一种涡轮叶片气膜孔综合设计方法及系统

技术领域

本申请属于航空发动机涡轮叶片设计技术领域，具体涉及一种涡轮叶片气膜孔综合设计方法及系统。

背景技术

在现代航空发动机设计领域中，随着对涡轮发动机性能需求的提升，涡轮叶片抵抗高温高压燃气的能力也需与日俱进。而气膜冷却技术是提高发动机涡轮叶片承温能力的核心技术，冷却气流从气膜孔等结构喷出，在叶片表面形成低温气膜，避免了高温燃气对涡轮叶片的直接冲击。

先进气膜冷却技术需要传热、结构和工艺等方向的设计师进行协同设计，并经过不断地反复迭代优化。其中，传热设计师在叶片实体上完成初步的气膜孔设计方案，由结构设计师进行叶片强度校核，同时需要考虑气膜孔的加工工艺可行性，由结构设计师进行工艺检查，强度、工艺不合理的部分需要返回至传热设计师进行气膜孔模型的调整。

现有关于涡轮叶片气膜孔设计方法中，存在以下问题：

（1）没有考虑到异形孔建模的需求。由于可定义参数类型少、灵活性差，造成气膜孔定位误差较大、分布不均匀、定位点与叶身外型截面线关联性差等，从而使气膜冷却效率较低，很难满足发动机冷却性能要求。

（2）不支持基于定位点、孔轴线、孔型和几何参数等全参数的气膜孔批量建模，设计人员进行大量重复工作，耗时耗力且容易出错。

（3）在气膜孔建模过程不进行工艺检测，可能导致加工质量较差或不可行，需要工艺部门检测反馈后由设计部门修改。设计部门之间反复沟通和模型修改导致设计效率下降，设计周期延长。

以上问题会导致目前气膜孔设计过程中出现反复迭代，导致设计和建模存在大量重复劳动，消耗了过多的设计人力资源，降低涡轮气冷叶片的研发效率。

发明内容

针对上述背景技术中存在的技术问题，本申请提供一种涡轮叶片气膜孔综合设计方法及系统。

本申请具体采用以下技术方案予以实现：

本申请第一方面提供一种涡轮叶片气膜孔综合设计方法，包括：

气膜孔参数化建模：设置定位点坐标，设置孔轴线角度，设置气膜孔孔类型及几何参数，生成气膜孔实体；然后将叶片实体与气膜孔实体做布尔减，生成气膜孔，最后写出气膜孔信息；

气膜孔批量建模/修改：根据保存好的气膜孔布置方案详细数据，在结构相似的模型上完成气膜孔的快速创建；或选择已有的气膜孔，实现批量气膜孔的定位点、孔轴线、孔类型和几何参数等；

气膜孔检查：包括气膜孔的交叉检查、击伤内壁检查及加工干涉检查。

作为本申请的进一步说明，所述气膜孔参数化建模的实现方法具体包括：

确定气膜孔定位点坐标。支持的方法有3种，包括：①直接指定气膜孔定位点坐标；②根据指定参考曲线的U值计算气膜孔定位点坐标；③根据气膜孔所在曲面的U、V值计算气膜孔定位点坐标；

确定气膜孔轴线方向。先选定2个参考方向，参考方向K为气膜孔所在曲面的法向，参考方向J可以取为叶片径向方向，或者取为Z轴。然后根据参考方向J和K构造定位点局部参考坐标系，确定参考方向I、参考平面A和参考平面B，如图5所式。参考方向I为同时垂直于参考方向J和K的矢量，参考平面A为过气膜孔定位点且垂直于参考方向J的平面，参考平面B为过气膜孔定位点、参考方向J和K的平面。最后设定气膜孔的入射角α

设置孔型，然后设定孔型几何参数；

将叶片实体与气膜孔实体做布尔减，气膜孔预览，生成气膜孔；

新建文件，将所述气膜孔参数写出，记录所有参数设置。

作为本申请的进一步说明，所述孔型包括：圆柱孔、圆锥孔、跑道孔、簸箕孔等。

作为本申请的进一步说明，所述设定孔型及几何参数具体包括：圆孔设定直径和孔轴向总长度，跑道孔设定圆角直径、短轴长度、长轴长度、孔轴向总长度和自旋角度等，簸箕孔设定圆柱段直径、孔轴向总长度、圆柱段占比、后仰角、扩张角度和自旋角度等，圆锥孔设定圆柱段直径、孔轴向总长度、圆柱段占比和扩张角度等。

