CN108131325A - 轴向超音通流转叶激波静叶风扇级 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及轴向超音通流转叶激波静叶风扇级，Axial Supersonic Inflow Shock‑in‑Stator Fan，缩写为SSSF，属于机械装置及运输技术领域。SSSF提供一种新形式热力学布局风扇，包括轴向超音通流转叶和激波静叶；SSSF可直接面向轴向超音来流,转叶通道内为全展高轴向超音流动,静叶通道通过激波系将流动减速为亚音。SSSF的设计过程包括一维方案设计、二维通流设计、三维造型设计、强度校核、试验件加工与测试。SSSF风扇相比于传统亚、跨声速风扇，大大减小了进气道的长度和重量；同时，由于超音通流转叶的高负荷能力，在超音飞行状态下具有高负荷、高效率、重量小的优势。

Description

轴向超音通流转叶激波静叶风扇级
技术领域
本发明涉及轴向超音通流转叶激波静叶风扇级，属于机械装置及运输技术领域。
背景技术
超音速尤其是超音速巡航飞行是航空界始终如一的发展目标，动力技术是实现这一目标的关键。经过半个多世纪的探索发展，无论是军用领域的SR-71侦察机、F-22战斗机，还是民用领域的“T-144”和“协和”超音速客机，其超音速飞行动力几乎归一为超音进气道+轴向来流亚音航空燃气轮机模式。尽管这种传统模式已取得巨大成功，但很显见依此途径继续提升其性能极其困难。而上述模式下，超音进气道将超音来流降为轴向亚音气流不可避免地大大增加了进气道长度和重量，造成了在高马赫数飞行下的较大损失。而轴向超音来流风扇级技术把来流降为亚音速的责任集成到风扇中，通过减小长度和重量的超音通流进气道以及加功能力增强的风扇来实现整个推进系统推重比等性能的大幅提高。
轴向超音来流风扇指轴向来流速度达到超音速的风扇级。而按转叶、静叶内流动轴向速度分布情况看，轴向超音来流风扇级应该分为三类：
1.超音通流风扇级(Supersonic Through-Flow Fan，缩写为STFF风扇)，即转叶、静叶内流动均保持轴向超音，相对、绝对气流也均超音。设计工况时，转、静叶通道中只有膨胀波、弱压缩波，不存在强激波。美国NASA最早提出这类风扇级，研究鼎盛时期主要集中在1970-1980年[1-3]，后续仅在1995-2005年见到其气弹相关研究[4-6]。国内北航于1980年代末至1990年代初对此进行了初步的跟踪研究[7]。
2.轴向超音来流激波转叶风扇(Axial Supersonic Inflow Shock-in-RotorFan,缩写为SSRF)，即超音气流在转叶中通过激波减速增压，静叶进口气流轴向分速降为亚音速。这类风扇未见国外文献报道，国内北航周盛教授最早提出该概念，并进行了初步的气动设计[8]。
3.轴向超音通流转叶风扇级，或称轴向超音来流激波静叶风扇(AxialSupersonic Inflow Shock-in-Stator Fan，缩写为SSSF)，即气流在转叶中不产生激波而依靠折转做功，但气流轴向分速在转叶中保持为超音，轴向超音气流继续在静叶中通过激波减速增压，静叶出口气流亚音。这种风扇似乎与Klapproth早年提出的冲击式全超音速风扇[9]类似，但SSSF动叶进出口存在较大的静压比，这与Klapproth的冲动式全超音速风扇动叶前后静压基本不变完全不同。因此，SSSF应该属于全新的超音来流风扇方案。
上述三种轴向超音来流风扇方案中，STFF实际未解决下游传统轴向亚音来流风扇前超音速气流的扩压减速问题；SSRF和SSSF均能将超音来流顺利转换为下游风扇所需的亚音来流，但存在于SSRF转叶和SSSF静叶中的强激波/附面层诱导分离将加剧损失和气动堵塞，不加以控制就无法实际应用。考虑到静叶中实施流动控制具有更好的工程现实性，SSSF将迎来重要发展机遇。
研究表明，SSSF方案相比传统亚、跨声速风扇可具有负荷、效率、重量优势。
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发明内容
