CN113833568B - 分流环、航空发动机以及分流环制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分流环、航空发动机以及分流环制造方法，涉及航空发动机领域，用于优化仿生环的结构。该分流环包括前缘部以及环形本体。前缘部的第一端被构造为沿着自身周向方向是波浪形的。环形本体与前缘部的第二端连接且两者光滑过渡。上述技术方案提供的分流环，器前缘部采用波浪形的结构，通过前缘波浪形凸起产生对转旋涡，对转旋涡沿流向发展的过程中，会向附面层低能流体注入动量，从而减弱分流环附近的流动分离，降低流动损失，增加气动稳定性，提高航空发动机性能。

Description

分流环、航空发动机以及分流环制造方法

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，具体涉及一种分流环、航空发动机以及分流环制造方法。

背景技术

民用航空发动机风扇增压级中，风扇后对内涵、外涵气流进行分流的环形结构被称为分流环，分流环附近发生的流动分离是一种很常见的现象。但是程度剧烈的流动分离会导致通道堵塞，增大气动损失，甚至会引起风扇增压级失速。

在风扇增压级设计中分为主动和被动两大类的流动控制技术，被动控制技术具有结构简单、实现容易的优点，相比于主动控制技术受到更多研究学者的青睐，被更为广泛的应用于诸多发动机中。

发明人发现，现有技术中至少存在下述问题：风扇增压级分流环附近局部流动分离严重，导致的气动稳定性差。

发明内容

本发明提出一种分流环、航空发动机以及分流环制造方法，用以优化分流环的结构。

本发明一些实施例提供了一种分流环，包括：

前缘部，所述前缘部的第一端被构造为沿着自身周向方向是波浪形的；以及

环形本体，与所述前缘部的第二端连接且两者光滑过渡。

在一些实施例中，所述前缘部的第一端包括围成环形的多个周期段；其中，每个所述周期段沿着所述前缘部的周向依次排列有原型段、波峰段、原型段、波谷段以及原型段；或者，每个所述周期段沿着所述前缘部的周向依次排列有原型段、波谷段、原型段、波峰段以及原型段。

在一些实施例中，所述波峰段的形状、所述原型段的形状以及所述波谷段的形状至少其中之一被构造为三次样条函数。

在一些实施例中，所述波峰段的形状、所述原型段的形状以及所述波谷段的形状都满足以下公式(1)：F(x)＝a₃x³+a₂x²+a₁x¹+a₀，其中，a₃≠0，a₂、a₁、a₀都为常数。

在一些实施例中，所述波峰段和所述原型段的交界处、所述原型段和所述波谷段的交界处均满足以下公式(2)：F^(k)(x_i-0)＝F^(k)(x_i+0)，其中，k为整数。

在一些实施例中，所述周期段的个数N满足以下公式(3)：N＝2πR/W，其中，W为波长，R为所述前缘部的第一端的半径。

在一些实施例中，所述前缘部的波幅A满足以下公式(4)：0＜A≤30％L，其中，L为原型段内侧壁面轴向长度。

在一些实施例中，所述环形本体的表面是光滑的弧面。

在一些实施例中，所述前缘部位于所述环形本体轴向的一端，且所述前缘部和所述环形本体是一体的。

本发明另一些实施例提供一种航空发动机，包括本发明任一技术方案所提供的分流环。

本发明又一些实施例提供一种分流环的制造方法，包括以下步骤：

得到分流环原始型线，所述原始型线包括前缘点、内壁面和外壁面；

选取距离所述前缘点距离为L的一端作为待优化的前缘部；

改变所述前缘点的位置以得到轴向长度为L+A的波峰型线和轴向长度为L-A的波谷型线；

沿着所述分流环的轴向，积叠布置波峰型线、原始型线和波谷型线，以得到具有波浪形前缘部的分流环。

上述技术方案提供的分流环，适用于航空发动机。其前缘部采用波浪形的结构，采用该分流环的风扇增压级，通过前缘波浪型凸起产生对转旋涡，对转旋涡沿流向发展的过程中，会向附面层低能流体注入动量，从而减弱分流环附近的流动分离，降低流动损失，增加气动稳定性，尤其是在流动情况恶劣的近喘点工况下，减弱分流环附近分离流动的效果更加显著，有效提高了风扇增压级的稳定工作范围，提高航空发动机性能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一些实施例提供的分流环的局部三维结构示意图；

图2为本发明一些实施例提供的分流环前缘部主视结构示意图；

图3为本发明另一些实施例提供的分流环的原型段、波峰段、波谷段的型线对比图；

图4为本发明又一些实施例提供的航空发动机局部结构示意图。

具体实施方式

下面结合图1～图4对本发明提供的技术方案进行更为详细的阐述。

本文所使用的名词和术语解释。

风扇增压级(fan booster):在航空发动机中分为外涵和内涵两部分，外涵的主要作用是将增压后的气流排出机外从而提供一定推力，内涵包括风扇内涵和增压级，主要作用是对气流进行增压并导入高压压气机。

