CN103870620B - 用于扩压器与出口导叶融合设计的参数化造型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于扩压器与出口导叶融合结构设计的参数化造型方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)确定末级转子流道中线及厚度分布，以及融合结构的流道在进出口处的中线及厚度分布；(2)选取融合结构的样条曲线的控制点作为控制参数；(3)根据约束条件确定控制参数中可变的控制参数；(4)设置可变的控制参数，确定相应的融合结构的流道的参数化模型。根据本发明，可以快速地得到OGV/扩压器的流道的参数，可以快速评估设计方案，有效地提高了设计的效率。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机领域，尤其是一种用于扩压器与出口导叶融合结构设计的参数化造型方法。
背景技术
大型民用客机不断提高的技术指标对民用航空发动机提出了非常高的要求。低噪声、低污染、低油耗、低成本、长寿命、高可靠性和高安全性是现代民用航空发动机的基本特点。其中低污染排放、低油耗、长寿命、高可靠性等指标对发动机燃烧室设计提出了新的技术挑战。现代航空发动机大都采用高负荷压气机，其出口马赫数较高，使得压气机出口截面的速度头可以达到总压的10％。扩压器将这些大部分的能量转化为静压，并形成稳定、对称的出口流场，同时要求扩压器中气流的总压损失要尽量小，否则会导致高的耗油率。出于可靠性考虑，当发动机在不同的工况下运行时扩压器要能提供相似的出口条件。由此可见扩压器是影响燃烧室性能的一个重要部件，它的性能好坏直接关系到燃烧室的流动特性和燃烧特性，因此合理设计扩压器对于改善燃烧条件改进燃烧室性能具有重要意义。
常规燃烧室多采用短突扩压器。其优点是长度短，有效降低了燃烧室的长度与重量，并对进口流场不敏感，缺点是总压损失较大。为了解决先进燃烧室减速、扩压的问题，采用两种方法：(1)延长前置扩压器，使整个燃烧室加长，但是不但增加了发动机重量，还会加大扩压器中的总压损失；(2)增大前置扩压器的扩散度，会导致前置扩压器内的气流分离，增大分离损失。
出于紧凑性和减重方面考虑，希望燃烧室前置扩压器在满足流动损失较小的条件下轴向长度尽可能小，这无疑增大了扩压器的设计难度。除了单纯减小前置扩压器的轴向长度外，可以把高压压气机出口导叶(以下简称OGV)流道与前置扩压器部分的融合起来，这样不但可以缩短扩压器轴向长度还可以减少扩压器内的支撑支板，称之为OGV/扩压器融合设计。高压压气机OGV径向高度和展弦比在各级中是最小的，因此边界层效应更为显著。OGV气流折转角一般可以达到45°，高负荷必然导致OGV会有较大的总压损失和角区分离。如果采用融合设计，前置扩压器长度能有效降低，但是流道内的逆压梯度势必增大，OGV负荷也势必增大，这会使得端壁和OGV边界层变厚，尾迹变宽，使得OGV的设计更为困难。OGV严重的流动分离不利于高压压气机的性能和稳定性，也会对扩压器内尾迹的掺混和扩压过程造成严重影响。因此通过OGV和扩压器的融合设计，不但要减小扩压器轴向长度，而且也要消除OGV在大负荷下的角区分离。
发明内容
本发明提出了一种参数化造型方法，能在满足设计约束的基础上灵活的控制OGV/扩压器流道形状，同时也能使压气机末级转子流道与OGV/扩压器流道光滑连接。
本发明提出了一种用于扩压器与出口导叶融合结构设计的参数化造型方法，包括如下步骤：
(1)确定末级转子流道中线及厚度分布，以及所述融合结构的流道在进出口处的中线及厚度分布；
(2)选取所述融合结构的样条曲线的控制点作为控制参数；
(3)根据约束条件确定所述控制参数中可变的控制参数；
(4)设置所述可变的控制参数，确定相应的所述融合结构的流道的参数化模型。
在一个实施例中，在步骤(1)中，基于所述末级转子流道的初始型线，当计算得出的末级转子流道初始型线与给定的末级转子流道型线完全重合时，即可获得其中线。
