CN110043484A - 基于周向涡量通流设计的双级高负荷风扇设计方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种基于周向涡量通流设计的双级高负荷风扇的设计方法，包括以下步骤：一维设计：给定双级高负荷风扇的设计参数，设计参数包括最大叶尖切线速度、级压比和负荷系数，基于设计参数获取双级高负荷风扇的流道几何和叶片前尾缘曲线形状；通流设计：基于一维设计结果获取子午面计算网格，通过周向涡量诊断调整环量分布，进行通流计算；以及三维粘性分析：基于通流计算结果获取双级高负荷风扇的三维叶片形状，并进行三维粘性分析。

Description

基于周向涡量通流设计的双级高负荷风扇设计方法

技术领域

本公开涉及一种基于周向涡量通流设计的双级高负荷风扇设计方法。

背景技术

飞机的发明和应用是20世纪人类取得的最伟大的科学成就之一，对战争模式和人类日常生活产生了巨大的影响。飞机从发明初始，便被用于军事用途，也正因为战争对飞机的需要，航空技术得到了快速发展，军用飞机成为各国在战争中夺取制空权的有利武器。飞机的“心脏”是发动机，战斗机的更新换代要以发动机的更新换代为前提。为了满足战斗机的超音速巡航、高机动性能、短距起降、高可靠性等要求，军用发动机将继续沿着性能更高、结构更紧凑、质量更轻、可靠性更高、费用更低等方向发展。而其中高的推重比仍旧是发动机的追求的主要目标，推重比仍将是划分发动机代别的重要指标，提高推重比则需进一步提高总增压比和涡轮前温度，或减轻重量。高推重比对发动机压缩系统提出了更高的要求。总体分析可知，高的涡轮前温度必须和高的增压比相匹配，以获得高的单位推力，较低的耗油率。总增压比受到压气机后几级叶盘材料的耐热性能的约束，而涡轮前温度也受到冷却技术和涡轮部件材料耐热性能的约束，因此在材料性能未取得较大发展的前提下，未来战斗机发动机的压缩系统总增压比不会有大幅提高，而主要趋势是在满足效率和失速裕度前提下提高压气机平均级压比，即提高平均级负荷，以更少的级数实现高的总增压比，因此便对压缩系统提出了更高的要求。提高压气机的级压比始终是压气机设计者的追求目标，IHTPET、VATTE等计划研究内容和各研究机构的研究热点表明，为了实现发动机高推重比的要求，未来风扇的发展趋势是——高负荷。众所周知，由于气流在风扇中是从低压向高压方向运动，逆压梯度下气流易分离，风扇在气动设计上研制难度大，一直以来是制约发动机性能发展的主要“瓶颈”。

风扇的发展趋势是高负荷。目前风扇设计中，常用的方法有两种，分别是3D优化设计和反问题设计，但目前都有其相应的问题，前者优化时间长、代价高，优化过程基本属于黑箱操作，对流动物理机理的把握不够，有时收益较小；反问题设计方法要求设计者经验丰富能给定合理的压力等参数分布。

对于高负荷风扇，转子加功量更大，静子减速扩压难度也更大，强逆压梯度下气流容易发生分离，流场各种旋涡将增强，激波和旋涡、二次流之间的相互作用也增强，内部流动将更加难以控制。对于高负荷风扇设计，如何安排负荷分布，如何控制内部流场旋涡，是成功与否的关键。因此在风扇气动设计过程中控制涡量场显得十分必要，因此，发展一种控制风扇涡量场的气动设计方法，无疑是对传统设计方法的一个有利补充。

发明内容

为了解决至少一个上述技术问题，本公开提供一种基于周向涡量通流设计的双级高负荷风扇设计方法，通过以下技术方案实现。

根据本公开的一个方面，基于周向涡量通流设计的双级高负荷风扇的设计方法包括以下步骤：

一维设计：给定双级高负荷风扇的设计参数，设计参数包括最大叶尖切线速度、级压比和负荷系数，基于设计参数获取双级高负荷风扇的流道几何和叶片前尾缘曲线形状；

通流设计：基于一维设计结果获取子午面计算网格，通过周向涡量诊断调整环量分布，进行通流计算；

三维粘性分析：基于通流计算结果获取双级高负荷风扇的三维叶片形状，并进行三维粘性分析。

根据本公开的至少一个实施方式，通过周向涡量诊断调整环量分布的步骤包括：给定子午面计算网格各排的环量分布，基于环量分布进行子午面流场计算，根据周向涡量在子午面的分布对环量分布进行调整。

