一种基于扫掠曲线的内冷涡轮叶片扰流肋建模方法

技术领域

本发明属于涡轮叶片建模技术领域，具体涉及一种内冷弯扭涡轮叶片扰流肋建模方法。

背景技术

增加涡轮进口温度是提高发动机推重比的重要措施，但涡轮进口温度的增加受到涡轮材料耐受温度的限制。目前先进军用发动机涡轮进口温度已超过1990K，已远远超过高温耐受合金的工作温度1300～1400K。为保证发动机可靠工作，涡轮叶片普遍采用气膜加内流的复合冷却方式。相应的冷却结构包括气膜孔、扰流肋、扰流柱和冲击孔等。扰流肋是其中重要的组成部分，布置在由隔肋隔开叶片内腔形成的若干冷却通道的内壁中，其包括平行肋、间断平行肋、V形扰流肋、间断V形扰流肋，其示意图分别如图1中a、b、c、d所示，平行肋、V形扰流肋的实例分别如图2中的a、b所示。其作用是增加散热面积、加强气流扰动，以强化换热，降低叶片内壁温度。

针对弯扭冷却通道内扰流肋的特点，目前最先进的扰流肋建模主要是“基于等距曲面”的扰流肋造型方法，用隔肋面和叶盆或叶背的等距面裁剪平板工具体得到肋条，以此为基础完成扰流肋建模。现有的建模方法能够保证扰流肋厚度均匀一致，并很好地适应弯扭叶片的情况，避免建模过程中可能错误切除部分叶片内型实体，通过裁剪体角度、各曲面的偏移距离等较少的参数实现多种类型的扰流肋布置。

但是，现有“基于等距曲面”建模的扰流肋建模方法其存在以下问题：

1、扰流肋基础实体为一个长方体，所以在图3中A位置(包括下面对应的几何面)的几何面只能为平面，采用现有方法其不能实现曲面扰流肋实体的创建；

2、在某些场景下，需要不同长度或变截面的扰流肋，比如交错肋叶根处的截面大于叶尖处的截面，目前的方法无法实现变截面扰流肋建模；

3、扰流肋特征的基本实体是一个长方体，因此肋截面为一个矩形或基于矩形的某一部分，应用该方法无法创建其它形状截面的扰流肋；

4、通过四个曲面对肋基础体进行裁剪，无法在内流道是一个整体曲面的情况进行建模。

发明内容

本发明为了解决现有技术不能创建曲面扰流肋、扰流肋截面及其长度大小不能改变、肋截面形状单一、无法在内流道是一个整体曲面的情况进行建模的问题，提供一种基于扫掠曲线的内冷涡轮叶片扰流肋建模方，其不仅可创建曲面扰流肋，截面及其长度可适应弯扭缩放、肋截面可根据设计需求设计成多种形状，且可在内流道是一个整体曲面的情况进行建模。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明第一方面提供一种基于扫掠曲线的内冷涡轮叶片扰流肋建模方法，具体包括以下步骤：

在流道叶背和/或叶盆侧创建至少一条扫掠路径，所述至少一条扫掠路径中的每条扫掠路径的方向分别与对应的待建扰流肋方向一致；

分别在所述至少一条扫掠路径上对应创建一扫掠截面；

沿所述至少一条扫掠路径扫掠对应的所述扫掠截面生成扰流肋实体。

本方案基于扫掠路径生成叶片的扰流肋，扫掠路径沿流道叶背或叶盆侧创建，其方向与待建扰流肋方向一致，即采用该方法可在适应叶片流道弯扭变化的基础上，生成外表面为曲面的扰流肋；整个方法不需要再多个曲面对扰流肋进行裁剪，且可在内流道是一个整体曲面的情况下进行建模。采用该方法，扫掠截面可以是多种形状，譬如矩形、梯形、矩形+半圆、菱形、不规则形状或其他形状，实现多种截面形状的扰流肋的建模。采用该方法，扫掠路径决定了扰流肋的长度，扫掠截面决定了扰流肋的截面大小，在构建不同的扰流肋时，通过生成不同长度的扫掠路径、不同面积的扫掠截面，从而构建不同长度、不同截面大小的扰流肋，满足某些场景的需求，满足譬如交错肋叶根处的截面大于叶尖处的截面的扰流肋建模。

