CN109386381B - 分流环设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分流环设计方法，其包括S2流线确定步骤：根据分流环的当前位置进行S2流面通流计算，获得S2流线分布结果；分流环前缘流线确定步骤：将S2流线中最接近分流环的前缘的流线作为分流环前缘流线；夹角判断步骤：计算分流环的分流环中线与分流环前缘流线的夹角α，若α小于预设角度值，则分流环位置确定；若α大于等于预设角度值，则调整分流环的位置并返回至S2流线确定步骤，直至α小于预设角度值。本发明提供的分流环设计方法通过分流环前缘流线角度范围的判断与调整，缩短了计算的时间，实现了特定涵道比下分流环的径向高度位置的设计，可以改善分流环附近的气流流动状况，保证了风扇增压级稳定工作的能力和范围。

Description

分流环设计方法

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种分流环设计方法。

背景技术

双涵道涡扇发动机是航空发动机的一种重要形式，由涡喷发动机发展而来，与涡喷发动机相比，主要的特点是首级压缩机的面积大很多，同时被用作空气螺旋桨(风扇叶片)。其核心部分空气经过的部分成为内涵道，仅有风扇空气经过的核心机外侧部分成为外涵道，其中，风扇和低压压气机部分也常被称作风扇增压级。

分流环是实现空气分别进入内涵道和外涵道的分配结构，同时也是影响发动机在不同工作状态下，进入内外涵空气流量分配的重要部件。分流环特别是其沿径向的高度位置影响着气流分配时的流动角度和方向。基于以上描述可知，分流环是影响双涵道涡扇发动机涵道比和内外涵流量分配的重要组成部分，其位置设计的结果直接影响双涵道涡扇发动机的工作状况和性能水平。

双涵道涡扇发动机工作在工作状态时，通过进口风扇进入其内涵道和外涵道，分流环位置的设计结果将直接影响进入到两个涵道内气流的分配结果。分流环位置高度不合适时，将导致气流以错误的角度冲击到分流环前缘，形成的漩涡等不健康流场将直接造成风扇增压级的工作状态恶化、降低其稳定工作的能力和范围，当涵道比增大时，这一问题将显得更加突出。

发明内容

为克服以上技术缺陷，本发明解决的技术问题是提供一种分流环设计方法，能够合理调整气流流动方向，提高发动机工作稳定性。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种分流环设计方法，其包括：

S2流线确定步骤：根据分流环的当前位置进行S2流面通流计算，获得S2流线分布结果；

分流环前缘流线确定步骤：将S2流线中最接近分流环的前缘的流线作为分流环前缘流线；

夹角判断步骤：计算分流环的分流环中线与分流环前缘流线的夹角α，若α小于预设角度值，则分流环位置确定；若α大于等于预设角度值，则调整分流环的位置并返回至S2流线确定步骤，直至α小于预设角度值。

优选地，预设角度值为1°、2°、3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°或10°。

优选地，调整分流环的位置包括：

若分流环前缘流线相对于分流环中线位于靠近内涵道的一侧，则减小分流环的半径；

若分流环前缘流线相对于分流环中线位于靠近外涵道的一侧，则增大分流环的半径。

优选地，减小分流环的半径包括将分流环在径向上向远离外涵机匣的方向移动，增大分流环的半径包括将分流环在径向上向靠近外涵机匣的方向移动。

优选地，S2流线确定步骤包括：根据机匣轮毂坐标、叶片前尾缘坐标、转子压比、静子环量以及分流环位置坐标，利用流线曲率法来获得S2流线分布结果。

由此，基于上述技术方案，本发明提供的分流环设计方法通过分流环前缘流线角度范围的判断与调整，缩短了计算的时间，实现了特定涵道比下分流环的径向高度位置的设计，可以改善分流环附近的气流流动状况，保证了风扇增压级稳定工作的能力和范围。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明仅用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明分流环设计方法实施例的流程图；

