CN113959691B - 一种中介机匣气动性能试验件的设计方法 - Google Patents

一种中介机匣气动性能试验件的设计方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种中介机匣气动性能试验件的设计方法，属于航空发动机试验技术领域，该设计方法包括：根据方转扇的外形尺寸确定方转扇的锥度角，使锥度角不超过预定值得到方转扇长度；初步确定平直段长度，将方转扇和平直段组合，获得方转扇和平直段组合后的平直段壁面静压轴向分布曲线，使平直段的长度不少于平直段壁面静压轴向分布曲线中趋势减小的点所对应的轴向距离，从而获得平直段长度；构建包含半个支板型面及向前、向后延伸面的第一端面和第二端面，在第1个支板和第n个支板间布置n‑2个支板，使支板数量从最少逐步增加至全环状态，以全环状态为基准，对比不同支板数量下的支板根、中、尖处的总压恢复系数，根据所述总压恢复系数确定支板数量。

Description

一种中介机匣气动性能试验件的设计方法
技术领域
本申请属于航空发动机试验技术领域，特别涉及一种中介机匣气动性能试验件的设计方法。
背景技术
中介机匣是航空涡扇发动机中连接高、低压压缩部件的重要过渡通道和主要承力件。为了降低加工和试验成本，中介机匣气动性能试验件通常设计成扇形。如图1所示为典型的中介机匣试验件10，包括方转扇段11、平直段12以及中介机匣段13。
为了更好地与扇形试验件相接，来流圆形管道一般先过渡为方形，方形管道与扇形试验件之间安装方转扇过渡段。方转扇太短，会造成方转扇出口截面气流不均匀，进而影响中介机匣段进口的流场品质；方转扇太长，会增加占用空间及加工成本。
一般地，在方转扇后安装一段平直段，平直段对方转扇后气流具有缓冲作用。平直段太短，缓冲作用不明显，导致中介机匣段进口截面的流场不均匀；平直段太长，导致中介机匣段进口附面层变厚。
试验件的支板数对试验结果也有重要影响，支板数太少，不能保证流场的周期性，试验结果不能真实反映中介机匣的气动性能；支板数太多，会增加加工和试验成本。
现有技术如方转扇用钢板拼焊而成，方转扇的长度、方转扇后平直段的长度、支板数量等没有明确的依据，设计人员往往根据个人经验进行设计。
发明内容
本申请的目的是提供了一种中介机匣气动性能试验件的设计方法，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。
本申请的技术方案是：一种中介机匣气动性能试验件的设计方法，包括：
根据方转扇的外形尺寸确定方转扇的锥度角，使所述锥度角不超过预定值，得到方转扇长度；
使平直段长度不少于N倍的平直段横截面水力半径，将方转扇和平直段组合，在给定进、出口边界条件下，对平直段出口截面马赫数为中介机匣段进口最大马赫数状态下的流场进行计算，获得方转扇和平直段组合后的平直段壁面静压轴向分布曲线，使平直段的长度不小于进气位置到壁面静压开始线性减小处的距离，从而获得平直段长度；
使支板数量n最少，构建包含第1个支板内流道一侧的半个支板型面及支板对称面沿轴向向前、向后延伸面的第一端面和包含第n个支板内流道一侧的半个支板型面及支板对称面沿轴向向前、向后延伸面的第二端面，在第1个支板和第n个支板间布置n-2个支板，使支板数量从最少逐步增加至全环状态，在给定进口总压、总温和气流方向下情况，得到中介机匣段最大进口马赫数状态下的流场，以全环状态为基准，对比不同支板数量下，距支板尾缘预定距离处的支板根、中、尖处的总压恢复系数，根据所述总压恢复系数确定支板数量。
进一步的，所述方转扇的内流道平滑过渡以提高方转扇出口截面气流的均匀性。
进一步的，所述N为30。
进一步的，所述方转扇和平直段组合通过CFD计算得到流场。
进一步的，最少的支板数量为三个。
进一步的，所述支板为对称型面支板。
本申请的设计方法能够合理地得到方转扇及平直段以能够保证中介机匣段进口的流场品质，能够得到合理的中介机匣段的支板数量以降低加工和试验成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为现有技术中的中介机匣试验件结构示意图。
图2为本申请的方法中方转扇尺寸示意图。
图3为本申请的方法中方转扇内流道示意图。
图4为本申请一实施例中的平直段壁面静压测点分布。
图5为本申请一实施例中的壁面静压周向分布曲线。
图6为本申请一实施例中的平直段壁面静压轴向分布曲线。
图7为本申请的方法中中介机匣段示意图。
图8为本申请一实施例中的CFD计算模型。
图9为本申请一实施例中3支板与全通道计算结果对比曲线。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
为了能够合理设计方转扇、平直段以保证中介机匣段进口的流场品质以及合理设计中介机匣段的支板数量以降低加工和试验成本，本申请提供了一种中介机匣气动性能试验件的设计方法。
本申请所提供的设计方法结合CAD、CFD软件，具体的设计方法如下：
一、方转扇长度及各型面参数
方转扇的长度应尽量短以节省空间及加工成本，但方转扇太短，会造成方转扇出口截面气流不均匀，进而影响中介机匣段进口的流场品质。
本申请的方法中，首先根据方转扇的外形尺寸确定方转扇的锥度角，使锥度角不超过预定值并通过CAD软件即可得到方转扇的各型面参数。
