一种涡轮叶片气膜孔冷却结构的参数化造型方法

1.本发明属于燃气涡轮叶片领域，具体涉及一种涡轮叶片气膜孔冷却结构的参数化造型方法。


背景技术：

2.燃气涡轮作为发动机的重要部件，承担着输出功率的重要作用，同时也面临着高转速、高温度、高压力等恶劣环境的挑战。随着涡轮前燃气入口温度越来越高，已远远超出涡轮叶片材料所能承受的温度极限，因此先进的冷却技术已成为燃气涡轮研究的关键技术。
3.气膜冷却是一种有效的冷却方式。通常是通过叶片表面的气膜孔喷射出冷气，在高温主流压力和摩擦力等作用下，与主流燃气进行掺混，并在叶片表面形成一层冷气膜，将叶片表面与主流燃气隔离开来，阻隔主流燃气与叶片表面的直接对流换热。冷气膜的形成阻止了主流燃气与叶片表面的直接接触，能够达到隔热降温的作用。
4.针对不同的叶片类型，其气膜孔的结构及分布排列的方式也大不相同。通常情况下，研究人员在对气膜孔造型设计时，如果需要改变模型的结构，一般是重造模型，这种人为调整的方式耗时耗力。在此基础上，对涡轮叶片气膜孔进行参数化设计，用以实现气膜孔的快速造型。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于通过改变表达式参数，实现对涡轮叶片气膜孔的参数化设计的一种涡轮叶片气膜孔冷却结构的参数化造型方法。
6.一种涡轮叶片气膜孔冷却结构的参数化造型方法，包括以下步骤：
7.步骤1：ug中导入叶栅流道实体；
8.步骤2：抽取流道实体中叶片型面，并划分气膜孔区，分别为前缘区，腮孔区，压力面区，吸力面区；
9.步骤3：前缘区叶底曲线上按照弧长百分比确定前缘区孔基准点位置；
10.步骤4：以前缘孔基准点为原点，以前缘曲面法向为xc轴，曲线切向为yc轴，沿叶高方向为zc轴，建立前缘局部坐标系；
11.步骤5：以基准点为圆心，基准轴xc轴正向为矢量方向，建立基准圆柱；
12.步骤6：将圆柱底面沿xc轴反向偏置面，建立完整基准圆柱；
13.步骤7：以基准圆柱孔的基准点为轴点，yc轴为轴向矢量，旋转使其与叶高方向(zc轴方向)形成一定倾角，确定复合角，同理可使基准圆柱绕zc轴旋转，确定入射角；
14.步骤8：以有倾角的圆柱为基准体，以叶高方向(zc轴)为矢量方向，沿叶高方向移动一定的距离，确定第一个基准斜孔位置；
15.步骤9：以基准斜孔为基准体，以叶高方向(z轴)为矢量方向，阵列几何特征，阵列数目为孔数，阵列间距为孔距，确定斜孔排位置；
16.步骤10：以最初确定的基准圆柱体为基准，沿叶高方向(zc轴)移动一定距离，确定前缘第一个直孔位置；
17.步骤11：将直孔沿叶高方向阵列几何特征，确定前缘直孔位置；
18.步骤12：重复上述步骤，完成前缘不同位置孔排的造型；
19.步骤13：腮孔位置、压力面孔、吸力面孔与前缘孔建立方法相同；
20.步骤14：导入叶片内腔实体；
21.步骤15：将流道实体，所有气膜孔实体，内腔实体，进行布尔合并运算，完成造型。
22.本发明的有益效果在于：
23.本发明通过在ug(unigraphics，交互式计算机辅助设计及计算机辅助制造系统)中创建气膜孔结构参数表达式，通过改变表达式参数，实现对涡轮叶片气膜孔的参数化设计。
附图说明
24.图1为本发明的流程图；
25.图2为某型涡轮叶片叶栅流道示意图；
26.图3为抽取叶片型面后形成的片体，并对叶片表面划分气膜孔区域图；
27.图4为前缘基准点位置及基准点示意图；
28.图5为气膜孔倾角位置关系图；
29.图6为气膜孔参数位置关系示意图；
30.图7前缘三排气膜孔造型示意图；
31.图8腮孔与前缘孔空间位置关系示意图；
32.图9为气膜孔三维立体造型示意图。
具体实施方式
