一种空心风扇叶片多内腔结构设计方法

摘要

本发明提出一种空心风扇叶片多内腔结构设计方法，通过构造叶片叶身外形3D模型，对叶身进行区域划分，在相应区域创建空腔实体，最后布尔差运算获得最终空心风扇叶片。本发明的有益效果是，提出了完整的多腔空心风扇叶片结构设计方法，并且每个空腔区域提供多个控制点以保证实现平滑过渡和不等壁厚的设置。通过使用此方法，可以在仅仅输入壁厚参数和位置参数，得到多空腔区域精确布局，并自动生成多腔叶片。本方法对三维软件的平台没有限制，可以运用此方法在多种软件平台上进行多腔空心风扇叶片设计。

说明书

技术领域

本发明涉及空心风扇叶片设计技术领域，尤其是涉及一种空心风扇叶片多内腔结 构设计方法。

背景技术

现代民用大涵道比涡扇发动机的风扇叶片多采用宽弦叶片设计。与带凸台的窄弦 叶片相比，宽弦叶片具有增加发动机喘振裕度、抗外物损伤、提高发动机推力、减少 叶片数等优点，已在发动机上得到应用。但是，宽弦风扇叶片离心负荷增加，在满足 可靠性要求的同时，轮盘质量大幅增加，若不采用减质设计技术，宽弦风扇叶片将很 难应用于大涵道比发动机。为此，RR、PW等航空发动机公司，大力发展空心结构宽 弦风扇叶片设计技术，先后开发了蜂窝结构、带桁架芯机构和无芯结构空心风扇叶片， 蜂窝结构因减质效果与承载能力受限，已被带桁架芯和无芯结构空心风扇叶片所取代。 而桁架式空心风扇叶片设计非常复杂，加强筋处于叶身的中空区域，上端、底端、前 缘、尾缘必须和叶身融为一体，其他部分的形状则要随弯扭的外形叶身自由曲面变化， 导致加强筋桁架的布局需要的复杂计算推导和高难度的建模。

现有技术中也有研究人员提出无芯结构的空心风扇叶片设计方法，但这些现有方 法的重点是在强度分析的条件下，参照实心叶片设计准则进行空腔设计，针对不同叶 身外形调整空腔参数。这种方法的局限性是：主要针对强度分析而不是结构建模，对 新型的多区域多空腔结构，由于约束多、难度大，又受到自由曲面光顺的要求，难以 通过几何参数实现空腔的快速建模。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的桁架式空心风扇叶片设计中加强筋桁架位置和形 状计算误差较大、计算复杂繁琐、加强筋桁架难以平滑过渡等问题，提出一种空心风 扇叶片多内腔结构设计方法。通过构造叶片叶身外形3D模型，对叶身进行区域划分， 在相应区域创建空腔实体，最后布尔差运算获得最终空心风扇叶片。

本发明的技术方案为：

所述一种空心风扇叶片多内腔结构设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：读取已有的多腔空心风扇叶片的叶身外形三维模型数据，或根据多腔空 心风扇叶片设计参数建立叶身外形三维模型；叶身外形三维模型包括沿高度方向的若 干层截面线和中弧线；每一层截面线均由叶盆、叶背、前缘和尾缘组成；

步骤2：对于每一层截面线，采用以下步骤构造空腔内形曲线：

步骤2.1：根据多腔空心风扇叶片的空腔尺寸设计要求，选择对应的弧长百分比， 实现在中弧线上确定两点u₃和u₇，点u₃靠近前缘，点u₇靠近尾缘；过点u₃做中弧线法 线L₁，过点u₇做中弧线法线L₂；L₁与前缘、叶盆、叶背形成前区；L₂与尾缘、叶盆、 叶背形成后区；将L₁向尾缘方向偏置d₁，得到中区前边界线L₃，d₁为中前区壁厚，L₃与中弧线交于点u₄；将L₂向前缘方向偏置d₂，得到中区后边界线L₄，d₂为中后区壁厚， L₄与中弧线交于点u₆；L₃、L₄与叶盆、叶背形成中区；

