CN114109893B

CN114109893B - 压气机叶片的造型方法以及压气机叶片

Info

Publication number: CN114109893B
Application number: CN202210096845.XA
Authority: CN
Inventors: 王进春; 曹传军; 刘天一
Original assignee: AECC Commercial Aircraft Engine Co Ltd
Current assignee: AECC Commercial Aircraft Engine Co Ltd
Priority date: 2022-01-27
Filing date: 2022-01-27
Publication date: 2022-06-21
Anticipated expiration: 2042-01-27
Also published as: CN114109893A

Abstract

本申请公开了一种压气机叶片的造型方法和压气机叶片。压气机叶片的造型方法包括提供基元叶型的中弧线的前缘金属角和尾缘金属角以及将中弧线的靠近尾缘点的弧线段的金属角设置为与尾缘金属角相同，以获取基元叶型的中弧线。该压气机叶片的尾缘处的金属角设置为不变，这样使得气流在尾缘之前就实现了折转，减小尾缘磨损，进而减小尾缘磨损导致的气动危害，从而有利于压气机长时间稳定可靠的工作。同时尾缘处的金属角不变有利于减小叶片的尾迹宽度，进而减小尾迹的掺混损失。

Description

压气机叶片的造型方法以及压气机叶片

技术领域

本申请涉及一种压气机叶片的造型方法以及压气机叶片。

背景技术

压气机是航空发动机的重要核心部件，其性能水平对航空发动机的整机水平具有重要影响。对于民用大涵道比涡扇发动机，压气机在长时间内保持高效率的稳定工作可以提高整台发动机的经济性和可靠性。压气机位于发动机的前端，通常在长时间运转后，压气机叶片的尾缘易发生磨损，从而造成流动损失，降低压气机的效率。若磨损严重，会改变该磨损叶片出口的气流角分布，使得下一排叶片的偏离点偏离设计目标，严重时会造成压气机的失速，影响整机的稳定安全运营。因此，在压气机叶片的设计之初，使其长久稳定运行是很重要的。

在此需要说明的是，该背景技术部分的陈述仅提供与本申请有关的背景技术，并不必然构成现有技术。

发明内容

本申请提供一种压气机叶片的造型方法和压气机叶片，以保证压气机的稳定工作。

本申请第一方面提供一种压气机叶片的造型方法，压气机叶片包括在叶高方向上设置的多个叶高截面，对于多个叶高截面中的每个叶高截面，包括如下步骤：

提供基元叶型的中弧线的前缘金属角和尾缘金属角；和

将中弧线的靠近尾缘点的设定弧线段的金属角设置为与尾缘金属角相同，从设定弧线段的起点到尾缘点之间的所有点的金属角均相同，以获取基元叶型的中弧线。

在一些实施例中，中弧线具有前缘点到尾缘点的弦线，设定弧线段对应的弦长占弦线的长度的2%~10%。

在一些实施例中，多个叶高截面包括位于叶高中部的中心叶高截面，中心叶高截面的基元叶型的设定弧线段对应的弦长占其中弧线的弦线的长度的5%~10%。

在一些实施例中，多个叶高截面包括位于叶根处的叶根截面，叶根截面的基元叶型的设定弧线段对应的弦长占其中弧线的弦线的长度的2%~5%；和/或，多个叶高截面包括位于叶尖处的叶尖截面，叶尖截面的基元叶型的设定弧线段对应的弦长占其中弧线的弦线的长度的2%~5%。

在一些实施例中，从叶根到叶尖的方向上，多个叶高截面的基元叶型的设定弧线段对应的弦长占弦线长度的比例先逐渐变大后逐渐变小。

在一些实施例中，造型方法还包括在获取基元叶型的中弧线后，根据抛物线分布规律来确定基元叶型在弦长方向上的厚度变化，并将厚度变化叠加到中弧线上以形成基元叶型。

在一些实施例中，造型方法还包括提供压气机的积叠轴分布方式，并将多个叶高截面的基元叶型按照积叠轴分布方式积叠以形成压气机叶片。

在一些实施例中，压气机叶片包括转子叶片，造型方法包括采用重心积叠的方式对基元叶型进行积叠以得到转子叶片；和/或，压气机叶片包括静子叶片，造型方法包括采用10%~20%弦长中弧线所在位置积叠的方式对基元叶型进行积叠以得到静子叶片。

