基于拐点检测的椭圆弧叶型前后缘评定算法

叶片前后缘的形位对叶片气动性能有着显著影响,且其分割结果也严重影响特征参数的精密计算。现有的叶片前后缘分割算法大多基于拓延算法的实现与改进,但是拓延算法本身尚不能自适应叶型截面尺寸来分割点云,而后续的改进算法在轮廓线误差控制上仍有待加强。针对叶片截面线前后缘的点云精确分割问题,参照椭圆弧叶型的造型设计特点,提出了基于拐点检测的前后缘评定算法。通过对截面线点云旋转、截取、顺时针排序以及拐点检测处理,实现了在高精度测量条件下对叶片前后缘的精确分割。最后设计了对比实验,验证了本文算法可以定性地分割叶片前后缘,并在线轮廓误差上保持了较低水平;论证了在逐点拓延椭圆拟合过程中,从凹性点即开始影响线轮廓误差。     

基于高参数均匀性的叶片曲面光顺造型方法

为进一步优化叶片的曲面模型质量,提出一种基于高参数均匀性的叶片曲面光顺建模方法。首先根据叶片的曲率特征,将单层数据点分成叶盆、叶背、前缘和后缘4个部分,通过叶片前缘和后缘的曲线拟合,获得拟合圆圆心,并以此生成叶片中弧线的诱导曲线。进而通过改进的牛顿迭代法获得一系列叶片截面轮廓线内切圆圆心,从而获得中弧线,对中弧线进行光顺处理以及弧长参数化,并利用中弧线–厚度分布的方式,结合过渡曲线生成光顺的截面轮廓线,保证过渡处曲率连续。最后,通过放样及融合优化算法快速自动地生成光顺的叶片曲面模型。利用该方法对某型号发动机叶片数据点进行曲面造型与加工验证,结果表明,优化后的曲面模型具有良好的光顺性,避免了由于模型不光顺导致的刀轨波动问题。     

椭圆前缘锐化度对亚声速压气机叶片性能的影响

为解决当前缘形状偏离椭圆较大时,采用椭圆度方法难以准确评估椭圆形状对压气机性能影响这一难题,引入锐化度参数直观描述椭圆前缘的尖锐程度。在保持叶身设计参数的前提下,通过修改锐化度生成一系列叶型进行数值模拟分析,研究基元叶型前缘锐化度对亚声速压气机叶片性能的影响,为叶片设计提供依据。研究结果显示,在亚声速进口条件下,基元叶型椭圆前缘的锐化度选择在1.15~1.60之间时叶型损失较小,且低损失攻角范围较大。     

亚声叶型前缘形状对压气机气动性能的影响

数值研究了四种亚声叶型前缘(平钝前缘,尖锐前缘,偏压力面前缘和偏吸力面前缘)形状偏差对压气机气动性能的影响。结果表明:四种偏差叶型的最小损失系数与原型相近,平钝前缘在叶根处的低损失攻角范围最小(降低了21.02%);偏压力面和偏吸力面前缘的角度范围与原型接近,但偏压力面前缘的负攻角范围减小,偏吸力面前缘的正攻角范围减小;尖锐前缘低损失攻角范围与原型相近。前缘形状偏差影响堵塞流量,偏压力面前缘堵塞流量降低最多(降低了0.80%);尖锐前缘和偏压力面前缘喘点压比与原型相近,平钝前缘和偏吸力面前缘喘点压比略低,各方案最高效率值相近;平钝前缘偏差对前缘马赫数分布影响最大,前缘形状偏差对进、出口相对气流角和叶片D因子影响不大。试验中应避免使用平钝前缘偏差叶型,或同一排叶片安装偏压力面与偏吸力面前缘偏差叶片。     

涡轮叶片二维冷却结构参数化设计技术研究

研究了涡轮叶片二维冷却结构的参数化设计技术。采用参数控制点方法实现冷却叶片壁面的变厚度设计,采用隔肋数量、位置参数、偏转角度实现任意数量和形式的冷却腔造型,根据前缘缩进参数确定冷却通道前缘切线弧位置,通过尾缘切割参数实现半劈缝和全劈缝尾缘结构设计。结合叶片外形造型技术开发了造型设计程序,该程序可建立包含任意形式冷却通道和常用尾缘结构的变壁厚二维冷却叶片模型。     

风扇转子叶片前缘精细维修方案及流动特性分析

以某小型大涵道比涡扇发动机风扇转子作为研究目标,在前缘侵蚀对风扇转子气动特性衰退研究的基础上,开展叶片前缘维修方案的研究。鉴于当前采用人工打磨维修手段引起的前缘气动性能的不确定性,针对侵蚀叶片前缘进行精细参数化控制,利用遗传算法寻求几何约束下的前缘最佳维修优化方案。数值计算结果显示,通过前缘优化设计能够显著地提升前缘侵蚀叶片气动特性。相比于前缘侵蚀叶片,最佳维修方案叶片的等熵效率值在设计点和近喘点附近分别提高了1.21%和3.01%,基本恢复至原始叶片水平,展现出了优秀的气动特性。叶片前缘对于风扇转子叶片吸力面附面层发展影响明显,最佳前缘维修方案能够有效地降低近前缘边界层厚度,降低附面层内部的流动损失。     