步骤2.2：在中弧线靠近前缘的端点u₁与点u₃之间的中弧线上取一点u₂，过点u₂做中弧线法线L₅；在中弧线靠近尾缘的端点u₉与点u₇之间的中弧线上取一点u₈，过点 u₈做中弧线法线L₇；在点u₄与点u₆之间的中弧线上取一点u₅，过点u₅做中弧线法线L₆；

步骤2.3：取前区的壁厚控制点包括点p_i，i＝1,2,3,4,5,6，p₁为叶盆与前缘的交 点，p₄为叶背与前缘的交点，p₂为叶盆与L₅的交点，p₅为叶背与L₅的交点，p₃为叶 盆与L₁的交点，p₆为叶背与L₁的交点；取中区的壁厚控制点包括点c_i，i＝1,2,3,4,5,6， c₁为叶盆与L₃的交点，c₄为叶背与L₃的交点，c₂为叶盆与L₆的交点，c₅为叶背与L₆的 交点，c₃为叶盆与L₄的交点，c₆为叶背与L₄的交点；取后区的壁厚控制点包括点 a_i，i＝1,2,3,4,5,，6a₁为叶盆与尾缘的交点，a₄为叶背与尾缘的交点，a₂为叶盆与L₇的 交点，a₅为叶背与L₇的交点，a₃为叶盆与L₂的交点，a₆为叶背与L₂的交点；

步骤2.4：根据该层截面的空腔尺寸设计要求，在前区、中区和后区的壁厚控制 点处对叶盆和叶背进行偏置；按照空腔布局对偏置线以及L₁、L₂、L₃和L₄进行修剪， 得到空腔的轮廓线，其中前区空腔靠近前缘的轮廓边界采用弧线平滑过渡连接，后区 空腔靠近尾缘的轮廓边界采用全劈缝设计至尾缘处；

步骤3：根据各层截面的空腔轮廓线，建立空腔实体；将空腔实体与叶身外形实 体做求差运算，得到多腔空心风扇叶片模型。

进一步的优选方案，所述一种空心风扇叶片多内腔结构设计方法，其特征在于： 点u₂为中弧线段u₁u₃的中点；点u₈为中弧线段u₇u₉的中点；点u₅为中弧线段u₄u₆的中 点。

进一步的优选方案，所述一种空心风扇叶片多内腔结构设计方法，其特征在于： 步骤2.4中，前区空腔靠近前缘的轮廓边界通过以下方式实现：在前区空腔叶盆侧轮 廓线C_1f靠近前缘的端点A处做C_1f的切线l_A，在前区空腔叶背侧轮廓线C_2f靠近前缘的 端点B处做C_2f的切线l_B，过A、B做与l_A、l_B内切的弧S_AB，弧S_AB为前区空腔靠近前 缘的轮廓边界。

进一步的优选方案，所述一种空心风扇叶片多内腔结构设计方法，其特征在于： 步骤2.4中，后区空腔靠近尾缘轮廓边界的全劈缝设计通过以下方式实现：

在中弧线靠近尾缘的端点O处做延长切线l，将l向叶盆侧偏置d/2得到直线l₁，d 为全劈缝宽度；连接点O和壁厚控制点a₁，与直线l₁交于点C；以C点为圆心，a₁C为 半径画圆，交后区空腔叶盆侧轮廓线C_1b于E点；取点C、点E的中点F，根据点C、 E、F做二次样条曲线S_CE保证在点C和点E处的G₁连续；得到后区空腔靠近尾缘的叶 盆侧轮廓边界由C_1b、S_CE和l₁组成；

在中弧线靠近尾缘的端点O处做延长切线l，将l向叶背侧偏置d/2得到直线l₂； 连接点O和壁厚控制点a₄，与直线l₂交于点D；以D点为圆心，a₄D为半径画圆，交后 区空腔叶背侧轮廓线C_2b于G点；取点D、点G的中点H，根据点D、G、H做二次 样条曲线S_DG保证在点D和点G处的G₁连续；得到后区空腔靠近尾缘的叶背侧轮廓边 界由C_2b、S_DG和l₂组成。

有益效果

本发明的有益效果是，提出了完整的多腔空心风扇叶片结构设计方法，并且每个 空腔区域提供多个控制点以保证实现平滑过渡和不等壁厚的设置。通过使用此方法， 可以在仅仅输入壁厚参数和位置参数，得到多空腔区域精确布局，并自动生成多腔叶 片。本方法对三维软件的平台没有限制，可以运用此方法在多种软件平台上进行多腔 空心风扇叶片设计。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得 明显和容易理解，其中：