本发明目的是提升现有飞行器超音速飞行下推进系统的推重比性能，提出了轴向超音通流转叶激波静叶风扇级(Axial Supersonic Inflow Shock-in-Stator Fan，缩写为SSSF)。
本发明轴向超音通流转叶激波静叶风扇级提供一种新形式的热力学布局风扇，风扇共有一级，包括轴向超音通流转叶和激波静叶；
其中，轴向超音通流转叶和激波静叶简写为转静叶；
本发明轴向超音通流转叶激波静叶风扇级可直接面向轴向超音来流,转叶通道内为全展高范围内轴向超音流动,静叶通道通过激波系将轴向超音流动减速为亚音流动；
轴向超音通流转叶激波静叶风扇级的轴向超音通流转叶和激波静叶均由钛合金制作；
轴向超音通流转叶激波静叶风扇级，其设计过程包括以下步骤：
步骤1、进行SSSF一维方案设计，具体为：根据流量系数、转叶进出口面积比设计得到进出口马赫数、进口面积、轮毂比以及基元速度三角形，具体为：
步骤1.1对转静叶总压恢复系数进行初步估计，再结合给定的流量系数和转叶进出口面积比，求解SSSF基元速度三角形；
步骤1.2将步骤1.1中得到的SSSF初始基元速度三角形代入转静叶损失模型，求解出转叶总压恢复系数和静叶总压恢复系数；
其中，转静叶损失模型包括转叶总压恢复系数和静叶总压恢复系数的求解两部分；
其中，转叶总压恢复系数σr通过如下公式(1)求得：
其中，σr0＝0.93；sin表示正弦函数；β1表示转叶进口金属角；β2表示转叶出口金属角；|β1-β2|表示β1减去β2的绝对值；
静叶总压恢复系数σs通过如下公式(2)求得：
其中，Maa＝1.5，σa＝0.93；Mab＝3.0，σb＝0.85；Ma2表示静叶进口马赫数；
步骤1.3判断步骤1.2中得到的转静叶总压恢复系数与步骤1.1中的转静叶总压恢复系数初步估计值是否满足精度要求，即是否满足式(3):
如果满足式(3)，则进行步骤2；如果不满足式(3)，则进行步骤1.4
步骤1.4将步骤1.2得到的转静叶总压损失系数替换步骤1.1中对转静叶总压恢复系数的初步估计，并返回步骤1.1，重新求解SSSF基元速度三角形；
步骤2、进行SSSF二维通流设计，即计算转静叶的展向气动参数分布，具体为：
步骤2.1基于一维方案设计中得到的基元速度三角形及其它相关参数，利用简单径向平衡方程，计算气动设计参数的展向分布；
其中，由于本风扇级具有新型热力学布局形式，相关试验数据缺乏，至今没有有效的SSSF二维通流特性计算软件，无法对SSSF风扇的二维设计性能进行有效评估，这一评估将归拢到三维造型设计后的三维设计校验中；
步骤3，SSSF三维造型设计，得到SSSF风扇级的转静叶几何造型结果，并通过三维CFD计算软件对其气动性能进行验证；
其中，SSSF风扇的转静叶几何造型过程基于二维设计得到的展向各基元截面速度三角形结果，通过多圆弧造型方法实施叶片造型；
其中，造型得到的设计结果需要通过三维CFD计算程序进行仿真，如果计算得到的气动性能不符合设计要求，则返回到步骤1，重新进行一维方案设计；
步骤4，SSSF风扇级叶片设计结果的强度校核；
其中，如果强度不符合设计要求，则返回到步骤3，重新进行叶片三维造型设计；
步骤5，SSSF风扇级的试验件加工与测试；
其中，上述步骤设计得到的SSSF风扇进行试验件加工，并通过试验台实验测试其气动性能，如果气动性能不满足设计要求，则返回步骤1重新进行一维方案设计；
至此，从步骤1到步骤5，完成了轴向超音通流转叶激波静叶风扇级的设计过程。
有益效果
本发明一种轴向超音通流转叶激波静叶风扇级，与现有技术相比，具有如下有益效果：
1.本发明所述一种轴向超音通流转叶激波静叶风扇级中的轴向超音通流转叶和激波静叶均由钛合金制作；钛合金具有高强度、重量比或高比强度值的优势，因此在加工制造方面是风扇动叶叶片的合适材料；
2.SSSF的进气道仅起超音减速扩压功能，不存在激波，能达到很高的进气道总压恢复系数；
3.SSSF风扇与传统亚、跨声速风扇具有明显不同，SSSF在超音飞行下具有超音通流进气道，转叶进出口绝对、相对气流速度均为超声速，静叶入口绝对速度为超声速、出口绝对速度为亚声速；
