CN110378068B - 一种可变弯度进口导向叶片及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种可变弯度进口导向叶片设计方法，属于航空发动机设计技术领域，所述方法包括：建立子午流面离散求解网格；求解获得交点处的气流速度和气流方向角；根据气流方向角和给定的气流脱轨角得到叶型角；根据叶型角得到中弧线，且给定叶厚分布形成基元叶型；将转轴前叶型角均设置为零，获得新中弧线；根据新中弧线得到新的叶厚度分布，基于新的叶叶厚分布形成基元叶型；将各基元叶型绕发动机轴线旋转并截取叶型；将截取的叶型分成两段，并作内切圆，组合形成完整叶型。本申请的可变弯度进口导向叶片设计方法可以保证转动的折板能为后面的转子叶片提供需要的预旋或反预选，以及可以保证折板转动时不与壁面碰撞且有均匀的较小间隙。

Description

一种可变弯度进口导向叶片及其设计方法

技术领域

本申请属于小涵道比航空发动机风扇或压气机的气动和结构设计领域，特别涉及一种可变弯度进口导向叶片及其设计方法。

背景技术

小涵道比航空涡扇发动机通常在进口设置有可变弯度进口导向叶片(VariableInlet Guide Vane，VIGV)，其主要目的在于以下几方面：

1)提高航空发动机高空高速性能和工作稳定性的有效手段；

2)缓解由飞鸟撞击等对发动机气动和结构稳定性造成的损害；

3)可以满足结构上用于通油、通气、防冰和传力等设计的需求。

VIGV通常由固定段(支板)和转动段(折板)两部分组成，支板和折板在工艺上各自独立制造，在设计时两部分也独立设计，这样的设计方法不能考虑VIGV对整个风扇/压气机的影响。

然而VIGV的支板和折板分别独立设计时，却有以下缺点：

1)很难保证转动的折板能为后面的转子叶片提供所需要的气流方向(亦成为预旋或反预旋)；

2)很难保证VIGV折板转动时不与壁面碰撞且有均匀的较小间隙；

3)很难保证支板和折板衔接处VIGV型面均匀过渡；

4)叶型设计无法满足最大厚度沿叶高保持一致等结构设计需求。

发明内容

本申请的目的是提供了一种可变弯度进口导向叶片及其设计方法，以解决上述任一问题。

本申请的技术方案是：一种可变弯度进口导向叶片设计方法，其特征在于，所述可变弯度进口导向叶片设计方法应用于小涵道比航空涡扇发动机的风扇或压气机，所述风扇或压气机具有进口导向叶片，所述进口导向叶片包括固定段和转动段，所述固定段无弯度，所述转动段能够提供预旋或反预旋角；所述方法包括

1)建立子午流面离散求解网格，所述网格由近似相互垂直的两族线组成，其中i族线为流线，j族线为计算站；

2)在i族和j族线交点上求解叶轮机械径向平衡方程，获得交点处的气流速度V和气流方向角α等；

3)根据所述交点处的气流方向角α和给定的气流脱轨角得到叶型角，从而获得叶型角沿轴向的变化规律；

4)根据所述叶型角和所述交点的坐标得到中弧线，所述中弧线为叶片的骨线，在中弧线的空间垂线方向给定叶厚分布形成基元叶型；

5)根据支板无弯度的需求，将转轴前叶型角均设置为零，进口导向叶片所需弯角由沿转轴后均匀分布叶型角确定，根据叶型角和交点的坐标获得新中弧线；

6)根据新中弧线计算叶型弦长，并结合给定的进口导向叶片的最大厚度和所处位置，得到最大相对厚度及其相对位置，形成新的叶厚度分布，然后在中弧线的空间垂线方向铺设所述新的叶叶厚分布形成进口导向叶片的基元叶型；

7)将进口导向叶片的各基元叶型绕发动机轴线旋转，以使中弧线上对应的转轴点旋转至子午流面上；

8)在与转轴垂直的斜面上，根据给定的半径截取叶型；

9)以各截面上与转轴中心对应的点作为分点，将截取的叶型分成两段，并在分点处作叶型的内切圆，再与分成的两段叶型分别组合成完整叶型，分别对应固定段和转动段，完成进口导向叶片设计。

在本申请中，在进口导向叶片的叶排内、最大厚度位置处及转轴位置设为计算站。

在本申请中，所述叶厚度分布由标准叶型根据给定的最大相对厚度及其相对位置变换得到，最大相对厚度和相对位置沿叶高通常取不同值，不同叶高的基元叶型根据给定的径向积叠规律叠加在一起形成叶片。