分流环(splitter)：风扇增压级中对内涵、外涵气流进行分流的环形结构。

参见图1至图4，本发明一些实施例提供一种分流环6，包括前缘部1以及环形本体2。前缘部1的第一端被构造为沿着自身周向方向是波浪形的。环形本体2与前缘部1的第二端连接且两者光滑过渡。

前缘部1整体是环形的，前缘部1的第一端为上游，第二端为下游。前缘部1的第一端沿着前缘部1的周向方向表现为一圈波浪形结构，并且凸起朝着第一端远离第二端的一侧，也即大致凸起是朝着前缘部1轴向的一端凸起。

上述技术方案提供的分流环6，适用于航空发动机。采用该分流环6的风扇增压级，通过前缘波浪型凸起产生对转旋涡，对转旋涡沿流向发展的过程中，会向附面层低能流体注入动量，从而减弱分流环6附近的流动分离，降低流动损失，尤其是在流动情况恶劣的近喘点工况下，减弱分流环6附近分离流动的效果更加显著，有效提高了风扇增压级的稳定工作范围。

参见图1，在一些实施例中，前缘部1位于环形本体2轴向的一端，且前缘部1和环形本体2是一体的。也就是说，分流环6的迎风侧是波浪形的。该波浪形的结构会产生高度的机动性和强大的流体动力特性。

下面详细介绍前缘部1的具体结构。参见图1和图2，在一些实施例中，前缘部1的第一端的形状包括围成环形的多个周期段，多个周期段依次排列，形成前缘部1的环形形状。每个周期段沿着前缘部1的周向依次排列的原型段11、波峰段12、原型段11、波谷段13、原型段11。或者，每个周期内的形状排列顺序为：原型段11、波谷段13、原型段11、波峰段12、原型段11。

波峰段12、原型段11和波谷段13的前缘点沿周向相连形成的波浪型曲线，如图2所示，该波浪形是沿周向呈周期性变化的三次样条曲线。多个周期的分流环6的三维示意图如图1所示，图1中前缘的黑线即为上述的波浪型三次样条曲线。

在图2所示意的一个周期W内，波浪形的形状可以分为五段，每段满足一个函数关系。其中，原型段11的函数是相同的。波谷段13、波峰段12各自有各自的函数关系式。

在一些实施例中，波峰段12的形状、原型段11的形状以及波谷段13的形状至少其中之一被构造为三次样条函数。

参见图3所示，图3示意了原型段11、波峰段12、波谷段13各自的三次样条曲线。其中，曲线S1为波峰段12的三次样条曲线，S2为原型段11的三次样条曲线，S3为波谷段13的三次样条曲线。

在一些实施例中，波峰段12的形状、原型段11的形状以及波谷段13的形状都满足以下公式(1)：F(x)＝a₃x³+a₂x²+a₁x¹+a₀，其中，a₃≠0，a₃、a₂、a₁、a₀都为常数。

原型段11、波峰段12、波谷段13都满足上述的三次函数关系，不过各自的常量取值不相同，即a₃，a₂、a₁、a₀的取值不相同。在一个周期内，存在多个原型段11，各个原型段11的形状要使得原型段11与与其相交的波峰段12以及波谷段13均圆滑过渡。

在一些实施例中，波峰段12和原型段11的交界处、原型段11和波谷段13的交界处均满足以下公式(2)：F^(k)(x_i-0)＝F^(k)(x_i+0)，其中，k为整数。上述函数关系使得波峰段12和原型段11的交界处、原型段11和波谷段13的交界处都是二阶可导函数，这使得前缘部1的波浪形形状足够光滑。

也就是说，对于一个周期内的五段形状的每一段，在该段形状对应的区间[a，b]上给定一个分割a＝x₀＜x₁＜…＜x_n+1＜x_n＝b，该区间上的函数F(x)满足：

1)在每一个小区间[x_i-1，x_i](i＝1，2，…，n)内F(x)分别是三次多项式函数，即F(x)＝a₃x³+a₂x²+a₁x¹+a₀。

2)在每个区间的端点处F(x)满足以下公式：F^(k)(x_i-0)＝F^(k)(x_i+0)，其中，k＝0，1，2。即小区间上的三次多项式函数在节点x_i处二阶连续；

3)节点(x_i，y_i)满足条件y_i＝F(x_i)(i＝0，1，2，…，n)。

参见图3，在一些实施例中，前缘部1的波幅A满足以下公式(4)：0＜A≤30％L，其中，L为原型段11内侧壁面轴向长度L。

波幅A为波峰到波谷之间距离的一半，与原型段11分流环6内侧壁面轴向长度L相关，取值范围为：0<A≤30％L，在图3所示意的情形中，A＝10％L。

在一些实施例中，周期段的个数N满足以下公式(3)：N＝2πR/W，其中，W为波长，R为前缘部1的第一端的半径。上述函数使得前缘部1的整个周向范围内，刚好分布只有整数个周期段。

前缘部1波浪形的波长W的定义如图4所示，波长W等于分流环6周向波浪型凸起一个周期的圆弧长度。波长W与分流环6全环的凸起数N以及前缘点所在位置的半径R(如图1示意的)相关，即W＝2πR/N，在一些实施例中，W＝2πR/90。