作为本申请的进一步说明，所述气膜孔批量建模/修改过程具体包括：

读取气膜孔方案格式化数据，数据中包含孔型、孔型几何参数、定位和定向参数，以及读取孔建模工具在界面上所需设置的参数；

设置或修改单个或多个气膜孔参数，然后批量创建/修改；

写出修改后的气膜孔信息。

作为本申请的进一步说明，所述交叉检查过程具体包括：

建立气膜孔实体和刀具/加工头实体；

设置两个相邻孔之间的距离阈值，并指定气膜孔进出口表面；

对任意两个相邻气膜孔实体表面之间的距离进行判断，若小于所述距离阈值，则重新修改气膜孔定位点或间隔等参数；若所有距离均大于所述距离阈值，则通过气膜孔交叉检查。

作为本申请的进一步说明，所述击伤内壁检查具体包括：

指定叶片内部壁面的表面；

检查所述表面与气膜孔实体是否交叉，若交叉，则重新修改气膜孔定位点或孔长度、孔轴线等参数；若所有气膜孔实体与所述表面均不交叉，则通过气膜孔击伤内壁检查。

作为本申请的进一步说明，所述加工干涉检查需要考虑刀具/加工头的形状、刀具与孔之间的距离以及刀具与叶片实体之间的距离等，检查所述刀具/加工头实体与叶片实体是否发生重叠，若重叠，则重新修改气膜孔定位点或孔轴线等参数，若所有气膜孔的刀具/加工头实体与叶片实体不发生重叠，则通过气膜孔加工干涉检查。

本申请第一方面提供一种涡轮叶片气膜孔综合设计系统，包括：

气膜孔建模模块，用于气膜孔的定位、孔轴线角度、孔类型的设置及孔型几何参数的设置、气膜孔实体的生成、通过布尔减创建气膜孔及气膜孔信息的写出；

批量建模/修改模块，用于根据保存好的气膜孔布置方案详细数据，在结构相似的模型上完成气膜孔的快速创建，或实现对单个/多个气膜孔的批量参数修改；

气膜孔工艺检查模块，用于气膜孔的交叉检查、击伤内壁检查及加工干涉检查。

本申请与现有技术相比具有以下优点：

本申请提供的气膜孔综合设计方案能够实现快速、准确、高效的集全参数化、批量建模/修改参数和建模时自动进行工艺检测。

附图说明

图1为本申请提供的涡轮叶片气膜孔综合设计系统构成图。

图2为本申请提供的气膜孔参数化建模流程图。

图3为本申请提供的气膜孔批量建模/修改流程图。

图4为本申请提供的气膜孔工艺检查流程图。

图5为本申请提供的气膜孔定位参考方向和参考平面示意图。

图6为本申请提供的气膜孔不同孔型的生成效果图。

图7为本申请提供的加工干涉检查结果。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请第一方面提供一种涡轮叶片气膜孔综合设计方法，包括如下步骤：

S101：气膜孔参数化建模：设置气膜孔定位点坐标，设置孔轴线角度，设置气膜孔孔类型及几何参数，生成气膜孔实体；然后将叶片实体与气膜孔实体做布尔减，生成气膜孔，最后写出气膜孔信息。

具体的，气膜孔参数化建模的实现方法具体包括：

S111：确定定位点坐标。

确定定位点坐标支持的方法有3种，包括：①直接指定气膜孔定位点坐标；②根据指定参考曲线的U值计算气膜孔定位点坐标；③根据气膜孔所在曲面的U、V值计算气膜孔定位点坐标。

S112：确定气膜孔轴线方向。

具体步骤为：先选定2个参考方向，参考方向K为气膜孔所在曲面的法向，参考方向J可以取为叶片径向方向，或者取为Z轴。然后根据参考方向J和K构造定位点局部参考坐标系，确定参考方向I、参考平面A和参考平面B，如图5所式。参考方向I为同时垂直于参考方向J和K的矢量，参考平面A为过气膜孔定位点且垂直于参考方向J的平面，参考平面B为过气膜孔定位点、参考方向J和K的平面。最后设定气膜孔的入射角α

