基于中弧线加厚度分布的跨音叶型间接生成方法及相关装置

本发明属于跨音叶型设计，特别涉及基于中弧线加厚度分布的跨音叶型间接生成方法及相关装置。

背景技术：

1、轴流压气机是气流流动方向与工作轮旋转轴心线方向一致或近乎一致的多级压缩设备，由一系列静子-转子交替排列构成，常用于航空发动机或燃气轮机。轴流压气机的叶片是压气机的气流通道实现气流功能转换与改变气流方向的重要零件。而叶片的叶型是组成叶片的基本单元，叶片由叶型沿积叠线积叠而成。

2、跨音压气机部分叶高下的入口相对马赫数大于1，达到超音。跨音级存在激波及其与附面层的相互干涉、动叶叶顶泄漏等复杂的流动现象，同时前缘的形状对于叶栅的叶型损失和叶栅稳定运行工况范围具有重要影响，上述问题对跨音级研制过程带来很大的困难。因此提出一种叶型设计方法能够满足跨音工况的需求。

3、目前的叶型常规设计是直接用曲线定义叶型的压力面和吸力面，给出压力面和吸力面上控制点的坐标和曲率要求，采用分段圆弧、多项式或样条函数生成型线。

4、另一种方式通过多圆弧叶型进行叶型设计，通过2段或多段圆弧进行拼接生成叶型。

5、当前高负荷叶型多采用多圆弧叶型、无确定曲线形式和约束条件的自由曲线形式叶型，以此设计得到的叶型存在多存在以下缺陷：

6、1)、损失较大，使压缩部件在高转速工作条件下效率较低；

7、2)、可变攻角范围较窄，使压缩部件喘振裕度不足；

8、3)、落后角增加较大，容易使压缩部件的工作状态较大偏离设计值；

9、4)、多端圆弧连接处过渡不平稳问题。

10、5)、采用曲线设计方法，叶片前缘尾缘形状复杂或强度不够的问题。

技术实现思路

1、本发明的目在于提供基于中弧线加厚度分布的跨音叶型间接生成方法及相关装置，以解决现有技术损失较大，使压缩部件在高转速工作条件下效率较低、可变攻角范围较窄、工作状态较大偏离设计值、连接处过渡不平稳强度不够的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、基于中弧线加厚度分布的跨音叶型间接生成方法，包括：

4、基于原有叶型进行中弧线及厚度分布的提取；

5、添加控制点进行中弧线参数的拟合；

6、添加控制点进行厚度分布参数的拟合；

7、根据拟合的参数，调用叶型生成函数进行中弧线、厚度分布以及吸力面和压力面坐标的生成；

8、生成椭圆前缘和圆型尾缘，使与压力面和吸力面平滑连接，生成完整叶型。

9、进一步的，基于原有叶型进行中弧线及厚度分布的提取：

10、根据中弧线的定义，对原始叶型做内切圆，然后连接内切圆的圆心得到中弧线，厚度分布在对应的内切圆圆心处获得，具体为通过各内切圆圆心做法线与叶型吸力面与压力面交数点，通过连接各点获得厚度分布。

11、进一步的，添加控制点进行中弧线参数的拟合：

12、采用bezier曲线拟合中弧线，bezier曲线的阶数为四阶，曲线共含有五个控制点，分别为p0至p4，分别固定控制点p0与p4，对另外三个控制点位置进行优化；

13、其中叶型弦长c＝constant

14、换算得出如下6个参数作为变量并给出相关含义：

15、前缘方向角α及后缘方向角β：

16、由bezier曲线的端点性及切矢性得：

17、

18、同理

19、

20、挠度变化规律参数j、k：其中e，f，g，i为线段的长度；

21、

22、

23、挠度变化规律参数h1、h2:

24、h1表示p2点到直线p0pd的垂直距离；

25、h2表示p2点到直线p4pd的垂直距离；点pd为p0p1与p4p3延长线交点。

26、进一步的，具体的求解步骤为：根据控制点p0，pd的坐标，求出过两点的直线方程ax+by+c＝0，得到直线方程参数，随后，根据点到直线的距离求得挠度变化规律参数h1；

27、

28、同理根据控制点p4，pd的坐标，求出过两点的直线方程dx+ey+f＝0，求得挠度变化规律参数h2

29、

30、进一步的，添加控制点进行厚度分布参数的拟合：

31、跨音速叶型厚度分布曲线由两条多阶bezier曲线光滑连接构成，连接点作为曲线极值点，左右两侧导数均为0，其横坐标方向坐标与叶型弦长比值则为最大厚度相对位置；曲线左侧由四阶bezier曲线表示，包含有ph0-ph4共五个控制点，右部分则为三阶bezier曲线，包含有ph4和pt1-pt3共四个控制点；

