CN112733252A - 一种骨架成型的轴流涡轮叶片设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于叶轮机械技术领域，公开了一种骨架成型的轴流涡轮叶片设计方法，将叶片设计分解为中弧线设计、厚度分布设计和积叠线设计三部分；其中，中弧线设计是在中弧线上设置两个控制参数来表征中弧线，厚度分布设计也是在厚度分布上设置两个控制参数来表征厚度分布，用于调节叶型；积叠线设计是将积叠线以参数形式表示出来，用于控制叶片沿径向的弯度，生成直叶片和弯扭叶片；中弧线和厚度分布构成的特征截面，按照径向安装角和积叠线构成的弯扭曲线进行排列，生成可调控的三维叶片。通过八个控制参数，通过参数化造型可快速生成高效的弯扭组合的轴流涡轮。本发明适用性广，可拓展到其他涡轮机械上，具有较大的应用前景。

Description

一种骨架成型的轴流涡轮叶片设计方法
技术领域
本发明属于叶轮机械技术领域，涉及一种骨架成型的轴流涡轮叶片设计方法，用于空气涡轮起动机的研制。
背景技术
飞机航空发动机上使用的起动装置各式各样，有电起动机、起动/发电机、燃气涡轮起动机、空气涡轮起动机、液压马达等。伴随航空动力技术向轻质、高效发展，对起动装置的要求越来越高。由于结构紧凑、起动扭矩大等优点，空气涡轮起动机在航空领域获得大量应用。而作为通流效率的关键部件，轴流涡轮叶片性能的优劣直接决定着空气涡轮起动机的效率和损失的高低。因此高效轴流涡轮叶片设计技术，是空气涡轮起动机设计的核心和关键。特别是对于高转速、大功率的空气涡轮起动机，即使效率仅仅提高3％，所产生的经济效益和社会效益也是十分显著的。因此，国外GE、普惠、霍尼韦尔、微型燃气涡轮等公司均投入巨大的人力和物力致力于高效轴流涡轮设计和改进。
通过研究发现，对于轴流涡轮，泄露气流进入主流区域会产生掺混损失，也会造成叶尖二次流的恶化，此外还存在径向潜流，导致高损失区域；而泄露气流会抽吸主流区域，减小二次流的作用区域，减少高损失区域。因此，在轴流涡轮叶片设计中，可以采用调节叶片进/出口气流角和弯扭控制规律的方法，减少高损失区域面积，提高通流效率。
发明内容
本发明的目的：针对上述存在的问题，提供一种骨架成型的轴流涡轮设计方法，其相对栅距保持不变，而安装角和积叠线沿径向方向按特定的骨架成型规律变化，改善各截面的进/出口气流角，控制气流沿径向的分布规律，减少高损失区域面积，提高通流效率，进而提供空气涡轮起动机的做功能力。
本发明的技术方案：
一种骨架成型的轴流涡轮叶片设计方法，将叶片设计分解为中弧线设计、厚度分布设计和积叠线设计三部分；其中，中弧线设计是在中弧线上设置两个控制参数来表征中弧线，厚度分布设计也是在厚度分布上设置两个控制参数来表征厚度分布，用于调节叶型；积叠线设计是将积叠线以参数形式表示出来，用于控制叶片沿径向的弯度，生成直叶片和弯扭叶片；中弧线和厚度分布构成的特征截面，按照径向安装角和积叠线构成的弯扭曲线进行排列，生成可调控的三维叶片。
进一步的，中弧线和厚度分布都是由两段曲线组成的组合曲线，两段曲线分别都是由两个控制参数控制的曲线，两段曲线的连接处曲率连续。
进一步的，中弧线和厚度分布的前缘段为三次多项式曲线，中弧线和厚度分布的尾缘段为四次多项式曲线。
进一步的，径向安装角和积叠线都由沿叶高方向的三段曲线组成，包括叶根段、叶中段和叶尖段；叶根段与叶中段、叶中段与叶尖段的连接处曲率连续。
进一步的，叶根段和叶尖段为三次多项式曲线，叶中段为四次多项式曲线，并且叶中段均有两个调控参数，可控制叶中曲线形状；叶根段和叶尖段平滑过渡。
进一步的，中弧线的两个控制参数为S1和S2，厚度分布的两个控制参数为S3和S4，中弧线的点C(xC，yC)和厚度分布的点3(x3，R3)的计算方式为：
xC＝S1×xB
yC＝S2×yB
x3＝S3×Sb
R3＝S4×Rm
其中，B点坐标(xB,yB)是,Sb是中弧线弧长,Rm是最大厚度；