33.下面结合附图对本发明做进一步描述。
34.步骤1：启动ug，打开ug中的建模模块，并导入涡轮叶片叶栅流道实体模型(如图2所示)。
35.步骤2：运用抽取实体几何特征功能，将叶片型面片体抽取出来，同时将叶片型面划分为不同的气膜孔区。分别为前缘区、腮孔区、压力面区、吸力面区，如图3所示。
36.步骤3：在前缘面叶底曲线上，由曲线上弧长百分比方式，确定前缘气膜孔基准点位置m1，m2，m3，其参数改变是通过改变弧长百分数而改变。以宏观坐标系为基准，以确定的前缘气膜孔基准点为原点，以基准点所在的叶片曲面表面法向方向为xc轴、切线方向为坐标轴yc轴，沿叶高方向为zc轴，建立局部基准坐标系。如图4所示，其中m1、m2、m3分别为前缘基准点，p1为压力面基准点，s1为吸力面基准点，sk1为腮孔基准点。
37.步骤4：在局部坐标系中，以原点为基础，采用特征建模方式，建立气膜孔基元体(圆柱体)，同时确定其特征参数(直径d，长度h)。
38.步骤5：在局部坐标系中，以局部坐标系原点为轴点，以yc轴为旋转轴，使气膜孔基元在xcozc面旋转，确定其复合角β(与zc轴夹角)；同样，以zc轴为旋转轴，使气膜孔基元在xcoyc平面内旋转，确定其入射角α(与yc轴夹角)。图5表示了气膜孔基元复合倾角示意图。
39.步骤6：以完成倾角变换后的气膜孔基元为目标体，以zc轴为方向，气膜孔基元沿zc轴移动，确定该排气膜孔第一个斜孔，此过程可确定第一个气膜斜孔距叶根位置的距离l。
40.步骤7：在宏观坐标系中，对气膜孔基元进行阵列复制，确定该排气膜孔每个气膜孔位置信息。以第一个气膜斜孔为目标，阵列其几何特征，以zc轴为阵列方向，阵列间距即为孔间距p，阵列数目即为孔数n，完成单排气膜孔斜孔的拓扑关系参数化设计。
41.步骤8：由于工业制造的限制，对于靠近叶顶位置的气膜孔，无法将其设计为斜孔，只能设计成直孔结构，故对于前缘直孔结构，需对其进行单独造型。以m1处为原点，在局部坐标系下，建立直气膜孔基元。确定其特征参数，直径d，长度h。
42.步骤9：与步骤5方法相同，确定直孔基元倾角。区别于斜孔基元，无复合角参数，只需确定入射角α。
43.步骤10：前缘面每排气膜孔中第一个直孔的位置关系是由其斜孔的相对位置所确定的。具体来说，若第一个直孔基元距离叶根位置的距离为lz，则其距离的表达式为lz＝l (n-1)
×
p w，其中l为第一个斜孔距叶底位置距离，n为每排斜孔数，p为每排斜孔间距，w为每排最后一个斜孔与第一个直孔之间的距离。其距离的位置关系，如图6所示。
44.步骤11：阵列完成移动后的第一个直孔，其中阵列数目为每排直孔数nz，阵列间距为每排直孔间距pz。此时，单排气膜孔位置造型完成。
45.步骤12：重复上述步骤完成前缘三排气膜孔造型设计。图7为已完成的前缘三排气膜孔造型示意图。
46.步骤13：对于腮孔，由于其工艺制造原因，所以存在其孔结构是直接贯穿压力面到吸力面。且腮孔结构与前缘气膜孔结构在空间位置上存在着垂直关系，故，对于腮孔的参数化造型，需同时考虑上述两个方面。取吸力面区选取基准点，采用步骤3到步骤6造型方法，同时使腮孔基元轴线矢量与前缘气膜孔轴线矢量存在垂直关系，完成腮孔造型。图8为腮孔与前缘气膜孔空间位置关系示意图。
47.步骤14：按照从前到后，分类处理的方法，分别按照上述步骤完成前缘区、腮孔区、压力面区、吸力面区气膜孔参数化建模。
48.步骤15：导入内腔实体，将叶栅流道实体、叶栅流道内腔实体、气膜孔实体进行布尔合并运算，完成整个叶片的气膜孔造型，如图9所示。
49.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。