在一个可能的设计中，所述扫掠路径包括中间段，所述中间段为位于流道叶背或叶盆曲线上的一曲线段。

在一个可能的设计中，所述中间段的生成方法包括：

创建至少一个与所述流道相贴合的辅助面，所述辅助面位于所述流道叶背或叶盆侧；

在所述辅助面的至少一个高度处创建一与该辅助面对应相交的平面，所述平面的倾角与对应的待建扰流肋倾角相等，所述平面与对应辅助面的交线即待建扰流肋的扫掠路径中间段。

在一个可能的设计中，所述辅助面数量有两个时，两个辅助面具有一交线。

辅助面用于辅助生成扫掠路径的中间段，在V形扰流肋建模过程中，通过同时构建两个辅助面和与之数量匹配的平面，提高扰流肋建模速度。

在一个可能的设计中，所述扫掠路径还包括延伸段，所述延伸段沿中间段至少一端的切线方向延伸所得。

扰流肋与隔肋相交，仅设置中间段作为扫掠路径，扫掠路径太短，有时不能完全保证构建的扰流肋与隔肋相交，在中间段两端各延伸一延伸段，保证扰流肋的长度，保证扰流肋与隔肋的有效连接。

在扫掠路径端点，创建扫掠截面，沿路径扫掠，生成至少一个扰流肋实体；

删除临时几何体，所述临时几何体包括所述扫掠路径、扫掠截面；

对所述扰流肋实体和叶身进行合并得到具有扰流肋的叶片模型。

在一个可能的设计中，还包括对叶片模型中扰流肋的边进行倒圆操作。

生成扰流肋的过程，扰流肋与叶身交界处存在尖锐的角，在扰流肋的边上进行倒圆操作，提高模型结构性能。

在一个可能的设计中，采用布尔求和方法实现扰流肋实体和叶身的合并。

本发明与现有技术相比，至少具有以下优点和有益效果：

1、本发明的方案基于扫掠路径生成叶片的扰流肋，扫掠路径沿流道叶背或叶盆侧创建，其方向与待建扰流肋方向一致，即采用该方法可在适应叶片流道弯扭变化的基础上，生成外表面为曲面的扰流肋；整个方法不需要再多个曲对肋实体进行裁剪，且可在内流道是一个整体曲面的情况下进行建模。

2、本发明方案中扰流肋通过构建的扫掠截面沿扫掠路径扫掠所得，扫掠截面的形状不受限制，可任意构建，譬如可以是矩形、梯形或其他形状，可实现多种截面形状的扰流肋的建模。

3、本发明方案中扫掠路径决定了扰流肋的长度，扫掠截面决定了扰流肋的截面大小，在构建不同的扰流肋时，通过生成不同长度的扫掠路径、不同面积的扫掠截面，从而构建不同长度、不同截面大小的扰流肋，满足某些场景的需求，满足譬如交错肋叶根处的截面大于叶尖处的截面的扰流肋建模。

