CN114165477A - 一种轴向超音通流风扇串列构型及串列构型优化方法 - Google Patents

一种轴向超音通流风扇串列构型及串列构型优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种轴向超音通流风扇串列构型及构型优化方法，属于航空航天叶轮机械气动布局技术领域。本发明采用串列叶片构型降低轴向超音来流条件下单个叶片轴向弯矩，增强叶栅结构稳定性，避免叶片颤振失稳。本发明使得后排叶片在周向方向上位于前排叶片吸力侧，通过调节周向节距比改善前排叶片与后排叶片形成的缝隙附近的激波结构，使前排叶片尾迹贴附于后排叶片压力面，抑制前排叶片尾迹与后排叶片表面附面层的掺混程度，降低气动总压损失。本发明通过调节周向节距比和轴向重叠度，进一步降低气动总压损失。本发明通过调节轴向重叠度，避免轴向重叠度过小导致前排叶片压力面流体窜流到后排叶片吸力侧，诱发前排叶片尾迹厚度增厚。

Description

一种轴向超音通流风扇串列构型及串列构型优化方法
技术领域
本发明涉及一种航空发动机风扇叶片构型，尤其涉及一种轴向超音通流风扇串列构型，属于航空航天叶轮机械气动布局技术领域。
背景技术
为探索一种适应于超音速发动机压缩系统的新型气动布局方法，以大幅降低压缩系统重量、提升推重比，NASA提出了轴向超音通流风扇的概念，即风扇级进出口轴向速度均为超音速。与常规涡扇发动机相比，轴向超音通流风扇不再需要冗长的进气道将超音来流减速扩压成风扇迎风面处的亚音来流，从而使得进气道长度大幅缩短，典型气动参数下可缩减为传统风扇发动机进气道的一半，可显著提升发动机推重比，顺压梯度主控流场作用下，风扇级压比更高。研究表明，轴向超音通流风扇可大幅削减压缩系统重量，提高推重比，降低耗油率，增加超音巡航飞行器航程。尽管轴向超音通流风扇具备以上诸多优势，然而轴向超音通流风扇叶片由于来流马赫数较高，在大攻角运行时，会承受过大的扭转弯矩，容易引发颤振失稳，导致叶片短时间内疲劳断裂失效。为削弱强扭振模态颤振，增强叶栅结构稳定性，传统方法为采用可调叶片技术，但轴向超音通流风扇叶片典型的稠度高、弦长大的设计特点使得上述方案在结构上难以实现。亟需适合轴向超音通流风扇叶片特点的新型叶片构型方法以解决叶片颤振失稳问题，同时保证足够的气动性能。
发明内容
针对轴向超音通流风扇来流马赫数较高，大攻角运行时易颤振失稳的问题，本发明的主要目的是提供一种轴向超音通流风扇串列构型及构型优化方法，轴向超音通流风扇采用串列叶片构型降低轴向超音来流条件下单个叶片轴向弯矩，增强叶栅结构稳定性，避免叶片颤振失稳，本发明具有气动总压损失低的优点。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明公开的一种轴向超音通流风扇串列构型，对单排叶片进行串列改型形成串列构型，所述串列构型由至少两个叶片串列形成。前端叶片前缘型线与单排叶片前缘型线相同，末端叶片尾缘型线与单排叶片尾缘型线相同，以保证前缘激波损失和尾缘尾迹掺混损失不变；单排叶片与串列每排叶片最大厚度不变，以保证串列叶片具有不低于单排叶片的强度。通过采用串列叶片构型降低轴向超音来流条件下单个叶片轴向弯矩，增强叶栅结构稳定性，避免叶片颤振失稳。在布局串列叶片相对位置的过程中，使得后排叶片在周向方向上位于前排叶片吸力侧，通过调节周向节距比改善前排叶片与后排叶片形成的缝隙附近的激波结构，使前排叶片尾迹贴附于后排叶片压力面，抑制前排叶片尾迹与后排叶片表面附面层的掺混程度，降低气动总压损失。此外，通过调节周向节距比和轴向重叠度，使得靠近后排叶片前缘压力侧的低能流体诱发的斜激波冲击到相邻叶片吸力面，而不是与相邻叶片尾迹直接干涉，进一步降低气动总压损失。通过调节轴向重叠度，避免轴向重叠度过小导致前排叶片压力面流体窜流到后排叶片吸力侧，诱发前排叶片尾迹增厚。
所述周向节距比是指前排叶片与后排叶片形成的周向节距比，通过公式(1)获得：
PP＝s/t (1)
