CN111288016B - 轴流压气机基元叶型造型方法 - Google Patents

轴流压气机基元叶型造型方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种轴流压气机基元叶型造型方法，其包括：S1、根据中弧线型线得到与相邻叶片围成的流道的中心流线；S2、通过作中心流线的垂线获得流道进、出口截面，将流道进出口截面之间的中心流线分为n段；S3、在相邻两段的分界点上作中心流线的垂线，并在这些垂线上、中心流线两侧分别取点，使得一条垂线上所取两点所形成的线段长度与该位置处想要达到的通流面积数值相等；S4、将取出的所有中心流线下方的点进行拟合形成吸力面型线，将取出的所有中心流线上方的点进行拟合形成压力面型线。本发明可以以通流面积分布规律作为造型输入，以正向的、直接的方式设计出满足预先指定通流面积分布规律要求的压气机叶型，达到流速分布或激波结构。

Description

轴流压气机基元叶型造型方法
技术领域
本发明涉及航空发动机领域，特别涉及一种轴流压气机基元叶型造型方法。
背景技术
目前，在航空发动机及燃气轮机设计领域，轴流压气机叶片(包括风扇)的主要造型方式为：先在各个叶高截面上进行基元叶型设计，再将设计好的基元叶型进行径向积叠以形成三维叶片。
其中，基元叶型的造型方法又主要包括以下三种：中弧线叠加厚度分布、吸力面叠加压力面(包括直接给定坐标点的设计方法)、吸力面叠加厚度分布等。
在以上三种基元叶型造型方法中，设计输入主要包括：中弧线型线、叶型厚度分布、吸(压)力面型线三种。然而，气流通流面积，作为一个对流道内气体加减速起决定性作用的参数(见下文分析)，常常是作为一个设计输出，仅能在造型完成后予以考察。因此，就目前而言，尚不存在一种能够以通流面积分布规律作为造型输入、而以厚度分布规律等其他参数作为造型输出的造型方法。
然而，中弧线叠加通流面积分布规律通过三维流场计算可以发现，流道内气流速度的变化与通流面积的变化有着非常紧密的关系。图1为一三维CFD计算结果的示意图，如图1所示横坐标为中心流线的无量纲长度，“0”代表流道入口，“1”代表流道出口。左、右纵坐标分别为中心流线马赫数和流道通流面积。通过图1可以发现，对于出口背压为12700Pa的算例，来流超音在流道入口处形成一道(斜)激波，波后马赫数略大于1，依然为超音气流。该超音气流在通流面积逐渐增大的渐扩通道中又不断加速，直到在约0.1无量纲长度处形成一道正激波，波后亚音速气流在渐扩通道中逐渐减速，在约0.5无量纲长度处，通流面积转而收缩，该亚音气流随之转为加速直到流出流道。
对于背压为13300的算例，来流超音在进入流道前就形成了一道正激波，波后亚音速气流先在流道入口处经历了一段短暂的加速，对应着流道入口处通流面积的短暂收缩。在后续的渐扩通道中，该亚音速气流一直保持减速流动，直到在约0.5无量纲长度处，通流面积转而收缩，该亚音气流随之转为加速直到流出流道。从上述分析可见，无论是超音还是亚音速气流，在叶栅流道中的加减速均与通流面积的变化有着非常密切的关系。
因此，本领域便产生以下需求：能否设计一种造型方法，以预先确定的通流面积分布规律作为造型输入进行叶片造型。其中，作为造型输入的通流面积分布规律可以根据想要实现的气流速度分布规律乃至想要实现的激波结构等来予以确定。
有鉴于此，本领域技术人员致力于研究一种轴流压气机基元叶型造型方法，以期克服上述问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中基元叶型的造型方法存在局限性的缺陷，提供一种轴流压气机基元叶型造型方法，其基于中弧线叠加通流面积分布规律。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
一种轴流压气机基元叶型造型方法，其特点在于，所述轴流压气机基元叶型造型方法包括：
S1、根据中弧线型线得到与相邻叶片围成的流道的中心流线；
S2、通过作中心流线的垂线获得流道进、出口截面，将流道进出口截面之间的中心流线分为n段；