附图说明

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。

图1为扰流肋的示意图；

图2为扰流肋的一示例图；

图3为原建模方向生成的扰流肋结构示意图；

图4为本发明扰流肋建模方法的流程图；

图5为间断V形扰流肋的一实例图；

图6为曲线段的参数取值图；

图7为间断V形扰流肋建模时一实施例中辅助曲面创建过程；

图8为间断V形扰流肋建模时一实施例中扫掠路径起点确定图；

图9为间断V形扰流肋建模时一实施例中扫掠路径形成过程图；

图10为间断V形扰流肋建模时一实施例中扫掠截面至扰流肋实体的形成过程图；

图11为间断V形扰流肋建模时一实施例中一扰流肋与叶身合并的实体图；

图12为图12的扰流肋进行倒角后的结果图；

图13为具有一侧肋实体的叶片实体局部图；

图14为一具有间断V形扰流肋的涡轮叶片实体图；

图15为V形扰流肋建模时一实施例中辅助曲面创建图；

图16为V形扰流肋建模时一实施例中扫掠路径形成过程图；

图17为V形扰流肋建模时一实施例中扫掠截面形成图；

图18为一具有V形扰流肋的涡轮叶片实体图；

图19为弯扭叶身上创建平行扰流肋时一实施例中辅助曲面创建图；

图20为弯扭叶身上创建平行扰流肋时一实施例中扫掠路径生成图；

图21为弯扭叶身上创建平行扰流肋时一实施例中扫掠截面生成图；

图22为弯扭叶身上创建平行扰流肋时一实施例中一扰流肋实体生成图；

图23为弯扭叶身上创建平行扰流肋时一实施例中多扰流肋实体生成图；

图24为一具有平行扰流肋弯扭叶身片实体图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例来对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明虽然是用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。

应当理解，尽管本文可能使用术语第一、第二等等来描述各种单元，但是这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元,并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。

应当理解，对于本文中可能出现的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况；另外，对于本文中可能出现的字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

应当理解，在下面的描述中提供了特定的细节,以便于对示例实施例的完全理解。然而,本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实例中，可以不以非必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。

如图4所示，本实施例提供一种涡轮叶片扰流肋建模方法，该方法可以但不限于由一建模装置来执行，建模装置可以是软件，或者为软件和硬件的组合，建模装置可以集成在智能移动端、平板、电脑等智能设备中。具体的，如图4所示，该涡轮叶片扰流肋建模方法包括以下步骤S101～步骤S107。

S101、在流道叶背和/或叶盆侧创建至少一条扫掠路径，所述至少一条扫掠路径中的每条扫掠路径的方向分别与对应的待建扰流肋方向一致。根据待建扰流肋结构，该扫掠路径可以是直线，也可以是曲线。该步骤中，根据扰流肋建模需求，可以仅在流道叶背侧创建，或者仅在流道叶盆侧创建，或者同时在流道叶背和叶盆侧创建，其扫掠路径条数、方向设置与扰流肋建模需求匹配即可。

具体的，创建至少一个与所述流道相贴合的辅助面，根据扰流肋建模需求，所述辅助面位于所述流道叶背侧或叶盆侧；根据流道结构，辅助面可以是辅助曲面，也可以是辅助平面。根据扰流肋构建的类型，可仅创建一辅助面，或者同时构建两个辅助面。具有两个辅助面时，两个辅助面具有一交线，此时可用于V型肋或间断V型肋建模中。

在所述辅助面的至少一个高度处创建一与该辅助面对应相交的平面，所述平面的倾角与对应的待建扰流肋倾角相等，所述平面与对应辅助面的交线即待建扰流肋的扫掠路径中间段。根据扰流肋建模数量需求，可在辅助面的不同高度创建平面，一平面对应一扰流肋，一平面与其对应辅助面的交线即与该平面对应的待建扰流肋的扫掠路径中间段。此处需要解释的是，若辅助面有多个时，一平面可能与多个辅助面相交，但并不是平面与所有的辅助面的交线均是扫掠路径中间段，扫掠路径中间段仅仅是该平面与对应辅助面的交线才被采用为对应待建扰流肋的扫掠路径中间段，其余交线均为无效线段，即可理解为一平面仅与一待建扰流肋对应，一辅助面可以与多个平面相交。其次需要解释的是，此处的高度指沿流道轴向方向的高度。

该中间段可以直接作为扫掠路径，但是，中间段的确定并不能保证创建完成的扰流肋长度足够长，不能保证完全与隔肋相交，对此，扫掠路径还包括延伸段，延伸段在中间段确定后，沿中间段至少一端的切线方向延伸所得，延伸段保证足够长，使扫掠得到的扰流肋与隔肋相交。

