CN109356666B - 一种轴流式涡轮大小叶片组合叶栅的叶型设计方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种轴流式涡轮大小叶片组合叶栅的叶型设计方法，其包括：步骤一、确定大叶片数目以及每两个大叶片之间均匀放置相同的小叶片数目，并确定总叶片数目；步骤二、假设步骤一所确定的总叶片数目全部为大叶片，利用参数法完成大叶片叶型的参数化设计；步骤三、在步骤二设计完成的全部大叶片叶栅中，确定大叶片数目在圆周方向上的分布；步骤四、建立大叶片与小叶片关键叶型参数的关联关系式，并确定小叶片的参数，最后利用参数法，即可完成大小叶片参数化设计。本申请相比现有技术来说，参数化程度高，叶型参数关联性强，大、小叶片叶型均为参数化设计，设计过程对设计人员的个人经验依赖性低，方案气动性能稳定性好。

Description

一种轴流式涡轮大小叶片组合叶栅的叶型设计方法
技术领域
本发明涉及航空发动机叶型设计，特别涉及一种轴流式涡轮大小叶片组合叶栅的叶型设计方法。
背景技术
为同时满足飞机结构设计和气动性能要求，实现结构紧凑性要求，航空发动机轴流式涡轮的低压涡轮和流道支板会采用大小叶片组合叶栅形式的叶型设计，如图1所示，大叶片2和小叶片3均设置在轮盘1上。这种组合叶栅中，大叶片2沿周向均匀分布，每相邻的两个大叶片2之间均匀放置相同数目的小叶片3，大、小叶片对齐方式为尾缘对齐。
目前，大小叶片组合叶栅的叶型设计主要以“11参数法”为基础，结合非参数化曲线完成。“11参数法”是指通过叶型的径向位置R、叶片数n以及图2中的除叶型最大厚度(Cmax)之外的9个叶型几何参数结合3条贝赛尔曲线描述一个完整的叶型外形，得到的叶片外形光滑平顺，叶型曲线曲率连续性好，参数化程度高。
如图3所示，采用“11参数法”结合非参数化曲线进行大小叶片组合叶栅的叶型设计时，需先利用“11参数法”完成单一小叶片3叶型参数化设计，在此基础上利用非参数化的方法，将小叶片3喉部前段型线沿轴线向前缘方向延长，得到长度和厚度满足需求的大叶片3，从而获得大小叶片组合叶栅的叶型设计方案。
然而现有技术设计大小叶片组合叶栅的叶型设计方法中，大、小叶片的叶型设计关联性弱，其次通过延伸小叶片3所获得的大叶片2的叶型造型数据参数化困难，叶型设计结果对设计人员的经验和习惯依赖性强，叶型气动性能稳定性差。
发明内容
本申请的目的是提供了一种轴流式涡轮大小叶片组合叶栅的叶型设计方法，以解决上述任一问题。
本申请的技术方案是：一种轴流式涡轮大小叶片组合叶栅的叶型设计方法，其包括：
步骤一、确定总叶片数目
确定沿周向均匀分布的大叶片数目N以及每两个大叶片之间均匀放置相同的小叶片数目m，以此确定总叶片数目为m·N+N；
步骤二、完成大叶片叶型参数化设计
假设步骤一所确定的总叶片数目m·N+N全部为大叶片，利用参数法完成大叶片叶型的参数化设计，获得大叶片在任意径向位置R的叶型截面的进口构造角α1、出口构造角α2、安装角θ、尾缘弯折角δ、前缘楔角W1、尾缘楔角W2、弦长L、喉部宽度t及栅距P；
步骤三、确定叶片分布规律
在步骤二设计完成的全部大叶片叶栅中，确定大叶片数目N在圆周方向上的分布，其中，大叶片在圆周方向上等角度分布；
步骤四、建立大叶片与小叶片关键叶型参数的关联关系式
(1)小叶片与大叶片具有相同的出口构造角α2、尾缘弯折角δ、尾缘楔角W2与喉部宽度t；
(2)初步给定表示小叶片轴向宽度Lax-splitter与大叶片的轴向宽度Lax之比的比例因子k，k＝Lax-splitter/Lax；
(3)根据上述参数，通过如下公式获得小叶片参数：
进口构造角
Figure GDA0002937295700000021
安装角
Figure GDA0002937295700000022
弦长
Figure GDA0002937295700000031