此处，半径R为分流环6前缘部1在风扇增压级的径向-周向-轴向柱坐标系中的径向坐标，由原型段11对应的分流环6的径向位置确定。

在一些实施例中，环形本体2的表面是光滑的弧面。在径向-轴向截面内，环形本体2的表面包括内壁面21和外壁面22。环形本体2的内壁面21和增压级机匣10相连，环形本体2的外壁面22和外涵轮毂9相连。内壁面21和外壁面22均为光滑的弧面。

下面结合图3详细介绍分流环6的制造方法。

1)对风扇增压级原型分流环6进行参数化建模，得到径向-轴向截面内的分流环6型线，包括前缘点、内壁面21和外壁面22。

2)选取内壁面21的右端点A作出垂线N1，参见图3，得到与外壁面22的交点B，该垂线N1与前缘点的距离即为内壁面21轴向长度L，并且该垂线段N1与分流环6内壁面21的交点为A、与外壁面22的交点为B。经过交点A、B作分流环6型线的切线M1和M2，用于后续对垂线段左侧的分流环6前缘的改型设计。

3)在径向-轴向截面内，通过改变前缘点的轴向位置，得到分流环6的内壁轴向长度为L+A和L-A的波峰截面和波谷截面前缘型线，型线为三次样条函数构成的三次样条曲线S1、S2、S3，曲线与三条线相切，包括经过波峰截面/波谷截面前缘点的竖直线N2和步骤2)中作的两条切线M1和M2。

4)根据原型和改型分流环6型线进行造型，使分流环6的前缘部1位形成周期变化的波浪型：按照波长大小W，把原型截面、波峰截面以及波谷截面，以波长W对应的周向相位为间隔，排列在不同的周向位置的径向-轴向截面内，沿周向进行积叠，得到具有波浪型前缘凸起的分流环6。

最后，根据设计得到的分流环6的形状，加工得到具有波浪前前缘的分流环6。

参见图4，本发明实施例还提供一种航空发动机，包括本发明任一技术方案所提供的分流环6。

参见图4，增压级轮毂3和外涵机匣4之间设置有风扇转子5，风扇转子5的下游设置有本发明任一实施例所提供的分流环6。分流环6的前缘和增压级轮毂3之间设置有增压级进口导叶7和增压级进口级转子8。分流环6的环形本体2的外壁面22和外涵轮毂9相连，环形本体2的内壁面21和增压级机匣10相连。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种分流环，其特征在于，包括：

前缘部(1)，所述前缘部(1)的第一端被构造为沿着自身周向方向是波浪形的；以及

环形本体(2)，与所述前缘部(1)的第二端连接且两者光滑过渡；

其中，所述前缘部(1)的第一端包括围成环形的多个周期段；其中，每个所述周期段沿着所述前缘部(1)的周向依次排列有原型段(11)、波峰段(12)、原型段(11)、波谷段(13)以及原型段(11)；或者，每个所述周期段沿着所述前缘部(1)的周向依次排列有原型段(11)、波谷段(13)、原型段(11)、波峰段(12)以及原型段(11)；

所述波峰段(12)的形状、所述原型段(11)的形状以及所述波谷段(13)的形状都满足以下三次样条函数公式(1)：F(x)＝a₃x³+a₂x²+a₁x¹+a₀，其中，a₃≠0，a₂、a₁、a₀都为常数。

2.根据权利要求1所述的分流环，其特征在于，所述波峰段(12)和所述原型段(11)的交界处、所述原型段(11)和所述波谷段(13)的交界处均满足以下公式(2)：F^(k)(x_i-0)＝F^(k)(x_i+0)，其中，k为整数。

3.根据权利要求1所述的分流环，其特征在于，所述周期段的个数N满足以下公式(3)：N＝2πR/W，其中，W为波长，R为所述前缘部(1)的第一端的半径。

4.根据权利要求1所述的分流环，其特征在于，所述前缘部(1)的波幅A满足以下公式(4)：0＜A≤30％L，其中，L为原型段(11)内侧壁面轴向长度L。

5.根据权利要求1所述的分流环，其特征在于，所述环形本体(2)的表面是光滑的弧面。

6.根据权利要求1所述的分流环，其特征在于，所述前缘部(1)位于所述环形本体(2)轴向的一端，且所述前缘部(1)和所述环形本体(2)是一体的。

7.一种航空发动机，其特征在于，包括权利要求1～6任一所述的分流环。

8.一种分流环制造方法，其特征在于，用于制造权利要求1-6任一所述的分流环，所述方法包括以下步骤：

得到分流环原始型线，所述原始型线包括前缘点、内壁面和外壁面；

选取距离所述前缘点距离为L的一端作为待优化的前缘部；

改变所述前缘点的位置以得到轴向长度为L+A的波峰型线和轴向长度为L-A的波谷型线；

沿着所述分流环的轴向，积叠布置波峰型线、原始型线和波谷型线，以得到具有波浪形前缘部的分流环。

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