CN111460592B - 一种叶型及其中弧线设计方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于高负荷风扇及其压气机叶型设计技术领域，具体涉及一种叶型中弧线设计方法，包括：以三段三阶贝塞尔曲线构造叶型中弧线弯角分布曲线；构造叶型中弧线弯角分布的限制函数，以限制中弧线弯角分布自由度的上限及下限；构造叶型中弧线弯角分布控制点与叶型负荷的关联关系，以使叶型负荷与中弧线控制参数关联，以进一步限制叶型中弧线弯角分布自由度。此外，涉及一种叶型设计方法，包括：基于上述的叶型中弧线设计方法得到叶型中弧线；对得到的叶型中弧线叠加厚度分布得到叶型。

Description

一种叶型及其中弧线设计方法
技术领域
本申请属于高负荷风扇及其压气机叶型设计技术领域，具体涉及一种叶型及其中弧线设计方法。
背景技术
随着小涵道比涡扇发动机的发展，风扇和压气机的负荷水平逐渐提高，需设计满足需求的高负荷叶型，高负荷叶型通常表现为大弯角、高扩散因子、高进口马赫数，具有较高的设计难度。
当前高负荷叶型多采用多圆弧叶型、无确定曲线形式和约束条件的自由曲线形式叶型，为了增加高负荷叶型的设计自由度，通常采用中弧线叠加厚度分布的形式进行叶型设计，以此设计得到的叶型存在多存在以下缺陷：
1)、损失较大，使压缩部件在高转速工作条件下效率较低；
2)、可攻角范围较窄，使压缩部件喘振裕度不足；
3)、落后角增加较大，容易使压缩部件的工作状态较大偏离设计值。
鉴于上述技术缺陷的存在提出本申请。
需注意的是，以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本申请的目的是提供一种叶型及其中弧线设计方法，以克服或减轻已知存在的至少一方面的技术缺陷。
本申请的技术方案是：
一方面提供一种叶型中弧线设计方法，包括：
以三段三阶贝塞尔曲线构造叶型中弧线弯角分布曲线；
构造叶型中弧线弯角分布的限制函数，以限制中弧线弯角分布自由度的上限及下限；
构造叶型中弧线弯角分布控制点与叶型负荷的关联关系，以使叶型负荷与中弧线控制参数关联，以进一步限制叶型中弧线弯角分布自由度。
根据本申请的至少一个实施例，叶型中弧线弯角分布曲线的端点满足叶型设计边界条件。
根据本申请的至少一个实施例，叶型中弧线弯角分布曲线的转接点满足一阶连续边界条件。
根据本申请的至少一个实施例，叶型中弧线弯角分布曲线中第一段贝塞尔曲线对应的叶型中弧线轴向弦长b1为该叶型中弧线前缘点a与其在相邻叶型中弧线上投影点的轴向距离。
根据本申请的至少一个实施例，叶型中弧线弯角分布曲线中第三段贝塞尔曲线对应的叶型中弧线轴向弦长b3为相邻叶型中弧线尾缘点b与其在该叶型中弧线上投影点的轴向距离。
根据本申请的至少一个实施例，叶型中弧线弯角分布曲线中第二段贝塞尔曲线对应的叶型中弧线轴向弦长b2＝bt-b1-b3，其中，
bt为叶型中弧线总轴向弦长。
根据本申请的至少一个实施例，叶型中弧线弯角分布曲线中第二段贝塞尔曲线对应的叶型中弧线轴向弦长b2＝bt-l1×b1-l3×b3，其中，
bt为叶型中弧线总轴向弦长。
l1、l3为松弛因子。
根据本申请的至少一个实施例，限制函数具体为：
g(x)＝k2×x+(1-k2)×(0.64x3+0.96x2-0.6x)；其中，
k1、k2∈(0,1)；
x为叶型中弧线归一化轴向弦长；
f(x)为叶型中弧线弯度分布角度自由度的上限；
g(x)为叶型中弧线弯度分布角度自由度的下限。
根据本申请的至少一个实施例，k1、k2基于叶型的负荷水平、工作条件确定，或者，
以优化算法在预定范围内进行寻优得到。
另一方面提供一种叶型设计方法，包括：
基于任一上述的叶型中弧线设计方法得到叶型中弧线；
对得到的叶型中弧线叠加厚度分布得到叶型。
附图说明
图1是本申请实施例提供的叶型中弧线设计方法的流程图；
图2是本申请实施例提供的叶型中弧线弯角分布曲线的示意图；
图3是本申请实施例提供的限制函数的示意图；
图4是本申请实施例提供的叶型中弧线弯角分布控制点与叶型负荷的关联的示意图；
图5-图6是本申请实施例提供的基于本申请叶型设计方法得到的叶型相较于现有叶型流场性能计算结果比较的示意图。
具体实施方式