本申请第二方面提供一种压气机叶片，包括在叶高方向上设置的多个叶高截面，多个叶高截面中的每一个叶高截面具有基元叶型，基元叶型的中弧线的靠近尾缘点的设定弧线段的金属角与尾缘金属角相同，从设定弧线段的起点到尾缘点之间的所有点的金属角均相同。

在一些实施例中，中弧线具有前缘点到尾缘点的弦线，弧线段对应的弦长占弦线的长度的2%~10%。

基于本申请提供的各方面，该压气机叶片的尾缘处的金属角设置为不变，这样使得气流在尾缘之前就实现了折转，减小尾缘磨损，进而减小尾缘磨损导致的气动危害，从而有利于压气机长时间稳定可靠的工作。同时尾缘处的金属角不变有利于减小叶片的尾迹宽度，进而减小尾迹的掺混损失。

通过以下参照附图对本申请的示例性实施例的详细描述，本申请的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

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

图1为相关技术中的压气机叶片的基元叶型的中弧线的示意图。

图2为相关技术中的中弧线的金属角的分布规律。

图3为本申请一些实施例的压气机叶片的造型方法的步骤图。

图4为本申请一些实施例的压气机叶片的基元叶型的中弧线的金属角的分布规律。

图5为在中弧线的基础上叠加厚度分布以获得基元叶型的示意图。

图6为图5的叠加厚度分布规律。

具体实施方式

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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

图1示出相关技术中的压气机叶片的基元叶型的中弧线的示意图。为了方便计算，将中弧线A沿轴向弦长C方向进行无量纲化，其中前缘点的无量纲弦长为0，尾缘点的无量纲弦长为1，如图1所示，任意一个中间点B的无量纲弦长为：x_i=X_i/C。

如图1所示，该中弧线的前缘金属角为β_in，尾缘金属角为β_out。那么该中弧线的转角α=β_out-β_in。

如图2所示相关技术的中弧线的金属角沿弦长方向的变化，在图2中为了方便示出变化规律，也将金属角进行无量纲化，可见在图2中，在整个弦长范围内，金属角是一直在变化的，也就是说该叶片的转角在整个弦长范围内完成折转。

本申请的发明人在研究中发现，如图1和图2示出的相关技术中的压气机叶片的尾缘易发生磨损，进而造成流动损失，降低压气机的效率。若磨损严重，会改变该磨损叶片出口的气流角分布，使得下一排叶片的工作点偏离设计目标，严重时会造成压气机的失速。

基于以上发现，本申请提出一种压气机叶片的造型方法。压气机叶片包括在叶高方向上设置的多个叶高截面，对于多个叶高截面中的每个叶高截面，均需要对其进行造型。参考图3，该压气机叶片的造型方法包括如下步骤：

S100：提供基元叶型的中弧线的前缘金属角和尾缘金属角；和

S200，将中弧线的靠近尾缘点的设定弧线段的金属角设置为与尾缘金属角相同，以获取基元叶型的中弧线。

中弧线的靠近尾缘点的设定弧线段的金属角设置为与尾缘金属角相同指的是该设定弧线段上的每个点的金属角均与尾缘金属角相同。靠近尾缘点的设定弧线段指的是与尾缘点连接的弧线段，也就是说从设定弧线段的起点到尾缘点之间的所有点的金属角均是相同的。

压气机叶片包括在叶高方向上设置的多个叶高截面，因此要对多个叶高截面的基元叶型进行设计，然后在叶高方向进行积叠才能得到压气机叶片。每个叶高截面的基元叶型是不同的，例如位于不同叶高的叶高截面的转角不同，每个叶高截面的前缘金属角和尾缘金属角也不同。因此以上S100和S200是针对一个叶高截面的基元叶型的中弧线进行设计，针对多个叶高截面，需要多次重复以上两个步骤。

