CN101149062A - 改进端区堵塞的轮毂造型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改进风扇/压气机端区堵塞以及角区分离的轮毂造型方法。其在叶片轮毂区域进行重新造型，有效的减缓了根部堵塞从而改善端部流动，实现了本发明的目的。与传统的轮毂造型相比，本发明设计针对减少角区堵塞以至分离问题而采用了新的造型方法，因此能够有效减少轮毂区域的大尺度分离，增加根部的加功能力，从而提高风扇/压气机的性能，同时扩大风扇/压气机稳定工作范围。

Description

改进端区堵塞的轮毂造型方法

技术领域

本发明涉及的是一类轴流风扇/压气机流道设计方法，尤其是改进风扇/压气机端区堵塞的轮毂造型方法。

背景技术

随着航空发动机推重比不断提高，加大风扇/压气机的单级负荷是重要的手段。然而负荷的提高就给风扇/压气机设计增添了很大的难度。附面层在强逆压梯度以及激波干扰下产生的堵塞、分离变得更加严重，造成各种损失不断增加。但是，通过分析可知大部分的损失来自于端壁区域，所以对轮毂区域的研究就成了焦点问题之一。

针对轮毂区域的高损失问题，国内外的研究主要集中在以下几个方面：

对叶片根部进行二维和三维的研究，来解决轮毂区域的损失问题。1.二维研究主要是对叶片根部叶型，利用模型建立端壁对叶根的影响，使设计的可控扩散叶型更加适合真实流动，但是模型的建立需要大量的试验结果，并且准确度对叶型的影响很大。2.三维研究主要是空间造型方面，在叶片根部采用弯设计，这样可以使端壁附面层向中间主流部分移动，低能流体被主流带走，但是，这种设计还处在定性分析阶段，并且应用到转子上也存在强度问题。

对轮毂直接处理，来解决轮毂区域的损失问题。1.在轮毂区域进行抽吸气研究，是比较热的研究方向。它的主要思想是抽出轮毂区低能流体，减少轮毂区域的堵塞使气流不再分离，从而达到提高负荷、减少损失的目的。但是，工业界对抽吸气在使用过程中抽气孔的可靠性提出疑问。2.在风扇/压气机中开展轮毂非对称端壁造型研究，其研究目的主要有两个方面a.减少横向的二次流动损失。b.控制根部叶片压力面与吸力面的进口速度来减小损失，但是这样的研究没有给出定量的结构造型。3.在轮毂区域进行凸、凹的设计，其研究目的是控制叶片前、尾缘速度，来降低损失，但凸、凹处理方式还没有一个定量的表达。

通过对以上研究的分析，存在这样一个特点，现有研究还没有综合考虑叶片与轮毂形状的影响。因此，针对轮毂区域流动堵塞以及角区分离比较严重的现象，结合外流飞机机翼与机身组合体造型设计的经验，本课题组提出了根据叶片与轮毂组合体的几何形状和参数，建立改进端区堵塞的轮毂造型方法。改进端区堵塞的轮毂造型方法有定量的结构确定方式，相对简单易于实现，因此具有较大的应用前景。

发明内容

本发明的目的是降低风扇/压气机轮毂区域堵塞以及角区分离流动，扩大堵塞工况的工作范围。本发明所采用的技术方法是根据叶片与轮毂组合体的几何形状和参数，在叶片轮毂区域进行重新造型，如图1所示，这样可以使轮毂区域的静压提高，促使附面层向叶中方向移动，使得轮毂与叶片角区内附面层堆积减弱、堵塞降低，从而实现本发明的目的。改进端区堵塞的轮毂造型方法有效与否的关键依赖于叶片与轮毂组合体几何形状的确定，以及重新造型后轮毂半径的定量表达。其处理方法如下：

(1)叶片横截面的面积求解：

根据已知的叶片几何数据，可以确定叶片各垂直于轴向的横截面面积。

由图2所示，垂直于轴向的横截面与叶片表面相交可以得到交线边缘的坐标值，按照以下方法可以计算出叶片横截面的面积：

$S_i={\∫}_{R_h}^{R_t}r\·\mathrm{\θdr}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\ΔS}}^{\′}}_j$

${{\mathrm{\ΔS}}^{\′}}_j=\frac{1}{2}(x_1{y}_2-x_1{y}_4+x_2{y}_3-x_2{y}_1+x_3{y}_4-x_3{y}_2+x_4{y}_1-x_4{y}_3)$

