叶轮机叶片的生产坐标的生成方法和装置与流程

本发明一般地涉及叶轮机械加工领域，尤其涉及叶轮机叶片的生产坐标的生成方法。

背景技术：

在进行叶轮机叶片气动设计时，通常考核设计工况下叶片的气动特性，即在承受热负荷和气动负荷时叶片的气动性能，此时设计出的叶片形状称之为热态叶型。叶轮机械在不运转时即无热负荷和气动负荷时的叶片形状称之为冷态叶型。由于热负荷和气动负荷的作用，叶片会产生一定的形变，热态叶型与叶轮机不运转时的冷态叶型存在差异，这种差异在高压比高负荷的叶轮机叶片(如多级轴流压气机)中更加显著。

实践中，在生产加工时用到的生产叶型是在没有热负荷和气动负荷条件下的冷态叶型，一般是应用有限元计算软件基于热态叶型计算得到冷态叶型。即，首先考虑了气动力载荷、离心载荷(转子)和热载荷设计出热态叶型，再从设计好的热态叶片计算出无载荷时的冷态叶片，此过程称为叶片的冷热转换。但是，通过冷热转换直接得到的冷态叶型点分布规律不统一、排列形式也是杂乱无章的，结构无法建模且不能满足加工的需求。

传统的生产叶型输出方法通过叶片造型与有限元计算后的冷态叶型进行迭代，具体为冷热计算时给出冷热态叶型主要造型参数之间的差异，如扭转角，径向或轴向位置等，气动专业根据变化量得到新的叶片造型的输入参数，通过叶片造型得到新的叶型，然后比较新叶型与有限元点的差异，修正叶片造型输入参数，进行迭代，直到造型后叶型与计算后冷态叶型的差异收敛至满足工程需求。但冷热计算后给出的变化量值是一种近似，无法得到叶片造型时所有造型参数的准确值，这些使得迭代次数和迭代耗时增加，这种迭代有时甚至无法收敛。如果碰到处理多级压气机冷态叶型的工作，工作量成倍增加。

因此本领域需要突破传统生产叶型输出方法，能简单快捷地输出用于叶片生产的高精度叶型数据。

技术实现要素：

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

根据本发明的一方面，提供了一种叶轮机叶片的生产坐标的生成方法，包括：

获取该叶轮机叶片的冷态叶型数据点集，该冷态叶型数据点集是通过冷热计算从热态叶型得到的；

对该冷态叶型数据点集中的冷态数据点进行排序，排序后的冷态数据点分布于沿该叶轮机叶片的叶高方向从叶根到叶尖的多个非等高截面，每个非等高截面上的冷态数据点沿截面边缘依次排列；以及

基于排序后的冷态数据点在沿该叶轮机叶片的叶高方向从叶根到叶尖的多个等高截面上进行插值，以获得分布于多个等高截面上的生产坐标数据点的集合。

在一实例中，该对该冷态叶型数据点集中的冷态数据点进行排序包括基于冷态数据点在叶高方向上的坐标值进行排序，叶高方向上的坐标值差异小于预设的叶高阈值的冷态数据点被排在一个非等高截面内。

在一实例中，该对该冷态叶型数据点集中的冷态数据点进行排序还包括基于冷态数据点之间的距离对每个非等高截面内的冷态数据点进行排序，其中相互之间距离最近的两个冷态数据点被表征为相邻的两个冷态数据点。

在一实例中，该对该冷态叶型数据点集中的冷态数据点进行排序还包括基于冷态数据点构成的向量之间的向量夹角来对每个非等高截面内的冷态数据点进行排序，其中经排序的一冷态数据点和紧邻的在前冷态数据点构成的向量与其和紧邻的在后冷态数据点构成的向量之间的向量夹角小于预设的夹角阈值。

在一实例中，该基于排序后的冷态数据点在沿该叶轮机叶片的叶高方向从叶根到叶尖的多个等高截面上进行插值包括：

对每个非等高截面上的冷态数据点进行插值处理以增加位于截面前缘和尾缘位置处的冷态数据点的密度；以及

基于加密后的冷态数据点在沿该叶轮机叶片的叶高方向从叶根到叶尖的多个等高截面上进行插值，以获得分布于多个等高截面上的该生产坐标数据点的集合。

在一实例中，采用弧长累加法对每个非等高截面上的冷态数据点进行插值处理。

在一实例中，该基于排序后的冷态数据点在沿该叶轮机叶片的叶高方向从叶根到叶尖的多个等高截面上进行插值包括：

滤除位于该叶轮机叶片的端区倒圆位置的冷态数据点；

基于滤除后的冷态数据点在沿该叶轮机叶片的叶高方向从叶根到叶尖的多个等高截面上进行插值，以获得分布于多个等高截面上的该生产坐标数据点的集合，其中位于该叶轮机叶片的端区倒圆位置的生产坐标数据点是通过外插得到的。