另外，本申请还提供了一种可变弯度进口导向叶片，所述可变弯度进口导向叶片按照如上任一所述的可变弯度进口导向叶片设计方法得到。

本申请的可变弯度进口导向叶片设计方法具有如下优点：

1)可以保证转动的折板能为后面的转子叶片提供需要的预旋或反预选；

2)可以保证进口导向叶片折板转动时不与壁面碰撞且有均匀的较小间隙；

3)可以完全满足支板无弯度需求；

4)可以保证支板和折板衔接处进口导向叶片型面均匀过渡；

5)可以保证最大厚度沿叶高保持定值。

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为进口导向叶片结构示意图。

图2为基于图1的A-A视图。

图3为求解叶轮机径向平衡方程的离散求解网格。

图4为基元叶型中气流速度与方向角示意图。

图5a至图5c为常规风扇或压气机叶片的设计方法过程简图。

图6a至图6b为进口导向叶片的固定段无弯度设计简图。

图7为进口导向叶片的固定段和转动段各截面叶型示意图。

图8为进口导向叶片经积叠后的三维叶片示意图。

图9为本申请的可变弯度进口导向叶片设计方法流程图。

附图标记：

1为支板(也称固定段)

2为折板(也称转动段)

3为进口导向叶片实体转轴

4为供轴承冷却的油管

5为紧随进口导向叶片的转子叶片；

6为进口导向叶片前缘

7为进口导向叶片尾缘

8为中弧线，8’为新中弧线

9为叶厚分布

10为进口导向叶片

11为基元叶型

12为最大厚度所处位置

13为设计过程中的虚拟转轴

14为转轴与根部流路交点

15为折板可偏转角度

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。

本申请提供了一种可变弯度进口导向叶片设计方法，这种设计方法以常规风扇或压气机叶片的设计为基础，按进口导向叶片设计需求转换坐标系原点、最大相对厚度Cmax及其相对位置Xmax等量，对进口导向叶片的弯度进行重新分配，并按有(或无)转轴倾角将流线面叶型插值到工艺截面上。此后在工艺截面上插值转轴(Z＝0)处的叶型坐标，并作内切圆，获得切点和半径等参数；最后在转轴处将叶片分成两段，分别对应进口导向叶片的固定段和转动段。

具体的，如图9所示，本申请的可变弯度进口导向叶片设计方法包括如下过程：

1)如图1和2所示，进口导向叶片由支板1(也称固定段)和折板2(也称转动段)构成，支板1内部可以是中空结构，在进口导向叶片的下端设有油路4，可以通入支板1内为其冷却，支板1和折板2之间具有转轴3，在沿气流流动方向的进口导向叶片之后具有转子叶片5。根据上述结构建立如图3所示的子午流面离散求解网格，网格由近似相互垂直的两族线组成，图中i族线称为流线，j族线称为计算站，在进口导向叶片叶排内(进口导向叶片前缘6和进口导向叶片尾缘7之间)也设有计算站。

2)在i族和j族线交点上求解叶轮机械径向平衡方程，其中i族和j族线的交点也称为计算节点，通过求解叶轮机械径向平衡方程可获得计算节点处的气流速度V和气流方向角α等。参见图4所示，图中气流速度V₁和气流方向角α₁为前端参数，气流速度V₂和气流方向角α₂为尾端参数。

3)以图3中所示的流线面中进口导向叶片叶排内的B-B截面为例，根据计算节点的气流方向角α和给定的气流脱轨角(参见图5a所示，气流脱轨角可由叶型角θ与气流方向角α的差值得到)可以得到叶型角θ，从而获得叶型角沿轴向的变化规律。

4)根据叶型角和计算节点的坐标，通过计算可以获得图5a中所示的空间曲线，空间曲线又称为中弧线8，中弧线8是叶片的骨线，在中弧线8的空间垂线方向给定叶厚分布9(图5b)就形成了基元叶型11(图5c)。叶型厚度分布9通常由标准叶型根据给定的最大相对厚度Cmax(最大相对厚度Cmax可由最大厚度Tmax除以弦长b得到)及其相对位置Xmax(相对位置Xmax可由最大厚度位置e除以弦长b得到)变换得到，最大相对厚度Cmax及其相对位置Xmax沿叶高通常取不同值，不同叶高的基元叶型根据给定的径向积叠规律叠加在一起就形成了叶片。

