实现自动构建小翼结构模型，实现小翼几何结构的精细化控制，同时能够保证叶尖小翼与叶身连接处的连续光顺；应用到燃气涡轮工作叶片的制造中，能够有效避免燃气涡轮工作叶片存在叶尖泄漏损失过大、而且容易发生涡轮叶尖烧蚀的现象的问题，本发明方法设计的带叶尖小翼结构燃气涡轮工作叶片能有效降低叶尖间隙内的泄漏流，从而提升涡轮效率。
[0058]
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。