在一实例中，端区倒圆位置的生产坐标数据点是通过线性外插得到的，以及非端区倒圆位置的生成坐标数据点是通过三次样条内插得到的。

在一实例中，该方法还包括：

以该叶轮机叶片的热态叶型为基叶型对端区倒圆位置处基于外插得到的生产坐标数据点的端区叶型进行拟合以得到端区倒圆位置的光滑叶型部分；以及

用该光滑叶型部分替代该生产坐标数据点的集合当中位于端区倒圆位置处的生产坐标数据点，以获得经优化的生产坐标数据点的集合。

在一实例中，采用最小二乘法执行该拟合。

根据本发明的另一方面，提供了一种叶轮机叶片的生产坐标的生成装置，包括：

获取模块，用于获取该叶轮机叶片的冷态叶型数据点集，该冷态叶型数据点集是通过冷热计算从热态叶型得到的；

排序模块，用于对该冷态叶型数据点集中的冷态数据点进行排序，排序后的冷态数据点分布于沿该叶轮机叶片的叶高方向从叶根到叶尖的多个非等高截面，每个非等高截面上的冷态数据点沿截面边缘依次排列；以及

插值模块，用于基于排序后的冷态数据点在沿该叶轮机叶片的叶高方向从叶根到叶尖的多个等高截面上进行插值，以获得分布于多个等高截面上的生产坐标数据点的集合。

在一实例中，该排序模块基于冷态数据点在叶高方向上的坐标值进行排序，叶高方向上的坐标值差异小于预设的叶高阈值的冷态数据点被排在一个非等高截面内。

在一实例中，该排序模块进一步基于冷态数据点之间的距离对每个非等高截面内的冷态数据点进行排序，其中相互之间距离最近的两个冷态数据点被表征为相邻的两个冷态数据点。

在一实例中，该排序模块进一步基于冷态数据点构成的向量之间的向量夹角来对每个非等高截面内的冷态数据点进行排序，其中经排序的一冷态数据点和紧邻的在前冷态数据点构成的向量与其和紧邻的在后冷态数据点构成的向量之间的向量夹角小于预设的夹角阈值。

在一实例中，该插值模块进一步用于：

对每个非等高截面上的冷态数据点进行插值处理以增加位于截面前缘和尾缘位置处的冷态数据点的密度；以及

基于加密后的冷态数据点在沿该叶轮机叶片的叶高方向从叶根到叶尖的多个等高截面上进行插值，以获得分布于多个等高截面上的该生产坐标数据点的集合。

在一实例中，该插值模块采用弧长累加法对每个非等高截面上的冷态数据点进行插值处理。

在一实例中，该装置还包括过滤模块，以用于滤除位于该叶轮机叶片的端区倒圆位置的冷态数据点，

其中该插值模块基于滤除后的冷态数据点在沿该叶轮机叶片的叶高方向从叶根到叶尖的多个等高截面上进行插值，以获得分布于多个等高截面上的该生产坐标数据点的集合，其中位于该叶轮机叶片的端区倒圆位置的生产坐标数据点是通过外插得到的。

在一实例中，端区倒圆位置的生产坐标数据点是通过线性外插得到的，以及非端区倒圆位置的生成坐标数据点是通过三次样条内插得到的。

在一实例中，该装置还包括：

拟合模块，用于以该叶轮机叶片的热态叶型为基叶型对端区倒圆位置处基于外插得到的生产坐标数据点的端区叶型进行拟合以得到端区倒圆位置的光滑叶型部分；以及

替换模块，用于用该光滑叶型部分替代该生产坐标数据点的集合当中位于端区倒圆位置处的生产坐标数据点，以获得经优化的生产坐标数据点的集合。

在一实例中，该拟合模块采用最小二乘法执行该拟合。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1是示出了根据本发明的一方面的叶轮机叶片的生产坐标的生成方法的流程图；