S113：设置孔型，然后设定孔型几何参数。

其中，孔型包括：圆柱孔、圆锥孔、跑道孔、簸箕孔、椭圆孔、V型孔和自定义孔型等；相应的，设定孔型参数包括：圆孔设定直径和孔轴向总长度，跑道孔设定圆角直径、短轴长度、长轴长度、孔轴向总长度和自旋角度等，簸箕孔设定圆柱段直径、孔轴向总长度、圆柱段占比、后仰角、扩张角度和自旋角度等，圆锥孔设定圆柱段直径、孔轴向总长度、圆柱段占比和扩张角度等。

S114：将叶片实体与气膜孔实体做布尔减，气膜孔预览，生成气膜孔。

S115：新建文件，将气膜孔参数写出，记录所有参数设置。

气膜孔参数化建模过程，实现对结构参数、建模参数、孔定位（曲面表面任意点集，沿参考曲线（曲面U/V等参数线、用户绘制的任意曲线）），孔类型（圆柱孔、圆锥孔、跑道孔、簸箕孔、V型孔），孔定向（出流角，偏航角），上述参数都可以沿某个矢量（Z轴）或曲线线性变化。支持参数数目多、灵活性高。

S102：气膜孔批量建模/修改：根据保存好的气膜孔布置方案详细数据，在结构相似的模型上完成气膜孔的快速创建，或选择已有的气膜孔，实现批量气膜孔的定位点、孔轴线、孔类型和几何参数。

具体的，气膜孔批量建模/修改过程具体包括：

S121：读取气膜孔方案格式化数据，数据中包含孔型、孔型几何参数、定位和定向参数，以及读取孔建模工具在界面上所需设置的参数，如曲线名称、曲面名称等。

S122：设置或修改单个或多个气膜孔的参数，包含气膜孔结构、位置等参数修改调整，然后批量创建/修改。

S123：写出修改后的气膜孔信息。

该气膜孔批量建模/修改过程通过脚本（保存好的气膜孔布置方案详细数据）快速大量生成不同参数的气膜孔；同时还可以自定义脚本。

S103：气膜孔检查：包括气膜孔的交叉检查、击伤内壁检查及加工干涉检查。

具体的，交叉检查过程具体包括：

S131：建立气膜孔实体和刀具/加工头实体。

S132：设置两个相邻孔之间的距离阈值，并指定进出口表面。

S133：对任意两个相邻气膜孔实体表面之间的距离进行判断，若小于所述距离阈值，则重新修改气膜孔定位点或间隔等参数；若所有距离均大于所述距离阈值，则通过气膜孔交叉检查。

上述交叉检查过程采用先建立气膜孔工具体，再做布尔减运算的方式创建气膜孔。在建模过程中对工具体是否交叉进行判定。为了确保判定的准确性，本申请中将工具体设计为经过进出口表面的修剪，所以需要提前指定进出口表面。两个孔是否交叉通过孔实体之间的距离判断，两个相邻气膜孔实体表面之间的距离必须大于给定值方可通过交叉检查。

击伤内壁检查具体包括：

S141：指定叶片内部壁面的表面。

S142：检查所述表面与气膜孔实体是否交叉，若交叉，则重新修改气膜孔定位点或孔长度、孔轴线等参数；若所有气膜孔实体与所述表面均不交叉，则通过气膜孔击伤内壁检查。

这种建模方式不会产生“击伤内壁”的问题，整个过程只需要人工指定内侧壁面和外侧壁面。

加工干涉检查需要考虑加工工艺，具体的，考虑刀具尺寸、刀具长度、刀具与孔之间的距离。

加工干涉检查需要考虑刀具/加工头的形状、刀具与孔之间的距离以及刀具与叶片实体之间的距离等，检查所述刀具/加工头实体与叶片实体是否发生重叠。若重叠，则重新修改气膜孔定位点或孔轴线等参数，若所有气膜孔的刀具/加工头实体与叶片实体不发生重叠，则通过气膜孔加工干涉检查。

本发明还提供一种涡轮叶片气膜孔综合设计系统，包括：

气膜孔建模模块，用于气膜孔的定位、孔轴线角度、孔类型的设置及孔型几何参数的设置、气膜孔实体的生成、通过布尔减创建气膜孔及气膜孔信息的写出；

批量建模/修改模块，用于根据保存好的气膜孔布置方案详细数据，在结构相似的模型上完成气膜孔的快速创建，或实现对单个/多个气膜孔的批量参数修改；

气膜孔工艺检查模块，用于气膜孔的交叉检查、击伤内壁检查及加工干涉检查。

尽管已经示出和描述了本申请的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本申请的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由所附权利要求及其等同物限定。