其中：s为后排叶片前缘较大的周向坐标减去前排叶片尾缘较小的周向坐标，t为后排叶片节距。
所述轴向重叠度是指前排叶片与后排叶片形成的轴向重叠度，表征前排叶片和后排叶片在轴向方向上的重叠程度，通过公式(2)获得：
AO＝Δx1/Δx2 (2)
其中：Δx1为前排叶片尾缘轴向坐标减去后排叶片前缘轴向坐标，当Δx1为正时，表明后排叶片进入了前排叶片通道，当Δx1为负时，表明后排叶片远离前排叶片通道。
作为优选，串列构型由至少两个叶片串列形成，叶片数量越多，单个叶片轴向弯矩越小，但气动总压损失越大，根据单个叶片轴向弯矩要求和气动性能要求，优化选择串列构型的叶片数量。
作为优选，调节周向节距比为1.02～1.06，改善前排叶片与后排叶片形成的缝隙附近的激波结构，使前排叶片尾迹贴附于后排叶片压力面，抑制前排叶片尾迹与后排叶片表面附面层的掺混程度，降低气动总压损失。
作为进一步优选，调节周向节距比为1.03，改善缝隙附近以及后排叶栅通道内激波结构，进一步削弱靠近后排叶片前缘压力侧斜激波强度，降低气动总压损失。
作为优选，通过调节周向节距比和轴向重叠度，使得靠近后排叶片前缘压力侧的低能流体诱发的斜激波冲击到相邻叶片吸力面，而不是与相邻叶片尾迹直接干涉，进一步降低气动总压损失。
作为优选，通过调节轴向重叠度为-0.02～0.01，避免轴向重叠度过小导致前排叶片压力面流体窜流到后排叶片吸力侧，诱发前排叶片尾迹厚度增厚。
本发明还公开的一种轴向超音通流风扇串列构型优化方法，对所述一种轴向超音通流风扇串列构型进行优化，使单个叶片轴向弯矩小、气动负荷高、气动总压损失低的综合气动性能最优，包括如下步骤：
步骤一：按照所述一种轴向超音通流风扇串列构型结构建模。
步骤二：根据单个叶片轴向弯矩要求和气动性能要求，优化选择串列构型的叶片数量。
步骤三：将单个叶片轴向弯矩小、气动负荷高、气动总压损失低作为多目标优化，优化的综合气动性能最优，保证目的效果。
步骤四：通过调节周向节距比和轴向重叠度，使得靠近后排叶片前缘压力侧的低能流体诱发的斜激波冲击到相邻叶片吸力面，而不是与相邻叶片尾迹直接干涉，进一步降低气动总压损失。
通过调节轴向重叠度为范围-0.02～0.01，避免轴向重叠度过小导致前排叶片压力面流体窜流到后排叶片吸力侧，诱发前排叶片尾迹厚度增厚。
有益效果：
1、针对轴向超音通流风扇来流马赫数高、弦长大的特点，本发明公开的一种轴向超音通流风扇串列构型及构型优化方法，通过采用串列叶片构型降低轴向超音来流条件下单个叶片轴向弯矩，增强叶栅结构稳定性，避免叶片颤振失稳。
2、本发明公开的一种轴向超音通流风扇串列构型及构型优化方法，在布局串列叶片相对位置的过程中，使得后排叶片在周向方向上位于前排叶片吸力侧。通过调节周向节距比改善前排叶片与后排叶片形成的缝隙附近的激波结构，使前排叶片尾迹贴附于后排叶片压力面，抑制前排叶片尾迹与后排叶片表面附面层的掺混程度，降低气动总压损失。
3、本发明公开的一种轴向超音通流风扇串列构型及构型优化方法，通过调节周向节距比和轴向重叠度，使得靠近后排叶片前缘压力侧的低能流体诱发的斜激波冲击到相邻叶片吸力面，而不是与相邻叶片尾迹直接干涉，进一步降低气动总压损失。
4、本发明公开的一种轴向超音通流风扇串列构型及构型优化方法，通过调节轴向重叠度，避免轴向重叠度过小导致前排叶片压力面流体窜流到后排叶片吸力侧，诱发前排叶片尾迹增厚。
5、本发明公开的一种轴向超音通流风扇串列构型优化方法，首先对串列叶片几何参数化建模，其次进行拉丁超立方采样获得充足样本点的串列几何参数，利用大量仿真或试验建立不同串列叶片和气动性能对应关系的样本空间，然后利用上述样本对支持向量机模型进行训练，从而建立代理模型，最后利用遗传算法寻优，获得气动损失最小的串列构型，并采用高精度仿真或试验验证。
附图说明
图1是本发明的一种基于串列构型的轴向超音通流风扇气动热力布局示意图；
图2是本发明轴向超音通流风扇串列叶片几何参数定义；
图3是本发明轴向超音通流风扇叶片单排和串列叶排在大攻角来流时承受弯矩示意图；
