[发明专利]基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法及系统

说明书

发明公开了一种基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法及系统，整个三维叶片造型过程较为简单，并且通过双四次Bezier曲面生成的扰动量施加到叶片中弧面上后，叶片中弧面的空间三维型面在流向和展向上保持双四次Bezier曲面具有的光滑特点，该方法可以实现对离心叶轮叶片局部区域型面的精准控制，主要体现在：一方面通过叶片型面的局部调整抑制叶片表面的二次流动；另一方面还可有效实现对离心叶轮特定叶片区域强度和变形的控制，提高叶片的安全性。

技术领域

本发明涉及离心叶轮设计技术领域，特别地，涉及一种基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法及系统。

背景技术

目前在离心压气机技术领域，离心叶轮叶片通常采用根尖两个截面的直纹面进行设计，该种方法只能对离心叶轮叶片根部和尖部的几何形状进行控制，无法对叶片局部区域进行精准控制。随着技术的发展，离心压气机朝着负荷高、效率高、压比高的方向发展，采用根尖两个截面设计离心叶轮的传统方法难以满足未来高性能离心压气机的性能需求。高性能离心压气机叶轮叶片的设计要求越来越高，对叶片局部区域的控制需求增加，故叶片呈现的三维性越来越强，现有的一些离心叶轮设计方法借鉴了轴流叶片多截面设计方法以期望实现对离心叶轮叶片的三维控制。

但是，由于离心叶轮进出口叶片高度差异大，借鉴轴流叶片多截面设计方法最大的缺点就是要实现对截面的精细控制，需要控制的截面个数较多，控制参数多，使得三维叶片造型过程十分复杂，而且极易存在叶片展向不光滑的现象，实用性不强。

发明内容

本发明提供了一种基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法及系统，以解决目前借鉴轴流叶片多截面设计方法进行离心叶轮设计的方式存在的三维叶片造型过程中控制参数多，造型过程复杂以及极易存在叶片展向不光滑的现象的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种基于双四次Bezier曲面的离心叶轮设计方法，包括以下步骤：

步骤S1：输入离心叶轮造型所需的几何参数，所述几何参数包括离心叶轮进出口流道坐标、进出口叶片角、叶片最大厚度及厚度位置、叶片数、叶片切割位置、叶片前缘半径、双四次Bezier曲面扰动参数；

步骤S2：基于离心叶轮进出口流道坐标采用Bezier曲线设计子午流道；

步骤S3：基于保角变换方法将叶片根部和尖部的中弧线变换到平面坐标系进行叶片中弧线设计，设计完成之后再将叶片中弧线映射到笛卡尔坐标系中计算得到叶片中弧线的三维空间坐标，采用线性插值的方式计算获得不同叶高截面叶片中弧线的空间三维坐标，从而得到叶片中弧面的三维空间坐标；

步骤S4：采用Bezier曲线生成投影到子午面的叶片前缘切割线，并根据叶片切割位置采用插值和二分法对叶片中弧面进行切割以得到基准离心叶轮叶片中弧面；

步骤S5：设计叶片厚度分布；

步骤S6：采用双四次Bezier曲面生成扰动量并将其施加到基准离心叶轮叶片中弧面上；

步骤S7：基于叶片厚度分布和施加扰动量的基准离心叶轮叶片中弧面，采用法向厚度叠加方法计算得到叶片型面坐标。

进一步地，所述步骤S6中采用的双四次Bezier曲面的表达式为：

其中，n，m均等于5，B_i,n(u)，B_j,m(v)分别为u方向和v方向上Bezier曲线基函数，P_i,j为控制点。

进一步地，所述步骤S6具体为：

将双四次Bezier曲面按u方向和v方向分别映射到叶片中弧面的流向和展向，并将其叠加到中弧线坐标上。

进一步地，所述步骤S7包括以下内容：