图2为分流环在涡扇发动机中位置示意；

图3为分流环与增压级叶片位置示意图；

图4为分流环径向高度位置示意图；

图5为本发明分流环设计方法中流道和叶片前尾缘坐标的计算站分布示意图；

图6为本发明分流环设计方法中计算S2流线分布示意图；

图7为本发明分流环设计方法中分流环前缘流线相对于分流环中线位于靠近内涵道的一侧的结构示意图；

图8为本发明分流环设计方法中分流环的半径减小的结构示意图；

图9为本发明分流环设计方法中分流环前缘流线相对于分流环中线位于远离内涵道的一侧的结构示意图；

图10为本发明分流环设计方法中分流环的半径增大的结构示意图；

图11为未采用本发明分流环设计方法的分流环附近三维计算流线结果示意图；

图12为采用本发明分流环设计方法的分流环附近三维计算流线结果示意图。

各附图标记分别代表：

1、涡扇发动机风扇；2、外涵机匣；3、风扇和增压级轮毂；4、分流环；4a、分流环外涵侧；4b、分流环内涵侧；5、外涵道导流叶片；6、内涵道增压叶片；6a、分流环与内涵道增压叶片前缘的交点；7、分流环前缘流线；S2、S2流线；C、计算站；R、分流环中线；S、基准线；H、径向高度。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明的具体实施方式是为了便于对本发明的构思、所解决的技术问题、构成技术方案的技术特征和带来的技术效果有更进一步的说明。需要说明的是，对于这些实施方式的说明并不构成对本发明的限定。此外，下面所述的本发明的实施方式中涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为了简化求解叶轮机械内部复杂的三维流动，吴仲华先生于1952年提出了S1和S2两族流面迭代理论的准三维思想。其中，叶片到叶片的称为S1流面，从叶根到叶尖的称为S2流面，即：在子午平面上，气体在叶轮机械流道内流动形成的迹线。实际设计中，将S1流面简化为回转面，将S2流面简化为子午面。求解子午面上的S2流场的信息，是进行压气机等叶轮机械全三维设计前的重要步骤。特别地，对于风扇增压级部件而言，获得S2流线是进行分流环等组件设计的有益方法。

本发明正是基于上述理论，提出了一种分流环设计方法，结合图1～图10所示，其包括：

S2流线确定步骤：根据分流环4的当前位置进行S2流面通流计算，获得S2流线S2分布结果；

分流环前缘流线确定步骤：将S2流线S2中最接近分流环4的前缘的流线作为分流环前缘流线7；

夹角判断步骤：计算分流环4的分流环中线R与分流环前缘流线7的夹角α，若α小于预设角度值，则分流环4位置确定；若α大于等于预设角度值，则调整分流环4的位置并返回至S2流线确定步骤，直至α小于预设角度值。

在该示意性的实施例中，通过分流环前缘流线7的角度范围的判断与调整，缩短了计算的时间，实现了特定涵道比下分流环的径向高度位置的设计，可以改善分流环附近的气流流动状况，保证了风扇增压级稳定工作的能力和范围。其中，预设角度值为1°、2°、3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°或尤其地为10°，预设角度值可以根据发动机的具体参数来选择。

需要说明的是：本发明中分流环中线R是指根据分流环外涵侧4a和分流环内涵侧4b的两边缘来获得的，即如图7和图9所示的虚线。

具体地或优选地，调整分流环4的位置包括：

若分流环前缘流线7相对于分流环中线R位于靠近内涵道的一侧，则减小分流环4的半径；

若分流环前缘流线7相对于分流环中线R位于靠近外涵道的一侧，则增大分流环4的半径。

实践表明，利用上述调整能够快速实现分流环中线R与分流环前缘流线7的夹角α小于预设角度值，具有较高的可实施性。

其中，优选地，如图8所示，减小分流环4的半径包括将分流环4在径向上向远离外涵机匣2的方向移动，如图10所示，增大分流环4的半径包括将分流环4在径向上向靠近外涵机匣2的方向移动。通过移动来便捷改变分流环的设计半径大小，可实施性较好。

对于如何实现S2流线确定，在一个具体的或优选的实施例中，S2流线确定步骤包括：根据机匣轮毂坐标、叶片前尾缘坐标、转子压比、静子环量以及分流环位置坐标，利用流线曲率法来获得S2流线S2分布结果。该方法是本领域的现有技术，在此不再赘述。