图2a-2c是示出了原始冷态叶型数据点及其排列前后的对比示意图；

图3是示出了排序完成后每个截面点排列顺序的示意图；

图4是示出了搜寻点的向量夹角阈值限制的示意图；

图5是示出了搜寻每个截面的前后缘的示意图；

图6是示出了前缘位置经插值后的数据点分布图；

图7是示出了内插等高面生产叶型点的示意图；

图8是示出了插值后叶型与初始等高面生产叶型的示意图；

图9是示出了初始等高面生产叶型与经端区处理后的最终生产叶型的示意图；

图10是示出了冷态数据点与生产叶型模型之间距离差异大于0.01mm的点的分布图；

图11是示出了沿叶高方向冷态数据点与生产叶型偏差图；以及

图12是示出了根据本发明的一方面的叶轮机叶片的生产坐标的生成装置的框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

在本发明中，摒弃了传统的生产叶型输出方法，直接对热冷计算后的冷态叶型进行处理，简单有效地得到满足加工要求的生产坐标。本文中，沿着叶展方向不同截面高度给出满足加工要求的冷态叶片坐标数据点，称为叶片的生产坐标。为此，本发明中首先采用了将无序点排列成满足要求的有序点，更进一步地，在本发明中还去除了根部倒圆的影响。因为在计算叶片从热态转换成冷态过程中，叶片是带有端部倒圆，如转子根部倒圆，静子根尖倒圆等，而在生产加工时是需要由加工方根据倒圆要求重新进行倒圆，为了达成更高精度，需要将冷态叶型处理转换成生产叶型过程中去除端部叶型倒圆的影响。

图1是示出了根据本发明的一方面的叶轮机叶片的生产坐标的生成方法100的流程图。

首先，在步骤101，获取叶轮机叶片的冷态叶型数据点集，这里的冷态叶型数据点集可以是通过冷热计算从热态叶型转换得到的。

这里的术语“获取”可以是直接获取转换后的冷态叶型数据点集，也可以是对热态叶型直接执行转换以得到冷态叶型数据点集。

在步骤102，对冷态叶型数据点进行排序，排序后的冷态数据点分布于沿叶轮机叶片的叶高方向从叶根到叶尖的多个非等高截面，每个非等高截面上的冷态数据点沿截面边缘依次排列。

冷热计算后得到的冷态叶型数据有一定的排布规律，分为多个流面，每个流面上点的数目相同，如图2a所示。但是，在文件中，这些数据点排列顺序是杂乱无章的，如附图2b所示，将点按照前后顺序用线段连接起来可以看出。

排序后的点分成多个非等高截面，每个截面的起始点从前缘开始，按照统一的方向沿截面边缘排列，比如从前缘开始，沿着叶背面至尾缘，经过尾缘沿着叶盆面回到前缘，附图3所示，且叶根至叶高有序排列。

在一实例中，该排序至少基于冷态数据点在叶高方向上的坐标值进行排序，叶高方向上的坐标值差异小于预设的叶高阈值的冷态数据点被排在一个非等高截面内。然后，基于冷态数据点之间的距离对每个非等高截面内的冷态数据点进行排序，其中相互之间距离最近的两个冷态数据点被表征为相邻的两个冷态数据点。较优地，还基于冷态数据点构成的向量之间的向量夹角来对每个非等高截面内的冷态数据点进行排序，其中经排序的一冷态数据点和紧邻的在前冷态数据点构成的向量与其和紧邻的在后冷态数据点构成的向量之间的向量夹角小于预设的夹角阈值。

例如，排序时首先找出点集中某个坐标方向最小的点作为每个流面第一个点(比如，X值最小的点)，然后找出与第一个点距离最小的点作为第二点，为了保证第二个点与第一个点处于同一流面上，可以加上另外一个约束条件，即叶高方向的坐标值差异在某叶高阈值内，该叶高根据冷态叶型点分布的具体情况进行阈值调整。第三个点的找寻还可再遵循一个限制，即除了与第二个点的距离最小，以及与第二点叶高方向坐标值差异在叶高阈值内之外，还要保证第三个点与第二点向量和第一个点与第二个点的向量夹角小于某个夹角阈值，比如，夹角小于60°，如附图4所示。在图中点1和点2已经确定的情况下，如果不限制向量夹角的阈值，可能会搜寻到图中的点4(错误点)，而错过了正确的点3。在确定了每个流面前三个点之后，后续的点按照第三个点的搜寻限制条件，可以一一搜寻确定。在完成一个流面上所有点的搜寻之后，重复以上步骤进行第二个流面的搜寻排序，直到所有截面的点搜寻排序完毕。