如图2所示的方转扇尺寸示意图，设方转扇的长度为L1，进口方形截面的水力半径为R1，出口扇形截面的水力半径为R2，根据方转扇长度为L1、进口方形截面水力半径为R1及出口扇形截面水力半径为R2，可以得到锥度角β。为了在方转扇出口截面得到相对均匀的气流，使锥度角β≦3°，从而得到方转扇长度L1。
在本申请中，方转扇内流道采用平滑过渡而非用钢板拼焊，否则，当中介机匣段进口马赫数M1较高时(例如M1＝0.5)，方转扇出口截面气流的均匀性会受到影响。如图3的方转扇内流道示意图，采用三维CAD软件，将方转扇进口截面和出口截面光滑过渡，以此得到各型面。
二、平直段长度
方转扇出口截面的气流并非十分均匀，一般地，中介机匣段进口的气流要求为均匀流场。平直段位于方转扇后，对方转扇后气流具有缓冲作用。平直段太短，缓冲作用不明显，导致中介机匣段进口截面的流场不均匀。通过在平直段设置一支多点总压管、周向安排多个壁面静压测点以测量中介机匣段进口马赫数。如图4所示为本申请一实施例中的中介机匣试验件平直段上壁面静压测点分布示意图，图5为该实施例中测量得到的壁面静压周向分布曲线。根据图5的壁面静压周向分布曲线可以看到，壁面静压不均匀，变化趋势为中间大、两端小。而平直段太长，会导致中介机匣段进口附面层变厚。
为了得到合理的平直段长度，申请中的方法为：
设平直段横截面的水力半径为R2，初步选取平直段长度为N倍R2，在本申请优选实施例中，N不低于30。
将方转扇和平直段组合后进行CFD计算：在给定进、出口边界条件下，对平直段出口截面马赫数为中介机匣段进口最大马赫数状态下的流场进行计算。如图6所示为本申请一实施例中某方转扇和平直段组合后的CFD计算得到的平直段壁面静压轴向分布曲线。通过图6的平直段壁面静压轴向分布曲线可以看出，在轴向位置大于0.3m前，壁面静压为曲线，在轴向位置大于0.3m后，壁面静压变化比较平缓，壁面静压随轴向距离增大呈线性减小趋势而形成一条直线，此趋势是因为附面层增厚所致。因此，该位置即为壁面静压开始线性减小处，平直段长度不小于从进口位置到壁面静压开始线性减小处的距离——即上述实施例中的轴向位置0.3m，在此处安装总压管和壁面静压测点。
三、中介机匣段支板数量
为了保证流场的周期性，中介机匣段应有足够多的支板数。支板数太少，不能得到真实的流场情况；支板数太多而接近真实发动机支板数量时，虽然能获得真实的流场情况，但会增加加工及试验成本。因此，合理选择支板的数量十分重要。
如图7所示的中介机匣段，假设各支板的型面相同，即支板叶型为对称型面，支板数量为n，n≥3，支板的数量确定过程如下：
3.1)第1个支板的内流道一侧的半个支板型面，支板的对称面沿轴向向前、向后的延伸面构成第一端面；
3.2)第n个支板的内流道一侧的半个支板型面，支板的对称面沿轴向向前、向后的延伸面构成第二端面；
3.3)在第一端面和第二端面之间布置n-2个支板；
3.4)在n＝3、4、5…以及全环状态(即实际发动机中存在的支板数量)下，采用CFD软件对中介机匣段进行建模计算，给定进口总压、总温和气流方向，内、外涵出口边界条件为大气，得到中介机匣段最大进口马赫数状态下的流场；
3.5)以全环状态的计算结果为基准，对比不同支板数量下，距支板尾缘0.6b(b为支板弦长)处，支板根、中、尖处的总压恢复系数在一个栅距内的分布情况。选择总压恢复系数接近全环状态下的总压恢复系数，且支板数量少的计算结果。
图8所示为支板数n＝3的某中介机匣段CFD计算模型实施例，图9所示该实施例中的中介机匣内涵支板叶根处、3支板与全通道的总压恢复系数周向分布曲线，由图9可以看出两总压恢复系数极为接近，因此，对于该中介机匣试验件，采用3个支板即可满足周期性的要求。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种中介机匣气动性能试验件的设计方法，其特征在于，包括：
根据方转扇的外形尺寸确定方转扇的锥度角，使所述锥度角不超过预定值，得到方转扇长度；
使平直段长度不少于N倍的平直段横截面水力半径，将方转扇和平直段组合，在给定进、出口边界条件下，对平直段出口截面马赫数为中介机匣段进口最大马赫数状态下的流场进行计算，获得方转扇和平直段组合后的平直段壁面静压轴向分布曲线，使平直段的长度不小于进口位置到壁面静压开始线性减小处的距离，从而获得平直段长度；
使支板数量n最少，构建包含第1个支板内流道一侧的半个支板型面及支板对称面沿轴向向前、向后延伸面的第一端面和包含第n个支板内流道一侧的半个支板型面及支板对称面沿轴向向前、向后延伸面的第二端面，在第1个支板和第n个支板间布置n-2个支板，使支板数量从最少逐步增加至全环状态，在给定进口总压、总温和气流方向情况下，得到中介机匣段最大进口马赫数状态下的流场，以全环状态为基准，对比不同支板数量下，距支板尾缘预定距离处的支板根、中、尖处的总压恢复系数，根据所述总压恢复系数确定支板数量。
2.如权利要求1所述的中介机匣气动性能试验件的设计方法，其特征在于，所述方转扇的内流道平滑过渡以提高方转扇出口截面气流的均匀性。
3.如权利要求1所述的中介机匣气动性能试验件的设计方法，其特征在于，所述N为30。
4.如权利要求1所述的中介机匣气动性能试验件的设计方法，其特征在于，所述方转扇和平直段组合通过CFD计算得到流场。
5.如权利要求1所述的中介机匣气动性能试验件的设计方法，其特征在于，最少的支板数量为三个。
6.如权利要求1所述的中介机匣气动性能试验件的设计方法，其特征在于，所述支板为对称型面支板。
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