其中，α0为大叶片弦长对应的圆弧圆心角，α0＝180°-(α1+α2)；确定小叶片的参数后，给定小叶片前缘楔角W1；
最后利用参数法，即可完成大小叶片参数化设计。
在本申请中，还包括步骤五：校验小叶片数量，具体为：根据步骤一至步骤四获得的叶型参数确定小叶片校验数mc，若所述小叶片校验数mc不等于步骤一中选定的小叶片数m，则重新选取步骤一中的小叶片数m，并重复步骤一至步骤四获得大小叶片的叶型参数，直至所述小叶片校验数mc与小叶片数m相等。
在本申请中，所述小叶片校验数mc遵从如下关系：
Figure GDA0002937295700000032
式中，ssplitter为小叶片稠度，θsplitter为小叶片安装角。
在本申请中，计算所述小叶片校验数mc中，小叶片稠度取值范围为1.1≤ssplitter≤1.2，以及大小叶片各自相对最大厚度Cmax/L与Cmax-splitter/Lsplitter遵循如下关系：Cmax/L≯30％，Cmax-splitter/Lsplitter≯15％，其中，Cmax和Cmax-splitter分别为大叶片和小叶片的最大厚度。
在本申请中，以相邻两叶片的前缘公切线直线为起始位置，顺时针旋转至表征气流流向的直线所经过的角度为进口构造角；以相邻两叶片尾缘公切线直线为起始位置，逆时针旋转至表征气流流向的直线所经过的角度为出口构造角。
在本申请中，所述进口构造角和所述出口构造角均小于180°。
本申请的叶型设计方法相比现有技术来说，参数化程度高，叶型参数关联性强，方案迭代改进工作量小，大、小叶片叶型均为参数化设计，设计过程对设计人员的个人经验依赖性低，方案气动性能稳定性好。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为大小叶片组合叶栅示意图。
图2为11参数法叶型设计示意图。
图3为非参数化大小叶片叶型设计示意图。
图4为本申请的几何原理示意图图。
图5为根据本申请实施例中的参数所绘制的叶栅示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
本申请提供了一种轴流式涡轮大小叶片组合叶栅叶型设计方法，如图4，包括以下步骤：
步骤一、选定叶片数
确定沿周向均匀分布的大叶片数目N，每两个大叶片之间均匀放置相同的小叶片数目m，以此确定总叶片数目m·N+N。
本步骤与现有技术方案相同。
步骤二、完成大叶片叶型参数化设计
从本步骤开始即与现有技术方案不同，本步骤中首先假设步骤一所确定的总叶片数目m·N+N全部为大叶片，利用11参数法完成大叶片叶型的参数化设计，由此获得大叶片在任意径向位置R的叶型截面的进口构造角α1、出口构造角α2、安装角θ、尾缘弯折角δ、前缘楔角W1、尾缘楔角W2、弦长L、喉部宽度t、栅距P。其中，以相邻两叶片的前缘公切线直线为起始位置，顺时针旋转至表征气流流向的直线所经过的角度为进口构造角；以相邻两叶片尾缘公切线直线为起始位置，逆时针旋转至表征气流流向的直线所经过的角度为出口构造角，进出口构造角均小于180°。
步骤三、确定叶片分布规律
在步骤二中设计完成的大叶片叶栅中，选取与步骤一确定的大叶片数目N相等的大叶片，本步骤中所选取的大叶片沿圆周方向等角度分布。
步骤四、建立大叶片与小叶片关键叶型参数的关联关系式
大叶片与小叶片的关联关系式建立的过程如下：
4.1)为保证叶栅出口流场具有良好的均匀性，首先假定小叶片与大叶片具有相同的出口构造角α2、尾缘弯折角δ、尾缘楔角W2与喉部宽度t。
4.2)初步给定表示小叶片轴向宽度Lax-splitter与大叶片的轴向宽度Lax之比的比例因子k，定义如下：k＝Lax-splitter/Lax；
4.3)在大叶片叶型的影响下，气流从大叶片前缘流动至小叶片前缘时，气流流动方向会发生偏转，因此小叶片的进口构造角α1-splitter需要结合大叶片进口构造角α1与气流从大叶片前缘流动至小叶片前缘时的偏转量Δα来确定。将大叶片叶型中弧线简化为一段圆弧，该圆弧的两个端点分别为大叶片叶型中弧线的前缘点与尾缘点，圆弧对应的弦长即为大叶片弦长L，根据几何关系容易得到，该段圆弧对应的圆心角α0为进口构造角α1与出口构造角α2之和的补角。
