CN112377269B

CN112377269B - 一种适用于对转升力推进装置的抗畸变静子设计方法

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Publication number: CN112377269B
Application number: CN202110030853.XA
Authority: CN
Inventors: 赵家毅; 杨党国; 刘洋; 王良峰; 陆庆飞; 杨野; 贾晓东; 赵阳
Original assignee: Ultra High Speed Aerodynamics Institute China Aerodynamics Research and Development Center
Current assignee: Ultra High Speed Aerodynamics Institute China Aerodynamics Research and Development Center
Priority date: 2021-01-11
Filing date: 2021-01-11
Publication date: 2021-03-26
Anticipated expiration: 2041-01-11
Also published as: CN112377269A

Abstract

本发明公开了一种适用于对转升力推进装置的抗畸变静子设计方法，主要针对原始静子设计中55%叶高以上区域叶型。将局部静子前/尾缘半径分布、安装角分布、弦长轴向投影分布、中弧线长度分布以及最大厚度分布等多结构参数分布耦合分析并重构叶型，同时按畸变范围合理布局抗畸变静子区，用以改变静子局部畸变传播特征。本发明具有可抑制升力推进装置第二级转子进口流场周向不均匀度、第二级转子进口多种流场参数非定常效应以及第一级静子尾迹效应的作用，同时，采用该静子结构对升力风扇气动定常性能曲线无有害影响。此外，本发明在设计加工方面具有一定的简便性，具有实际工程推广应用的潜力。

Description

一种适用于对转升力推进装置的抗畸变静子设计方法

技术领域

本发明涉及航空飞行器设计领域，具体涉及到一种适用于对转升力推进装置的抗畸变静子设计方法，适用于混合飞行器升力推进装置启动阶段面临的挡板遮蔽或飞行中遭遇阵风的情况。

背景技术

对转升力风扇作为未来混合型飞行器重要动力装置，其稳定性直接决定了飞行器机动性能以及起飞着陆过程的安全性。由于混合型飞行器大多使用于边远山区、海洋岛礁以及航空母舰等周边气流较为紊乱的场所，其升力风扇稳定性经常受到威胁。此外，在升力风扇启动过程中，其遮蔽舱盖开启诱发的局部畸变流场加剧了这一威胁。因此，如何保证多种环境畸变作用下对转升力风扇内流非定常特性成为保证升力风扇稳定性的关键技术。

目前为止，国内外一些学者针对畸变场沿叶轮机静子传播方式、削弱静子相关有害流动效应以及静子叶片布局技术展开了一系列研究。Gottfried等人（参见文献Gottfried D A, Fleeter S. Passive detuning for HCF reduction[C]. 2002, AIAA2002-3634。）和Kaneko等人（参见文献Kanedo Y, Mori K, Ohui H. Study on the effectof asymmetric vane spacing on vibratory stress of blade[C]. 2004, ASME GT2004-53023）对局部叶片数非均匀分布的静子布局进行了研究，其结果表明非均匀静子布局可以有效削弱下游转子动应力响应水平。国内学者辛健强等人（参见文献辛健强，王建军. 失谐流体激励下叶盘结构响应特性[J].航空动力学报， 2012， 27（4）， 801-810）。针对非对称静子布局作用下转子叶盘结构响应特性进行了研究，其结果表明，非对称静子布局将流体激励频率多组分化，从而可以有效减小叶盘结构动应力响应水平。牛永红等人在利用非均匀静子布局降低转子动载荷的基础上，进一步分析了相关流场机理（参见文献牛永红，侯安平，张明明等. 非均匀静子布局对转子叶片振动的影响[J].推进技术，2015,36（7），1078-1084）。

Florea R V等人（参见文献Florea R V.,Voytovych D., Tillman G., et al.Aerodynamic analysis of a Boundary-Layer-Ingesting Distortion-Tolerantfan.2013,ASME GT2013-94656）和Wartzek F等人（参见文献Wartzek F., Schiffer H P.,et al. Investigation of engine distortion interaction. 2016, ASME GT2016-56208）分别研究了进口边界层不同类型畸变在风扇级内部传播发展规律以及静子出口畸变分布，其结果表明，风扇进口有限畸变流经转、静子后存在显著放大效应。在此研究基础上，Gunn等人（参见文献 Gunn E J., Hall C A. Non-axisymmetric stator design forboundary layer ingesting fans. 2017, ASME GT2017-63082）基于某单级风扇提出了一种局部调整叶片倾角、弦长的非对称静子设计方法，其结果表明该非对称静子设计可降低约10%流场损失。

然而，上述研究大多基于单级叶轮机械，由于更多级叶轮机械中显著存在第二级对第一级反作用（尤其对于第二级转子反转的对转升力风扇），其针对单级叶轮机械的研究结果可能存在失效风险。此外，上述研究中相应的非对称布局绝多数仅从局部叶片数、局部叶片安装角等基本参数出发，很少耦合多种几何参数重新进行叶片构型的方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于对转升力推进装置的抗畸变静子设计方法，用以克服混合飞行器升力推进装置启动阶段在挡板遮蔽或阵风畸变作用下对转风扇内流非定常性突增的现象，同时达到削弱畸变传播、提升对转风扇稳定性的作用。