排序后每个非等高截面的起始点不一定是前缘点，需要搜寻出前后缘点，方便下一步骤在前后缘处进行加密。搜寻前缘点时，前缘区域总点数是已知的，如附图5前缘共13点，对称分布于前缘点两侧。假设第一个点和相邻的第二点距离L0，计算出其他相邻两点之间的距离L，当出现L是L0某倍率以上时，判断此时的点是刚好不属于前缘区域的点，根据前缘区域总点数可以回推前缘点位置(因为前缘区域的数据点是关于前缘点对称分布的)，从而将每个截面起始点改成前缘点。根据每个截面第一个点叶高方向的数值进行排序，使得第一个截面为叶根，沿高度方向排列累加至最后一个截面为叶尖截面。

在步骤103，对每个非等高截面的上的数据点进行插值，以增加位于截面前缘和尾缘位置处的冷态数据点的密度。

排序好的截面点在前后缘曲率较大的地方点密度不够，分布不均匀，连接的曲线不足够光顺，需要进一步对每个截面进行插值。

在插值时，前后缘曲率较大的地方需要加密。通常有限元计算后的冷态叶型点数在叶盆和叶背面是对称的，找出了每个截面的前缘点也即找出了每个截面的尾缘点，采用弧长累加的方式对每个截面的点进行插值，插值时分别对叶盆和叶背曲线进行插值，插值后将叶盆叶背曲线合并成一条完整的封闭曲线，如图6。由于叶型某X方向可能对于两个Y值，所以采用弧长累加的方式进行插值，每个点对应的累加弧长是前面所有点的弧长之和，所以保证每个点累加弧长值对应唯一的坐标值，可以进行插值。

在步骤104，滤除端区有倒圆的截面点，基于滤除后的冷态数据点在沿叶轮机叶片的叶高方向从叶根到叶尖的多个等高截面上进行插值，以获得分布于多个等高截面上的生产坐标数据点的集合。

插值时，可根据生产坐标叶高数值，将冷态数据点经加密后的叶型插值到若干等高的生产截面上，内部点采用三次样条拟合，两端叶型线性外插，得到初始生产坐标数据。

在进行冷热换算计算时，叶片端区的倒圆对计算结果影响较大，通常计算时叶片带有端区倒圆，转子在叶根处，静子在叶根和叶尖处，但在工厂进行加工时倒圆是根据生产图纸给出的半径值，由工厂进行倒圆生产。因此，生产叶型是无倒圆数据的，需要在生产叶型输出时去除端区倒圆。又由于生产坐标是严格等高面的，即叶型一圈叶高方向的数值是完全相等的，所以在去除端区处于倒圆区域的截面点后，需要根据给定的生产坐标叶高数值，将叶型数据插值到生产截面上。生产坐标叶高在流面点之间的内部点采用三次样条拟合，如图7所示，在流面点之外的两端叶型采用线性外插，得到初始生产坐标数据，如图8所示。

在步骤105：以叶轮机叶片的热态叶型为基叶型对端区倒圆位置处基于外插得到的生产坐标数据点的端区叶型进行拟合以得到端区倒圆位置的光滑叶型部分。

上一步骤中得到的初始生产叶型数据在两端区由于是线性外插的，存在着叶型变形问题，如图9的虚线所示。解决方法是以热态叶型为基叶型，采用例如最小二乘法对外插变形的叶型进行拟合近似，得到光滑的端区叶型。

作为示例，热态叶型最小二乘拟合变形叶型的方法如下：

变形叶型截面为目标截面：(Xm，Ym，Zm)

热态叶型为基叶型：(Xb，Yb，Zb)

构造新的叶型：(Xn，Yn，Zn)，令：

Xn＝a1*Xb+b1*Yb+c1*Zb+d1

Yn＝a2*Xb+b2*Yb+c2*Zb+d2

Zn＝a3*Xb+b3*Yb+c3*Zb+d3

构造偏差方程：

Pi＝((Xn-Xm)^2+(Yn-Ym)^2+(Zn-Zm)^2)^0.5

最终使误差Error＝∫Pi·ds最小化。即对上式系数a1，b1，c1，d1，a2，b2，c2，d2，a3，b3，c3，d3分别求导，对于每个拟合截面得到12x12的系数矩阵，求解得到以上系数后，即可得到新的叶型。

