一种双向全贯流式转轮叶片几何形状的参数化控制方法

摘要

本发明公开了一种双向全贯流式转轮叶片几何形状的参数化控制方法，具体包括如下步骤：步骤1，将已有的全贯流式转轮三维叶片分解成N个不同流面上的三维翼型，并提取得到各流面上翼型的进、出口安放角和进、出口控制边长；步骤2，对步骤1所得的结果进行参数化处理；步骤3，基于步骤2的处理结果，获取参数控制变量的集合；步骤4，基于步骤3所得结果，对参数控制点进行处理，获得全贯流式转轮叶片参数化控制变量集合；步骤5，在双向全贯流式转轮叶片的优化过程中，给定实数集合中的所有变量的数值，可完成对应该实数集合的三维全贯流式转轮叶片的造型。本发明解决了现有双向全贯流转轮叶片三维几何形状修改不便的问题。

说明书

技术领域

本发明属于流体机械及海洋工程装备技术领域，涉及一种双向全贯流式转轮叶片几何形状的参数化控制方法。

背景技术

双向全贯流式水轮机是一种用于海洋潮汐能发电的流体机械，其主要优点是可实现正、反向来流条件下的水流能量转换。转轮是实现双向全贯流式水轮机能量转换的核心部件，为了提升正、反向来流的水力性能，转轮叶片在设计与优化的过程中需要进行几何模型的频繁修改，而转轮叶片是一个复杂的三维扭转曲面，常规的曲面修改方法无法直接修改三维叶片曲面的水动力学几何变量(如叶片进、出口安放角)，因此也就无法有效的提升叶片的水力性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种双向全贯流式转轮叶片几何形状的参数化控制方法，解决了现有双向全贯流转轮叶片三维几何形状修改不便、难以开展优化设计的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种双向全贯流式转轮叶片几何形状的参数化控制方法，具体包括如下步骤：

步骤1，将已有的全贯流式转轮三维叶片分解成N个不同流面上的三维翼型，并提取得到各流面上翼型的进、出口安放角和进、出口控制边长；

步骤2，对步骤1所得的结果进行参数化处理；

步骤3，基于步骤2的处理结果，获取参数控制变量的集合X

步骤4，基于步骤3所得结果，对参数控制点进行处理，获得全贯流式转轮叶片参数化控制变量集合X

步骤5，在双向全贯流式转轮叶片的优化过程中，给定实数集合X

本发明的特点还在于，

步骤1的具体过程为：

步骤1.1，针对一个已有的全贯流式转轮，在该转轮轴面流道图内，沿轮毂到轮缘取N根轴面流线，其中包括轮毂、轮缘曲线形成的轴面流线，令轮毂流线的编号为0，轮缘流线的编号为N，流线编号从轮毂至轮缘逐步递增；

步骤1.2，将所有轴面流线沿转轮旋转轴回转形成N个流面，按照保角变换方法，将各流面上的三维翼型曲线变换成横坐标为周向角度θ、纵坐标为轴向坐标Z的Z-θ平面上的二维翼型；

步骤1.3，在保角变换的Z-θ平面上，提取各流面二维翼型对应的骨线，采用4阶3次贝塞尔曲线对骨线进行参数化，参数化后的4个控制点分别A

步骤1.4，根据4阶3次贝塞尔曲线控制多边形的特点，进口控制边A

步骤1.5，将各轴面流线按等长度的原则等分为M个点，然后分别取出各轴面流线上对应的M个点的半径并求出数值平均值，所得的数值平均值即为各轴面流线对应的平均半径R

步骤2的具体过程为：

采用4阶3次贝塞尔曲线对β

采用4阶3次贝塞尔曲线对β

采用4阶3次贝塞尔曲线对L

采用4阶3次贝塞尔曲线对L

步骤3的具体过程为：

保持BI

保持BO

保持CL

保持DL

最终控制β

步骤4的具体过程为：

在保角变换后的Z-θ平面上，保持各流面对应的骨线控制点A

X

步骤5的具体过程为：

步骤5.1，给定实数集合X

步骤5.2、由于控制点BI

步骤5.3，根据步骤1.5中计算获得的原各流面平均半径R

步骤5.4，根据步骤5.1给定的实数集合X

Z

式中，Z

由于控制点A

步骤5.5，基于步骤5.4所得的控制点A

Z

Z

步骤5.6，基于步骤5.4和步骤5.5获得的二维翼型骨线控制点A

步骤5.7、根据保角变换的逆变换方法，将各流面对应的保角变换平面Z-θ平面上的新二维翼型逆变换为三维坐标系下的三维翼型曲线，采用三维几何造型软件对新的各流面对应的三维翼型曲线进行放样造面，进而获得新的全贯流式转轮叶片的三维几何形状。