在一个实施例中，在步骤(2)中，所述样条曲线为3次以上的Bezier曲线或Nurbs曲线或B样条曲线。
在一个实施例中，所述约束条件包括：所述末级转子流道中线与所述融合结构的流道中线在所述融合结构的进口处光滑连接。
在一个实施例中，所述约束条件还包括：根据所述融合结构的几何尺寸的要求所确定的所述融合结构出口处的流道中线与轴线的夹角的值。
在一个实施例中，在步骤(3)中，所述可变的控制参数能够保持融合结构的流道光滑。
在一个实施例中，在步骤(4)中，所述融合结构的流道的参数化模型包括机匣、轮毂的轮廓，以及所述融合结构流道的中线。
通过本发明提出的造型方法，可以快速地得到OGV/扩压器的流道的参数，可以快速评估设计方案。如果采用三维气动优化设计技术可以在较短的时间内得出一个优良的设计方案。
本发明提出的参数化造型方法能有效地提高了设计的效率，便于本领域设计人员使用。
附图说明
通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例的中线加厚度造型方式；
图2为本发明实施例中OGV/扩压器流道中线分布图；
图3为本发明实施例中OGV/扩压器流道厚度分布图；
图4为本发明实施例中OGV/扩压器参数化流道示意图。
具体实施方式
对于OGV和扩压器融合设计的造型方式，要以最少的参数灵活的控制流道几何形状，而且还需要满足总体设置的一些约束条件。此外，由于OGV/扩压器的流道还需要与末级转子流道光滑连接。OGV/扩压器的流道由中线加厚度分布的方式确定，转子流道有机匣(hub)和轮毂(shroud)型线数据，中线未知。
本发明提出的造型方法，采用中线加厚度分布的方式对OGV/扩压器流道造型。如图1所示，流道中线通过点(x0，y0)，n为流道中线在(x0，y0)的法线，t为流道中线在(x0，y0)的切线，切线t与轴向的夹角为θ，(xs，ys)和(xh，yh)分别为OGV/扩压器流道的轮毂和机匣的轮廓，h0为该点的流道厚度，故(xs，ys)和(xh，yh)该两点直线距离决定了流道在(x0，y0)处厚度h0的大小，即h0可以用(xs，ys)和(xh，yh)来描述。
为了方便确定转子和OGV/扩压器流道中线一阶连续，将转子流道也用中线和厚度分布方式表示。每个流道型线，都对应着唯一的一条中线，故给定一个初始中线，通过迭代运算，当计算得出的流道型线与给定的转子流道型线完全重合时，即可确定转子流道的实际中线。具体的说，在给定的流道型线和计算得到的流道型线上各取若干个点，以对应点之间的距离的平方和为目标函数，采用迭代运算使得目标函数为0或非常接近0时，即可求出转子流道的中线。
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例作进一步说明，请同时参阅图2、图3、图4。样条曲线以4次的Bezier曲线为例，当然也可以采用其他样条曲线，譬如3次以上的贝塞尔(Bezier)曲线、B样条曲线、非均匀有理B(Nurbs)样条曲线等等。
根据图1所示的造型方法对OGV/扩压器融合设计方案进行造型，并给出OGV/扩压器的几何尺寸的要求如下：扩压器出口中线与轴线夹角为8.2°。
具体过程为：
步骤1，根据转子已知流道，通过迭代算法计算转子流道中线，当计算得出的流道型线与给定的转子流道型线完全重合时，即可确定转子流道的实际中线，进而计算出转子出口处中线的一阶导数；
步骤2，采用分别如图2、图3所示的4次曲线表示OGV/扩压器的流道中线和厚度分布，取Bezier曲线的控制点作为控制参数。图2为OGV/扩压器流道中线的Bezier曲线。横轴为中点的轴向位置，竖轴为中点的径向位置，坐标轴的刻度均为毫米(mm)。m1、m5为流道的端点，m3-m5为曲线的控制点，m1-m5之间以虚线连接，形成控制多边形，根据Bezier曲线原理，流道中线的分布在该控制多边形内，且不过m3-m5，其中，m1、m5点分别对应着OGV/扩压器流道中线进口和出口的点。同理，图3为OGV/扩压器流道厚度分布示意图，h1～h5为流道厚度Bezier曲线的控制点，h1、h5点分别对应着OGV/扩压器流道进口和出口的厚度分布。如此可以得到光滑的流道中线和厚度分布。
