CN112069630A - 压气机及叶片、叶片的二维叶型设计方法、计算机设备 - Google Patents

压气机及叶片、叶片的二维叶型设计方法、计算机设备 Download PDF

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Abstract

提供压气机及叶片、叶片的二维叶型设计方法、计算机设备，压气机的二维叶型设计方法，该压气机为轴流压气机，在二维叶型设计方法的设计步骤中，沿中弧线法线方向叠加厚度分布生成吸力面和压力面，吸力面厚度曲线和压力面厚度曲线中的任一个的构造包括定义五个位置点、连接五个位置点的曲线，吸力面厚度曲线和压力面厚度曲线在五个位置点一阶导数连续并且在最大厚度位置点二阶导数连续，根据已有约束条件计算确定四段曲线，获得吸力面厚度曲线或压力面厚度曲线；调整各第一段曲线，保持各厚度曲线在前连接点一阶导数连续及该二维叶型中弧线不变，吸力面厚度和压力面厚度曲线的第一段曲线被调整为非对称的曲线，改善攻角特性。

Description

压气机及叶片、叶片的二维叶型设计方法、计算机设备
技术领域
本发明涉及压气机及叶片、叶片的二维叶型设计方法，还涉及辅助设计方法的计算机设备。
背景技术
轴流压气机是气流流动方向与工作轮旋转轴心线方向一致或近乎一致的多级压缩设备，由一系列静子-转子交替排列构成，常用于航空发动机或燃气轮机。轴流压气机的叶片是压气机的气流通道实现气流功能转换与改变气流方向的重要零件。而叶片的叶型（Cascade）是组成叶片的基本单元，叶片由叶型沿积叠线积叠而成。
航空发动机叶片具有叶片型面复杂、叶身扭曲弯度大、叶身趋薄、几何精度要求高等特点。设计人员将三维叶片设计解耦成一系列沿叶高分布的二维流面叶型设计问题，通过二维叶型设计和三维积叠，生成三维叶片设计结果。设计约束由通流设计给出，包括进出口气流角，进口马赫数、轴向速度等参数，沿叶高方向逐渐变化。
目前的二维叶型常规设计方法有两种，一种是直接用曲线定义叶型的压力面和吸力面，另一种是通过中弧线沿法线方向叠加厚度分布的方式，生成二维叶型，其中吸力面与压力面的厚度对称分布，前缘为圆或椭圆。为了改善攻角特性，通常需要更新中弧线及厚度分布曲线，调整参数多，且中弧线调整会造成整个叶身几何型面产生较明显的变化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压气机的二维叶型设计方法，其能以较小的代价实现叶片性能的调整。
本发明的另一目的在于提供一种叶片，其具有精细化的设计特征。
本发明的再一目的是提供一种压气机，其设计成本更加经济。
本发明的又一目的是提供一种计算机设备，其可通过计算机程序辅助前述设计方法。
为实现所述目的的压气机的二维叶型设计方法，该压气机为轴流压气机，该二维叶型设计方法包括确定基本二维叶型的设计步骤和调整该基本二维叶型的调整步骤；在该设计步骤中，沿中弧线法线方向叠加厚度分布生成吸力面和压力面，所述厚度分布的构造方法包括分别独立构造吸力面厚度曲线和压力面厚度曲线，其中吸力面厚度曲线和压力面厚度曲线中的任一个的构造包括，定义五个位置点，该五个位置点包括前缘点、前缘型线与叶身的前连接点、最大厚度位置点、尾缘型线与叶身的后连接点和后缘点；定义第一段曲线，连接前缘点和前连接点；定义第二段曲线，连接前连接点和最大厚度位置点；定义第三段曲线，连接最大厚度位置点和后连接点；定义第四段曲线连接后连接点和后缘点；吸力面厚度曲线和压力面厚度曲线在所述五个位置点一阶导数连续并且在所述最大厚度位置点二阶导数连续，根据该二维叶型的中弧线长度构建坐标系，获取所述五个点的坐标，吸力面厚度或压力面厚度曲线在前连接点、最大厚度位置点、后连接点的一阶导数，该厚度曲线在最大厚度位置点的二阶导数，以及前缘半径、后缘半径；以及计算确定第一至第四段曲线，以获得吸力面厚度曲线或压力面厚度曲线；在该调整步骤中，调整各厚度曲线的第一段曲线，保持各厚度曲线在前连接点一阶导数连续，同时保持该二维叶型中弧线不变，吸力面厚度和压力面厚度曲线的第一段曲线被调整为非对称的曲线，以改善攻角特性。
在一实施方式中，所述第一段曲线为椭圆曲线。
