[发明专利]一种双向全贯流式转轮叶片几何形状的参数化控制方法

权利要求书

1.一种双向全贯流式转轮叶片几何形状的参数化控制方法，其特征在于：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；

所述步骤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_0i、A_1i、A_2i、A_3i，i∈[1,N]；

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_0iA_1i与骨线相切于控制点A_0i，出口控制边A_2iA_3i与骨线相切于控制点A_3i，则Z-θ平面上进口控制边A_0iA_1i与等Z值水平线之间的夹角为进口安放角β_1i、出口控制边A_2iA_3i与等Z值水平线之间的夹角为出口安放角β_2i，进口控制边A_0iA_1i的长度为L_1i，出口控制边A_2iA_3i的长度为L_2i，其中i为轴面流线的编号，i∈[1,N]；

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_i，i∈[1,N]，然后绘制叶片各流面翼型的骨线进口安放角β_1i随R_i的变化曲线；绘制叶片各流面翼型的骨线出口安放角β_2i随R_i的变化曲线；绘制叶片各流面翼型的进口控制边长L_1i随R_i的变化曲线；绘制叶片各流面翼型的进口控制边长L_2i随R_i的变化曲线；

步骤2，对步骤1所得的结果进行参数化处理；

所述步骤2的具体过程为：

采用4阶3次贝塞尔曲线对β_1i随R_i的变化曲线进行参数化，参数化后的4个控制点分别为BI₀、BI₁、BI₂、BI₃；

采用4阶3次贝塞尔曲线对β_2i随R_i的变化曲线进行参数化，参数化后的4个控制点分别为BO₀、BO₁、BO₂、BO₃；

采用4阶3次贝塞尔曲线对L_1i随R_i的变化曲线进行参数化，参数化后的4个控制点分别为CL₀、CL₁、CL₂、CL₃；

采用4阶3次贝塞尔曲线对L_2i随R_i的变化曲线进行参数化，参数化后的4个控制点分别为DL₀、DL₁、DL₂、DL₃；

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_VAR；

所述步骤3的具体过程为：

保持BI₀～BI₃这4个控制点的横坐标固定不变，选择它们的纵坐标Y_BI0～Y_BI3作为控制变量控制β_1i随R_i的变化曲线；

保持BO₀～BO₃这4个控制点的横坐标固定不变，选择它们的纵坐标Y_BO0～Y_BO3作为控制变量控制β_2i随R_i的变化曲线；

保持CL₀～CL₃这4个控制点的横坐标固定不变，选择它们的纵坐标Y_CL0～Y_CL3作为控制变量控制L_1i随R_i的变化曲线；

保持DL₀～DL₃这4个控制点的横坐标固定不变，选择它们的纵坐标Y_DL0～Y_DL3作为控制变量控制L_2i随R_i的变化曲线；

最终控制β_1i随R_i的变化曲线、β_2i随R_i的变化曲线、L_1i随R_i的变化曲线和L_2i随R_i的变化曲线这4根曲线的实数控制变量集合如下式(1)所示：

X_VAR＝(Y_BI0,Y_BI1,Y_BI2,Y_BI3,Y_BO0,Y_BO1,Y_BO2,Y_BO3,Y_CL0,Y_CL1,Y_CL2,Y_CL3,Y_DL0,Y_DL1,Y_DL2,Y_DL3) (1)；

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_ALL；

所述步骤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_0i和A_3i的θ坐标θ_0i和θ_3i不变，然后通过A_0i和A_3i的Z坐标增加量ΔZ_0i和ΔZ_3i来控制A_0i和A_3i的Z坐标的变化；结合步骤3中的公式(1)，最终获得全贯流式转轮叶片参数化控制变量集合X_ALL如下式(2)所示：

X_ALL＝(ΔZ_0i,ΔZ_3i,Y_BI0,Y_BI1,Y_BI2,Y_BI3,Y_BO0,Y_BO1,Y_BO2,Y_BO3,Y_CL0,Y_CL1,Y_CL2,Y_CL3,Y_DL0,Y_DL1,Y_DL2,Y_DL3) (2)；

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_ALL中的所有变量的数值，完成对应该实数集合的三维全贯流式转轮叶片的造型。

2.根据权利要求1所述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，其特征在于：所述步骤5的具体过程为：

步骤5.1，给定实数集合X_ALL中的所有变量的数值；

步骤5.2、由于控制点BI₀～BI₃、BO₀～BO₃、CL₀～CL₃以及DL₀～DL₃的横坐标均保持原始值不变，则在步骤5.1执行完成以后，根据实数集合X_ALL中的Y_BI0、Y_BI1、Y_BI2、Y_BI3、Y_BO0、Y_BO1、Y_BO2、Y_BO3、Y_CL0、Y_CL1、Y_CL2、Y_CL3、Y_DL0、Y_DL1、Y_DL2、Y_DL3对应的数值，即可以确定控制点BI₀～BI₃、BO₀～BO₃、CL₀～CL₃以及DL₀～DL₃的新坐标，根据控制点BI₀～BI₃、BO₀～BO₃、CL₀～CL₃以及DL₀～DL₃的新坐标数据，采用4阶3次贝塞尔曲线的计算公式计算得到新的β_1i随R_i的变化曲线、β_2i随R_i的变化曲线、L_1i随R_i的变化曲线和L_2i随R_i的变化曲线这4根曲线；

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_i数值，在步骤5.2获得的β_1i随R_i的变化曲线、β_2i随R_i的变化曲线、L_1i随R_i的变化曲线和L_2i随R_i的变化曲线这4根曲线中插值出各流面上新的进口角β_1i’、新的出口角β_2i’、新的进口控制边长L_1i’、新的出口控制边长L_2i’，i∈[1,N]；

步骤5.4，根据步骤5.1给定的实数集合X_ALL中的ΔZ_0i和ΔZ_3i和下式(3)计算控制点A_0i和A_3i新的Z坐标Z_0i’和Z_3i’：

Z_0i’＝Z_0i+ΔZ_0i,Z_3i’＝Z_3i+ΔZ_3i (3)；

式中，Z_0i和Z_3i分别为控制点A_0i和A_3i原始的Z坐标；

由于控制点A_0i和A_3i的θ坐标θ_0i和θ_3i保持不变，则根据公式(3)计算获得控制点A_0i和A_3i新的Z坐标Z_0i’和Z_3i’以后，控制点A_0i和A_3i在保角变换平面Z-θ平面上的新坐标值即可确定为(θ_0i,Z_0i’)和(θ_3i,Z_3i’)；

步骤5.5，基于步骤5.4所得的控制点A_0i和A_3i坐标，根据下述公式(4)及公式(5)确定二维翼型骨线控制点A_1i和A_2i的新坐标A_1i(θ_1i’,Z_1i’)和A_2i(θ_2i’,Z_2i’)；

Z_1i’＝Z_0i’-L_1i’sinβ_1i’,θ_1i’＝θ_0i+L_1i’cosβ_1i’ (4)；

Z_2i’＝Z_3i’+L_2i’sinβ_2i’,θ_2i’＝θ_3i-L_2i’cosβ_2i’ (5)；

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_0i、A_1i、A_2i、A_3i的新坐标值，根据4阶3次贝塞尔曲线的计算公式可以计算得到新的二维翼型骨线形状，在各流面对应的新二维翼型骨线上按对应的原始翼型的厚度分布规律进行加厚，获得各流面对应的保角变换平面Z-θ平面上的新二维翼型；

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。