通过四个控制参数(S1、S2、S3、S4)来调节叶片型线，若干特征截面通过增加积叠线叶中段两个端点E(xE,RE)和F(xF,RF)的坐标计算方式为：
xE＝S5×Sb
RE＝Rh+S6×(RT-Rh)
xF＝S7×Sb
RF＝Rh+S8×(RT-Rh)
其中，R是叶片任意一点的径向半径，Rh是轮毂半径，RT是叶尖半径；
四个控制参数(S5、S6、S7、S8)来控制积叠线而成。
进一步的，所述特征截面的轮廓型线是由叶背曲线叶盆曲线构成的封闭曲线。
进一步的，特征截面的积叠规律为：沿径向自轮毂向机匣，各特征截面曲率连续过渡，特征截面的相对栅距保持不变，安装角从叶根到叶尖沿径向变化按一定规律：
叶根到叶中的安装角变化是5°到8°，叶中到叶尖的安装角变化是3°-5°。
进一步的，特征截面以最大弯度位置分成两段，每段用高次多项式构成曲率连续的中弧线，并通过C点参数S1、S2控制出口段中弧线曲线；
特征截面以最大厚度位置分成两段，每段用高次多项式构成曲率连续的厚度分布，并通过3点参数S3、S4控制出口段厚度分布曲线；
然后，特征截面通过包络线法生成叶背和叶盆型线，在前缘和尾缘的圆心生成前缘圆弧和尾缘圆弧，得到曲率连续的平面叶型和叶型重心坐标；
最后，各特征截面沿叶高方向从叶根到叶尖，保持相对栅距不变，各设置两个控制参数的安装角和积叠线按特定的三段三阶贝塞尔曲线沿径向变化，通过调节四个控制参数(S5、S6、S7、S8)从而改变各特征截面的叶型弯扭分布规律，得到弯扭组合的叶片。
本发明的有益效果：本发明是一种骨架成型的轴流涡轮设计方法，通过八个控制(S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8)参数，通过参数化造型可快速生成高效的弯扭组合的轴流涡轮。本发明适用性广，可拓展到其他涡轮机械上，具有较大的应用前景。
本发明应用于飞机发动机的起动装置，也可用于其它带有轴流涡轮的机械上，具有一定的通用性和较好的实用价值。
附图说明
图1是本发明的中弧线设计方法示意图；
图2是本发明厚度分布设计方法示意图；
图3是本发明特征截面示意图；
图4是本发明积叠线参数设计方法示意图；
图5是本发明实施例的中弧线设计方法示意图；
图6是本发明实施例的厚度分布设计方法示意图；
图7是本发明实施例的特征截面示意图；
图8是本发明实施例的径向安装角设计示意图；
图9是本发明实施例的积叠线参数设计方法示意图；
图10是本发明实施例的叶片结构示意图；
R4是机匣半径，R3是轮毂半径。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
一种骨架成型的轴流涡轮叶片设计方法，将叶片设计分解为中弧线设计、厚度分布设计和积叠线设计三部分；其中，中弧线设计是在中弧线上设置两个控制参数来表征中弧线，厚度分布设计也是在厚度分布上设置两个控制参数来表征厚度分布，用于调节叶型；积叠线设计是将积叠线以参数形式表示出来，用于控制叶片沿径向的弯度，生成直叶片和弯扭叶片；中弧线和厚度分布构成的特征截面，按照径向安装角和积叠线构成的弯扭曲线进行排列，生成可调控的三维叶片。
中弧线和厚度分布都是由两段曲线组成的组合曲线，两段曲线分别都是由两个控制参数控制的曲线，两段曲线的连接处曲率连续。
中弧线和厚度分布的前缘段为三次多项式曲线，中弧线和厚度分布的尾缘段为四次多项式曲线。
径向安装角和积叠线都由沿叶高方向的三段曲线组成，包括叶根段、叶中段和叶尖段；叶根段与叶中段、叶中段与叶尖段的连接处曲率连续。
叶根段和叶尖段为三次多项式曲线，叶中段为四次多项式曲线，并且叶中段均有两个调控参数，可控制叶中曲线形状；叶根段和叶尖段平滑过渡。
中弧线的两个控制参数为S1和S2，厚度分布的两个控制参数为S3和S4，中弧线的点C(xC，yC)和厚度分布的点3(x3，R3)的计算方式为：
xC＝S1×xB