下面以预设角度值为10°结合图1～图12来具体说明本发明分流环设计方法的流程如下：

(1)开始进行风扇增压级的分流环设计；

(2)输入风扇增压级的机匣轮毂坐标、叶片前尾缘坐标等几何参数，输入转子压比、静子环量等气动参数；

(3)输入分流环位置坐标(初始值)，风扇增压级的几何参数给定后如图5所示，图中实线表示风扇增压级的机匣、轮毂和叶片前尾缘，虚线C表示位于叶片之间的计算站；

(4)给定风扇增压级的几何参数和气动参数后进行S2通流计算，即求解子午面的径向平衡方程、连续方程、能量方程、状态方程以及熵增模型、激波模型和落后角模型等方程组。其中，平衡方程、连续方程、能量方程和状态方程如公式(1.1)～公式(1.4)所示。该方法即流线曲率法，其数值过程本质上是将主控方程(动量方程)简化为一阶拟线性常微分方程，并通过隐式方程的数值迭代求解S2流面上的收敛解。

h＝i^*-ω(C_ur)＝const(沿流线) (1.3)

p＝ρRT (1.4)

上述公式中的各参数是本领域技术人员所知晓的，在此不再一一详述。

求解得到的风扇增压级子午面上的S2流线如图6所示，点划线S2即为计算得到的S2流线分布结果，其中最接近分流环4的前缘的流线为分流环前缘流线7。

(5)将图6中分流环附近流线放大如图7和图9所示，如图7所示，当分流环前缘流线7和分流环中线R夹角且分流环前缘流线7相对于分流环中线R位于靠近内涵道的一侧时，则应该减小分流环4的半径，亦即将分流环4相对于基准线S的高度位置下移，下移后如图8中实线所示；如图9所示，当分流环前缘流线7和分流环中线R夹角α＞10°且分流环前缘流线7相对于分流环中线R位于靠近外涵道的一侧时，则应该增大分流环4的半径，亦即将分流环4相对于基准线S的高度位置上移，上移后如图10所示；当分流环的径向高度进行上移或下移的调整后来改变其位置，再重新进行S2流线求解并循环迭代，直至分流环前缘流线角度满足α＜10°的范围，完成分流环高度的设计。

通过本发明方法获得分流环高度位置，在三维数值求解软件中进行验证计算，图11和图12分别示出了未采用本发明方法和采用本发明方法的分流环附近三维计算流线结果，如图11所示，箭头所示的分流环前缘来流方向和直线所示的分流环中线方向偏差较大，气流流动方向不合适；而如图12所示，箭头所示的分流环前缘来流方向和直线所示的分流环中线方向基本一致，气流流动方向合适，通过对比验证了本发明方法的有益技术效果。

本发明在求解风扇增压级子午面的S2流线分布时，通过对分流环前缘流线角度范围的判断与调整，进行分流环高度的调整进而完成特定涵道比下的分流环设计，可以准确地获得合适的分流环设计高度，减少了分流环设计过程中S2流线二维计算与CFD三维计算的迭代次数，可以快速地获得健康的分流环附近流场。

以上结合的实施例对于本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和实质精神的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、等效替换和变型仍落入在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种分流环设计方法，其特征在于，包括：

S2流线确定步骤：根据分流环(4)的当前位置进行S2流面通流计算，获得S2流线(S2)分布结果；

分流环前缘流线确定步骤：将S2流线(S2)中最接近所述分流环(4)的前缘的流线作为分流环前缘流线(7)；

夹角判断步骤：计算所述分流环(4)的分流环中线(R)与所述分流环前缘流线(7)的夹角α，若α小于预设角度值，则所述分流环(4)位置确定；若α大于等于所述预设角度值，则调整所述分流环(4)的位置并返回至所述S2流线确定步骤，直至α小于所述预设角度值。

2.根据权利要求1所述的分流环设计方法，其特征在于，所述预设角度值为1°、2°、3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°或10°。

3.根据权利要求1所述的分流环设计方法，其特征在于，所述调整所述分流环(4)的位置包括：

若所述分流环前缘流线(7)相对于所述分流环中线(R)位于靠近内涵道的一侧，则减小所述分流环(4)的半径；

若所述分流环前缘流线(7)相对于所述分流环中线(R)位于靠近外涵道的一侧，则增大所述分流环(4)的半径。

4.根据权利要求3所述的分流环设计方法，其特征在于，所述减小所述分流环(4)的半径包括将所述分流环(4)在径向上向远离外涵机匣(2)的方向移动，所述增大所述分流环(4)的半径包括将所述分流环(4)在径向上向靠近所述外涵机匣(2)的方向移动。

5.根据权利要求1所述的分流环设计方法，其特征在于，所述S2流线确定步骤包括：根据机匣轮毂坐标、叶片前尾缘坐标、转子压比、静子环量以及分流环位置坐标，利用流线曲率法来获得S2流线(S2)分布结果。

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