一种涡轮喷嘴叶片的设计方法、系统和涡轮喷嘴叶片

技术领域

本发明涉及低温液体火箭发动机涡轮泵技术领域，尤其涉及一种涡轮喷嘴叶片的设计方法、系统和涡轮喷嘴叶片。

背景技术

大推力液体火箭发动机均采用泵压式推进剂供应系统，以优化火箭设计方案，提高运载能力。涡轮作为发动机系统的重要组成部分，其效率影响着整个发动机的性能。根据发动机循环系统的不同，液体火箭发动机用涡轮可分为独立涡轮和前置涡轮，其中独立涡轮用于燃气发生器循环发动机，其涡轮燃气做功后直接排放到大气中。为提高发动机性能，必须减少涡轮燃气流量，提高比功率，独立涡轮通常采用大压比超音速涡轮设计方案。

超音速涡轮是指喷嘴出口燃气流速超过声速，一般马赫数大于2。喷嘴内部燃气流动由较低速度通过收敛-扩张通道膨胀到超音速，容易引起超音速流流动损失，设计难度较大。喷嘴出口燃气的流动特性很大程度上决定了涡轮动叶的输出功率及效率。超音速喷嘴内三维流动特征很强，因此超音速喷嘴的三维造型设计对整个涡轮的性能有决定性影响，目前，在设计涡轮喷嘴叶片时，具有设计效率低的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，具体提供了一种涡轮喷嘴叶片的设计方法、系统和涡轮喷嘴叶片，具体如下：

1)第一方面，本发明提供一种涡轮喷嘴叶片的设计方法，具体技术方案如下：

在预设投影平面上，构建涡轮喷嘴叶片的二维型线；

根据涡轮喷嘴叶片的叶顶半径和叶根半径，以及涡轮喷嘴叶片的二维型线，构建涡轮喷嘴叶片的三维造型；

对涡轮喷嘴叶片的三维造型进行三维流场计算，判断三维流场计算结果是否符合设计要求，得到判断结果；

当判断结果为是时，将涡轮喷嘴叶片的三维造型确定为涡轮喷嘴叶片的最终三维造型，当判断结果为否时，调整涡轮喷嘴叶片的二维型线，直至判断结果为是。

本发明提供的一种涡轮喷嘴叶片的设计方法的有益效果如下：

提高了涡轮喷嘴叶片的设计效率，而且，通过循环判断三维流场计算结果是否符合设计要求，提高了涡轮喷嘴叶片的设计结果即最终三维造型的准确合理性及可信度。

在上述方案的基础上，本发明的一种涡轮喷嘴叶片的设计方法还可以做如下改进。

进一步，根据涡轮喷嘴叶片的叶顶半径和叶根半径，以及涡轮喷嘴叶片的二维型线，构建涡轮喷嘴叶片的三维造型，包括：

将涡轮喷嘴叶片的二维型线化分成多条曲线；

根据预设投影平面和涡轮喷嘴叶片的叶顶半径，确定叶顶曲面，根据预设投影平面和涡轮喷嘴叶片的叶根半径，确定叶根曲面；

将涡轮喷嘴叶片的二维型线分别投影在叶顶曲面和叶根曲面上，在叶顶曲面上得到多条曲线，在叶根曲面上得到多条曲线，且在叶顶曲面上得到多条曲线与在叶根曲面上得到多条曲线一一对应，每两个对应的曲线生成曲面，然后进行实体填充，得到涡轮喷嘴叶片的三维造型。