叶尖定时技术在转子叶片故障排除中的应用

介绍了基于叶尖定时的非接触振动测试系统的基本原理和数据分析方法,并将之应用于某型航空发动机压气机第5级转子叶片掉块故障分析。通过优化传感器的轴向分布和周向布局,分别测量3类叶片（原型、优化和削角）前缘和尾缘位置高阶振动信息,包括共振转速、频率和幅值。分别对比原型、优化叶片的前缘和尾缘测试结果,每类叶片的前缘和尾缘位置的共振幅值基本一致;对比3类叶片的前缘位置振动参数,优化叶片的共振转速较原型叶片有所增加,削角叶片的共振转速较优化叶片有所增加;对比原型、优化叶片尾缘位置振动参数,优化叶片的共振转速较原型叶片有所增加。可以判断:原型叶片发生疲劳断裂主要原因是其在工作转速4200 r/min出现高阶模态共振现象;优化叶片的共振转速较原型叶片增加40～80 r/min,叶片故障率降低,而削角叶片的共振转速较原型叶片增加140～180 r/min,且对应尾缘位置削角,可以排除叶片掉块故障。      

高精度测量燃气轮机叶片前缘的三维轮廓

为了解决高精度测量燃气轮机叶片前缘三维轮廓的难题,提出了一种基于球阵列标定检验方法,直接对金属表面的叶片前缘三维轮廓进行高精度测量的相位轮廓测量系统.通过多角度数据融合算法和非线性最小二乘的递归算法,最后高精度测量出叶片前缘三维轮廓,对叶片前缘16个剖面进行拟合,得出了叶片前缘半径和前缘圆心.结果显示:叶片前缘测量系统、方法和算法的综合误差为±0.03mm.此实验装置和方法测量效率高、精度高,将叶片测量和模型化技术推进了一步.      

轴流压气机超音叶片新设计技术研究

介绍了一种轴流压气机超音叶片新设计技术 ,即叶型中弧线用任意多段圆弧生成 ,前缘用椭圆弧连接。该方法可以灵活控制叶型中弧线的曲率分布 ,有效控制扩散因子 ,提高气流抗分离的能力。椭圆形的前缘可减弱超音气流在前缘进口区的加速程度 ,降低进口弓形波的强度 ;叶型入口段理想的曲率分布可以合理组织进口激波结构和位置 ,大幅降低激波损失。用该方法改进设计的两套超音叶片叶型的计算结果表明本方法具有良好的工程应用价值     

基于无序点云的叶片截面特征参数提取

针对提取航空发动机叶片截面特征参数的实用性要求,研究了基于无序点云数据的叶片截面特征参数提取方法.综合距离法和二分法的优点,采用基于矩形腐蚀法的距离-二分法对点云数据排序,基于最小包容区域直线和最小二乘圆拟合,提出了将整条叶片截面点云数据分割成前缘、后缘、叶盆和叶背4部分的自动分区方法,对特征参数提取方法做了研究并用VC++进行算法实现,使用UG/OpenGrip生成UG中叶片截面上的点云数据进行实验运算,计算精度达到10-4mm,表明在实际测量和参数提取中算法误差可以忽略.      

某涡轴发动机涡轮叶片尾缘孔的蠕变-疲劳寿命预测方法

针对某涡轴发动机的涡轮叶片,建立了考虑应力松弛的蠕变-疲劳寿命分析方法。通过在黏塑性理论框架内耦合蠕变损伤,对某高温合金的非线性蠕变变形进行了数值模拟。结果表明:基于对某涡轮叶片的弹塑性-蠕变分析研究,明确了叶片上前缘和尾缘等关键部位的蠕变损伤及其演化规律,也为确定叶片上的局部危险点提供了一种方法。该模型针对弹塑性应力应变曲线计算误差小于5%,而针对蠕变曲线的模拟精度则处于材料蠕变变形固有属性分散范围内。借助于线性损伤累积寿命理论,分析得到了某涡轮叶片尾缘孔局部考虑了应力松弛的蠕变-疲劳寿命,从而为叶片寿命评价提供了更为合理、工程化应用更好的方法。      

扰流柱对叶片尾缘对流换热特性的影响

为了研究扰流柱对涡轮叶片尾缘对流换热特性的影响规律,设计了4种不同结构的扰流柱,采用红外热像仪分别对不同形状和排列方式的扰流柱对叶片尾缘气膜冷却特性的影响规律进行了实验研究.研究结果表明,在吹风比较低时,水滴I型扰流柱叶片尾缘的对流换热特性较好;吹风比较大时,圆柱型扰流柱叶片尾缘的对流换热特性较好,水滴Ⅱ型扰流柱叶片尾缘的对流换热系数最小.      