S3、在相邻两段的分界点上作中心流线的垂线，并在这些垂线上、中心流线两侧分别取点，使得一条垂线上所取两点所形成的线段长度与该位置处想要达到的通流面积数值相等；
S4、将取出的所有中心流线下方的点进行拟合形成吸力面型线，将取出的所有中心流线上方的点进行拟合形成压力面型线。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S1中具体包括：选取一条第一中弧线，向下方移动一个栅距得到相邻叶片的第二中弧线，将所述第一中弧线向下方移动半个栅距得到相邻叶片所形成的所述流道的所述中心流线。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S2中具体包括：由气流的来流方向以一定间距依次作一系列所述中心流线的垂线，将第一条垂线定义为流道进口截面，所述流道进口截面过所述第一中弧线的前缘点且与所述第二中弧线相交。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S2中还具体包括：由气流的出流方向以一定间距依次作一系列所述中心流线的垂线，将第一条垂线定义为流道出口截面，所述流道出口截面过所述第二中弧线的尾缘点且与所述第一中弧线相交。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S2中还具体包括：在所述流道进口截面上取一点E，使得所述第一中弧线的前缘点至所述点E的线段长度与所述中心流线的流道入口处的通流面积的读数相等；
在所述流道出口截面上取一点F，使得所述第二中弧线尾缘点至所述点F的线段长度与所述中心流线的流道出口处的通流面积的读数相等。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S2中还具体包括：以所述中心流线的前缘点和尾缘点为首尾端点，按照长度分为n段，n≥2；
所述中心流线的前缘点为所述中心流线与所述流道进口截面的交点，所述中心流线的尾缘点为所述中心流线与所述流道出口截面的交点。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S3中具体包括：将所述中心流线上的各段的分界点分别标记为H1、H2、H3…Hn，分别以各个分界点为垂足作所述中心流线的垂线。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S3中还具体包括：对每一个所述分界点，计算其在所述中心流线的前缘点和尾缘点之间线段上的无量纲长度；
根据所述分界点对应的无量纲长度值查取对应的通流面积，在对应的所述垂线上取两点，使得所述两点之间的线段长度，与所述分界点对应的无量纲长度值查取对应的通流面积相等。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S4中具体包括：将所述第二中弧线的前缘点与所述流道进口截面上取的所述点E采用曲线连接；
将所述点E、所述垂线上取的点和所述第二中弧线的尾缘点进行拟合，使得所述第二中弧线上位于所述流道进口截面之前的点至所述点E之间的曲线，和所述点E至所述第二中弧线的尾缘点之间的曲线在所述点E处至少二阶连续，形成叶片吸力面型线；
将所述第一中弧线的尾缘点与所述流道出口截面上取的所述点F采用曲线连接；
将所述点F、所述垂线上取的点和所述第一中弧线的前缘点进行拟合，使得所述第一中弧线上位于所述流道出口截面之后的点至所述点F之间的曲线，和所述点F至所述第一中弧线的前缘点之间的曲线在所述点F处至少二阶连续，形成叶片压力面型线。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S4还包括：将所述叶片吸力面型线向上方平移一个栅距，形成完整的基元叶型。
本发明的积极进步效果在于：
本发明轴流压气机基元叶型造型方法可以以通流面积分布规律作为造型输入，以正向的、直接的方式设计出满足预先指定通流面积分布规律要求的压气机叶型，进而实现想要达到的流速分布或激波结构等。
附图说明
本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
