CN109099012B - 一种用于提高压气机喘振裕度的导流叶片结构及设计方法 - Google Patents

一种用于提高压气机喘振裕度的导流叶片结构及设计方法 Download PDF

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Abstract

一种用于提高压气机喘振裕度的导流叶片结构，包括叶片头部、叶身和衬套；叶片头部与叶身通过焊接形成空心叶片主体；空心叶片主体的两端设置有连接轴，连接轴外均设置有衬套。本发明设计的导流叶片达到了压气机改型结构简单，使用和维护便捷，省力省时，可靠性较高，成本较低，具有设计过程简单、可参数化设计、叶身型面光顺、设计叶片精度高等优点，可实现资源共享和数字化制造，大幅度地缩短设计和制造周期，加快研制进程，提高生产效率，可应用于航空发动机及地面燃气轮机用更多种类叶片的设计中，对航空发动机压气机叶片类似结构的设计具有一定的可借鉴作用。

Description

一种用于提高压气机喘振裕度的导流叶片结构及设计方法
技术领域
本发明属于航空发动机压气机技术领域，特别涉及一种用于提高压气机喘振裕度的导流叶片结构及设计方法。
背景技术
航空发动机对国家安全和国民经济起着重要作用，其中压气机中的流动非稳定现象、旋转失速及喘振，因其流动的复杂性和危害后果的严重性，而成为严重制约发动机研发、使用的最主要问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于提高压气机喘振裕度的导流叶片结构及设计方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于提高压气机喘振裕度的导流叶片结构，包括叶片头部1、叶身4和衬套5；叶片头部1与叶身4通过焊接形成空心叶片主体。
进一步的，空心叶片主体的两端均固定设置有连接轴，连接轴外均套设有衬套5。
进一步的，连接轴和衬套5通过销钉2连接。
进一步的，一种用于提高压气机喘振裕度的导流叶片结构的设计方法，基于上述中任意一项所述的一种用于提高压气机喘振裕度的导流叶片结构，包括以下步骤：
步骤1，初始叶型参数化；
步骤2，对压气机前机匣导流叶片与1级转子叶片的速度分布进行了数值模拟、计算分析，通过对在设定转速下，近喘振点附近的流场分析，观察在99.9％和98.7％叶高处相对速度矢量图，得到叶顶通道内气流流动形式，观察顶通道内气流流动形式，处理导流叶片；
步骤3，计算软件对导流叶片静强度计算分析和叶片型面偏差值公差范围，确定叶片型面与叶片空腔受强度限制最小厚度目标函数的约束；同时运用NUMECA软件计算压气机最佳攻角变化范围和发动机试验情况确定叶片的优化模式及37.3％叶展部分叶型为优化区间，导流叶片0-0、Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ截面叶型弯角角度值分别为1.75°、1.48°、 0.98°、0.49°；
步骤4，采用三段二次曲线形成新设计叶片的中弧线，根据实际导流叶片弯角情况和可变弯度导流叶片的中弧线变化机理，按照0-0截面设计叶型数据建立数学模型和叶型的前缘角、后缘角、前缘小圆半径、后缘小圆半径、弦长、安装角、最大厚度及位置、叶型最大挠度及位置参数进行参数化，由二次曲线作出一条原始中弧线和一条弯角1.75°后的叶型中弧线，以两个叶型中弧线的交点A为分界点，叶片前缘到A点的叶型中弧线取原始中弧线，叶片后缘到A点的叶型中弧线取弯角1.75°后的叶型中弧线；在两个叶型中弧线之间采用二次曲线圆弧光顺处理；通过圆弧与原设计叶型的中弧线和弯角1.75°后的叶型中弧线进行拟合就形成了新设计叶片的中弧线；新设计叶片中弧线和叠加厚度分布实现二维叶型造型，确定叶型型面；
步骤5，确定叶型的前缘角、后缘角、前缘小圆半径、后缘小圆半径、弦长、安装角、最大厚度及位置、叶型最大挠度及位置；由叶型弦长、前后缘角、最大挠度求出叶身进、排气边的内切圆；优化边缘半径或型线，使型面精确和光顺；同理可确定Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ截面新叶型，完成对导流叶片主体叶型优化设计。
进一步的，步骤1中，将叶型的前缘角、后缘角、前缘小圆半径、后缘小圆半径、弦长、安装角、最大厚度及位置、叶型最大挠度及位置作为设计参数。
进一步的，步骤2中，数值模拟和计算分析的工具为NUMECA软件。
进一步的，步骤2中，设定转速为3500rpm；
进一步的，步骤2中，若通道内气流方向朝着叶片吸力面的偏置程度增大，同时这部分气流区域范围也变大且起始位置更靠近叶片前缘，则将导流叶片进行弯角处理。
进一步的，步骤3中，使用商用有限元计算软件ANSYS的WORKBENCH模块进行计算。