为达到上述目的，采取的具体方案如下：

一种适用于对转升力推进装置的抗畸变静子设计方法，以畸变区周向角为参考，在静子对应的上游畸变起始位置至1.2~1.5倍周向角的周向位置区间内，静子叶型沿区间中线位置对称非均匀分布，每个叶片中的弧线长从55%叶高起沿展向依次增加，其增加量沿区间两边向区间中线位置依次上升，每个叶片的最大厚度沿区间两边向区间中线位置依次增加。

在上述技术方案中，所述周向位置区间范围沿着转子运动方向取值。

在上述技术方案中，抗畸变静子叶片的弦长轴向投影最大增加范围为15～20%，中弧线长最大增加量范围为13～18%。

在上述技术方案中，抗畸变静子叶片的外形为弧线厚度叠加的参数化叶片，叶片的最大厚度增加量范围为25～75%，前缘和尾缘半径增加量范围为20～50%。

在上述技术方案中，抗畸变静子叶片前缘安装角增幅为0.5～19%。

在上述技术方案中，该方法用于抑制畸变范围为周向15～120°，径向52～100%的叶高内的总压畸变，适用的最大畸变度幅值范围为5～30%。

在上述技术方案中，抗畸变静子用于升力推进系统流量系数范围为0.62～0.74。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

（1）采用抗畸变静子设计方案可以显著抑制上游畸变场导致的第二级对转转子入口局部流场非定常效应突增的现象。

（2）采用抗畸变静子设计方案可以提升第二级对转转子入口压力周向分布均匀性，削弱畸变场下游传播度。

（3）采用抗畸变静子设计方案可以有效抑制畸变场下静子尾迹效应，从而避免静子尾迹增强导致下游转子有害分离涡与振动加剧的现象。

在保证进口畸变效应显著削弱的同时，采用抗畸变静子设计方案并未对整机气动性能造成显著影响，其近设计点多变效率下降最高值仅约为0.09%。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为适用于小型混合型飞行器的对转升力推进装置抗畸变静子设计方案与原始静子设计方案的子午面对比示意图；

图2为本发明的三维示意图；

图3为90%叶高近设计点非对称静子部件相对马赫数周向分布对比图；

图4为90%叶高近设计点非对称静子部件绝对静压周向分布对比图；

图5a为抗畸变静子设计方案与原始方案下第二级转子进口位置（流道中线处）90%叶高的相对马赫数系数波动对比图，

图5b为抗畸变静子设计方案与原始方案下第二级转子进口位置（流道中线处）90%叶高的静压系数波动对比图；

图6a为抗畸变静子设计方案与原始方案升力风扇的多变效率曲线对比；

图6b抗畸变静子设计方案与原始方案升力风扇的总压壁曲线对比；

图中：1是原始静子，2是改进静子，3是原始静子叶片，4是非对称静子叶片组。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，图中箭头下面部分的图为原始静子设计方案的子午面对比示意图，其中的原始静子1通过本实施例的改进设计后，其子午面的示意图为图中剪头后的上面部分，对于部分原始静子1的进行改进，改进后的改进静子2与原始静子1不在完全重合。如图2所示，是本实施例的三维示意图，其中展示了原始静子叶片3和由若干个改进后的叶片组的成非对称静子叶片组4。如图3所示，本实施例的设计方案主要针对原始静子设计中55%叶高以上区域叶型。首先，以畸变区周向角

为参考，在静子对应的上游畸变起始位置至1.2～1.5

（沿转子运动方向）周向位置区间内定义为

，静子叶型沿区间

中线位置对称非均匀分布。

其中，该区域

中线两侧对应的两个叶片一的取值范围

为1.15～1.2，其余叶片

(

)自叶片一至非对称静子区域

边界的叶片等值递减；

是非对称抗畸变静子叶片一的弦长轴向投影，

是非对称抗畸变静子叶片二的弦长轴向投影，

是原始静子叶片的弦长轴向投影，

、

是各叶片中弧线长，

、

是各叶片最大厚度，

、

是各叶片前缘安装角。

抗畸变静子各叶片弦长轴向投影值从55%叶高起沿展向依次增加，其增加值

(

)由展向负荷分布决定，本发明中该增加值范围为2～20%。相应的，抗畸变静子叶型中弧线长自55%叶高起沿展向依次增加，其增加量

由弦长轴向投影值与叶片当地安装角

决定（

，其中，

为当地弦长轴向投影微元），当地安装角

由满足前、尾缘安装角的轴向安装角分布（通过S2流面计算获得）插值获得。同时，抗畸变静子各叶片前缘安装角自55%叶高起沿展向依次增加，其增加值由展向负荷分布决定。此外，各叶片前缘安装角（等高面）沿区间两边向区间中线位置依次增加，其增加量