图4是本发明轴向超音通流风扇不同串列布局激波系结构和关键流动结构(缝隙流动、尾迹)示意图，其中图4b)为气动性能较优方案，是本专利保护方案；
具体实施方式
现在结合附图对本发明进行进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
实施例1：
如图1～图4所示，本实施例公开的一种轴向超音通流风扇构型设计方法，包括如下步骤：
步骤一：对单排轴向超音通流风扇叶片进行串列设计，完成初步串列方案的几何建模，其几何参数定义和几何模型分别如图2和图3b)所示，初步串列几何和气动参数如表1所示。
表1初步串列设计的几何和气动参数
Figure BDA0003408403550000041
步骤三：对初步设计的轴向超音通流风扇串列叶片进行数值仿真或试验，获得流场结构(激波系、缝隙流动和尾迹等)和气动性能参数(总压损失和负荷系数)。
步骤四：基于初步设计的串列叶栅流场结构，调整串列构型，以满足以下两方面要求：
一方面，调整周向节距比为1.02～1.06，同时调整轴向重叠度为-0.02～0.01，控制前排叶片尾迹使其贴附于后排叶片表面，以减小尾迹厚度，降低尾迹掺混损失；另一方面，进一步通过精细调节周向节距比和轴向重叠度，使得靠近后排叶片前缘压力侧的低能流体诱发的斜激波冲击到相邻叶片吸力面，而不是与相邻叶片尾迹直接干涉，进一步降低气动总压损失。
步骤五：以上述改型串列构型参数为原点，确定使得串列叶片损失较低的轴向重叠度和周向节距比范围，利用拉丁超立方采样确定样本点，开展不同串列构型叶片仿真或试验，分析处理得到总压损失系数随轴向重叠度和周向节距比的变化，获得串列叶片构型和气动性能对应关系的样本空间，然后利用上述样本对支持向量机模型进行训练，从而建立代理模型，最后利用遗传算法寻优，获得气动损失最小的串列构型。
如图1所示，本实施例公开的一种轴向超音通流风扇串列构型，对单排叶片进行串列改型形成串列构型，所述串列构型由至少两个叶片串列形成。前端叶片前缘型线与单排叶片前缘型线相同，末端叶片尾缘型线与单排叶片尾缘型线相同，以保证前缘激波损失和尾缘尾迹掺混损失不变；单排叶片与串列每排叶片最大厚度不变，以保证串列叶片具有不低于单排叶片的强度。通过采用串列叶片构型降低轴向超音来流条件下单个叶片轴向弯矩，增强叶栅结构稳定性，避免叶片颤振失稳。在布局串列叶片相对位置的过程中，使得后排叶片在周向方向上位于前排叶片吸力侧，通过调节周向节距比改善前排叶片与后排叶片形成的缝隙附近的激波结构，使前排叶片尾迹贴附于后排叶片压力面，抑制前排叶片尾迹与后排叶片表面附面层的掺混程度，降低气动总压损失。此外，通过调节周向节距比和轴向重叠度，使得靠近后排叶片前缘压力侧的低能流体诱发的斜激波冲击到相邻叶片吸力面，而不是与相邻叶片尾迹直接干涉，进一步降低气动总压损失。通过调节轴向重叠度，避免轴向重叠度过小导致前排叶片压力面流体窜流到后排叶片吸力侧，诱发前排叶片尾迹厚度增厚。
串列构型由至少两个叶片串列形成，叶片数量越多，单个叶片轴向弯矩越小，但气动总压损失越大，根据单个叶片轴向弯矩要求和气动性能要求，优化选择串列构型的叶片数量。
调节周向节距比为1.03，改善缝隙附近以及后排叶栅通道内激波结构，进一步削弱靠近后排叶片前缘压力侧斜激波强度，降低气动总压损失。
通过调节周向节距比和轴向重叠度，使得靠近后排叶片前缘压力侧的低能流体诱发的斜激波冲击到相邻叶片吸力面，而不是与相邻叶片尾迹直接干涉，进一步降低气动总压损失。