本发明的有益效果是，通过本发明公开的全贯流式转轮叶片参数化方法可将复杂的三维扭曲叶片表达成一组有限维的实数数组，然后根据转轮叶片优化设计的需求可以准确量化修改数组内部各元素的数值也即修改三维叶片曲面的水动力学几何变量，最后再根据本发明中的参数化造型方法实现叶片的三维曲面成型，整个过程简便、快捷，从叶片几何参数修改至修改后新三维叶片曲面成型间的时间间隔极短，极大提升了叶片改型、优化的工作效率。

附图说明

图1是本发明一种双向全贯流式转轮叶片几何形状的参数化控制方法中转轮轴面流道图内各轴面流线的示意图；

图2是本发明一种双向全贯流式转轮叶片几何形状的参数化控制方法中的各流面上的三维翼型曲线的示意图；

图3是本发明一种双向全贯流式转轮叶片几何形状的参数化控制方法中各流面上的三维翼型曲线保角变换到Z-θ平面上二维翼型及其骨线参数化控制原理示意图；

图4是本发明一种双向全贯流式转轮叶片几何形状的参数化控制方法中Z-θ平面上二维翼型骨线进口角β

图5是本发明一种双向全贯流式转轮叶片几何形状的参数化控制方法中Z-θ平面上二维翼型骨线出口角β

图6是本发明中Z-θ平面上二维翼型骨线进口控制边长L

图7是本发明一种双向全贯流式转轮叶片几何形状的参数化控制方法中Z-θ平面上二维翼型骨线出口控制边长L

图中，1.转轮轴面流道图中的轮缘曲线，2.转轮轴面流道图中的轮毂曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的一种双向全贯流式转轮叶片几何形状的参数化控制方法主要针对全贯流转轮叶片的三维曲面进行控制，其主要步骤如下：

步骤1、将已有的全贯流式转轮三维叶片分解成N个不同流面上三维翼型，并提取得到各流面上翼型的进、出口角和进、出口控制边长。

步骤1.1，如图1所示，针对一个已有的全贯流式转轮，在其转轮轴面流道图内，沿轮毂到轮缘取N根轴面流线(N≥7)，其中包括轮毂、轮缘曲线形成的轴面流线。令轮毂流线的编号为0，轮缘流线的编号为N，流线编号从轮毂至轮缘逐步递增。图1中，1为转轮轴面流道图中的轮缘曲线，2为转轮轴面流道图中的轮毂曲线；

步骤1.2、将所有轴面流线沿转轮旋转轴回转形成N个流面，N个流面与转轮叶片相交形成如图2所示的各流面上的三维翼型曲线。按照水轮机领域内的保角变换方法，将各流面上的三维翼型曲线变换成横坐标为周向角度θ、纵坐标为轴向坐标Z的Z-θ平面上的二维翼型。

步骤1.3、如图3所示，在保角变换的Z-θ平面上，提取各流面二维翼型对应的骨线，采用4阶3次贝塞尔曲线对骨线进行参数化，参数化后的4个控制点分别A

步骤1.4、如图3所示，根据4阶3次贝塞尔曲线控制多边形的特点，进口控制边A

步骤1.5、将各轴面流线按等长度的原则等分为M个点(M≥50)，然后分别取出各轴面流线上对应的M个点的半径并求出数值平均值，所得的数值平均值即为各轴面流线对应的平均半径R

步骤2、如图4所示，采用4阶3次贝塞尔曲线对β

步骤3、在图4中，保持BI

X

步骤4、在如图3所示的保角变换后的Z-θ平面上，保持各流面对应的骨线控制点A

X

上式(2)中的X

步骤5、在双向全贯流式转轮叶片的优化过程中，给定实数集合X

步骤5.1、给定实数集合X

步骤5.2、由于图4中4个控制点BI

步骤5.3、根据步骤1.5中计算获得的原各流面平均半径R

步骤5.4、根据步骤5.1给定的实数集合X

Z

上式中，Z

由于步骤4中已说明控制点A

步骤5.5、在A

Z

Z

步骤5.6、在各流面对应的保角变换平面Z-θ平面上，二维翼型骨线控制点A

步骤5.7、根据保角变换的逆变换方法，将各流面对应的保角变换平面Z-θ平面上的新二维翼型逆变换为三维坐标系下的三维翼型曲线。最后，采用三维几何造型软件对新的各流面对应的三维翼型曲线进行放样造面，进而获得新的全贯流式转轮叶片的三维几何形状。