进一步的，步骤1中，初始叶型参数化包括以下步骤：
(1)首先根据原始叶片零件叶身型面点的坐标值，建立叶身型面线的数学模型；
(2)根据该数学模型和给定叶型的参数进行参数化；而优化过程中叶型修改采用对初始叶型型线叠加修改量的方法进行。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明设计的导流叶片达到了压气机改型结构简单，使用和维护便捷，省力省时，可靠性较高，成本较低，具有设计过程简单、可参数化设计、叶身型面光顺、设计叶片精度高等优点，可实现资源共享和数字化制造，大幅度地缩短设计和制造周期，加快研制进程，提高生产效率，可应用于航空发动机及地面燃气轮机用更多种类叶片的设计中，对航空发动机压气机叶片类似结构的设计具有一定的可借鉴作用。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为99.9％叶高处1-2级相对马赫数分布图；
图3为99.9％叶高处1-2级相对速度矢量分布图；
图4为叶片型面与叶片空腔受强度限制于最小厚度目标函数图；
图5的 a和图5的 b为导流叶片叶型弯角区域图；
图6a和图6b为拟合形成的新设计叶片的中弧线；
其中：1、叶片头部；2、销钉；4、叶身；5、衬套。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
一种用于提高压气机喘振裕度的导流叶片结构，包括叶片头部1、叶身4和衬套5；叶片头部1与叶身4通过焊接形成空心叶片主体；空心叶片主体的两端设置有连接轴，连接轴外均设置有衬套5。
连接轴和衬套5通过销钉2连接。
一种用于提高压气机喘振裕度的导流叶片结构的设计方法，基于上述任意一项所述的一种用于提高压气机喘振裕度的导流叶片结构，包括以下步骤：
步骤1，初始叶型参数化，将叶型的前缘角、后缘角、前缘小圆半径、后缘小圆半径、弦长、安装角、最大厚度及位置、叶型最大挠度及位置作为设计参数；
步骤2，运用NUMECA软件对压气机前机匣导流叶片与1级转子叶片的速度分布进行了数值模拟、计算分析，通过对在3500rpm转速下，近喘振点附近的流场分析，观察在99.9％和98.7％叶高处相对速度矢量图，得到叶顶通道内气流流动形式，若通道内气流方向朝着叶片吸力面的偏置程度增大，同时这部分气流区域范围也变大且起始位置更靠近叶片前缘，则将导流叶片进行弯角处理，使得1级转子叶片叶尖区域进气攻角偏差减少，转子通道内气流能顺利地流出；
步骤3，使用商用有限元计算软件ANSYS的WORKBENCH模块进行计算软件对导流叶片静强度计算分析和叶片型面偏差值公差范围，确定叶片型面与叶片空腔受强度限制最小厚度目标函数的约束；同时运用NUMECA软件计算压气机最佳攻角变化范围和发动机试验情况确定叶片的优化模式及37.3％叶展部分叶型为优化区间，导流叶片0-0、Ⅰ- Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ截面叶型弯角角度值分别为1.75°、1.48°、0.98°、0.49°；
步骤4，采用三段二次曲线形成新设计叶片的中弧线，根据实际导流叶片弯角情况和可变弯度导流叶片的中弧线变化机理，按照0-0截面设计叶型数据建立数学模型和叶型的前缘角、后缘角、前缘小圆半径、后缘小圆半径、弦长、安装角、最大厚度及位置、叶型最大挠度及位置参数进行参数化，由二次曲线作出一条原始中弧线和一条弯角1.75°后的叶型中弧线，以两个叶型中弧线的交点A为分界点，叶片前缘到A点的叶型中弧线取原始中弧线，叶片后缘到A点的叶型中弧线取弯角1.75°后的叶型中弧线；在两个叶型中弧线之间采用二次曲线圆弧光顺处理；通过圆弧与原设计叶型的中弧线和弯角1.75°后的叶型中弧线进行拟合就形成了新设计叶片的中弧线；新设计叶片中弧线和叠加厚度分布实现二维叶型造型，确定叶型型面；
步骤5，确定叶型的前缘角、后缘角、前缘小圆半径、后缘小圆半径、弦长、安装角、最大厚度及位置、叶型最大挠度及位置；由叶型弦长、前后缘角、最大挠度求出叶身进、排气边的内切圆；优化边缘半径或型线，使型面精确和光顺；同理可确定Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ- Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ截面新叶型，完成对导流叶片主体叶型优化设计。
步骤1中，初始叶型参数化包括以下步骤：
(1)首先根据原始叶片零件叶身型面点的坐标值，建立叶身型面线的数学模型；
(2)根据该数学模型和给定叶型的参数进行参数化；而优化过程中叶型修改采用对初始叶型型线叠加修改量的方法进行。