S102、分别在所述至少一条扫掠路径上对应创建一扫掠截面，该扫掠截面根据扰流肋建模需求，可以是方形、菱形、梯形、圆形或其他任意结构。

S103、沿所述至少一条扫掠路径扫掠对应的所述扫掠截面生成扰流肋实体。该步骤中，扫掠可采用CAD软件的扫掠功能或Parasolid中的PK_BODY_make_swept_body()函数。

采用上述方法实现扰流肋建模，根据扫掠路径可以是曲线，也可以是直线，沿该扫掠路径扫掠所述扫掠截面得到的扰流肋，可以是直线，也可以是曲线，即采用该方法可在适应叶片流道弯扭变化的基础上，可生成外表面为曲面的扰流肋。扫掠截面截面形状不受限制，可以是矩形、梯形、矩形+半圆、菱形、不规则形状或其他形状，沿该扫掠路径扫掠该扫掠截面得到的扰流肋，其截面与扫掠截面相同，可实现多种截面形状的扰流肋的建模。本方法中扫掠路径决定了扰流肋的长度，扫掠截面决定了扰流肋的截面大小，在构建不同的扰流肋时，通过生成不同长度的扫掠路径、不同面积的扫掠截面，从而构建不同长度、不同截面大小的扰流肋，满足某些场景的需求，满足譬如交错肋叶根处的截面大于叶尖处的截面的扰流肋建模。

S104、构建至少一个扰流肋实体，扰流肋实体的数量、位置与根据扰流肋建模需求一致。

S105、删除临时几何体，所述临时几何体包括所述扫掠路径、扫掠截面。

S106、对所述扰流肋实体和叶身进行合并得到具有扰流肋的叶片模型。该步骤中，扰流肋实体和叶身的合并可采用CAD软件的布尔运算功能或Parasolid中的PK_BODY_boolean_2()函数。

S107、对叶片模型中扰流肋的边进行倒圆操作。倒圆操作去除扰流肋的边上即扰流肋与叶身交接处尖锐的角。

间断V形扰流肋是在一条流道内壁上沿积叠方向呈V字形放置的多条扰流肋，但中间不相连，且V字型的两条边沿叶片积叠方向彼此错开的肋特征，其示意图如图1中d所示，其一实例如图5所示。此处以间断V形扰流肋及具有间断V形扰流肋的涡轮叶片建模为例进行详细说明，具体的，以在流道积叠截面轮廓为二阶八控制点的封闭Nurbs曲线的叶身模型上创建间断V形扰流肋为例进行说明，当然，间断V形扰流肋的创建基础不仅限于流道积叠截面轮廓为二阶八控制点的封闭Nurbs曲线的叶身模型，也可以是其他结构的叶身本体。其建模过程包括如下步骤S201～步骤S207。

S201、在流道叶背和/或叶盆侧创建一条扫掠路径。

首先，创建叶背或叶盆部分的辅助曲面，本实例以叶背为例。参照图7，沿内流道11各积叠截面轮廓线的叶背段取一段曲线(Nurbs曲线，关于Nurbs曲线可参照几何图形学)作为辅助曲面的积叠轮廓线，在二阶八控制点封闭Nurbs曲线中，靠近叶背处的曲线段的参数取值范围可按图6来确定，其中，靠近叶背处的曲线段为t0＝0.9375、t1＝0.0625段(图6中，t为参数曲线的定义域P0至P7为参数曲线的控制点，)。由于是一条封闭的周期性Nurbs曲线，t＝0.0625与t＝1.0625可以看做同一个参数值。通过各段曲线在流道叶背处拟合成一个辅助面1，该辅助面1与流道完全贴合，如图7中c所示,构建的辅助面为辅助曲面，其中，图7中a为叶片及内流道轮廓线，b为叶片及叶背处流道轮廓线。该辅助曲面用于辅助创建间断V形扰流肋的一侧肋，具体的，以图7的视角为例，该辅助曲面用于辅助创建间断V形扰流肋的右侧肋。