5)根据支板无弯度的需求，将转轴13前叶型角均强制设置为零，进口导向叶片所需弯角由沿转轴13后均匀分布叶型角得以保证，根据叶型角和计算节点的坐标，计算获得图6a所示的新中弧线8’。

6)根据新中弧线8’计算叶型弦长b，并结合给定的进口导向叶片最大厚度Tmax和所处位置12，计算得到最大相对厚度及其相对位置，形成新的叶型厚度分布，然后在中弧线的空间垂线方向铺设该叶厚分布，形成如图6b所示的进口导向叶片基元叶型。

7)由于设计时流线面基元叶型坐标系原点位于各自前缘位置，需按照要求的基元叶型之间的轴向和周向位置关系把基元叶型沿叶高组合(即积叠)成三维叶片，本发明提供的进口导向叶片设计方法以给定的转轴中心位置作为叶片积叠中心，即将进口导向叶片各基元叶型绕发动机轴线旋转，以使中弧线上对应的转轴点旋转至子午流面上。

8)在与转轴13(与径向夹角为γ，顺时针为正)垂直的斜面上，根据给定的半径截取叶型，将坐标系原点平移至转轴与根部流路交点14处，并将坐标系旋转γ角，使各截面叶型水平放置，满足工艺截面为平面的设计需求。

9)将各截面上与转轴中心对应的点作为分点，将截取的叶型分成两段，并在分点处作叶型的内切圆，再与分成的两段叶型分别组合成完整叶型，分别对应图1中所示的支板1和折板2，最终即可完成如图8所示的进口导向叶片的设计。

另外，本申请还提供了一种可变弯度进口导向叶片，可变弯度进口导向叶片按照如上任一的可变弯度进口导向叶片设计方法得到。

本申请的可变弯度进口导向叶片及其设计方法有如下优点：

1)可以保证转动的折板能为后面的转子叶片提供需要的预旋或反预选；

2)可以保证进口导向叶片折板转动时不与壁面碰撞且有均匀的较小间隙；

3)可以完全满足支板无弯度需求；

4)可以保证支板和折板衔接处进口导向叶片型面均匀过渡；

5)可以保证最大厚度沿叶高保持定值。

以上，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 (2)

1.一种可变弯度进口导向叶片设计方法，其特征在于，所述可变弯度进口导向叶片设计方法应用于小涵道比航空涡扇发动机的风扇或压气机，所述风扇或压气机具有进口导向叶片，所述进口导向叶片包括固定段和转动段，所述固定段无弯度，所述转动段能够提供预旋或反预旋角；所述方法包括：

1）建立子午流面离散求解网格，所述网格由近似相互垂直的两族线组成，其中i族线为流线，j族线为计算站，其中在进口导向叶片的叶排内、最大厚度位置处及转轴位置设为计算站；

2）在i族和j族线交点上求解叶轮机械径向平衡方程，获得交点处的气流速度V和气流方向角α；

3）根据所述交点处的气流方向角α和给定的气流脱轨角得到叶型角，从而获得叶型角沿轴向的变化规律；

4）根据所述叶型角和所述交点的坐标得到中弧线，所述中弧线为叶片的骨线，在中弧线的空间垂线方向给定叶厚分布形成基元叶型；

5）根据支板无弯度的需求，将转轴前叶型角均设置为零，进口导向叶片所需弯角由沿转轴后均匀分布叶型角确定，根据叶型角和交点的坐标获得新中弧线；

6）根据新中弧线计算叶型弦长，并结合给定的进口导向叶片的最大厚度和所处位置，得到最大相对厚度及其相对位置，形成新的叶厚度分布，然后在中弧线的空间垂线方向铺设所述新的叶厚分布形成进口导向叶片的基元叶型；

7）将进口导向叶片的各基元叶型绕发动机轴线旋转，以使中弧线上对应的转轴点旋转至子午流面上；

8）在与转轴垂直的斜面上，根据给定的半径截取叶型；

9）以各截面上与转轴中心对应的点作为分点，将截取的叶型分成两段，并在分点处作叶型的内切圆，再与分成的两段叶型分别组合成完整叶型，分别对应固定段和转动段，完成进口导向叶片设计。

2.一种可变弯度进口导向叶片，其特征在于，所述可变弯度进口导向叶片按照权利要求1所述的可变弯度进口导向叶片设计方法得到。

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