在一实施方式中，所述前连接点的横坐标表达为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
，纵坐标表达
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
，其中， CLE为无量纲常数值，RLE为前缘半径，klh为长度比例系数，kth为厚度比例系数。
在一实施方式中，所述调整各厚度曲线的第一段曲线包括调整所述长度比例系数和/或所述厚度比例系数。
在一实施方式中，所述调整各厚度曲线的第一段曲线包括调整所述前连接点的一阶导数。
在一实施方式中，第二段曲线为至少四次多项式曲线。
在一实施方式中，第三段曲线为至少四次多项式曲线。
在一实施方式中，第四段曲线为圆弧线或椭圆曲线。
在一实施方式中，吸力面厚度和压力面厚度曲线的前连接点坐标不同。
在一实施方式中，吸力面厚度和压力面厚度曲线的前连接点坐标相同。
为实现所述目的的计算机设备，包括存储器、处理器、输入装置以及根据输入装置的输入和存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现任一所述的二维叶型设计方法。
一种叶片，具有二维叶型，所述二维叶型根据任一所述的二维叶型设计方法确定。
一种叶片，具有二维叶型，所述二维叶型具有沿中弧线法线方向叠加厚度分布生成的吸力面和压力面，所述厚度分布由吸力面厚度曲线和压力面厚度曲线限定，吸力面厚度曲线和压力面厚度曲线中的任一个包括五个位置点、第一段曲线、第二段曲线、第三段曲线、第四段曲线。该五个位置点包括前缘点、前缘型线与叶身的前连接点、最大厚度位置点、尾缘型线与叶身的后连接点和后缘点。第一段曲线连接前缘点和前连接点，为椭圆曲线。第二段曲线连接前连接点和最大厚度位置点，第一段曲线和第二段曲线保持一阶导数连续，为四次多项式曲线。第三段曲线连接最大厚度位置点和后连接点，第二段曲线和第三段曲线保持一阶导数连续，为四次多项式曲线。第四段曲线连接后连接点和后缘点，第三段曲线和第四段曲线保持一阶导数连续，为圆弧线或椭圆曲线。其中，吸力面厚度曲线和压力面厚度曲线连接的整个厚度曲线在所述五个位置点一阶导数连续并且在所述最大厚度位置点二阶导数连续，吸力面厚度曲线和压力面厚度曲线的第一段曲线为非对称的曲线。
一种压气机，具有多排叶片，所述叶片采用前述任一种叶片。
前述设计方法在整个叶型中弧线不做调整的前提下，通过分别调整叶盆/叶背前缘厚度，并保证前缘区域与叶身连接处一阶连续，实现前缘精细化设计。由于不改变中弧线几何形状，通过分别调整叶盆/叶背前缘形状，仅对近前缘小范围区域进行重新造型，提高叶片造型的灵活性，通过局部小范围的调整，改变叶型载荷分布，实现叶片性能的提升。前缘小范围重构叶型对整个三维叶片的变动较小，一般情况下不会产生新的强度应力风险，也无需重新进行榫头缘板等结构设计，只需替换叶片区域，减少结构及强度工程师的工作量，可以提高优化设计工作的经济性。
附图说明
本发明的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得更加明显，其中：
图1是叶型厚度分布示意图。
图2是沿中弧线法线方向叠加厚度分布的二维叶型示意图。
图3是二维叶型构造方法的示意图。
图4是为改善攻角特性对叶型进行调整的示意图。
图5是图4中A处的局部放大示意图。
图6是为改善攻角特性对叶型进行调整的另一示意图。
图7是图6中B处的局部放大示意图。
具体实施方式
图1示出了叶型厚度分布。图2示出了二维叶型。如图2所示，叶型表面由吸力面1和压力面2构成。沿中弧线3的法线方向N叠加如图1所示的吸力面厚度曲线c1与压力面厚度曲线c2，生成吸力面1和压力面2，吸力面1和压力面2在前侧相交的点为前缘4，在后侧相交的点为后缘5，叠加的过程可理解成坐标变换的过程。图1所示的厚度为沿弦45的方向分布，该弦45的弦长等于图2中的中弧线3的长度。吸力面厚度曲线c1与压力面厚度曲线c2可分别独立生成。
吸力面厚度曲线c1与压力面厚度曲线c2中任一个的叶型厚度构造方法如图3所示。以前缘为原点，以弦45为横坐标，弦45的法线方向为纵坐标。
定义如图所示的五个坐标点，分别为：
1.P0(x0,y0)点为前缘点；
2.P1(x1,y1)点为前缘型线与叶身的连接点（前连接点），叶盆（压力面）和叶背（吸力面）的P1点坐标可以不相同；