构建一三维坐标系，以靠近叶根的一扰流肋为例进行说明。如图8所示，以该扰流肋所在Z轴方向的顶点位置做一个水平平面2，此处Z轴即高度方向或者流道方向，该平面与辅助面的交线的最左侧交点作为扫掠路径的起点ptLocation，此时可删除该水平平面。

构建一倾斜的平面，该平面倾角与间断V形扰流肋的倾角相同，此处平面倾角即平面与X、Y轴构成的平面的夹角，也即平面与水平面的夹角。该倾斜的平面也需要足够大，其与辅助面相交形成一交线，使起点ptLocation置于该交线上，如图9中a所示。该平面与该辅助面1的交线构成扫掠路径的中间段31，此时，对中间段做沿伸形成延伸段32，具体的，在交线的非起点ptLocation端沿切线方向延长，如图9中b所示，此时，扫掠路径包括中间段31和延伸段32。

S202、在扫掠路径上创建一扫掠截面，具体的，可在扫掠路径一端创建扫掠截面，该扫掠截面根据扰流肋建模需求，可以是方形、菱形、梯形、圆形或其他任意结构，其中，如图10中a图所示，其在起点ptLocation端创建矩形的扫掠截面4，具体的，以起点ptLocation为中心，以该点的切线方向为法线方向，以该点的主法线方向为引用方向创建一个矩形截面，矩形片体的长度及宽度作为肋特征的输入参数。

S203、沿所述扫掠路径扫掠所述扫掠截面生成扰流肋实体5，生成结果如图10中b图所示。该步骤中，扫掠可采用CAD软件的扫掠功能或Parasolid中的PK_BODY_make_swept_body()函数。

至此，采用上述步骤S201～步骤S203创建一条扰流肋实体。扰流肋实体的建模完成后其需要与叶身进行合并构成具有间断V形扰流肋的涡轮叶片模型，扰流肋的建模可以一个一个依次构建，也可同时构建，同样的，扰流肋与叶身的合并可以在一个扰流肋建模完后进行，也可在所有扰流肋建模完成后同时进行合并。

S204、本案例以上述构建的一扰流肋与叶身进行合并为例，将扰流肋实体和叶身进行布尔求和得到如图11所示的实体结果。

扰流肋实体和叶身进形合并后，扰流肋的边具有尖锐的角，此时需要对其进行倒角，同样的，倒角可在一扰流肋与叶身合并后单独进行，也可在所有扰流肋与叶身合并后统一进行。

S205、本案例以一扰流肋与叶身合并后单独进行为例，对叶片模型中扰流肋的边进行倒圆操作，其结果图如12所示。

S206、依次增加水平平面2的高度并重复步骤S201～步骤S205，生成如图13所示的具有一侧肋实体的叶片实体。

S207、按上述步骤201～步骤S206构建间断V形扰流肋的另一侧，生成的具有间断V形扰流肋的叶片实体如图14所示。

V形扰流肋是在一条流道内壁上沿积叠方向呈V字形放置的一排扰流肋，中间相连。此处以V形扰流肋建模为例进行详细说明，具体的，以在流道积叠截面轮廓为二阶八控制点的封闭Nurbs曲线的叶身模型上创建V形扰流肋为例进行说明，当然，间断V形扰流肋的创建基础不仅限于流道积叠截面轮廓为二阶八控制点的封闭Nurbs曲线的叶身模型，也可以是其他结构的叶身本体。其建模过程包括如下步骤S301～步骤S306。

S301、在流道叶背和/或叶盆侧创建两条扫掠路径。

同样，首先在叶背或叶盆部分创建辅助曲面，本实例以叶背为例。辅助面1同样为曲面，辅助面有两个，分别作为V形扰流肋两边的扫掠辅助曲面，两个辅助面具有一交线，辅助面的创建同间断V形扰流肋的建模步骤相同，其创建的结果如图15所示。