其中S₁为某轴向位置叶片横截面面积，ΔS_j′为单元面积，r为半径，θ圆弧角度，(x₁，y₁)(x₂，y₂)(x₃，y₃)(x₄，y₄)为单元四边形四个顶点坐标

(2)叶片与轮毂组合体横截面的半径求解：

把叶片和轮毂构成成一个沿轴向的组合体，那么这个组合体的半径就可以按照下面的公式求得：

${R_N^{\′}}_i=\sqrt{{{R_O^{\′}}_i}^2+(N\·S_i/\mathrm{\π})}$

其中R′_Ni为组合体半径，R′_Oi为原始轮毂半径，N为叶片数，S_i为叶片横截面面积

从图3可以看到，折合后的组合体形成的流道很不光滑，在这种情况下环壁附面层很容易发生堆积堵塞，以致造成分离，所以，要把组合体流道修改的光滑来控制扩压，减少轮毂区域的堵塞。

(3)新轮毂半径的确定：

根据叶片与轮毂组合体横截面面积分布重新造型轮毂，但是要注意以下两个方面：

①.由于叶片横截面顶部与根部对轮毂的影响不同，叶根处对轮毂影响较大，叶尖处影响较小，所以就要分别对待叶尖、叶根在组合体中对轮毂的影响；

②.重新造型后轮毂凹陷部分进口要保证凸曲率，凹陷部分中部不易过深，凹陷部分出口要保证凸曲率，这些都是考虑到进口部分凸曲率能控制进口速度，限制中间凹陷部分深度主要是控制扩压，出口部分凸曲率收缩主要是使气流加速降低逆压梯度；

根据以上需要，按照权重方法重新造型轮毂(权重函数参照图4)，轮毂半径从以下公式得到：

$S_i={\∫}_{R_h}^{R_t}{f}_{\mathrm{WV}}\left(r\right)\·r\·\mathrm{\θdr}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\ΔS}}^{\′}}_j{f}_{\mathrm{WV}}\left(j\right)$

${{\mathrm{\ΔS}}^{\′}}_j=\frac{1}{2}(x_1{y}_2-x_1{y}_4+x_2{y}_3-x_2{y}_1+x_3{y}_4-x_3{y}_2+x_4{y}_1-x_4{y}_3)$

${R_N}_i=\sqrt{{R_O^2}_i-(N\·S_i/\mathrm{\π})}$

其中S_i为某轴向位置叶片横截面面积，ΔS′_j为单元面积，r为半径，θ圆弧角度，f_WV为权重函数，(x₁，y₁)(x₂，y₂)(x₃，y₃)(x₄，y₄)为单元四边形顶点坐标，R_Ni为新轮毂半径，R_Oi为原始轮毂半径，N为叶片数。

根据新轮毂半径的定量表达可以确定新的流道，为了保证流道的光滑性，对其进行B样条拟合，但要保证轮毂凹陷部分的曲率变化，最终得到新的轮毂造型(图1)。

附图说明

图1为重新造型后子午面轮毂示意图；

图2为叶片某轴向位置横截面示意图；

图3为叶片与轮毂折合成组合体后子午流道示意图；

图4为本发明中权重函数示意图；

图5为实例风扇转子叶片轴向横截面分布图；

图6为实例风扇转子与轮毂构成组合体后形成的流道子午面图；

图7为实例风扇转子经重新造型后得到的轮毂子午面图；

图8为实例风扇转子重新造型前后数值模拟得到的效率特性线图；

图9为实例风扇转子重新造型前后数值模拟得到的压比特性线图

具体实施方式

举例说明本发明的具体实施方式。根据上述改进端区堵塞的轮毂造型方法对一风扇转子轮毂进行重新设计，并用数值模拟的方法验证其作用效果。

该风扇转子的设计参数如表1所示，叶片表面参数为已知数据。

表1轴流风扇转子设计参数

设计点指标			几何参数
					转速	21500	rpm	叶片数	14
流量	25.0	kg/s	轮毂比	0.413
					压比	2.203		展弦比	0.81
效率	0.868
					叶尖切线速度	495.32	m/s

一、按照方法(1)确定叶片沿轴向横截面面积S_i分布：

1)以求解叶片z＝0位置横截面面积为例。已知叶片表面数据是按照基元级压力面86个点、吸力面86个点，径向21个基元级构成。通过差值的方法可以得到每个基元级压力面和吸力面对应z＝0的两个坐标，那么21个基元级就得到42个坐标点。z＝0位置的横截面边缘可以用42个坐标点确定，由42个坐标点可以把横截面分成20个四边形，那么用方法(1)中 ${{\mathrm{\ΔS}}^{\′}}_j=\frac{1}{2}(x_1{y}_2-x_1{y}_4+x_2{y}_3-x_2{y}_1+x_3{y}_4-x_3{y}_2+x_4{y}_1-x_4{y}_3)$ ，可以得到每个四边形单元的面积，再用 $S_i=\underset{j=1}{\overset{20}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\ΔS}}^{\′}}_j$ 就可以得到z＝0位置横截面的面积S_i＝0.01664平方米。