yC＝S2×yB
x3＝S3×Sb
R3＝S4×Rm
其中，B点坐标(xB,yB)是,Sb是中弧线弧长,Rm是最大厚度；
通过四个控制参数(S1、S2、S3、S4)来调节叶片型线，若干特征截面通过增加积叠线叶中段两个端点E(xE,RE)和F(xF,RF)的坐标计算方式为：
xE＝S5×Sb
RE＝Rh+S6×(RT-Rh)
xF＝S7×Sb
RF＝Rh+S8×(RT-Rh)
其中，R是叶片任意一点的径向半径，Rh是轮毂半径，RT是叶尖半径；
四个控制参数(S5、S6、S7、S8)来控制积叠线而成。
所述特征截面的轮廓型线是由叶背曲线叶盆曲线构成的封闭曲线。
特征截面的积叠规律为：沿径向自轮毂向机匣，各特征截面曲率连续过渡，特征截面的相对栅距保持不变，安装角从叶根到叶尖沿径向变化按一定规律：
叶根到叶中的安装角变化是5°到8°，叶中到叶尖的安装角变化是3°-5°。
特征截面以最大弯度位置分成两段，每段用高次多项式构成曲率连续的中弧线，并通过C点参数S1、S2控制出口段中弧线曲线；
特征截面以最大厚度位置分成两段，每段用高次多项式构成曲率连续的厚度分布，并通过3点参数S3、S4控制出口段厚度分布曲线；
然后，特征截面通过包络线法生成叶背和叶盆型线，在前缘和尾缘的圆心生成前缘圆弧和尾缘圆弧，得到曲率连续的平面叶型和叶型重心坐标；
最后，各特征截面沿叶高方向从叶根到叶尖，保持相对栅距不变，各设置两个控制参数的安装角和积叠线按特定的三段三阶贝塞尔曲线沿径向变化，通过调节四个控制参数(S5、S6、S7、S8)从而改变各特征截面的叶型弯扭分布规律，得到弯扭组合的叶片。
下面接合附图说明本发明另一个实施例，设计的叶片及各曲线如图5至图10所示。
一种骨架成型的轴流涡轮设计方法，用于对轴流涡轮进行设计，包括中弧线、厚度分布、平面叶型、径向安装角、积叠线、叶片，其中，中弧线和厚度分布是叶片设计的“骨”；径向安装角、积叠线是叶片设计的“架”。根据“骨”生成特征叶片截面，而“架”则将特征叶片截面生成弯扭组合的叶片；
中弧线参数：弦长b(25.8mm)、进/出口气流角β1(0°)、β2(68°)，最大弯度Hmc(3.8mm)和弯度位置xmc(7.27mm、7mm、6.73mm)、前缘/尾缘半径R1(叶根1.2mm、叶中1.1mm、叶尖1.0mm)、R7(叶根0.35mm、叶中0.325mm、叶尖0.3mm)、S1(0.75)、S2(0.65)
中弧线(1)在最大弯度位置分为两段，前缘到最大弯度位置段用三次多项式曲线来表示，最大弯度位置到尾缘段用四次多项式曲线来表示；见附图
厚度分布参数：中弧线长度Sb(叶根30.2mm、叶中29.8mm、叶尖28.5mm)，最大厚度Rm(叶根3.5mm、叶中3.25mm、叶尖3.0mm)和最大厚度位置xm(叶根8.65mm、叶中7.65mm、叶尖5.78mm)，进/出口气流角α1(10°)、α2(25°)、前缘/尾缘半径R1(叶根1.2mm、叶中1.1mm、叶尖1.0mm)、R3(叶根0.35mm、叶中0.325mm、叶尖0.3mm)、S3(0.80)、S4(0.445)
厚度分布在最大厚度位置分为两段，前缘到最大厚度位置段用三次多项式曲线来表示，最大厚度位置到尾缘段用四次多项式曲线来表示；见附图
平面叶型是由前缘圆弧、尾缘圆弧、叶背型线、叶盆型线组成，并按安装角旋转和坐标变换到直角坐标系；见附图
径向安装角是沿叶高方向从叶根到叶尖以三次多项式曲线来表示，通过叶根和叶尖的偏转角度调整曲线形状；轮毂半径Rh(42.6)、叶尖半径RT(53.8)坐标用(z,α)表示叶根点(0,8°)、叶中点(1.16,5°)、叶尖点(2.32，3°)，见附图。
积叠线是沿叶高方向从叶根到叶尖以分段高次多项式曲线来表示，用两段三次多项式来表示叶根和叶尖部分积叠线；积叠线可以是直线、斜线、C型线、J型线，也可以是S型线。用(z,r)坐标表示叶根点(0,42.6)，E点(1.16,46.2)，F点(2.32,50.8)，S5(0.0389)、S6(0.3214)、S7(0.0814)、S8(0.7321)见附图。