(

)近似满足以周向角为横坐标的正态分布，该正态分布系数与级负荷相关。同时，各叶片最大厚度t沿区间两边向区间中线位置依次增加，其增加量

(

)在0～70%

区间内近似满足以周向角为横坐标的正态分布。上述所有参数化叶型构造均建立在中弧线厚度叠加以及叶型积叠技术之上。

参考附图2~6，为本发明的一个具体实施例的改进型抗畸变静子三维造型以及流场分布、非定常效应及性能对比，具体实施例设计如下：针对进口总压畸变（58~100%叶高、

为40^o、最大畸变度17%）条件下近设计点质量流量Qm=2.5kg/s，转速为30000rpm，进口总温为293.15K,非畸变区进口总压为101325Pa，抗畸变静子区叶型结构参数为：

，

，

沿55%以上叶高变化范围为0.6~5.8^o，

沿55%以上叶高变化范围为0.2~2^o。

在近设计点Qm=2.5kg/s，非对称静子部件90%叶高（通常畸变区在近叶顶区作用最为显著，故选取90%叶高说明情况，其余叶高界面改善情况类似）相对马赫数周向分布如图3所示。可以发现，一级转子流道通过进口畸变区时，其内部流动分离阻塞显著，然而，下游静子较好抑制了该现象的传播。各静子流道内相对马赫数分布较为一致，尤其对位于畸变核心区的静子叶片1尾迹，其强度较无畸变影响下的原始叶片尾迹显著减弱。在近设计点Qm=2.5kg/s，非对称静子部件90%叶高绝对静压周向分布如图4所示。

可以看出，对于畸变场作用下的原始静子叶片区，其流道出口位置静压损失显著；对于畸变场作用下的抗畸变改进静子叶片区与非畸变场作用下的原始叶片区，其出口绝对静压分布较为一致且静压损失较低；此外，由非畸变场下抗畸变改进静子叶片流道出口绝对静压分布可知，相较于原始叶片，改进叶片在近叶顶区流道出口导致额外的绝对静压损失，但对比畸变场导致的静压损失可知，该损失幅值较为有限。

图5（a）与（b）分别给出了抗畸变静子设计方案与原始方案下第二级转子进口位置（流道中线处）90%叶高的相对马赫数系数波动与静压系数波动对比图，用以从非定常角度说明该抗畸变静子设计方案的益处。可以看出，相比于畸变场作用下的原始静子叶片，改进静子设计使得相对马赫数系数波动平均幅值下降约74%，基本与无畸变场作用下的原始静子叶片对应的相对马赫数系数波动幅值处于同一水平（略高约18%）。对于静压系数非定常波动，相比于畸变场作用下的原始静子叶片，改进静子设计使得该系数波动平均幅值下降约48%，且同样基本与无畸变场作用下的原始静子叶片对应的静压系数波动幅值处于同一水平（略高约10%）。这说明，该非对称静子结构对保持升力风扇的气动性能稳定性具有显著益处。

图6给出了抗畸变静子设计方案与原始方案下升力风扇性能曲线对比。可以看出，即使在无畸变来流作用下，本发明设计的非对称静子对升力风扇的定常气动性能曲线无显著影响。从多变效率对比曲线可知，在近设计点Qm=2.5kg/s，非对称静子布局设计方案较原始静子设计方案下降约0.09%。随流量降低，两种方案下多变效率进一步减小，在近左边界小流量Qm=2.27kg/s工况，其差异仅为0.008%。此外，从总压比对比曲线可知，两种方案几乎无差别。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims

1.一种适用于对转升力推进装置的抗畸变静子设计方法，其特征在于：

以畸变区周向角为参考，在静子对应的上游畸变起始位置至1.2~1.5倍畸变区周向角的周向位置区间内，静子叶型沿区间中线位置对称非均匀分布，每个叶片的中弧线长从55%叶高起沿展向依次增加，其增加量沿区间两边向区间中线位置依次上升，每个叶片的最大厚度沿区间两边向区间中线位置依次增加。

2.根据权利要求1所述的一种适用于对转升力推进装置的抗畸变静子设计方法，其特征在于所述周向位置区间范围沿着转子运动方向取值。

3.根据权利要求1所述的一种适用于对转升力推进装置的抗畸变静子设计方法，其特征在于抗畸变静子叶片的弦长轴向投影最大增加范围为15~20%，中弧线长最大增加量范围为13~18%。

4.根据权利要求3所述的一种适用于对转升力推进装置的抗畸变静子设计方法，其特征在于抗畸变静子叶片的外形为弧线叠加厚度的参数化叶片，叶片的最大厚度增加量范围为25~75%，前缘和尾缘半径增加量范围为20~50%。

5.根据权利要求4所述的一种适用于对转升力推进装置的抗畸变静子设计方法，其特征在于抗畸变静子叶片前缘安装角增幅为0.5~19%。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种适用于对转升力推进装置的抗畸变静子设计方法，其特征在于该方法用于抑制畸变范围为周向15~120°，径向52~100%的叶高内的总压畸变，适用的最大畸变度幅值范围为5~30%。

7.根据权利要求6所述的一种适用于对转升力推进装置的抗畸变静子设计方法，其特征在于抗畸变静子用于升力推进系统流量系数范围为0.62~0.74。