根据本公开的至少一个实施方式，调整环量分布的条件包括：在第二级转子和静子的叶根区域存在周向涡量负峰值。

根据本公开的至少一个实施方式，通流计算结果包括子午面气流角分布。

根据本公开的至少一个实施方式，双级高负荷风扇的功分配遵循第一级负荷系数与第二级负荷系数相当的原则。

根据本公开的至少一个实施方式，双级高负荷风扇的总压比接近于推比10一级发动机三级风扇的总压比。

根据本公开的至少一个实施方式，双级高负荷风扇的级负荷水平和平均级压比高于推比10一级发动机三级风扇的级负荷水平和平均级压比。

根据本公开的至少一个实施方式，三维粘性分析的步骤还包括：设定壁面第一层网格尺寸使Y+<10，双级高负荷风扇的第一级转子和第二级转子的叶尖间隙均为1mm。

根据本公开的至少一个实施方式，三维粘性分析采用S-A湍流模型。

根据本公开的另一方面，采用上述的设计方法所获得的基于周向涡量通流设计的双级高负荷风扇。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是根据本公开的一个实施方式的时间推进通流计算网格示意图。

图2是根据本公开的一个实施方式的通流计算子午面环量分布示意图。

图3是根据本公开的一个实施方式的通流计算子午面周向涡量分布示意图。

图4是根据本公开的一个实施方式的双级高负荷风扇3D造型示意图。

图5是根据本公开的一个实施方式的双级高负荷风扇的总压比和绝热效率的特性曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

本公开的基于周向涡量通流设计的双级高负荷风扇设计方法引入了涡量动力学设计方法，通过周向涡量诊断来实现环量的二维分布Γ(r,z)的自动寻优，即通过抓住某些关键物理机理和流动现象，有针对性对关键区域进行优化或反设计，从而缩短了优化时间并可以减少对设计者经验的高要求。

在本公开的一个可选实施方式中，基于周向涡量通流设计的双级高负荷风扇设计方法，是在传统的设计方法的基础上考虑到涡动力学诊断因子的分布，即在时间推进通流设计阶段，运用了周向涡量诊断指导环量分布的给定。

具体的，基于周向涡量通流设计的双级高负荷风扇设计方法可以通过以下步骤实现。

首先，给定双级高负荷风扇的设计指标，例如，可以根据设计经验设定本实施方式的双级高负荷风扇的流量为125kg/s，效率为84.5％，总压比为4.28，其中总压比接近于推比10一级发动机三级风扇的总压比，而级数为两级，则级负荷水平和平均级压比高于推比10一级发动机三级风扇，如下表1所示，在总压比接近于三种型号的三级风扇的情况下，双级高负荷风扇的平均级压比明显高于三级风扇。

表1双级高负荷风扇与推重比10一级发动机三级风扇参数比较

接着，进行双级高负荷风扇的一维设计。最大叶尖切线速度可以设置为500m/s，双级高负荷风扇的功分配遵循两级负荷系数相当的原则，第一级压比可以为2.4，负荷系数为0.393；第二级压比可以为1.78，负荷系数为0.391。基于提前给定的上述设计参数，可以确定双级高负荷风扇的流道几何，并可以根据经验给定风扇叶片的前缘和尾缘曲线形状。

然后，基于一维设计结果，采用时间推进通流设计程序进行通流设计。具体的，首先将通过一维设计确定的风扇的流道和叶片前尾缘几何作为输入数据生成子午面计算网格，计算网格如图1所示。给定子午面计算网格各排的初始环量分布，包括环量的径向和轴向分布，如图2所示。根据初始环量分布以及风扇的流道曲线、叶片前尾缘曲线等几何数据，通过时间推进通流设计程序进行子午面流场计算。在高负荷风扇的设计过程中，环量的径向和轴向分布通常是通流设计中需精心调整和优化的环节，由于在流道和叶片前尾缘几何形式确定的情况，周向涡量的分布主要取决于环量分布形式，因此结合周向涡量诊断可以实现环量的二维分布Γ(r,z)的自动寻优，在通流设计阶段优化环量分布，也可以有效的控制周向涡量分布。进行周向涡量诊断，获得周向涡量在子午面的分布情况之后，即可根据周向涡量的分布情况对初始环量分布进行改进。在本公开的一个实施方式中，如图3所示，周向涡量分布明显地反映出第二级转子和静子叶根区域出现了周向涡量负峰值，即此区域为高损失区，而其它区域的周向涡量峰值则不明显，由此可见，周向涡量诊断的确可以在通流设计阶段预示出易出现高损失的区域。分析原因可知，第二级叶根区域损失高可能是由于此处负荷过高，因为叶根处的圆周速度较低，只有通过增大气流转角来实现所需的较大的加功量。另外，由于双级高负荷风扇轮毂角区附面层在第二级已发展到较厚的程度，也是损失较高的原因之一，反映在周向涡量分布上便出现了较大范围的负峰值。从多级压气机角度证明周向涡量分布还可以反映端区附面层堆积情况。