3.P2(x2,y2)点为最大厚度位置点；
4.P3(x3,y3)点为尾缘型线与叶身的连接点（后连接点），一般情况下叶盆和叶背的P3点坐标相同；
5.P4(x4,y4)点为后缘点。
分别定义四段曲线：
第一段曲线61是前缘点P0至前连接点P1之间的曲线。
第二段曲线62是前连接点P1至最大厚度位置点P2之间的曲线。
第三段曲线63是最大厚度位置点P2至后连接点P3之间的曲线。
第四段曲线64是后连接点P3至后缘点P4之间的曲线。
吸力面厚度曲线c1和压力面厚度曲线c2在前述五个位置点一阶导数连续并且在最大厚度位置点二阶导数连续，可以理解到，这包括了吸力面厚度曲线c1和压力面厚度曲线c2组合成的整个曲线在前缘点、后缘点一阶导数连续。
在一个实施方式中，第一段曲线61为一段椭圆曲线，经过前缘点P0(x0,y0)，即经过点(0,0)；与叶身连接处P1(x1,y1)保持一阶y1 ’连续，椭圆曲线方程表达为：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
根据设计流程的上游以及经验，该方程的已知约束条件为：P1的纵坐标
Figure 528866DEST_PATH_IMAGE004
,其中RLE为前缘半径输入值，kth为厚度比例系数；P1的横坐标
Figure 446006DEST_PATH_IMAGE002
，其中 CLE为常数值，klh为长度比例系数；P1的一阶导数值y1 ’。代入椭圆方程联立求解，得到系数a LE 和b LE 。其中，纵坐标和横坐标分解成两个量进行表达，有利于压气机中不同排的叶片参数的移植，也有利于叶型的调整。
Figure DEST_PATH_IMAGE008
在另一个实施方式中，第一段曲线61为一段圆弧，或者样条曲线，优先的方式是椭圆曲线。
在一个实施方式中，第二段曲线62由一段四次多项式构成：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
根据设计流程的上游以及经验，该方程给定约束条件：前连接点即P1(x1,y1)的具体坐标值，前连接点处一阶导数y1 ’，最大厚度位置点即P2(x2,y2)的坐标值，最大厚度位置一阶导数值y2 ’=0，最大厚度位置二阶导数值y2 ’’。
由上述五个约束条件，可求解多项式方程。
Figure DEST_PATH_IMAGE012
Figure DEST_PATH_IMAGE014
Figure DEST_PATH_IMAGE016
Figure DEST_PATH_IMAGE018
Figure DEST_PATH_IMAGE020
在另一实施方式中，第二段曲线62的还可以是五次或者更多次的多项式结构，这取决于方程给定约束条件。
第四段曲线64为一段圆，经过后缘点即P4(x4,y4)，其坐标为(BT,0)，BT为弦长值；与叶身连接处保持一阶y3 ’连续。约束条件为：后缘点即P4坐标，尾缘半径RTE，连接处一阶导数值y3 ’。根据约束条件可求得曲线及P3点坐标。
曲线方程为：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
P3点坐标为：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
在另一实施方式中，第四段曲线64为一段椭圆曲线或者其它曲线。
第三段曲线63由一段四次多项式曲线构成，与第二段曲线构成方法一致。给定约束条件：最大厚度位置点坐标P2(x2,y2)，最大厚度位置点一阶导数值y2 ’=0，最大厚度位置二阶导数值y2 ’’，后连接点即P3点坐标(x3,y3)，后连接点处一阶导数y3 ’。参照第二段曲线62的构造方法，联立求解，可解得第三段曲线63的多项式方程组。
至此，四段曲线全部生成，可前后顺序拼接成一条完整的厚度曲线。沿中弧线3的法线方向N叠加如图1所示的吸力面厚度曲线c1与压力面厚度曲线c2，完成设计步骤，确定基本二维叶型。
图4至图7示出了调整一个基本二维叶型的调整步骤的两种实施方式。