通过调节轴向重叠度为-0.02～0.01，避免轴向重叠度过小导致前排叶片压力面流体窜流到后排叶片吸力侧，诱发前排叶片尾迹厚度增厚。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种轴向超音通流风扇串列构型，其特征在于：对单排叶片进行串列改型形成串列构型，所述串列构型由至少两个叶片串列形成；前端叶片前缘型线与单排叶片前缘型线相同，末端叶片尾缘型线与单排叶片尾缘型线相同，以保证前缘激波损失和尾缘尾迹掺混损失不变；单排叶片与串列每排叶片最大厚度不变，以保证串列叶片具有不低于单排叶片的强度；通过采用串列叶片构型降低轴向超音来流条件下单个叶片轴向弯矩，增强叶栅结构稳定性，避免叶片颤振失稳；在布局串列叶片相对位置的过程中，使得后排叶片在周向方向上位于前排叶片吸力侧，通过调节周向节距比改善前排叶片与后排叶片形成的缝隙附近的激波结构，使前排叶片尾迹贴附于后排叶片压力面，抑制前排叶片尾迹与后排叶片表面附面层的掺混程度，降低气动总压损失；此外，通过调节周向节距比和轴向重叠度，使得靠近后排叶片前缘压力侧的低能流体诱发的斜激波冲击到相邻叶片吸力面，而不是与相邻叶片尾迹直接干涉，进一步降低气动总压损失；通过调节轴向重叠度，避免轴向重叠度过小导致前排叶片压力面流体窜流到后排叶片吸力侧，诱发前排叶片尾迹厚度增厚。
2.如权利要求1所述的一种轴向超音通流风扇串列构型，其特征在于：
所述周向节距比是指前排叶片与后排叶片形成的周向节距比，通过公式(1)获得：
PP＝s/t (1)
其中：s为后排叶片前缘较大的周向坐标减去前排叶片尾缘较小的周向坐标，t为后排叶片节距；
所述轴向重叠度是指前排叶片与后排叶片形成的轴向重叠度，表征前排叶片和后排叶片在轴向方向上的重叠程度，通过公式(2)获得：
AO＝Δx1/Δx2 (2)
其中：Δx1为前排叶片尾缘轴向坐标减去后排叶片前缘轴向坐标，当Δx1为正时，表明后排叶片进入了前排叶片通道，当Δx1为负时，表明后排叶片远离前排叶片通道。
3.如权利要求2所述的一种轴向超音通流风扇串列构型，其特征在于：串列构型由至少两个叶片串列形成，叶片数量越多，单个叶片轴向弯矩越小，但气动总压损失越大，根据单个叶片轴向弯矩要求和气动性能要求，优化选择串列构型的叶片数量。
4.如权利要求2所述的一种轴向超音通流风扇串列构型，其特征在于：调节周向节距比为1.02～1.06，改善前排叶片与后排叶片形成的缝隙附近的激波结构，使前排叶片尾迹贴附于后排叶片压力面，抑制前排叶片尾迹与后排叶片表面附面层的掺混程度，降低气动总压损失。
5.如权利要求4所述的一种轴向超音通流风扇串列构型，其特征在于：调节周向节距比为1.03，改善缝隙附近以及后排叶栅通道内激波结构，进一步削弱靠近后排叶片前缘压力侧斜激波强度，降低气动总压损失。
6.如权利要求2所述的一种轴向超音通流风扇串列构型，其特征在于：通过调节周向节距比和轴向重叠度，使得靠近后排叶片前缘压力侧的低能流体诱发的斜激波冲击到相邻叶片吸力面，而不是与相邻叶片尾迹直接干涉，进一步降低气动总压损失。
7.如权利要求2所述的一种轴向超音通流风扇串列构型，其特征在于：通过调节轴向重叠度为-0.02～0.01，避免轴向重叠度过小导致前排叶片压力面流体窜流到后排叶片吸力侧，诱发前排叶片尾迹厚度增厚。
8.一种轴向超音通流风扇串列构型优化方法，用于优化如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的一种轴向超音通流风扇串列构型，使单个叶片轴向弯矩小、气动负荷高、气动总压损失低的综合气动性能最优，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：按照所述一种轴向超音通流风扇串列构型结构建模；
步骤二：根据单个叶片轴向弯矩要求和气动性能要求，优化选择串列构型的叶片数量；
步骤三：将单个叶片轴向弯矩小、气动负荷高、气动总压损失低作为多目标优化，优化的综合气动性能最优，保证目的效果；
步骤四：通过调节周向节距比和轴向重叠度，使得靠近后排叶片前缘压力侧的低能流体诱发的斜激波冲击到相邻叶片吸力面，而不是与相邻叶片尾迹直接干涉，进一步降低气动总压损失；
通过调节轴向重叠度为范围-0.02～0.01，避免轴向重叠度过小导致前排叶片压力面流体窜流到后排叶片吸力侧，诱发前排叶片尾迹厚度增厚。
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