在本公开的一个实施方式中，基于周向涡量在子午面的分布对初始环量分布进行调整，环量分布结合周向涡量诊断可以进行数次改进，然后再进行通流计算，包括获取子午面气流角分布。

最后，基于通流设计结果进行任意中弧线叶片造型和三维粘性分析。在本公开的一个实施方式中，可以根据通流计算的子午面气流角分布，运用叶片造型程序获取3D叶片形状，然后运用相关程序，例如NUMECA软件对双级高负荷风扇进行3D粘性分析，如图4所示为本公开的一个实施方式中的双级高负荷风扇的3D造型示意图。在本公开的一个实施方式中，考虑到计算时间，数值模拟时总网格数可以设置为446280，其中，第一级转子网格数为143487，第一级静子网格数为94149，第二级转子网格数为145383，第二级静子网格数为63261。设定壁面第一层网格尺寸使Y⁺<10。数值模拟过程同时考虑到叶尖间隙，使第一级和第二级转子叶尖间隙均取1mm，同时采用S-A湍流模型。分析通过上述设计方法获取的基于周向涡量通流设计的双级高负荷风扇的性能参数，例如分析总压比和绝热效率，如图5所示，右图中在峰值效率点，流量为126.3kg/s，此时所对应的总压比为4.232，效率为84.9％；左图中在流量为123.2kg/s时，所对应的总压比为4.287，达到最高，与最初的设计指标对比后表明，通过上述设计方法获取的基于周向涡量通流设计的双级高负荷风扇的性能满足了设计要求。

综上所述，本公开的基于周向涡量通流设计的双级高负荷风扇设计方法，将涡量动力学诊断因子应用到了高负荷风扇的设计中，从涡动力学角度反映通流设计的质量，通过周向涡量诊断为通流设计中的环量(负荷)分配提供有利的指导，获取最优的环量分布形式。结合周向涡量诊断的通流设计方法是使高负荷风扇最终达到设计指标的有利工具，融入周向涡量诊断和优化的通流设计方法可以为传统的高负荷风扇的设计方法补充一种新的设计思路。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种双级高负荷风扇的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

一维设计：给定所述双级高负荷风扇的设计参数，所述设计参数包括最大叶尖切线速度、级压比和负荷系数，基于所述设计参数获取所述双级高负荷风扇的流道几何和叶片前尾缘曲线形状；

通流设计：基于所述一维设计结果获取子午面计算网格，通过周向涡量诊断调整环量分布，进行通流计算；

三维粘性分析：基于所述通流计算结果获取所述双级高负荷风扇的三维叶片形状，并进行三维粘性分析。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述通过周向涡量诊断调整环量分布的步骤包括：

给定所述子午面计算网格各排的环量分布，基于所述环量分布进行子午面流场计算，根据周向涡量在子午面的分布对所述环量分布进行调整。

3.根据权利要求1或2所述的设计方法，其特征在于，调整所述环量分布的条件包括：在第二级转子和静子的叶根区域存在周向涡量负峰值。

4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述通流计算结果包括子午面气流角分布。

5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述双级高负荷风扇的功分配遵循第一级负荷系数与第二级负荷系数相当的原则。

6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述双级高负荷风扇的总压比接近于推比10一级发动机三级风扇的总压比。

7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，所述双级高负荷风扇的级负荷水平和平均级压比高于所述推比10一级发动机三级风扇的级负荷水平和平均级压比。

8.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述三维粘性分析的步骤还包括：设定壁面第一层网格尺寸使Y⁺<10，所述双级高负荷风扇的第一级转子和第二级转子的叶尖间隙均为1mm。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的设计方法，其特征在于，所述三维粘性分析采用S-A湍流模型。

10.一种采用权利要求1至9中任一项所述的设计方法所获得的基于周向涡量通流设计的双级高负荷风扇。