本申请实施例的压气机叶片的造型方法通过将尾缘处的金属角设置为不变，这样使得气流在尾缘之前就实现了折转，减小尾缘磨损，进而减小尾缘磨损导致的气动危害，从而有利于压气机长时间稳定可靠的工作。同时尾缘处的金属角不变有利于减小叶片的尾迹宽度，进而减小尾迹的掺混损失。

在一些实施例中，中弧线具有前缘点到尾缘点的弦线，设定弧线段对应的弦长占弦线的长度的2%~10%。若设定弧线段对应的弦长占弦线的长度的比例超过10%，那么意味着气流在叶型前部分（小于90%的弦长）就已经实现折转，这样叶型前部分承受的逆压梯度会很强，这样会导致气流容易发生分离，引起流动损失。

在一些实施例中，压气机叶片包括在叶高方向上设置的多个叶高截面。多个叶高截面包括位于叶高中部的中心叶高截面。中心叶高截面的基元叶型的设定弧线段对应的弦长占其中弧线的弦线的长度的5%~10%。此处所说的位于叶高中部的中心叶高截面指的是位于1/2叶高处的叶高截面，也就是说，在叶高中部的叶高截面的中弧线所对应的弦长占弦线长度的比例要设计的较大。

在一些实施例中，多个叶高截面包括位于叶根处的叶根截面，叶根截面的基元叶型的设定弧线段对应的弦长占其中弧线的弦线的长度的2%~5%；和/或，多个叶高截面包括位于叶尖处的叶尖截面，叶尖截面的基元叶型的设定弧线段对应的弦长占其中弧线的弦线的长度的2%~5%。也就是说，在叶尖和叶根处的截面的中弧线所对应的弦长占弦线长度的比例可以设计的比中部的叶高截面的中弧线对应的弦长占弦线长度的比例较小。叶尖和叶根部区域由于有端壁附面层的影响，流动状况比较恶劣，所以尾缘不变的长度设置的更短一些，有利于改善根尖区域的流动状况。

在一些实施例中，从叶根到叶尖的方向上，多个叶高截面的基元叶型的设定弧线段对应的弦长占弦线长度的比例先逐渐变大后逐渐变小。具体地，在叶高方向上，叶根截面和叶尖截面的基元叶型的弧线段对应的弦长所占弦线的比例较小，中部的中心叶高截面的基元叶型的弧线段对应的弦长所占弦线的比例较大，从叶根截面到中心叶高截面之间的多个截面来说，其弧线段对应的弦长是逐渐变大的，且是要光滑过渡的，以保证叶片良好的气动性能。同样的，从中心叶高截面到叶尖截面之间的多个截面来说，其弧线段对应的弦长是逐渐变小的，且是要光滑过渡的，以保证叶片良好的气动性能。

在一些实施例中，如图5和图6所示，造型方法还包括在获取基元叶型的中弧线后，根据抛物线分布规律来确定基元叶型在弦长方向上的厚度变化，并将厚度变化叠加到中弧线上以形成基元叶型。

具体地，如图5所示，以中弧线为中心，将以厚度为直径的内切圆叠加到中弧线上获得叶背型线E和叶盆型线F，进而获得基元叶型。

具体地，如图6所示，提供基元叶型的厚度分布规律，其中厚度分布规律采用中间厚两边薄的抛物线分布规律，如下式所示:

r_i=ax_i ²+bx_i+c

其中，r_i是中弧线上某一个点处的厚度。x_i是中弧线上某一个点的无量纲弦长，a、b和c均是常数。通过给定最大厚度、最大厚度点所对应的无量纲弦长、前缘厚度和尾缘厚度以确定以上a、b和c的值。

在一些实施例中，造型方法还包括提供压气机的积叠轴分布方式，并将基元叶型按照积叠轴分布方式积叠以形成压气机叶片。

在一些实施例中，压气机叶片包括转子叶片，造型方法包括采用重心积叠的方式对基元叶型进行积叠以得到转子叶片，即求出各个基元叶型的重心，然后将重心沿展向进行积叠；和/或，压气机叶片包括静子叶片，造型方法包括采用10%~20%中弧线弦长位置积叠的方式对基元叶型进行积叠以得到静子叶片，即求出各个基元叶型10%~20%弦长中弧线所在的位置，将其进行积叠得到静子叶片。以上述积叠轴分布形式来积叠，造型简单。