为使本申请的技术方案及其优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的技术方案作进一步清楚、完整的详细描述，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅是本申请的部分实施例，其仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分，其他相关部分可参考通常设计，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合以得到新的实施例。
此外，除非另有定义，本申请描述中所使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内一般技术人员所理解的通常含义。本申请描述中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“中心”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等表示方位的词语仅用以表示相对的方向或者位置关系，而非暗示装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，当被描述对象的绝对位置发生改变后，其相对位置关系也可能发生相应的改变，因此不能理解为对本申请的限制。本申请描述中所使用的“第一”、“第二”、“第三”以及类似用语，仅用于描述目的，用以区分不同的组成部分，而不能够将其理解为指示或暗示相对重要性。本申请描述中所使用的“一个”、“一”或者“该”等类似词语，不应理解为对数量的绝对限制，而应理解为存在至少一个。本申请描述中所使用的“包括”或者“包含”等类似词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
此外，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，在本申请的描述中使用的“安装”、“相连”、“连接”等类似词语应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，领域内技术人员可根据具体情况理解其在本申请中的具体含义。
下面结合附图1至图6对本申请做进一步详细说明。
一方面提供一种叶型中弧线设计方法，包括：
以三段三阶贝塞尔曲线构造叶型中弧线弯角分布曲线；
构造叶型中弧线弯角分布的限制函数，以限制中弧线弯角分布自由度的上限及下限；
构造叶型中弧线弯角分布控制点与叶型负荷的关联关系，以使叶型负荷与中弧线控制参数关联，以进一步限制叶型中弧线弯角分布自由度。
对于上述实施例公开的叶型中弧线设计方法，领域内技术人员可以理解的是，其可用于高负荷叶型中弧线的设计，其用于高负荷中弧线设计时，其以三段三阶贝塞尔曲线构造的叶型中弧线弯角分布曲线实现叶型中弧线的数学表达式构造，基于此将叶型中弧线分成三段曲线进行设计，自由度较大，且由于弯角分布曲线为一阶连续曲线，则其对应的叶型中弧线为二阶连续光滑曲线，此外，通过构造叶型中弧线弯角分布的限制函数、叶型中弧线弯角分布控制点与叶型负荷的关联关系在合理控制叶型中弧线弯角分布自由度的同时使其满足高负荷叶型设计的需要，可较大程度降低叶型优化设计工作量。
基于上述实施公开的叶型中弧线设计方法，应用于高负荷叶型中户线设计得到其叶型中弧线，进而以叶型中弧线叠加厚度分布得到相应的高负荷叶型，能够有效的控制损失，具有较大的可攻角范围，以及较小的落后角。
在一些可选的实施例中，叶型中弧线弯角分布曲线的端点满足叶型设计边界条件。
在一些可选的实施例中，叶型中弧线弯角分布曲线的转接点满足一阶连续边界条件。
在一些可选的实施例中，叶型中弧线弯角分布曲线中第一段贝塞尔曲线对应的叶型中弧线轴向弦长b1为该叶型中弧线前缘点a与其在相邻叶型中弧线上投影点的轴向距离，其针对进口三角区，合理控制可有效降低叶型损失。
在一些可选的实施例中，叶型中弧线弯角分布曲线中第三段贝塞尔曲线对应的叶型中弧线轴向弦长b3为相邻叶型中弧线尾缘点b与其在该叶型中弧线上投影点的轴向距离，其针对出口三角区，合理控制可有效减小落后角。
在一些可选的实施例中，叶型中弧线弯角分布曲线中第二段贝塞尔曲线对应的叶型中弧线轴向弦长b2＝bt-b1-b3，其中，