图1为一三维CFD计算结果的示意图。
图2为本发明轴流压气机基元叶型造型方法中步骤S1的示意图。
图3为本发明轴流压气机基元叶型造型方法中步骤S2的示意图。
图4为本发明轴流压气机基元叶型造型方法中步骤S3的示意图一。
图5为本发明轴流压气机基元叶型造型方法中步骤S3的示意图二。
图6为本发明轴流压气机基元叶型造型方法中步骤S3的示意图三。
图7为本发明轴流压气机基元叶型造型方法中步骤S4的示意图。
【附图标记】
第一中弧线 10
一个栅距 a
第二中弧线 20
中心流线 30
第一中弧线的前缘点 A
垂线 40、50
流道进口截面 41
中心流线的前缘点 B
流道出口截面 51
第二中弧线的尾缘点 C
中心流线的尾缘点 D
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
现在将详细参考附图描述本发明的实施例。现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。
此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。
此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。
图2为本发明轴流压气机基元叶型造型方法中步骤S1的示意图。图3为本发明轴流压气机基元叶型造型方法中步骤S2的示意图。图4为本发明轴流压气机基元叶型造型方法中步骤S3的示意图一。图5为本发明轴流压气机基元叶型造型方法中步骤S3的示意图二。图6为本发明轴流压气机基元叶型造型方法中步骤S3的示意图三。图7为本发明轴流压气机基元叶型造型方法中步骤S4的示意图。
如图2至图7所示，本发明公开了一种轴流压气机基元叶型造型方法，其包括如下步骤：
步骤S1、根据中弧线型线得到与相邻叶片围成的流道的中心流线。
优选地，如图2所示，选取一条第一中弧线10，向下方移动一个栅距a得到相邻叶片的第二中弧线20，将第一中弧线10向下方移动半个栅距a/2得到相邻叶片所形成的所述流道的中心流线30。
步骤S2、通过作中心流线的垂线获得流道进、出口截面，将流道进出口截面之间的中心流线分为n段。
优选地，如图3所示，将图中左侧气流来流方向记为LE侧(Leading Edge)，将图中右侧气流出流方向记为TE侧(Trailing Edge)。由气流的来流方向(LE侧)开始，以一定间距依次作一系列中心流线30的垂线40，直到存在第一条垂线过第一中弧线10的前缘点A，且与第二中弧线20相交。即将第一条垂线定义为流道进口截面41，流道进口截面41过第一中弧线10的前缘点A且与第二中弧线20相交。取流道进口截面41与中心流线30的交点为中心流线的前缘点B，前缘点B对应图1中横坐标为0的位置。
同理，如图3所示，由气流的出流方向(TE侧)开始，以一定间距依次作一系列中心流线30的垂线50，指导存在第一条垂线过第二中弧线20的尾缘点C，且与第一中弧线10相交。即将第一条垂线定义为流道出口截面51，流道出口截面51过第二中弧线20的尾缘点C且与第一中弧线10相交。取流道出口截面51与中心流线30的交点为中心流线30的尾缘点D，尾缘点D对应图1中横坐标为1的位置。
然后，如图4所示，在流道进口截面41上取一点E，使得第一中弧线10的前缘点A至点E的线段长度(即AE线段)与中心流线30的流道入口处的通流面积的读数相等，即使得AE线段长度b与图1中横坐标为0时的纵坐标(表示通流面积)读数相等。
同时，如图4所示，在流道出口截面51上取一点F，使得第二中弧线20尾缘点C至点F的线段长度(即CF线段)与中心流线30的流道出口处的通流面积的读数相等，即使得CF线段长度c与图1中横坐标为1时的纵坐标(表示通流面积)读数相等。
接着，如图5所示，以中心流线30的前缘点B和尾缘点D为首尾端点，将曲线BD按照长度分为n段，n≥2。如图5所示，本实施例中以4段为例，可以为等分也可以为按照一定规律不等分。此处，中心流线30的前缘点B为中心流线30与流道进口截面41的交点，中心流线30的尾缘点D为中心流线30与流道出口截面51的交点。