基于以上造型方法，本申请实施例还提供一种压气机叶片。压气机叶片包括在叶高方向上设置的多个叶高截面。多个叶高截面中的每一个叶高截面具有基元叶型。基元叶型的中弧线的靠近尾缘点的设定弧线段的金属角与尾缘金属角相同。该压气机叶片的尾缘处的金属角设置为不变，这样使得气流在尾缘之前就实现了折转，减小尾缘磨损，进而减小尾缘磨损导致的气动危害，从而有利于压气机长时间稳定可靠的工作。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本申请的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本申请技术方案的精神，其均应涵盖在本申请请求保护的技术方案范围当中。

Claims

1.一种压气机叶片的造型方法，所述压气机叶片包括在叶高方向上设置的多个叶高截面，对于所述多个叶高截面中的每个叶高截面，其特征在于，包括如下步骤：

提供基元叶型的中弧线的前缘金属角和尾缘金属角；和

将所述中弧线的靠近尾缘点的设定弧线段的金属角设置为与所述尾缘金属角相同，从所述设定弧线段的起点到所述尾缘点之间的所有点的金属角均相同，以获取基元叶型的中弧线。

2.根据权利要求1所述的压气机叶片的造型方法，其特征在于，所述中弧线具有前缘点到尾缘点的弦线，所述设定弧线段对应的弦长占所述弦线的长度的2%~10%。

3.根据权利要求2所述的压气机叶片的造型方法，其特征在于，所述多个叶高截面包括位于叶高中部的中心叶高截面，所述中心叶高截面的基元叶型的设定弧线段对应的弦长占其中弧线的弦线的长度的5%~10%。

4.根据权利要求3所述的压气机叶片的造型方法，其特征在于，所述多个叶高截面包括位于叶根处的叶根截面，所述叶根截面的基元叶型的设定弧线段对应的弦长占其中弧线的弦线的长度的2%~5%；和/或，所述多个叶高截面包括位于叶尖处的叶尖截面，所述叶尖截面的基元叶型的设定弧线段对应的弦长占其中弧线的弦线的长度的2%~5%。

5.根据权利要求4所述的压气机叶片的造型方法，其特征在于，从叶根到叶尖的方向上，所述多个叶高截面的基元叶型的设定弧线段对应的弦长占弦线长度的比例先逐渐变大后逐渐变小。

6.根据权利要求1所述的压气机叶片的造型方法，其特征在于，所述造型方法还包括在获取基元叶型的中弧线后，根据抛物线分布规律来确定所述基元叶型在弦长方向上的厚度变化，并将所述厚度变化叠加到所述中弧线上以形成基元叶型。

7.根据权利要求6所述的压气机叶片的造型方法，其特征在于，所述造型方法还包括提供压气机的积叠轴分布方式，并将多个叶高截面的基元叶型按照所述积叠轴分布方式积叠以形成压气机叶片。

8.根据权利要求7所述的压气机叶片的造型方法，其特征在于，所述压气机叶片包括转子叶片，所述造型方法包括采用重心积叠的方式对基元叶型进行积叠以得到转子叶片；和/或，所述压气机叶片包括静子叶片，所述造型方法包括采用10%~20%弦长中弧线所在位置积叠的方式对基元叶型进行积叠以得到静子叶片。

9.一种压气机叶片，其特征在于，包括在叶高方向上设置的多个叶高截面，所述多个叶高截面中的每一个叶高截面具有基元叶型，所述基元叶型的中弧线的靠近尾缘点的设定弧线段的金属角与尾缘金属角相同，从所述设定弧线段的起点到所述尾缘点之间的所有点的金属角均相同。

10.根据权利要求9所述的压气机叶片，其特征在于，所述中弧线具有前缘点到尾缘点的弦线，所述弧线段对应的弦长占所述弦线的长度的2%~10%。