假设气流从大叶片前缘流动至尾缘时，气流流动方向沿大叶片中弧线圆弧均匀变化，即气流角在单位中弧线圆弧长度上发生的偏转量为常数。
在表征大叶片弦长的线段上，以中弧线圆弧尾缘点为起点，截取长度为k·L的线段，以中弧线圆弧圆心O为起点，绘制一条通过该线段终点的圆弧内半径线段R1，此半径线段R1与通过中弧线圆弧前缘点的半径线段R2形成夹角αx，假设该夹角αx与表征中弧线圆弧的圆心角α0之比等于气流从大叶片前缘流动至小叶片前缘时的气流转折角与气流从大叶片前缘流动至大叶片尾缘时的气流转折角Δα之比，根据几何关系，可得到小叶片的进口构造角α1-splitter与大叶片叶型造型参数的数学关系式。
圆弧内半径线段R1与中弧线圆弧的交点P1，中弧线圆弧尾缘点P2，绘制一条连接以上两点的线段，认为该线段与表征叶片弦长的线段的夹角
Figure GDA0002937295700000067
即为小叶片与大叶片安装角的差值。
以上过程的具体几何关系式推导过程与最终结果见公式1～公式8。
α0＝180°-(α1+α2) (1)
圆心(O)到弦长线段(L)的垂线高度
Figure GDA0002937295700000061
线段(h)与半径(R1)的夹角
Figure GDA0002937295700000062
半径(R1)与半径(R2)的夹角
Figure GDA0002937295700000063
大、小叶片安装角差值
Figure GDA0002937295700000064
由以上关系式可求得小叶片进口构造角α1-splitter与安装角θsplitter分别为：
Figure GDA0002937295700000065
Figure GDA0002937295700000066
对应小叶片的弦长Lsplitter为：
Figure GDA0002937295700000071
确定小叶片的以上参数后，可根据经验给定小叶片前缘楔角W1，即完成了大小叶片叶型设计。
步骤五、校验小叶片数量
按公式9校验小叶片数目。校验公式的输入参数来源于步骤一至步骤四所获得的叶型参数，若校验公式获得的小叶片数mc与步骤一选定的小叶片数m不同，那么需要重新选取步骤一的叶片数参数，并重复步骤一至步骤四，确保校验公式获得的小叶片数与步骤一选定的小叶片数相同。
Figure GDA0002937295700000072
校验公式中，小叶片稠度取值范围为1.1≤ssplitter≤1.2。
根据一般经验，大、小叶片各自相对最大厚度Cmax/L与Cmax-splitter/Lsplitter可按以下范围进行控制：Cmax/L≯30％，Cmax-splitter/Lsplitter≯15％。
下面以一组参数对本申请做进一步说明。
叶型截面径向位置R为375.2mm，确定的大叶片数目N为10，两个大叶片之间的小叶片数目m为3，总叶片数为40。
假设40个叶片全部为大叶片，利用11参数法完成大叶片叶型参数设计，得到大叶片主要造型参数如下表1：
表1大叶片叶型参数
Figure GDA0002937295700000073
Figure GDA0002937295700000081
假定小叶片与大叶片具有相同的出口构造角、尾缘弯折角、尾缘楔角与喉部宽度。
初步给定比例因子k为0.47。
利用本专利提出的公式公式，计算得到小叶片进口构造角、安装角与弦长，分别为：
进口构造角α1-splitter为134.3°，安装角为49.9°，弦长为69.5mm。
根据经验给定小叶片前缘楔角为75°。
校验小叶片数mc为3，与初始给定的小叶片数相同。检验时Cmax/L≯30％，Cmax-splitter/Lsplitter≯15％。