图1是某型号风扇叶片模型。

图2是外形叶身截面图。

图中，S_QY-前缘；S_YB-叶背；S_YP-叶盆；S_WY-尾缘。

图3是创建叶身中弧线。

图中，T₁-对叶盆扫掠所得的管道；T₂-对叶背扫掠所得的管道；S₁、S₂-管道T₁、 T₂的交线；S-叶身中弧线。

图4是叶身内形空腔区域划分。

图中，D_former-前区空腔区域；D_mid-中区空腔区域；D_back-后区空腔区域；L₁-前区 边界线；L₂-后区边界线；L₃-中区前边界线；L₄-中区后边界线；d₁-中前区壁厚，即前 区边界线L₁偏置距离；d₂-中后区壁厚，即后区边界线L₂偏置距离。

图5是各空腔区域壁厚控制点。

图中，u_i(i＝1,2,...,9)-中弧线上弧长百分比点；L₅-前区空腔区域中点，即中弧线u₂处的法线；L₆-中区空腔区域中点，即中弧线u₅处的法线；L₇-后区空腔区域中点，即 中弧线u₈处的法线；p_i(i＝1,2,3,4,5,6)-前区空腔区域壁厚控制点；c_i(i＝1,2,3,4,5,6)-中 区空腔区域壁厚控制点；a_i(i＝1,2,3,4,5,6)-后区空腔区域壁厚控制点。

图6是未修剪内形轮廓线。

图中，C₁、C₃、C₅-叶盆偏置线；C₂、C₄、C₆-叶背偏置线；。

图7是修剪后的空腔内形。

图中，C_1f、C_1m、C_1b-叶盆偏置线C₁修剪后所得的各空腔区域轮廓线；C_2f、C_2m、 C_2b-叶背偏置线C₂修剪后所得的各空腔区域；L₃₁、L₃₂、L₃₃-中区空腔区域前边界线L₃ 修剪后所得的中区各内腔区域前边界线；L₄₁、L₄₂、L₄₃-中区空腔区域后边界线L₄修剪 后所得的中区各内腔区域后边界线。

图8是前区空腔区域放大图。

图中，C_1f、C_2f-叶盆叶背偏置线修剪后所得的前区空腔内形轮廓线；A、B-轮廓 线C_1f、C_2f近前缘处的终点；l_A-过A点轮廓线C_1f的切线；l_B-过B点轮廓线C_2f的切线； S_AB-与直线l_A、l_B内切于A、B的圆弧。

图9是创建后区空腔近尾缘处全劈缝。

图中，S-中弧线；O-中弧线S近尾缘处端点；l-中弧线S在O点的切线；d-全劈 缝宽度；l₁、l₂-切线l向两侧偏置d/2所得的直线；a₁、a₄-后区壁厚控制点；C-直线Oa₁与偏置直线l₁的交点；D-直线Oa₄与偏置直线l₂的交点；C_1b、C_2b-后区空腔轮廓线；E- 圆C与后区空腔轮廓线C_1b的交点；F-点C和点E的中点；G-圆D与后区空腔轮廓线 C_2b的交点；H-点D和点G的中点；S_CE-通过点C、F、E生成的二次样条曲线；S_DG- 通过点D、G、H生成的二次样条曲线。

图10完整叶身内形空腔。

图11叶身外形各截面。

图中，1-叶身外形底截面；n-叶身外形底截面；i-叶身外形第i个截面。

图12是叶片各截面内形空腔。

图13是各空腔实体。

图中，B_F-前区空腔实体；B_M-中区空腔实体；B_B-后区空腔实体。

图14是多腔空心风扇叶片实体。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参 考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限 制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽 度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、 “内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位 置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件 必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本实施例中采用的某型号叶片模型是如图1所示的某型号风扇叶片模型，在UG NX软件环境下，通过构造风扇叶片3D模型，根据叶身外形中弧线划分空腔区域，然 后创建各空腔内型实体，最后布尔差运算获得最终空心风扇叶片。具体的实施步骤如 下：