在步骤106，用该光滑叶型部分替代生产坐标数据点的集合当中位于端区倒圆位置处的生产坐标数据点，以获得经优化的生产坐标数据点的集合。

即，用端区光滑叶型代替初始生产坐标数据中变形的部分得到最终的生产坐标数据点，并按照加工要求的局部坐标系数据和格式输出。

可对根据本发明的方案得到的生产坐标数据的精度进行验证。即，将输出的生产坐标通过UG建模，再输入原始有限元冷态坐标点，通过UG计算冷态叶型点与模型之间的距离。图10为差异大于0.01mm的冷态叶型数据点分布，主要集中在根部局部区域，主流通道区域差异值小于0.01mm，满足工程加工要求，图11为冷态数据点与生产叶型差异值分布图。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。例如，上述流程中，可在不进行冷态数据点加密的情况下，进行生产截面的插值；也可在没有进行端区倒圆处理的情况下直接进行生产截面的插值。上述流程仅是本发明的最优实施方式。

图12是示出了根据本发明的一方面的叶轮机叶片的生产坐标的生成装置1200的框图。

如图12所示，生成装置1200可包括获取模块1210，排序模块1220，以及插值模块1230。

获取模块1210可用于获取叶轮机叶片的冷态叶型数据点集，该冷态叶型数据点集是通过冷热计算从热态叶型得到的。

排序模块1220可用于对冷态叶型数据点集中的冷态数据点进行排序，排序后的冷态数据点分布于沿叶轮机叶片的叶高方向从叶根到叶尖的多个非等高截面，每个非等高截面上的冷态数据点沿截面边缘依次排列。

在一实例中，排序模块1220可基于冷态数据点在叶高方向上的坐标值进行排序，叶高方向上的坐标值差异小于预设的叶高阈值的冷态数据点被排在一个非等高截面内。进一步，排序模块1220可基于冷态数据点之间的距离对每个非等高截面内的冷态数据点进行排序，其中相互之间距离最近的两个冷态数据点被表征为相邻的两个冷态数据点。再进一步，排序模块1220可基于冷态数据点构成的向量之间的向量夹角来对每个非等高截面内的冷态数据点进行排序，其中经排序的一冷态数据点和紧邻的在前冷态数据点构成的向量与其和紧邻的在后冷态数据点构成的向量之间的向量夹角小于预设的夹角阈值。

插值模块1230可用于基于排序后的冷态数据点在沿叶轮机叶片的叶高方向从叶根到叶尖的多个等高截面上进行插值，以获得分布于多个等高截面上的生产坐标数据点的集合。

在一较优的实例中，插值模块1230可对每个非等高截面上的冷态数据点进行插值处理以增加位于截面前缘和尾缘位置处的冷态数据点的密度，然后再基于加密后的冷态数据点在沿叶轮机叶片的叶高方向从叶根到叶尖的多个等高截面上进行插值，以获得分布于多个等高截面上的上述生产坐标数据点的集合。

插值模块1230可采用弧长累加法对每个非等高截面上的冷态数据点进行插值处理。

在一较优的实例中，生成装置1200还可包括过滤模块(未示出)，以滤除位于叶轮机叶片的端区倒圆位置的冷态数据点。此时，插值模块1230可基于滤除后的冷态数据点在沿叶轮机叶片的叶高方向从叶根到叶尖的多个等高截面上进行插值，以获得分布于多个等高截面上的上述生产坐标数据点的集合，其中位于叶轮机叶片的端区倒圆位置的生产坐标数据点是通过外插得到的。例如，端区倒圆位置的生产坐标数据点是通过线性外插得到的，以及非端区倒圆位置的生成坐标数据点是通过三次样条内插得到的。

由于外插的原因，端区叶型可能会有变形，因此，较优地，生成装置1200还可包括拟合模块和替换模块(未示出)。拟合模块可用于以叶轮机叶片的热态叶型为基叶型对端区倒圆位置处基于外插得到的生产坐标数据点的端区叶型进行拟合以得到端区倒圆位置的光滑叶型部分，例如可采用最小二乘法进行拟合。替换模块可用于用光滑叶型部分替代生产坐标数据点的集合当中位于端区倒圆位置处的生产坐标数据点，以获得经优化的生产坐标数据点的集合。

根据本发明的方案，可以直接对冷热计算后的数据点进行处理，由程序自动进行排序、截面拟合、端区处理后，得到叶片生产坐标，该方法操作简单、可靠。与传统生产叶型输出方法相比，无需提供冷热叶型之间的变化量，无需与叶片造型进行迭代对比，该方法节省大量人力和时间成本。

根据本发明的方案处理输出的叶片生产坐标与冷热计算后的冷态叶型的差异小、精度高，主流通道内叶片数据点精度控制在0.01mm以下，对气动性能影响甚微，无需重新进行气动性能的评估计算。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。