进一步，将涡轮喷嘴叶片的二维型线化分成4条曲线。

进一步，涡轮喷嘴叶片为超音速涡轮喷嘴叶片。

2)第二方面，本发明还提供一种涡轮喷嘴叶片的设计系统，具体技术方案如下：

二维型线构建模块、三维造型构建模块、三维流场计算判断模块和调整确定模块；

二维型线构建模块用于：在预设投影平面上，构建涡轮喷嘴叶片的二维型线；

三维造型构建模块用于：根据涡轮喷嘴叶片的叶顶半径和叶根半径，以及涡轮喷嘴叶片的二维型线，构建涡轮喷嘴叶片的三维造型；

三维流场计算判断模块用于：对涡轮喷嘴叶片的三维造型进行三维流场计算，判断三维流场计算结果是否符合设计要求，得到判断结果；

调整确定模块用于：当判断结果为是时，将涡轮喷嘴叶片的三维造型确定为涡轮喷嘴叶片的最终三维造型，当判断结果为否时，调整涡轮喷嘴叶片的二维型线，直至判断结果为是。

在上述方案的基础上，本发明的一种涡轮喷嘴叶片的设计系统还可以做如下改进。

进一步，三维造型构建模块具体用于：

将涡轮喷嘴叶片的二维型线化分成多条曲线；

根据预设投影平面和涡轮喷嘴叶片的叶顶半径，确定叶顶曲面，根据预设投影平面和涡轮喷嘴叶片的叶根半径，确定叶根曲面；

将涡轮喷嘴叶片的二维型线分别投影在叶顶曲面和叶根曲面上，在叶顶曲面上得到多条曲线，在叶根曲面上得到多条曲线，且在叶顶曲面上得到多条曲线与在叶根曲面上得到多条曲线一一对应，每两个对应的曲线生成曲面，然后进行实体填充，得到涡轮喷嘴叶片的三维造型。

进一步，将涡轮喷嘴叶片的二维型线化分成4条曲线。

3)第三方面，本发明还提供一种根据上述任一项涡轮喷嘴叶片的设计方法所得到的最终三维造型制备的涡轮喷嘴叶片。

4)第四方面，本发明还提供一种计算机设备，计算机设备包括处理器，处理器与存储器耦合，存储器中存储有至少一条计算机程序，至少一条计算机程序由处理器加载并执行，以使计算机设备实现上述任一项涡轮喷嘴叶片的设计方法。

5)第五方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有至少一条计算机程序，至少一条计算机程序由处理器加载并执行，以使计算机实现上述任一项涡轮喷嘴叶片的设计方法。

需要说明的是，本发明的第二方面至第五方面的技术方案及对应的可能的实现方式所取得的有益效果，可以参见上述对第一方面及其对应的可能的实现方式的技术效果，此处不再赘述。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例的一种涡轮喷嘴叶片的设计方法的流程示意图；

图2为预设投影平面、涡轮喷嘴叶片的叶顶和叶根的示意图；

图3为涡轮喷嘴叶片的二维型线；

图4为首尾相连的4个曲面；

图5为生成两个曲面的示意图；

图6为S105生成的曲面、S106生成的曲面和S107生成的曲面所围成的封闭空间；

图7为本发明实施例的一种计算机设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，本发明实施例的一种涡轮喷嘴叶片的设计方法，包括如下步骤：

S1、在预设投影平面上，构建涡轮喷嘴叶片的二维型线；

S2、根据涡轮喷嘴叶片的叶顶半径和叶根半径，以及涡轮喷嘴叶片的二维型线，构建涡轮喷嘴叶片的三维造型；

S3、对涡轮喷嘴叶片的三维造型进行三维流场计算，判断三维流场计算结果是否符合设计要求，得到判断结果；

S4、当判断结果为是时，将涡轮喷嘴叶片的三维造型确定为涡轮喷嘴叶片的最终三维造型，当判断结果为否时，调整涡轮喷嘴叶片的二维型线，直至判断结果为是。

本发明实施例的一种涡轮喷嘴叶片的设计方法，提高了涡轮喷嘴叶片的设计效率，而且，通过循环判断三维流场计算结果是否符合设计要求，提高了涡轮喷嘴叶片的设计结果即最终三维造型的准确合理性及可信度。

可选地，S2中，根据涡轮喷嘴叶片的叶顶半径和叶根半径，以及涡轮喷嘴叶片的二维型线，构建涡轮喷嘴叶片的三维造型，包括：

S20、将涡轮喷嘴叶片的二维型线化分成多条曲线，具体将涡轮喷嘴叶片的二维型线化分成4条曲线，曲线的数量也可根据实际情况设置。

S21、根据预设投影平面和涡轮喷嘴叶片的叶顶半径，确定叶顶曲面，根据预设投影平面和涡轮喷嘴叶片的叶根半径，确定叶根曲面；

S22、将涡轮喷嘴叶片的二维型线分别投影在叶顶曲面和叶根曲面上，在叶顶曲面上得到多条曲线，在叶根曲面上得到多条曲线，且在叶顶曲面上得到多条曲线与在叶根曲面上得到多条曲线一一对应，每两个对应的曲线生成曲面，然后进行实体填充，得到涡轮喷嘴叶片的三维造型。