通过以上步骤，得到的小叶片主要造型参数，见下表2。
表2小叶片主要造型参数
Figure GDA0002937295700000082
Figure GDA0002937295700000091
根据上述参数绘制的大小叶片参见图5所示。
本申请的叶型设计方法与现有技术相比，参数化程度高，叶型参数关联性强，方案迭代改进工作量小，其次大、小叶片叶型均为参数化设计，方案对设计人员的个人经验依赖性低，方案气动性能稳定性好。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种轴流式涡轮大小叶片组合叶栅的叶型设计方法，其特征在于，包括：
步骤一、确定总叶片数目
确定沿周向均匀分布的大叶片数目N以及每两个大叶片之间均匀放置相同的小叶片数目m，以此确定总叶片数目为m·N+N；
步骤二、完成大叶片叶型参数化设计
假设步骤一所确定的总叶片数目m·N+N全部为大叶片，利用参数法完成大叶片叶型的参数化设计，获得大叶片在任意径向位置R的叶型截面的进口构造角α1、出口构造角α2、安装角θ、尾缘弯折角δ、前缘楔角W1、尾缘楔角W2、弦长L、喉部宽度t及栅距P；
步骤三、确定叶片分布规律
在步骤二设计完成的全部大叶片叶栅中，确定大叶片数目N在圆周方向上的分布，其中，大叶片在圆周方向上等角度分布；
步骤四、建立大叶片与小叶片关键叶型参数的关联关系式
(1)小叶片与大叶片具有相同的出口构造角α2、尾缘弯折角δ、尾缘楔角W2与喉部宽度t；
(2)初步给定表示小叶片轴向宽度Lax-splitter与大叶片的轴向宽度Lax之比的比例因子k，k＝Lax-splitter/Lax；
(3)根据上述参数，通过如下公式获得小叶片参数：
进口构造角
Figure FDA0002937295690000011
安装角
Figure FDA0002937295690000012
弦长
Figure FDA0002937295690000013
其中，α0为大叶片弦长对应的圆弧圆心角，α0＝180°-(α1+α2)；
确定小叶片的参数后，给定小叶片前缘楔角W1；
最后利用参数法，即可完成大小叶片参数化设计。
2.如权利要求1所述的轴流式涡轮大小叶片组合叶栅的叶型设计方法，其特征在于，还包括步骤五：校验小叶片数量
根据步骤一至步骤四获得的叶型参数确定小叶片校验数mc，若所述小叶片校验数mc不等于步骤一中选定的小叶片数m，则重新选取步骤一中的小叶片数m，并重复步骤一至步骤四获得大小叶片的叶型参数，直至所述小叶片校验数mc与小叶片数m相等。
3.如权利要求2所述的轴流式涡轮大小叶片组合叶栅的叶型设计方法，其特征在于，所述小叶片校验数mc遵从如下关系
Figure FDA0002937295690000021
式中，ssplitter为小叶片稠度，θsplitter为小叶片安装角。
4.如权利要求3所述的轴流式涡轮大小叶片组合叶栅的叶型设计方法，其特征在于，计算所述小叶片校验数mc中，小叶片稠度取值范围为1.1≤ssplitter≤1.2，以及大小叶片各自相对最大厚度Cmax/L与Cmax-splitter/Lsplitter遵循如下关系：Cmax/L≯30％，Cmax-splitter/Lsplitter≯15％，其中，Cmax和Cmax-splitter分别为大叶片和小叶片的最大厚度。
5.如权利要求1至4任一所述的轴流式涡轮大小叶片组合叶栅的叶型设计方法，其特征在于，以相邻两叶片的前缘公切线直线为起始位置，顺时针旋转至表征气流流向的直线所经过的角度为进口构造角；以相邻两叶片尾缘公切线直线为起始位置，逆时针旋转至表征气流流向的直线所经过的角度为出口构造角。
6.如权利要求5所述的轴流式涡轮大小叶片组合叶栅的叶型设计方法，其特征在于，所述进口构造角和所述出口构造角均小于180°。
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