步骤S3、在相邻两段的分界点上作中心流线的垂线，并在这些垂线上、中心流线两侧分别取点，使得一条垂线上所取两点所形成的线段长度与该位置处想要达到的通流面积数值相等。
优选地，如图5所示，将中心流线30上的各段的分界点分别标记为H1、H2、H3…Hn，分别以各个分界点为垂足作中心流线30的垂线，图中分别记为31、32、33…。
如图6所示，对每一个所述分界点，计算其在中心流线30的前缘点B和尾缘点D之间线段(即曲线段BD)上的无量纲长度。
根据所述分界点对应的无量纲长度值查取对应的通流面积，在对应的所述垂线上取两点，使得所述两点之间的线段长度，与所述分界点对应的无量纲长度值查取对应的通流面积相等。
进一步具体地，所述分界点在曲线段BD上的无量纲长度的具体计算方式为：BH1曲线长度/BD曲线长度。
根据计算所得的H1点无量纲长度值在图1中查取、或通过曲线所对应的函数关系式Area＝f(L)计算得出该点所对应的通流面积Area1，在垂线31上取H11点和H12点(如图6所示)，使得H11H12线段的长度与Area1相等。
此处，定义系数k1为：H1H12线段长度/Area1，规定k1的取值范围为：0＜k1＜1。与此类似，对于H2点、H3点…及线段32、线段33…，采用相同的方式处理，分别得到一系列的点H21、H22、H31、H32…及相应系数k2、k3…。
步骤S4、将取出的所有中心流线下方的点进行拟合形成吸力面型线，将取出的所有中心流线上方的点进行拟合形成压力面型线。
如图7所示，将第二中弧线20的前缘点A’与流道进口截面41上取的点E采用曲线连接(此处第二中弧线20的前缘点A’为第一中弧线10的前缘点A平移后对应的点)，即A’E曲线，曲线可以采用直线进口段叶型、预压缩叶型、定制叶型等的设计方法得到，在此处不对该段型线的设计方法作特殊要求。
将点E、所述垂线上取的点和第二中弧线20的尾缘点C进行拟合，使得第二中弧线20上位于流道进口截面41之前的点A’至点E之间的曲线，和点E至第二中弧线20的尾缘点C之间的曲线在点E处至少二阶连续，形成叶片吸力面型线A’C。
具体地说，将点E、H11、H21、H31…C点采用多项式或贝塞尔曲线或B样条等数学工具进行拟合。保证A’E曲线和EC曲线在E点处至少二阶连续。由此形成叶片吸力面型线A’C曲线。
同理，将第一中弧线10的尾缘点C’与流道出口截面51上取的点F采用曲线连接(此处第一中弧线10的尾缘点C’为第二中弧线20的尾缘点C平移后对应的点)，即FC’曲线。
将点F、所述垂线上取的点和第一中弧线10的前缘点A进行拟合，使得第一中弧线10的前缘点A至点F之间的曲线，和点F至第一中弧线10上位于流道出口截面51之后的点C’之间的曲线在点F处至少二阶连续，形成叶片压力面型线。
具体地说，将点A、H12、H22、H32…F点采用多项式或贝塞尔曲线或B样条等数学工具进行拟合。保证AF曲线和FC’曲线在F点处至少二阶连续。由此形成叶片压力面型线AC’曲线。
最后，将叶片吸力面型线A’C向上方平移一个栅距a，形成完整的基元叶型。这样即可完成造型工作。
根据上述方法的描述，本发明轴流压气机基元叶型造型方法的设计输入应至少包含叶型中弧线型线、栅距、通流面积分布规律。其中，第一中弧线的定义可以采用双圆弧、多圆弧、自由中弧线及其他可用于定义中弧线的任意方式，在本发明中对此不作特殊要求。栅距a按照本学科一般定义，为相邻两排叶片间周向间距。通流面积分布规律如图1所示，为以中心流线无量纲长度为自变量、通流面积为因变量的函数关系式。
当然，此处需要指出的是，图1仅给出了一个通流面积分布规律的示例，并不意味着本发明所述的造型方法仅限于该面积分布规律，实际造型过程中通流面积分布规律根据实际需要确定。
综上所述，本发明轴流压气机基元叶型造型方法的关键在于将中弧线型线移动一个栅距形成相邻叶片中弧线、移动半个栅距形成中心流线。其通过在中心流线上取垂线的方式确定流道进、出口截面。然后，再将进出口之间的中心流线等分或不等分为n段，并在各段分界点处作垂线，通过在该族垂线上取点的方式来实现预先指定的通流面积分布规律。