2)仿照上面的方法，可以求得横截面面积沿轴向的分布，见图5。

二、按照方法(2)确定叶片与轮毂组合体横截面的半径：

1)以求解z＝0位置叶片与轮毂组合体横截面半径为例。由已经求得的横截面面积S_i＝0.01664平方米，叶片数14片，根据方法(2)中 ${R_N^{\′}}_i=\sqrt{{{R_O^{\′}}_i}^2+(N\·S_i/\mathrm{\π})}$ ，可以求得z＝0位置组合体半径R′_Ni＝0.12476米。

2)仿照上面方法，可以求得组合体横截面半径沿轴向的分布，那么就可以得到组合体形成的流道，见图6。

三、按照方法(3)确定新轮毂半径：

1)根据方法(2)确定的组合体形状，并且按照方法(3)中需要注意的两点要求，本例选取了从0～1的线性权重函数。

2)以求解z＝0位置在权重函数影响下横截面面积为例。由方法(1)中求解横截面面积为基础，按照线性权重函数，利用方法(3)中 $S_i=\underset{j=1}{\overset{20}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\ΔS}}^{\′}}_j{f}_{\mathrm{WV}}\left(j\right)$ ，对横截面面积进行重新求和，可以求得到S_i＝0.00745平方米。仿照这种方法，可以求得新的横截面面积沿轴向的分布，见图5。

3)以求解z＝0位置新轮毂半径为例。由上面求得的z＝0位置的横截面面积S_i＝0.00745平方米，叶片数14，利用方法(3)中 ${R_N}_i=\sqrt{{R_O^2}_i-(N\·S_i/\mathrm{\π})},$ 可以求得z＝0位置新轮毂的半径R_Ni＝0.11317米。仿照这种方法，可以求得新的轮毂半径沿轴向的分布，也就构成了新的流道。对流道进行B样条拟合，最终得到新的轮毂造型，流道子午面图见图7。

四、对两种轮毂形状的风扇进行计算机数值模拟，对比数值结果可以发现，新造型的轮毂改进端区的堵塞状况。从风扇压比、效率特性曲线图8和图9可以看到新造型的轮毂处理使原始风扇堵塞工况被扩宽。

人们将会了解到，本发明不限于本申请案中指出和说明的特殊实施例子，只要不违背下列权利要求书中限定的新构思和范围就可以做出各种改变和改进的方案。

Claims (4)

1.一种改进风扇/压气机端区堵塞的轮毂造型方法，其特征在于根据叶片与轮毂组合体的几何形状和参数，选取恰当的权重函数，确定新轮毂半径的定量表达，最终得到新的轮毂造型。

2.按照权利要求1所述的改进端区堵塞的轮毂造型方，其特征在于可以确定叶片与轮毂组合体的半径 $R_{\mathrm{Ni}}^{\′}=\sqrt{{R_{\mathrm{Oi}}^{\′}}^2+(N\·S_i/\mathrm{\π})},$ 其中R_Ni′为组合体半径，R_Oi′为原始

轮毂半径，N为叶片数， $S_i={\∫}_{R_h}^{R_t}r\·\mathrm{\θdr}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{S^{\′}}_j,$ 其中S_i为某轴向位置叶片横截面面积，ΔS_j′为单元面积，r为半径，θ圆弧角度。

3.按照权利要求1和2所述的改进端区堵塞的轮毂造型方法，其特征在于通过选取权重函数f_wv，根据叶片横截面面积 $S_i={\∫}_{R_h}^{R_t}{f}_{\mathrm{WV}}\left(r\right)\·r\·\mathrm{\θdr}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{S^{\′}}_j{f}_{\mathrm{WV}}\left(j\right),$ 确定新轮毂的半径 $R_{\mathrm{Ni}}=\sqrt{R_{\mathrm{Oi}}^2-(N\·S_i/\mathrm{\π})},$ 其中S_i为某轴向位置叶片横截面面积，ΔS_j′为单元面积，r为半径，θ圆弧角度，f_WV为权重函数，R_Ni为新轮毂半径，R_Oi为原始轮毂半径，N为叶片数。

4.按照权利要求1所述的改进端区堵塞的轮毂造型方法，其特征在于对新得到的轮毂半径进行B样条拟合，保证轮毂凹陷部分的曲率变化，最终得到新的轮毂造型。

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