如图4和图5所示，通过调整长度比例系数或/和厚度比例系数，改变前缘吸厚度曲线或者压力面厚度曲线，进而改变造型结果，其中线型70示出中弧线，线型71示出叶型方案1，为对称分布叶型，线型72示出叶型方案2，线型73示出叶型方案3。由图可知，调整前缘区域的吸立面厚度曲线或/和压力面厚度曲线的长度比例系数和/或厚度比例系数，可分别改变前缘区域的吸力面或压力面的几何形状，实现前缘上偏、下偏的功能，对叶身区域型线影响较小，可用于前缘局部区域型线的精细化设计。例如在第一段曲线为椭圆曲线时，调整长度比例系数，仅精细地改变第一段曲线、第二段曲线，无需改变第三段曲线、第四段曲线以及中弧线。从图4、图5可以理解到，通过调整长度比例系数，改变前缘形状，进而调整前缘马赫数分布，例如叶型方案3增加吸力面厚度系数，减少压力面厚度系数，实现上偏功能，叶型方案2减少吸力面厚度系数，增加压力面厚度系数，实现下偏功能。
图6和图7示出了在前缘区域通过调整吸力面和/或压力面与叶身连接处，即前连接点的位置的一阶导数值对造型结果的影响。其中线型70示出中弧线，线型71示出叶型方案1，为对称分布叶型，线型74示出叶型方案4，线型75示出叶型方案5。图6和图7同样示出了通过调整参数改变前缘形状，进而调整前缘马赫数分布。例如调整前缘区域的吸力面和/或压力面与叶身连接处一阶导数值，影响叶型的中前部叶型几何形状，例如叶型方案4通过减小压力面厚度曲线的一阶导数，增加吸力面厚度曲线的一阶导数，实现下偏的功能。
前述设计方法可在计算机设备上实现，该计算机设备包括存储器、处理器、输入装置以及根据输入装置的输入和存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现前述的二维叶型设计方法。其中，各个约束条件来源于设计流程的上游环节或者经验值，比如前尾缘坐标由中弧线确定，最大厚度位置及最大厚度值由一维确定，前尾缘与叶身连接处参数由经验给定。各个约束条件通过输入装置的输入。
在叶片设计的后续流程中根据前述方法确定的二维叶型进行三维积叠，生成三维叶片设计结果。
根据前述实施方式可以理解到一种叶片，具有二维叶型，所述二维叶型根据前述的二维叶型设计方法确定。该叶片的前缘区域因此具有精细化设计的特征，能实现叶片性能的提升。
根据前述实施方式还可以理解到一种叶片，具有如图2所示的二维叶型，二维叶型具有沿中弧线法线方向N叠加厚度分布生成的吸力面1和压力面2。如图1所示，该厚度分布由吸力面厚度曲线c1和压力面厚度曲线c2限定，吸力面厚度曲线和压力面厚度曲线中的任一个包括五个位置点、第一段曲线61、第二段曲线62、第三段曲线63、第四段曲线64。如图3所示，该五个位置点包括前述的前缘点P0、前缘型线与叶身的前连接点P1、最大厚度位置点P2、尾缘型线与叶身的后连接点P3和后缘点P4。第一段曲线61连接前缘点P0和前连接点P1，为椭圆曲线。第二段曲线62连接前连接点P1和最大厚度位置点P2，第一段曲线和第二段曲线保持一阶导数连续，为四次多项式曲线。第三段曲线63连接最大厚度位置点P2和后连接点P3，第二段曲线和第三段曲线保持一阶导数连续，为四次多项式曲线。第四段曲线64连接后连接点P3和后缘点P4，第三段曲线和第四段曲线保持一阶导数连续，为圆弧线或椭圆曲线；其中，吸力面厚度曲线c1和压力面厚度曲线c2连接而成的整个厚度曲线在所述五个位置点一阶导数连续并且在所述最大厚度位置点二阶导数连续。吸力面厚度曲线c1和压力面厚度曲线c2的第一段曲线61为非对称的曲线。该叶片前缘的小范围重构叶型对整个三维叶片的变动较小，一般情况下不会产生新的强度应力风险，因此可以获得更为精细化设计的特征，叶型载荷分布更理想，具有更加的叶片性能。
此外，还可以理解到一种，压气机具有多排叶片，叶片为前述任一实施方式所述的叶片。其中的叶片具有前述的各种优点，并且该压气机还具有成本低的特点，例如前缘小范围重构叶型对整个三维叶片的变动较小，一般情况下不会产生新的强度应力风险，也无需重新进行榫头缘板等结构设计，只需替换叶片区域，减少结构及强度工程师的工作量，可以提高优化设计工作的经济性。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (14)

1.叶片的二维叶型设计方法，该叶片为轴流压气机的叶片，其特征在于，
该二维叶型设计方法包括确定基本二维叶型的设计步骤和调整该基本二维叶型的调整步骤；