步骤1：根据多腔空心风扇叶片设计参数建立叶身外形三维模型；如图1所示， 根据气动数据构造截面样条曲线，通过UGNX软件构造叶身外形三维模型。当然， 也可以直接读取已有的叶身外形三维模型。

为保证叶身外形光滑光顺，叶身外形截面曲线是根据气动数据点而创建的一条完 整闭合的曲线，而中弧线以及叶身空腔内型的创建是以叶盆、叶背、前缘、尾缘为基 准。故依据叶片外形截面曲线曲率变化率，将叶身外形曲线如图2所示划分为前缘S_QY、 叶背线S_YB、叶盆线S_YP、尾缘线S_WY。

如图3所示，对划分后的叶盆叶背分别运用扫掠法，以叶盆叶背的最大距离为半 径生成T₁、T₂两个管道。求得管道的相交样条曲线S₁、S₂，并将其投影到叶身外形线 所在平面，得到叶身中弧线S。

步骤2：对于每一层截面线，采用以下步骤构造空腔内形曲线：

以中弧线为基准，根据中弧线的弧长百分比作为划分位置参数，创建各内形空腔 的边界线，将叶身内形划分为三个空腔区域，如图4所示：前区空腔区域D_former、中区 空腔区域D_mid和后区空腔区域D_back。

步骤2.1：根据本实施例多腔空心风扇叶片的空腔尺寸设计要求，以中弧线靠近 前缘端点为起点，分别在中弧线20％和60％处确定两点u₃和u₇，点u₃靠近前缘，点u₇靠 近尾缘。过点u₃做中弧线法线L₁作为前区边界直线，过点u₇做中弧线法线L₂作为后区 边界直线；L₁与前缘、叶盆、叶背形成前区；L₂与尾缘、叶盆、叶背形成后区。将L₁向尾缘方向偏置d₁，得到中区前边界线L₃，d₁为中前区壁厚，L₃与中弧线交于点u₄； 将L₂向前缘方向偏置d₂，得到中区后边界线L₄，d₂为中后区壁厚，L₄与中弧线交于点 u₆；L₃、L₄与叶盆、叶背形成中区。

步骤2.2：在中弧线靠近前缘的端点u₁与点u₃之间的中弧线上取一点u₂，优选点 u₂为中弧线段u₁u₃的中点，过点u₂做中弧线法线L₅；在中弧线靠近尾缘的端点u₉与点u₇之间的中弧线上取一点u₈，优选点u₈为中弧线段u₇u₉的中点，过点u₈做中弧线法线L₇； 在点u₄与点u₆之间的中弧线上取一点u₅，优选点u₅为中弧线段u₄u₆的中点，过点u₅做 中弧线法线L₆。

步骤2.3：空腔的内形是通过改变壁厚控制点的壁厚参数控制其结构的，为实现 空腔区域壁厚的不等厚并保证空腔内形过渡光滑，对于前、中、后三个空腔区域，分 别创建如图5所示的六个壁厚控制点：

前区的壁厚控制点包括点p_i，i＝1,2,3,4,5,6，p₁为叶盆与前缘的交点，p₄为叶背 与前缘的交点，p₂为叶盆与L₅的交点，p₅为叶背与L₅的交点，p₃为叶盆与L₁的交点， p₆为叶背与L₁的交点；

中区的壁厚控制点包括点c_i，i＝1,2,3,4,5,6，c₁为叶盆与L₃的交点，c₄为叶背与L₃的交点，c₂为叶盆与L₆的交点，c₅为叶背与L₆的交点，c₃为叶盆与L₄的交点，c₆为叶 背与L₄的交点；

后区的壁厚控制点包括点a_i，i＝1,2,3,4,5,6，a₁为叶盆与尾缘的交点，a₄为叶背 与尾缘的交点，a₂为叶盆与L₇的交点，a₅为叶背与L₇的交点，a₃为叶盆与L₂的交点， a₆为叶背与L₂的交点；

步骤2.4：根据该层截面的空腔尺寸设计要求，在前区、中区和后区的壁厚控制 点处对叶盆和叶背进行偏置；按照空腔布局对偏置线以及L₁、L₂、L₃和L₄进行修剪， 得到空腔的轮廓线，其中前区空腔靠近前缘的轮廓边界采用弧线平滑过渡连接，后区 空腔靠近尾缘的轮廓边界采用全劈缝设计至尾缘处。