32、其中：最大厚度＝constant；尾缘厚度＝constant；

33、提取以下7个参数作为变量：

34、首尾厚度分布切角θ1、θ2：

35、利用bezier曲线的端点性及切矢性，得

36、

37、同理有

38、

39、最大厚度相对位置：m；

40、

41、m值越大，叶片最大厚度所在位置向后缘移动；

42、厚度分布参数x1、x2：

43、

44、x1越大，叶片前半段厚度变化越缓慢，x2越小，叶片后半段厚度变化越缓慢；

45、厚度分布参数y1：

46、y1＝yph2

47、y1越大，叶片前段厚度越大；

48、前缘厚度：r

49、r＝yph0

50、r值越大，椭圆弧长短轴之比越小。

51、进一步的，根据拟合的参数，调用叶型生成函数进行中弧线、厚度分布以及吸力面和压力面坐标的生成：

52、在优化过程中对跨音速与亚音速叶型中弧线以及跨音速叶型厚度分布规律进行控制；得出叶型中弧线及厚度分布控制点的坐标：

53、中弧线：mid1＝[p0x p1x p2x p3x p4x；p0y p1y p2y p3y p4y]；

54、厚度分布左段：houdu11＝[p0xl p1xl p2xl p3xl p4xl；p0yl p1yl p2yl p3ylp4yl]；

55、厚度分布右段：houdu12＝[p0xr p1xr p2xr p3xr；p0yr p1yr p2yr p3yr]；

56、调用叶型生成函数first blade生成中弧线、厚度分布、压力面吸力面坐标：

57、具体为将中弧线和厚度分布60等分，调用贝塞尔函数生成中弧线和厚度分布的控制曲线，并进行样条插值获得坐标点；吸力面和压力面坐标同时通过基点坐标加减三角函数获得。

58、进一步的，生成椭圆前缘和圆型尾缘，使与压力面和吸力面平滑连接，生成完整叶型：

59、椭圆前缘的生成采用联立椭圆方程及长轴方程获得：

60、

61、y＝a*x+b

62、求解圆与吸力面压力面组成的方程来获得尾缘的坐标；在连接点保持斜率一致，获得中弧线加厚度分布的、前缘为椭圆、尾缘为圆的跨音叶型。

63、进一步的，一种基于中弧线加厚度分布的跨音叶型间接生成系统，包括：

64、数据提取模块，用于基于原有叶型进行中弧线及厚度分布的提取；

65、参数拟合模块，用于添加控制点进行中弧线参数的拟合；添加控制点进行厚度分布参数的拟合；

66、坐标生成模块，用于根据拟合的参数，调用叶型生成函数进行中弧线、厚度分布以及吸力面和压力面坐标的生成；

67、叶型生成模块，用于生成椭圆前缘和圆型尾缘，使与压力面和吸力面平滑连接，生成完整叶型。

68、进一步的，一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现基于中弧线加厚度分布的跨音叶型间接生成方法的步骤。

69、进一步的，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现基于中弧线加厚度分布的跨音叶型间接生成方法的步骤。

70、与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

71、本发明主要用于跨音速叶片的参数化处理和建模，基于叶片的中弧线和厚度分布的构造方式，针对跨音速叶片厚度变化大，中弧线复杂等特点，通过中弧线叠加厚度分布来控制叶型的变化，获得叶型的中弧线以及厚度分布之后，对其进行拟合，提取了13个控制变量，中弧线跟厚度分布可叠加生成叶型的吸力面跟压力面，前缘采用椭圆，尾缘采用圆弧来生成完整叶型。

72、1)本发明用于跨音工况，但适应多种工况，通过此方法设计的叶型前缘厚度小，一定程度减弱激波；

73、2)本发明对叶型参数进行参数化处理，运用13个控制变量总体控制中弧线和厚度分布，满足跨音叶片厚度变化大，中弧线复杂的特点；

74、3)本发明生成的叶型曲线光滑平顺连贯，同时也改善了其他造型方法生成的叶型怪异、强度低等问题。

75、4)跨音叶片设计要求高的原因主要是高负荷，存在激波的影响，本设计方法设计出叶型经数值计算验证(cfd)可以控制激波的影响，一定程度减弱了激波强度，降低了损失。