步骤3，根据约束条件确定控制参数的个数。
首先确定约束条件，(1)OGV/扩压器流道中线进出口端点(xm1，ym1)、(xm5，ym5)固定不变；(2)末级转子流道与OGV/扩压器流道光滑连接，即末级转子流道中线与OGV/扩压器流道的中线在(xm1，ym1)处1阶连续，且厚度光滑；(3)几何尺寸要求，扩压器出口中线与轴线夹角为8.2°，即在点(xm5，ym5)处OGV/扩压器流道中线的切线与轴向的夹角为8.2°。
由上述约束条件可知，OGV/扩压器流道中线有ym2、xm3、ym3和ym4共4个可变设计变量。进出口端点处的厚度分布(xh1，yh1)，(xh5，yh5)固定不变，为了保持流道进口处厚度光滑，故应使得(xh1，yh1)处的厚度分布1阶连续，因此流道厚度分布共有，yh2、xh3、yh3、xh4、yh45个可变设计变量，故可一共可以用9个变量来描述OGV/扩压器流道，进而建立流道的参数化模型。图4为OGV/扩压器参数化流道，由上而下依次为流道的机匣的轮廓线即(xs，ys)的曲线、OGV/扩压器流道的中线即(x0，y0)的曲线和轮毂的型线即(xh，yh)的曲线，通过这三条曲线则可以描述OGV/扩压器流道的轮廓及厚度。由于是采用Bezier曲线进行造型，故上述三条曲线均为光滑曲线，实现了OGV/扩压器的流道与末级转子流道的光滑连接。
上文的8.2°仅是用来帮助说明本发明的造型方法，而不是用来限制OGV/扩压器的造型和尺寸等相关参数。
通过本发明提出的造型方法，只需要根据设计要求，选择相应的样条曲线，然后输入控制参数的数值就可以快速地得到OGV/扩压器的流道的参数，可以采用CFD技术对设计方案做快速评估，譬如对扩压器的效率进行评估。另外通过本发明提出的造型方法，如果采用三维气动优化设计技术可以在较短的时间内得出一个优良的设计方案。
以上所述的具体描述，对发明的目的，技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于扩压器与高压压气机出口导叶融合结构设计的参数化造型方法，包括如下步骤：
(1)确定所述高压压气机的末级转子流道中线及厚度分布，以及所述融合结构的流道在进出口处的中线及厚度分布；
(2)选取所述融合结构的样条曲线的控制点作为控制参数；
(3)根据约束条件确定所述控制参数中可变的控制参数；
(4)设置所述可变的控制参数，确定相应的所述融合结构的流道的参数化模型。
2.如权利要求1所述的参数化造型方法，其特征在于，在步骤(1)中，基于所述末级转子流道的初始型线，当计算得出的末级转子流道初始型线与给定的末级转子流道型线完全重合时，即可获得所述末级转子流道的中线。
3.如权利要求1所述的参数化造型方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述样条曲线为3次以上的贝塞尔曲线或非均匀有理B样条曲线或B样条曲线。
4.如权利要求1所述的参数化造型方法，其特征在于，所述约束条件包括：所述末级转子流道中线与所述融合结构的流道中线在所述融合结构的进口处光滑连接。
5.如权利要求1所述的参数化造型方法，其特征在于，所述约束条件还包括，根据所述融合结构的几何尺寸的要求所确定的所述融合结构出口处的流道中线与轴线的夹角的值。
6.如权利要求1所述的参数化造型方法，其特征在于，在步骤(3)中所述可变的控制参数能够保持所述融合结构的流道光滑。
7.如权利要求1所述的参数化造型方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述融合结构的流道的参数化模型包括机匣、轮毂的轮廓，以及所述融合结构流道的中线。
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