4.SSSF的转叶中只含有压缩波和膨胀波，不存在激波，整个转叶通道中，气流保持超音速流动；不同于亚、跨声速风扇级，SSSF转叶通道进出口面积比较大，以起到对超音速气流减速扩压的功能；
5.SSSF的静叶对转叶的出口绝对超音速气流起扩压转向功能，静叶通道中存在激波，超音速气流将在静叶中降速为亚声速；静叶叶片叶型可通过与转叶类似的方法获得；静叶中将存在激波/附面层干扰，不进行工程流动控制会造成很大的流动损失，SSSF能通过工程手段减弱静叶中的激波/附面层干扰；
6.SSSF当前将采用抽吸的方法减弱静叶中的激波/附面层干扰，即在激波后静叶表面开槽，将高静压气流通过机匣空间与转叶进口处低静压气流相连，减弱静叶激波后的激波/附面层干扰；
6.SSSF风扇作为一种新型热力学布局形式的风扇级，相比于传统亚、跨声速风扇，在超音速飞行过程中，不需要在进气道和转叶中将来流先减速后加速的过程，直接面向轴向超音来流，大大减小了进气道的长度和重量；同时，由于超音通流转叶的高负荷能力，一级SSSF风扇就可以达到传统两级风扇的增压能力，在超音飞行状态下具有高负荷、高效率、重量小的优势。
附图说明
图1为本发明一种轴向超音通流转叶激波静叶风扇级及实施例1的设计分析流程；
图2SSSF基元级及其速度三角形；
图3SSSF级总压比等值线；
图4SSSF级效率等值线；
图5亚、超音进气道对比示意图；
图6带超音进气道的SSSF压缩系统示意；
图7SSSF压缩系统总压比等值线；
图8SSSF压缩系统绝热效率等值线；
图9是通过三维造型设计得到的风扇几何；
标号说明：
符号
c 绝对速度 w 相对速度
h 单位质量轮缘功 α 绝对气流角
L 长度 β 相对气流角
Ma 马赫数 γ 比热比
p 压强 σ 总压恢复系数
T 温度 π 总压比
U 叶片周向速度 η 绝热效率
上下标
A 轴向分量 u 周向分量
R 相对参量 1,2 1、2站位
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的、设计过程和效果，下面结合附图和实例对本发明内容作进一步说明。
实施例1
本实施例叙述了基于本发明轴向超音通流转叶激波静叶风扇级设计方法的具体实施。
选取一在8km高空，以3Ma飞行的飞行器为例，设计一转叶压比为4的SSSF。
SSSF方案设计分析流程图如图1所示，现在进行SSSF方案选择设计。首先，可给定流量系数(即给定了来流轴向速度与叶片周向速度之比)、转叶进出口面积比，并初估动静叶总压恢复系数，接下来可通过压气机空气动力学求得SSSF初始速度三角形，如图2所示。但该速度三角形在现有设计手段下转静叶损失模型中所对应的转静叶总压恢复系数与之前初估并不对应，因此，需根据此速度三角形重估总压恢复系数，并反复迭代直至收敛，获得满足给定流量系数、面积比下，与转静叶损失模型内在一致的速度三角形和各种总压比、效率等性能参数。
采用上述方案设计方法，在叶片周向速度U＝300-450m/s，转叶出口/进口面积比A2/A1＝0.3-0.45范围内，得到SSSF级总压比和绝热效率如图3、图4所示。不同于亚、跨音压气机超音进气道，见图5，SSSF采用超音通流进气道，进气道出口速度仍为超音1.5Ma，见图6，所以，此处取进气道总压恢复系数σinlet＝0.95是保守的，此时，压缩系统(包含进气道、SSSF)总压比和绝热效率见图7、图8。
从图8中选择绝热效率为0.81等值线上的一点，A2/A1＝0.35，U＝390m/s。此时，根据速度三角形，转叶进出口气流角分别为37.4度、35度。基于简单径向平衡方程求解转叶进出口气流角的展向分布，并通过叶轮机三维叶片造型程序即可设计得到转叶叶型，如图9所示。
上述SSSF的性能优势并非SSSF所能达到的最佳性能，使用了叶片端壁融合方法、叶轮机端区叶片前缘边条修型方法、静叶激波/附面层干扰抽吸控制方法、adjoint叶型优化设计后，SSSF将在超音速飞行下获得更好的性能优势。