Claims (7)

1.一种用于提高压气机喘振裕度的导流叶片结构的设计方法，其特征在于，所述用于提高压气机喘振裕度的导流叶片结构，包括叶片头部(1)、叶身(4)和衬套(5)；叶片头部(1)与叶身(4)通过焊接形成空心叶片主体；空心叶片主体的两端均固定设置有连接轴，连接轴外均套设有衬套(5)；连接轴和衬套(5)通过销钉(2)连接；
包括以下步骤：
步骤1，初始叶型参数化；
步骤2，对压气机前机匣导流叶片与1级转子叶片的速度分布进行了数值模拟、计算分析，通过对在设定转速下，近喘振点附近的流场分析，观察在99.9％和98.7％叶高处相对速度矢量图，得到叶顶通道内气流流动形式，观察顶通道内气流流动形式，处理导流叶片；
步骤3，计算软件对导流叶片静强度计算分析和叶片型面偏差值公差范围，确定叶片型面与叶片空腔受强度限制最小厚度目标函数的约束；同时运用NUMECA软件计算压气机最佳攻角变化范围和发动机试验情况确定叶片的优化模式及37.3％叶展部分叶型为优化区间，导流叶片0-0、Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ截面叶型弯角角度值分别为1.75°、1.48°、0.98°、0.49°；
步骤4，采用三段二次曲线形成新设计叶片的中弧线，根据实际导流叶片弯角情况和可变弯度导流叶片的中弧线变化机理，按照0-0截面设计叶型数据建立数学模型和叶型的前缘角、后缘角、前缘小圆半径、后缘小圆半径、弦长、安装角、最大厚度及位置、叶型最大挠度及位置参数进行参数化，由二次曲线作出一条原始中弧线和一条弯角1.75°后的叶型中弧线，以两个叶型中弧线的交点A为分界点，叶片前缘到A点的叶型中弧线取原始中弧线，叶片后缘到A点的叶型中弧线取弯角1.75°后的叶型中弧线；在两个叶型中弧线之间采用二次曲线圆弧光顺处理；通过圆弧与原设计叶型的中弧线和弯角1.75°后的叶型中弧线进行拟合就形成了新设计叶片的中弧线；新设计叶片中弧线和叠加厚度分布实现二维叶型造型，确定叶型型面；
步骤5，确定叶型的前缘角、后缘角、前缘小圆半径、后缘小圆半径、弦长、安装角、最大厚度及位置、叶型最大挠度及位置；由叶型弦长、前后缘角、最大挠度求出叶身进、排气边的内切圆；优化边缘半径或型线，使型面精确和光顺；同理可确定Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ截面新叶型，完成对导流叶片主体叶型优化设计。
2.根据权利要求1所述的一种用于提高压气机喘振裕度的导流叶片结构的设计方法，其特征在于，步骤1中，将叶型的前缘角、后缘角、前缘小圆半径、后缘小圆半径、弦长、安装角、最大厚度及位置、叶型最大挠度及位置作为设计参数。
3.根据权利要求1所述的一种用于提高压气机喘振裕度的导流叶片结构的设计方法，其特征在于，步骤2中，数值模拟和计算分析的工具为NUMECA软件。
4.根据权利要求1所述的一种用于提高压气机喘振裕度的导流叶片结构的设计方法，其特征在于，步骤2中，设定转速为3500rpm。
5.根据权利要求1所述的一种用于提高压气机喘振裕度的导流叶片结构的设计方法，其特征在于，步骤2中，若通道内气流方向朝着叶片吸力面的偏置程度增大，同时这部分气流区域范围也变大且起始位置更靠近叶片前缘，则将导流叶片进行弯角处理。
6.根据权利要求1所述的一种用于提高压气机喘振裕度的导流叶片结构的设计方法，其特征在于，步骤3中，使用商用有限元计算软件ANSYS的WORKBENCH模块进行计算。
7.根据权利要求1所述的一种用于提高压气机喘振裕度的导流叶片结构的设计方法，其特征在于，步骤1中，初始叶型参数化包括以下步骤：
(1)首先根据原始叶片零件叶身型面点的坐标值，建立叶身型面线的数学模型；
(2)根据该数学模型和给定叶型的参数进行参数化；而优化过程中叶型修改采用对初始叶型型线叠加修改量的方法进行。
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