可选地，在上述技术方案中，涡轮喷嘴叶片为超音速涡轮喷嘴叶片。

以“将涡轮喷嘴叶片的二维型线化分成4条曲线”为例，对本发明进行如下阐述，包括：

S100、根据涡轮的一维热力计算参数，确定涡轮喷嘴叶片的叶顶半径R1、叶根半径R2和叶片数量Z等参数，如图2所示。

S101、确定预设投影平面，预设投影平面的高度为H1，H1＝(R1+R2)/2，也可根据实际情况设置对预设投影平面的高度H1进行微调。

并在预设投影平面上，构建涡轮喷嘴叶片的二维型线，如图2所示。

S102、在预设投影平面上，将涡轮喷嘴叶片的二维型线化分成4条曲线，分割点为A、B、C、D，4条曲线分别为A-B、B-C、C-D和D-A。划分原则为：使每段曲线尽量为单一线条或曲率较小，如图3所示。

S103、根据预设投影平面和涡轮喷嘴叶片的叶顶半径，确定叶顶曲面，根据预设投影平面和涡轮喷嘴叶片的叶根半径，确定叶根曲面；采用沿曲面法向投影的方式将涡轮喷嘴叶片的二维型线分别投影在叶顶曲面和叶根曲面上。

S104、在叶顶曲面上得到4条曲线，分别为：A1-B1、B1-C1、C1-D1、D1-A1，在叶根曲面上得到4条曲线，分别为：A2-B2、B2-C2、C2-D2、D2-A2，A1-B1与A2-B2对应，B1-C1与B2-C2对应，C1-D1与C2-D2对应，D1-A1与D2-A2对应。

S105、利用三维造型软件的曲面生成工具，将叶顶曲面上的4条曲线和叶根曲面上的4条曲线中的每两个对应的曲线生成曲面，共得到首尾相连的4个曲面，如图4所示。

S106、借助三维造型软件的曲面生成工具，将叶顶曲面上的4条曲线即A1-B1、B1-C1、C1-D1和D1-A1生成1个曲面，如图5a所示。

S107、借助三维造型软件的曲面生成工具，将叶根曲面上的4条曲线即A2-B2、B2-C2、C2-D2和D2-A2生成1个曲面，如图5b所示。

S108、三维造型软件的实体填充工具，将S105生成的曲面、S106生成的曲面和S107生成的曲面所围成的封闭空间进行实体填充，生成所述涡轮喷嘴叶片的三维造型，如图6所示。

S109、对所述涡轮喷嘴叶片的三维造型进行三维流场计算，判断三维流场计算结果是否符合设计要求，得到判断结果，设计要求可根据实际情况设置。

当所述判断结果为是时，将所述涡轮喷嘴叶片的三维造型确定为所述涡轮喷嘴叶片的最终三维造型，当所述判断结果为否时，调整所述涡轮喷嘴叶片的二维型线，返回执行S102直至所述判断结果为是，也就是说，通过迭代达到三维流场计算结果是否符合设计要求，得到所述涡轮喷嘴叶片的最终三维造型。

本发明中，简化叶顶轮缘、叶根轮毂均为等半径圆柱面。根据叶顶、叶根进出口半径高度，选取高度合适(H1)的二维叶型投影面，在其上作叶片二维叶型。将二维叶型分别投影至叶顶、叶根曲面上，方式为沿曲面法向投影。由此得到叶顶、叶根曲面上的大小不同的两个完整的叶型曲线，借助三维造型软件的曲面生成工具，从这两个叶型曲线可以得到完整的叶片曲面，然后借助三维造型软件的实体填充工具，生成实体化的涡轮喷嘴叶片的最终三维造型。

传统超音速喷嘴叶片三维设计方法为：将叶片二维叶型沿高度方向拉伸至叶顶、叶根曲面。相比于传统超音速喷嘴叶片三维设计方法，本文提出的新设计的不同点在于，喷嘴叶片各个二维型面对应位置点的连线，沿径向均通过轴心，根据空气动力学简化径向平衡方程：

dp/dr＝ρ(C_u^2)/r

在流动方向上，气流沿径向局部压力梯度，与气体离心力相平衡。根据这一原理，叶型任一点沿径向均应保持直线，符合简化径向平衡方程的气体压力分布，进而流动损失更小。因此喷嘴新式叶片三维造型可以使燃气在喷嘴内的流动更加均匀，尤其在喷嘴叶片出口，流动均匀性可以改善涡轮动叶工作环境，既可以提高流动效率，又可以提高动叶工作寿命，提高可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：依据已知的涡轮喷嘴二维叶型、叶片轮毂轮缘型线，采用本申请中的方法，得到涡轮喷嘴叶片的三维造型，可应用于液体火箭发动机独立涡轮超音速叶片式喷嘴的三维造型，明确并简化了喷嘴叶片三维造型的设计思路及方法，提高了设计效率。改善了喷嘴的三维造型设计，可以有效地提高喷嘴内燃气流动效率，提高了喷嘴出口气流的均匀性，增强动叶单位流量燃气的做功能力，提高了动叶进口气流的均匀性，提高动叶的做功能力及效率。结合三维仿真的设计优化方法，提高了设计结果的准确合理性及可信度。