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而已，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 (5)

1.轴向超音通流转叶激波静叶风扇级，即Axial Supersonic Inflow Shock-in-Stator Fan，缩写为SSSF；其特征在于：提供一种新形式的热力学布局风扇，风扇共有一级，包括轴向超音通流转叶和激波静叶；
其中，轴向超音通流转叶和激波静叶简写为转静叶；
本发明轴向超音通流转叶激波静叶风扇级可直接面向轴向超音来流,转叶通道内为全展高范围内轴向超音流动,静叶通道通过激波系将轴向超音流动减速为亚音流动；
轴向超音通流转叶激波静叶风扇级的轴向超音通流转叶和激波静叶均由钛合金制作。
2.根据权利要求1所述的轴向超音通流转叶激波静叶风扇级，其特征在于：设计过程包括以下步骤：
步骤1、进行SSSF一维方案设计，具体为：根据流量系数、转叶进出口面积比设计得到进出口马赫数、进口面积、轮毂比以及基元速度三角形；
步骤2、进行SSSF二维通流设计，即计算转静叶的展向气动参数分布；
步骤3，SSSF三维造型设计，得到SSSF风扇级的转静叶几何造型结果，并通过三维CFD计算软件对其气动性能进行验证；
步骤4，SSSF风扇级叶片设计结果的强度校核，如果强度不符合设计要求，则返回到步骤3，重新进行叶片三维造型设计；
步骤5，SSSF风扇级的试验件加工与测试，具体对设计得到的SSSF风扇进行试验件加工，并通过试验台实验测试其气动性能，如果气动性能不满足设计要求，则返回步骤1重新进行一维方案设计；
至此，从步骤1到步骤5，完成了轴向超音通流转叶激波静叶风扇级的设计。
3.根据权利要求2所述的轴向超音通流转叶激波静叶风扇级，其特征在于：步骤1，具体为：
步骤1.1对转静叶总压恢复系数 进行初步估计，再结合给定的流量系数和转叶进出口面积比，求解SSSF基元速度三角形；
步骤1.2将步骤1.1中得到的SSSF初始基元速度三角形代入转静叶损失模型，求解出转叶总压恢复系数和静叶总压恢复系数；
其中，转静叶损失模型包括转叶总压恢复系数和静叶总压恢复系数的求解两部分；
其中，转叶总压恢复系数σr通过如下公式(1)求得：
其中，σr0＝0.93；sin表示正弦函数；β1表示转叶进口金属角；β2表示转叶出口金属角；|β1-β2|表示β1减去β2的绝对值；
静叶总压恢复系数σs通过如下公式(2)求得：
其中，Maa＝1.5，σa＝0.93；Mab＝3.0，σb＝0.85；Ma2表示静叶进口马赫数；
步骤1.3判断步骤1.2中得到的转静叶总压恢复系数与步骤1.1中的转静叶总压恢复系数初步估计值是否满足精度要求，即是否满足式(3):
如果满足式(3)，则进行步骤2；如果不满足式(3)，则进行步骤1.4；
步骤1.4将步骤1.2得到的转静叶总压损失系数替换步骤1.1中对转静叶总压恢复系数的初步估计，并返回步骤1.1，重新求解SSSF基元速度三角形。
4.根据权利要求2所述的轴向超音通流转叶激波静叶风扇级，其特征在于：
步骤2，具体为：
步骤2.1基于一维方案设计中得到的基元速度三角形及其它相关参数，利用简单径向平衡方程，计算气动设计参数的展向分布；
其中，由于本风扇级具有新型热力学布局形式，相关试验数据缺乏，至今没有有效的SSSF二维通流特性计算软件，无法对SSSF风扇的二维设计性能进行有效评估，这一评估将归拢到三维造型设计后的三维设计校验中。
5.根据权利要求2所述的轴向超音通流转叶激波静叶风扇级，其特征在于：
步骤3中，SSSF风扇的转静叶几何造型过程基于二维设计得到的展向各基元截面速度三角形结果，通过多圆弧造型方法实施叶片造型；
其中，造型得到的设计结果需要通过三维CFD计算程序进行仿真，如果计算得到的气动性能不符合设计要求，则返回到步骤1，重新进行一维方案设计。
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