在该设计步骤中，沿中弧线法线方向叠加厚度分布生成吸力面和压力面，所述厚度分布的构造方法包括分别独立构造吸力面厚度曲线和压力面厚度曲线，其中吸力面厚度曲线和压力面厚度曲线中的任一个的构造包括：
定义五个位置点，该五个位置点包括前缘点、前缘型线与叶身的前连接点、最大厚度位置点、尾缘型线与叶身的后连接点和后缘点；
定义第一段曲线，连接前缘点和前连接点；
定义第二段曲线，连接前连接点和最大厚度位置点；
定义第三段曲线，连接最大厚度位置点和后连接点；
定义第四段曲线，连接后连接点和后缘点；
吸力面厚度曲线和压力面厚度曲线在所述五个位置点一阶导数连续并且在所述最大厚度位置点二阶导数连续，根据该二维叶型的中弧线长度构建坐标系，获取所述五个点的坐标，吸力面厚度或压力面厚度曲线在前连接点、最大厚度位置点、后连接点的一阶导数，该厚度曲线在最大厚度位置点的二阶导数，以及前缘半径、后缘半径；以及
计算确定第一至第四段曲线，以获得吸力面厚度曲线或压力面厚度曲线；
在该调整步骤中，调整各厚度曲线的第一段曲线，保持各厚度曲线在前连接点一阶导数连续，同时保持该二维叶型中弧线不变，吸力面厚度和压力面厚度曲线的第一段曲线被调整为非对称的曲线，以改善攻角特性。
2.如权利要求1所述的二维叶型设计方法，其特征在于，第一段曲线为椭圆曲线。
3.如权利要求1所述的二维叶型设计方法，其特征在于，所述前连接点的横坐标表达为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，纵坐标表达
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，其中， CLE为无量纲常数值，RLE为前缘半径，klh为长度比例系数，kth为厚度比例系数。
4.如权利要求3所述的二维叶型设计方法，其特征在于，所述调整各厚度曲线的第一段曲线包括调整所述长度比例系数和/或所述厚度比例系数。
5.如权利要求1所述的二维叶型设计方法，其特征在于，所述调整各厚度曲线的第一段曲线包括调整所述前连接点的一阶导数。
6.如权利要求1所述的二维叶型设计方法，其特征在于，第二段曲线为至少四次多项式曲线。
7.如权利要求1所述的二维叶型设计方法，其特征在于，第三段曲线为至少四次多项式曲线。
8.如权利要求1所述的二维叶型设计方法，其特征在于，第四段曲线为圆弧线或椭圆曲线。
9.如权利要求1所述的二维叶型设计方法，其特征在于，吸力面厚度和压力面厚度曲线的前连接点坐标不同。
10.如权利要求1所述的二维叶型设计方法，其特征在于，吸力面厚度和压力面厚度曲线的前连接点坐标相同。
11.一种计算机设备，包括存储器、处理器、输入装置以及根据输入装置的输入和存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至10中任一项所述的二维叶型设计方法。
12.一种叶片，具有二维叶型，其特征在于，所述二维叶型根据如权利要求1至10中任一项所述的二维叶型设计方法确定。
13.一种叶片，具有二维叶型，其特征在于，所述二维叶型具有沿中弧线法线方向叠加厚度分布生成的吸力面和压力面，所述厚度分布由吸力面厚度曲线和压力面厚度曲线限定，吸力面厚度曲线和压力面厚度曲线中的任一个包括：
五个位置点，包括前缘点、前缘型线与叶身的前连接点、最大厚度位置点、尾缘型线与叶身的后连接点和后缘点；
第一段曲线，连接前缘点和前连接点，为椭圆曲线；
第二段曲线，连接前连接点和最大厚度位置点，第一段曲线和第二段曲线保持一阶导数连续，为四次多项式曲线；
第三段曲线，连接最大厚度位置点和后连接点，第二段曲线和第三段曲线保持一阶导数连续，为四次多项式曲线；
第四段曲线，连接后连接点和后缘点，第三段曲线和第四段曲线保持一阶导数连续，为圆弧线或椭圆曲线；
其中，吸力面厚度曲线和压力面厚度曲线连接的整个厚度曲线在所述五个位置点一阶导数连续并且在所述最大厚度位置点二阶导数连续，吸力面厚度曲线和压力面厚度曲线的第一段曲线为非对称的曲线。
14.压气机，具有多排叶片，其特征在于，所述叶片为权利要求12或13所述的叶片。
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