面向自适应加工的精锻叶片前后缘模型重构

针对精锻叶片前后缘数控加工在加工边界出现"台阶"等问题,提出面向自适应加工的模型重构方法。首先,根据精锻叶片的特点给出前后缘加工工艺方案。其次,根据工艺方案建立在机测量模型并进行路径规划。在此基础上,依据前后缘实际几何型面参数以及理论模型各截面前后缘圆弧圆心和半径允差,提出重构模型圆弧圆心及半径搜索算法;根据各截面的测量点拟合线、理论截面线以及搜索的圆弧圆心和半径,建立重构前后缘模型。最后,通过对比重构模型与理论模型的偏差以及数控加工试验证明该方法能够有效地减小锻造叶片叶身实际型面与前后缘在衔接处的"台阶"缺陷问题,为复合制造工艺背景下精锻叶片前后缘加工成型提供依据。     

复杂薄壁构件自适应加工工艺几何模型重构

随着制造理念和制造水平的不断提高,大量复合制造工艺背景下的近净成形叶片被应用到现役或在研的航空发动机中。该类叶片是典型的复杂薄壁结构零件,无精确定位基准,且成形一致性差。采用传统叶身定位,加工后的前/后缘、榫齿形状和位置精度均难以保证,从而导致产品一致性差,易超差与合格率低。针对以上问题,提出一种面向自适应加工的复杂薄壁结构零件工艺几何模型重构方法。首先,建立复杂曲面的采样点分布模型,快速获取叶片精确成型区域的位置和形状;其次,提出基于特征曲线相似变形的模型重构算法,精确重构前/后缘非精确成型区域的工艺几何模型;最后,通过精锻叶片自适应加工试验进行验证。试验结果表明：该方法可有效满足以精锻叶片为代表的复杂薄壁构件自适应加工要求。     

基于优化技术的叶型反方法改进设计

在势流函数反方法设计叶型的过程中,通过分析叶片表面速度分布对叶型形状的影响规律,发现采用局部区域速度分布调整,可有效的克服以往反方法设计叶型中易出现的非物理解现象,并针对叶型前缘和尾缘的几何封闭问题分别建立了优化目标函数,借助流场求解中的优化迭代技术获得了具有良好气动性能并满足几何约束的叶型设计结果。对典型叶型的三个设计算例表明:所研究的叶型反问题优化设计方法,具有设计精度较高,适用范围较宽,工程应用性较好等优点。      

跨音涡轮叶栅计算机辅助设计

 本文介绍了一种跨音涡轮叶片造型、气动设计的计算机辅助设计方法,它是“涡轮叶片一体化CAD系统”的核心环节之一。对应用该方法设计的大负荷斜切口叶背反凹叶型作了叶栅吹风试验,获得了很好的超音叶栅性能,但亚音工况叶栅性能略受影响。     

涡轮叶片叶面B-spline曲面层次化拟合方法

航空发动机涡轮叶片表面形状复杂,其三维重构是叶片成型精度分析以及质量控制的重要手段。涡轮叶片叶面是一个复杂的自由曲面,其拟合是重构涡轮叶片的关键步骤之一。本文以涡轮叶片叶面拟合为研究对象,提出一种B-spline曲面层次化拟合方法,该方法首先构建网格曲面的多分辨率模型,然后完成该多分辨率三角网格模型的参数化,最后在多分辨率三角网格的基础上通过粗略拟合、精确拟合以及最终拟合3个主要步骤完成曲面拟合。该方法可以完成高阶连续自由曲面的拟合,适用于海量测量数据的快速拟合,具有较高效率并且拟合结果精度高。     

叶轮机非定常气动设计的缘线匹配技术

本文提出一种新的叶轮机气动设计自由度——缘线匹配技术。缘线匹配是指相邻两叶排中前排叶片后缘线与后排叶片前缘线的空间关系,更准确地说是其相位角关系。叶片尾缘线表征了叶片出口气流的分布型,它囊括了尾迹、激波、二次流等所有影响,另一方面,叶片前缘线代表了其对上游流场的势干扰。定常气动设计体系只能部分考虑叶片缘线的相互影响,大部分则被忽略了,然而在非定常框架下,相邻叶排缘线所代表的相互影响是显著的。本文首次提出了叶轮机非定常设计的缘线匹配技术,并通过理论分析及直列涡轮叶栅的非定常数值模拟结果展示了缘线匹配技术在未来提高叶轮机气动性能、气弹性能、气动噪声和热传导性能上的潜在能力。作者认为,缘线匹配技术将使叶轮机的非定常气动设计具有真实而可操作的内容,是叶轮机非定常气动设计的核心技术之一。      

基于检测结果的涡轮叶片精铸型腔反变形优化设计

针对空心涡轮叶片精铸过程中的试错法和数值仿真法难以敏捷反应铸件的真实变形情况,提出一种基于检测结果的精铸零件反变形综合补偿方法.通过对精铸叶片试模样件进行三坐标检测及统计分析,得到叶身截面收缩、扭转和弯曲变形情况,并建立其综合补偿反变形模具型腔优化算法,实现精铸型腔的反变形优化设计.以精铸叶片试模样件叶尖处截面为例,其叶身段型面误差、前缘最大误差、后缘最大误差相对于未补偿前分别减少了50%,68%和31%.实例验证表明:其研究成果能有效提高空心涡轮叶片的精铸成型精度,达到精确控形的目的.