叶片是将“骨”放在径向安装角和积叠线构成的“架”上，按各特征截面沿叶高方向排列生成的。

Claims (8)

1.一种骨架成型的轴流涡轮叶片设计方法，其特征在于，将叶片设计分解为中弧线设计、厚度分布设计和积叠线设计三部分；其中，中弧线设计是在中弧线上设置两个控制参数来表征中弧线，厚度分布设计也是在厚度分布上设置两个控制参数来表征厚度分布，用于调节叶型；积叠线设计是将积叠线以参数形式表示出来，用于控制叶片沿径向的弯度，生成直叶片和弯扭叶片；中弧线和厚度分布构成的特征截面，按照径向安装角和积叠线构成的弯扭曲线进行排列，生成可调控的三维叶片。
2.根据权利要求1所述的一种骨架成型的轴流涡轮叶片设计方法，其特征在于，中弧线和厚度分布都是由两段曲线组成的组合曲线，两段曲线分别都是由两个控制参数控制的曲线，两段曲线的连接处曲率连续。
3.根据权利要求2所述的一种骨架成型的轴流涡轮叶片设计方法，其特征在于，中弧线和厚度分布的前缘段为三次多项式曲线，中弧线和厚度分布的尾缘段为四次多项式曲线。
4.根据权利要求3所述的一种骨架成型的轴流涡轮叶片设计方法，其特征在于，径向安装角和积叠线都由沿叶高方向的三段曲线组成，包括叶根段、叶中段和叶尖段；叶根段与叶中段、叶中段与叶尖段的连接处曲率连续。
5.根据权利要求4所述的一种骨架成型的轴流涡轮叶片设计方法，其特征在于，叶根段和叶尖段为三次多项式曲线，叶中段为四次多项式曲线，并且叶中段均有两个调控参数，可控制叶中曲线形状；叶根段和叶尖段平滑过渡。
6.根据权利要求5所述的一种骨架成型的轴流涡轮叶片设计方法，其特征在于，中弧线的两个控制参数为S1和S2，厚度分布的两个控制参数为S3和S4，中弧线的点C(xC，yC)和厚度分布的点3(x3，R3)的计算方式为：
xC＝S1×xB
yC＝S2×yB
x3＝S3×Sb
R3＝S4×Rm
其中，B点坐标(xB，yB)是，Sb是中弧线弧长，Rm是最大厚度；
通过四个控制参数(S1、S2、S3、S4)来调节叶片型线，若干特征截面通过增加积叠线叶中段两个端点E(xE，RE)和F(xF，RF)的坐标计算方式为：
xE＝S5×Sb
RE＝Rh+S6×(RT-Rh)
xF＝S7×Sb
RF＝Rh+S8×(RT-Rh)
其中，R是叶片任意一点的径向半径，Rh是轮毂半径，RT是叶尖半径；
四个控制参数(S5、S6、S7、S8)来控制积叠线而成。
7.根据权利要求6所述的一种骨架成型的轴流涡轮叶片设计方法，其特征在于，所述特征截面的轮廓型线是由叶背曲线叶盆曲线构成的封闭曲线。
进一步的，特征截面的积叠规律为：沿径向自轮毂向机匣，各特征截面曲率连续过渡，特征截面的相对栅距保持不变，安装角从叶根到叶尖沿径向变化按一定规律：
叶根到叶中的安装角变化是5°到8°，叶中到叶尖的安装角变化是3°-5°。
8.根据权利要求7所述的一种骨架成型的轴流涡轮叶片设计方法，其特征在于，特征截面以最大弯度位置分成两段，每段用高次多项式构成曲率连续的中弧线，并通过C点参数S1、S2控制出口段中弧线曲线；
特征截面以最大厚度位置分成两段，每段用高次多项式构成曲率连续的厚度分布，并通过3点参数S3、S4控制出口段厚度分布曲线；
然后，特征截面通过包络线法生成叶背和叶盆型线，在前缘和尾缘的圆心生成前缘圆弧和尾缘圆弧，得到曲率连续的平面叶型和叶型重心坐标；
最后，各特征截面沿叶高方向从叶根到叶尖，保持相对栅距不变，各设置两个控制参数的安装角和积叠线按特定的三段三阶贝塞尔曲线沿径向变化，通过调节四个控制参数(S5、S6、S7、S8)从而改变各特征截面的叶型弯扭分布规律，得到弯扭组合的叶片。
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