本发明轴流压气机基元叶型造型方法可以以通流面积分布规律作为造型输入，以正向的、直接的方式设计出满足预先指定通流面积分布规律要求的压气机叶型，进而实现想要达到的流速分布或激波结构等。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种轴流压气机基元叶型造型方法，其特征在于，所述轴流压气机基元叶型造型方法包括：
S1、根据中弧线型线得到与相邻叶片围成的流道的中心流线；
S2、通过作中心流线的垂线获得流道进、出口截面，将流道进出口截面之间的中心流线分为n段；
S3、在相邻两段的分界点上作中心流线的垂线，并在这些垂线上、中心流线两侧分别取点，使得一条垂线上所取两点所形成的线段长度与该位置处想要达到的通流面积数值相等；
S4、将取出的所有中心流线下方的点进行拟合形成吸力面型线，将取出的所有中心流线上方的点进行拟合形成压力面型线。
2.如权利要求1所述的轴流压气机基元叶型造型方法，其特征在于，所述步骤S1中具体包括：选取一条第一中弧线，向下方移动一个栅距得到相邻叶片的第二中弧线，将所述第一中弧线向下方移动半个栅距得到相邻叶片所形成的所述流道的所述中心流线。
3.如权利要求2所述的轴流压气机基元叶型造型方法，其特征在于，所述步骤S2中具体包括：由气流的来流方向以一定间距依次作一系列所述中心流线的垂线，将第一条垂线定义为流道进口截面，所述流道进口截面过所述第一中弧线的前缘点且与所述第二中弧线相交。
4.如权利要求3所述的轴流压气机基元叶型造型方法，其特征在于，所述步骤S2中还具体包括：由气流的出流方向以一定间距依次作一系列所述中心流线的垂线，将第一条垂线定义为流道出口截面，所述流道出口截面过所述第二中弧线的尾缘点且与所述第一中弧线相交。
5.如权利要求4所述的轴流压气机基元叶型造型方法，其特征在于，所述步骤S2中还具体包括：在所述流道进口截面上取一点E，使得所述第一中弧线的前缘点至所述点E的线段长度与所述中心流线的流道入口处的通流面积的读数相等；
在所述流道出口截面上取一点F，使得所述第二中弧线尾缘点至所述点F的线段长度与所述中心流线的流道出口处的通流面积的读数相等。
6.如权利要求5所述的轴流压气机基元叶型造型方法，其特征在于，所述步骤S2中还具体包括：以所述中心流线的前缘点和尾缘点为首尾端点，按照长度分为n段，n≥2；
所述中心流线的前缘点为所述中心流线与所述流道进口截面的交点，所述中心流线的尾缘点为所述中心流线与所述流道出口截面的交点。
7.如权利要求6所述的轴流压气机基元叶型造型方法，其特征在于，所述步骤S3中具体包括：将所述中心流线上的各段的分界点分别标记为H1、H2、H3…Hn，分别以各个分界点为垂足作所述中心流线的垂线。
8.如权利要求7所述的轴流压气机基元叶型造型方法，其特征在于，所述步骤S3中还具体包括：对每一个所述分界点，计算其在所述中心流线的前缘点和尾缘点之间线段上的无量纲长度；
根据所述分界点对应的无量纲长度值查取对应的通流面积，在对应的所述垂线上取两点，使得所述两点之间的线段长度，与所述分界点对应的无量纲长度值查取对应的通流面积相等。
9.如权利要求8所述的轴流压气机基元叶型造型方法，其特征在于，所述步骤S4中具体包括：将所述第二中弧线的前缘点与所述流道进口截面上取的所述点E采用曲线连接；
将所述点E、所述垂线上取的点和所述第二中弧线的尾缘点进行拟合，使得所述第二中弧线上位于所述流道进口截面之前的点至所述点E之间的曲线，和所述点E至所述第二中弧线的尾缘点之间的曲线在所述点E处至少二阶连续，形成叶片吸力面型线；
将所述第一中弧线的尾缘点与所述流道出口截面上取的所述点F采用曲线连接；
将所述点F、所述垂线上取的点和所述第一中弧线的前缘点进行拟合，使得所述第一中弧线上位于所述流道出口截面之后的点至所述点F之间的曲线，和所述点F至所述第一中弧线的前缘点之间的曲线在所述点F处至少二阶连续，形成叶片压力面型线。
10.如权利要求9所述的轴流压气机基元叶型造型方法，其特征在于，所述步骤S4还包括：将所述叶片吸力面型线向上方平移一个栅距，形成完整的基元叶型。
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