若空腔尺寸设计要求给出了每层截面各个壁厚控制点的壁厚参数，则直接采用 对应截面的壁厚参数对叶盆叶背进行偏置，若空腔尺寸设计要求仅仅给出了叶身顶截 面和底截面的壁厚控制点壁厚参数，则根据中间各个截面的积叠轴高度值，采用插值 法得到中间各个截面的壁厚控制点壁厚参数。对于某一壁厚控制点，插值公式为：

$D_i=\frac{z_i-z_1}{z_n-z_1}(D_n-D_1)+D_1$

其中，D₁、D_n为顶截面和底截面的壁厚参数值；z₁、z_n为顶截面和底截面的高度值； z_i为中间第i个截面的高度值；D_i为中间第i个截面的壁厚参数值。

本实施例中，如图6所示，在各空腔区域壁厚控制点处，通过壁厚参数值分别 对叶盆叶背进行偏置初步得到叶身内形的轮廓线C₁、C₂。同时因为叶身中区空腔区域 宽度较大，为提高其减质率，故在中区区域创建多个空腔，再次在中区壁厚控制点处 对叶盆叶背进行偏置，得到中区区域的内形轮廓线C₃、C₄和C₅、C₆。

再对各内形空腔区域进行修剪操作。具体如图7所示：

删除各空腔中弧线中点处法线L₅、L₆、L₇；

以中区前后边界线L₃、L₄为界，将中弧线偏置线C₃、C₄、C₅、C₆中区空腔以 外的部分删除，得到中区各空腔内形轮廓线；

删除各空腔区域边界线L₁、L₂、L₃、L₄位于叶盆偏置线C₁和叶盆线S_YP间的部 分；删除各空腔区域边界线L₁、L₂、L₃、L₄位于叶背偏置线C₂和叶背线S_YB间的部分；

删除中弧线偏置线C₁、C₂各空腔区域边界线间的部分，得到各区域的内形轮廓 线C_1f、C_1m、C_1b和C_2f、C_2m、C_2b；

删除中区前后边界线L₃、L₄分别位于叶盆偏置线C₃、C₅间的部分和位于叶背偏 置线C₄、C₆间的部分，得到中区各内腔边界线L₃₁、L₃₂、L₃₃和L₄₁、L₄₂、L₄₃。

前区空腔靠近前缘的轮廓边界通过以下方式实现：如图8所示，在前区空腔叶 盆侧轮廓线C_1f靠近前缘的端点A处做C_1f的切线l_A，在前区空腔叶背侧轮廓线C_2f靠近 前缘的端点B处做C_2f的切线l_B，过A、B做与l_A、l_B内切的弧S_AB，弧S_AB为前区空腔 靠近前缘的轮廓边界。

后区空腔靠近尾缘轮廓边界的全劈缝设计通过以下方式实现：

在中弧线靠近尾缘的端点O处做延长切线l，将l向叶盆侧偏置d/2得到直线l₁， d为全劈缝宽度；连接点O和壁厚控制点a₁，与直线l₁交于点C；以C点为圆心，a₁C为 半径画圆，交后区空腔叶盆侧轮廓线C_1b于E点；取点C、点E的中点F，根据点C、 E、F做二次样条曲线S_CE保证在点C和点E处的G₁连续；得到后区空腔靠近尾缘的叶 盆侧轮廓边界由C_1b、S_CE和l₁组成；

在中弧线靠近尾缘的端点O处做延长切线l，将l向叶背侧偏置d/2得到直线l₂； 连接点O和壁厚控制点a₄，与直线l₂交于点D；以D点为圆心，a₄D为半径画圆，交后 区空腔叶背侧轮廓线C_2b于G点；取点D、点G的中点H，根据点D、G、H做二次 样条曲线S_DG保证在点D和点G处的G₁连续；得到后区空腔靠近尾缘的叶背侧轮廓边 界由C_2b、S_DG和l₂组成。

步骤3：根据各层截面的空腔轮廓线，建立如图13所示的空腔实体；将空腔实体 与叶身外形实体做求差运算，得到如图14所示的多腔空心风扇叶片模型。

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不脱离本发明的原理和 宗旨的情况下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。