在两个辅助面的交线距离流道底端一高度处创建两个如图16中a图所示的两个倾斜平面，该高度为靠近流道底端第一根扰流肋与流道底端的距离，两倾斜平面的的倾斜角度分别与V形扰流肋两侧肋的倾斜角度一致，两倾斜平面分别与两辅助面相交获得如图16中b图中的扰流肋就的中间段31，将中间段31两端的切线处沿长得到如图17中c图的延伸段。

S302、在扫掠路径上创建一扫掠截面，具体的，在如图17所示的扫掠路径一端创建一扫掠截面，同样，该扫掠截面根据扰流肋建模需求，可以是矩形、梯形、半圆+矩形或其他形状，本实例以创建矩形扫掠截面为例，扫掠截面的法线方向为扫掠路径一端点处的切线方向，扫掠截面的参考X轴方向为扫掠路径的主法线方向。

S303、沿所述扫掠路径扫掠所述扫掠截面生成扰流肋实体。

S304、将扰流肋实体和叶身进行布尔求和，并对扰流肋边进行倒圆操作。

S305、按积叠方向增加S301中倾斜平面的高度并重复步骤S301～步骤S304直至生成所有扰流肋。

S306、删除临时几何体，所述临时几何体包括所述扫掠路径、扫掠截面、辅助面。生成的V形扰流肋如图18所示。

平行扰流肋是在流道内壁上平行排布的多条扰流肋。此处以在弯扭叶身上创建平行扰流肋及具有平行扰流肋的弯扭涡轮叶片建模为例进行详细说明，其建模过程包括如下步骤S401～步骤S406。

S401、在流道叶背和/或叶盆侧创建一条扫掠路径。

首先，创建叶背或叶盆部分的辅助面，本实例以叶背为例。参照图6，在叶片流道底面叶盆曲线上取t0＝0.0、t1＝0.125的一段曲线，如果是叶背侧创建辅助面，则在叶片流道底面叶盆曲线上取t0＝0.5、t1＝0.625的一段曲线。将曲线按叶片的缩放及扭转方式进行拉伸扫掠，形成一曲面即辅助面1，如图19所示。对于积叠叶片可采用各截面曲线段拟合方式生成曲面。计算曲线t＝0点坐标，将该点向上移动第一条扰流肋距底边的高度H，至起点ptLocation。

以起点ptLocation为基准点，创建一水平平面2，该平面与辅助面有2个交点，同样，以图20中三维坐标为例，此时，以2个交点中X值较小的点作为基准点，创建一倾斜的平面，该平面的倾斜角度与扰流肋的倾斜角度相同。该倾斜平面与辅助面的交线即构成扫掠路径的中间段31。若此时叶背侧创建扰流肋，则以2个交点中X值较大的点作为基准点，创建一倾斜的平面。对交线沿两个端点切线方向进行延伸得到带有延伸段的扫掠路径。

S402、在扫掠路径上创建一扫掠截面，具体的，可在扫掠路径一端创建扫掠截面4，该扫掠截面根据扰流肋建模需求，可以是矩形、梯形、半圆加矩形或其它形状，其创建结果如图21所示。扫掠截面法向与扫掠路径端点切线方向一致。

S403、沿所述扫掠路径扫掠所述扫掠截面生成扰流肋实体5，生成结果如图22所示。

S404、将扰流肋实体和叶身进行布尔求和。

S405、对叶片模型中扰流肋的边进行倒圆操作，

S406、增加起点ptLocation的高度，重复步骤S401～步骤S405，生成如图23平行扰流肋实体，其平行扰流肋由下至上逐渐变小，即叶片截面由100％缩小至50％；其所有平行扰流肋与叶身进行布尔求和得到的涡轮叶片实体如图24所示。

最后应说明的是：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的保护范围。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。