bt为叶型中弧线总轴向弦长。
在一些可选的实施例中，叶型中弧线弯角分布曲线中第二段贝塞尔曲线对应的叶型中弧线轴向弦长b2＝bt-l1×b1-l3×b3，其中，
bt为叶型中弧线总轴向弦长。
l1、l3为松弛因子。
上述实施公开的叶型中弧线设计方法，其第二段贝塞尔曲线针对共同槽道，合理控制可有效增加叶型可用攻角范围。
在一些可选的实施例中，限制函数具体为：
g(x)＝k2×x+(1-k2)×(0.64x3+0.96x2-0.6x)；其中，
k1、k2∈(0,1)；
x为叶型中弧线归一化轴向弦长；
f(x)为叶型中弧线弯度分布角度自由度的上限；
g(x)为叶型中弧线弯度分布角度自由度的下限。
在一些可选的实施例中，k1、k2基于叶型的负荷水平、工作条件确定，或者，
以优化算法在预定范围内进行寻优得到。
另一方面提供一种叶型设计方法，包括：
基于任一上述的叶型中弧线设计方法得到叶型中弧线；
对得到的叶型中弧线叠加厚度分布得到叶型。
对于上述实施例公开的叶型设计方法，领域内技术人员可以理解的是，其基于任一上述的叶型中弧线设计方法得到叶型中弧线，进而叠加厚度分布得到叶型，在将其应用于高负荷叶型设计时，可使得到的高负荷叶型具有较小的损失，具有较宽的可攻角范围，以及落后角较小，使压缩部件在高转速工作条件下具有较高的效率，具有较大的喘振裕度，且其工作状态能够与设计值较好的相吻合。
采用本申请叶型设计方法对某一多级压气机第一级转子叶片的叶型进行设计，通过流场性能计算，有以下结果：
1)、0°攻角时，基于本申请叶型设计方法得到的叶型相较于现有叶型损失系数降低12％以上；
II)0°攻角时，基于本申请叶型设计方法得到的叶型相较于现有的叶型落后角降低0.4°以上；
III)按照最小损失系数的两倍计算，基于本申请叶型设计方法得到的叶型相较于现有叶型可攻角范围增加4.9°以上。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本申请的技术方案，领域内技术人员应该理解的是，本申请的保护范围显然不局限于这些具体实施方式，在不偏离本申请的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种叶型中弧线设计方法，其特征在于，包括：
以三段三阶贝塞尔曲线构造叶型中弧线弯角分布曲线；
构造叶型中弧线弯角分布的限制函数，以限制中弧线弯角分布自由度的上限及下限；
构造叶型中弧线弯角分布控制点与叶型负荷的关联关系，以使叶型负荷与中弧线控制参数关联，以进一步限制叶型中弧线弯角分布自由度；
所述叶型中弧线弯角分布曲线中第一段贝塞尔曲线对应的叶型中弧线轴向弦长b1为该叶型中弧线前缘点a与其在相邻叶型中弧线上投影点的轴向距离；
所述叶型中弧线弯角分布曲线中第三段贝塞尔曲线对应的叶型中弧线轴向弦长b3为相邻叶型中弧线尾缘点b与其在该叶型中弧线上投影点的轴向距离；
所述叶型中弧线弯角分布曲线中第二段贝塞尔曲线对应的叶型中弧线轴向弦长b2＝bt-l1×b1-l3×b3，其中，
bt为叶型中弧线总轴向弦长；
l1、l3为松弛因子。
2.根据权利要求1所述的叶型中弧线设计方法，其特征在于，
所述叶型中弧线弯角分布曲线的端点满足叶型设计边界条件。
3.根据权利要求2所述的叶型中弧线设计方法，其特征在于，
所述叶型中弧线弯角分布曲线的转接点满足一阶连续边界条件。
4.根据权利要求1所述的叶型中弧线设计方法，其特征在于，
所述限制函数具体为：
g(x)＝k2×x+(1-k2)×(0.64x3+0.96x2-0.6x)；其中，
k1、k2∈(0,1)；
x为叶型中弧线归一化轴向弦长；
f(x)为叶型中弧线弯度分布角度自由度的上限；
g(x)为叶型中弧线弯度分布角度自由度的下限。
5.根据权利要求4所述的叶型中弧线设计方法，其特征在于，
k1、k2基于叶型的负荷水平、工作条件确定，或者，
以优化算法在预定范围内进行寻优得到。
6.一种叶型设计方法，其特征在于，包括：
基于权利要求1-5任一所述的叶型中弧线设计方法得到叶型中弧线；
对得到的叶型中弧线叠加厚度分布得到叶型。
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