在上述各实施例中，虽然对步骤进行了编号S1、S2等，但只是本发明给出的具体实施例，本领域的技术人员可根据实际情况调整S1、S2等的执行顺序，此也在本发明的保护范围内，可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。

本发明实施例的一种涡轮喷嘴叶片的设计系统，包括二维型线构建模块、三维造型构建模块、三维流场计算判断模块和调整确定模块；

二维型线构建模块用于：在预设投影平面上，构建涡轮喷嘴叶片的二维型线；

三维造型构建模块用于：根据涡轮喷嘴叶片的叶顶半径和叶根半径，以及涡轮喷嘴叶片的二维型线，构建涡轮喷嘴叶片的三维造型；

三维流场计算判断模块用于：对涡轮喷嘴叶片的三维造型进行三维流场计算，判断三维流场计算结果是否符合设计要求，得到判断结果；

调整确定模块用于：当判断结果为是时，将涡轮喷嘴叶片的三维造型确定为涡轮喷嘴叶片的最终三维造型，当判断结果为否时，调整涡轮喷嘴叶片的二维型线，直至判断结果为是。

可选地，在上述技术方案中，三维造型构建模块具体用于：

将涡轮喷嘴叶片的二维型线化分成多条曲线；

根据预设投影平面和涡轮喷嘴叶片的叶顶半径，确定叶顶曲面，根据预设投影平面和涡轮喷嘴叶片的叶根半径，确定叶根曲面；

将涡轮喷嘴叶片的二维型线分别投影在叶顶曲面和叶根曲面上，在叶顶曲面上得到多条曲线，在叶根曲面上得到多条曲线，且在叶顶曲面上得到多条曲线与在叶根曲面上得到多条曲线一一对应，每两个对应的曲线生成曲面，然后进行实体填充，得到涡轮喷嘴叶片的三维造型。

可选地，在上述技术方案中将涡轮喷嘴叶片的二维型线化分成4条曲线。

需要说明的是，上述实施例提供的一种涡轮喷嘴叶片的设计系统的有益效果与上述一种涡轮喷嘴叶片的设计方法的有益效果相同，在此不再赘述。此外，上述实施例提供的系统在实现其功能时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将系统根据实际情况划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的系统与方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，在此不再赘述。

本发明还提供一种根据上述任一项涡轮喷嘴叶片的设计方法所得到的最终三维造型制备的涡轮喷嘴叶片。

如图7所示，本发明实施例的一种计算机设备300，计算机设备300包括处理器320，处理器320与存储器310耦合，存储器310中存储有至少一条计算机程序330，至少一条计算机程序330由处理器320加载并执行，以使计算机设备300实现上述任一项涡轮喷嘴叶片的设计方法，具体地：

计算机设备300可因配置或性能不同而产生比较大的差异，可以包括一个或多个处理器320(Central Processing Units，CPU)和一个或多个存储器310，其中，该一个或多个存储器310中存储有至少一条计算机程序330，该至少一条计算机程序330由该一个或多个处理器320加载并执行，以使该计算机设备300实现上述实施例提供的任一项涡轮喷嘴叶片的设计方法。当然，该计算机设备300还可以具有有线或无线网络接口、键盘以及输入输出接口等部件，以便进行输入输出，该计算机设备300还可以包括其他用于实现设备功能的部件，在此不做赘述。

本发明实施例的一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有至少一条计算机程序，至少一条计算机程序由处理器加载并执行，以使计算机实现上述任一项涡轮喷嘴叶片的设计方法。

可选地，计算机可读存储介质可以是只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、只读光盘(Compact Disc Read-Only Memory，CD-ROM)、磁带、软盘和光数据存储设备等。

在示例性实施例中，还提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行上述任一项涡轮喷嘴叶片的设计方法。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、等是用于区别类似的对象，而代表对特定的顺序或先后次序进行限定。在适当情况下对于类似的对象的使用顺序可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了图示或描述的顺序以外的顺序实施。

所属技术领域的技术人员知道，本发明可以实现为系统、方法或计算机程序产品，因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：可以是完全的硬件、也可以是完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，还可以是硬件和软件结合的形式，本文一般称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，在一些实施例中，本发明还可以实现为在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质中包含计算机可读的程序代码。

可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是一一但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。