CN115749974A - 一种低阻高效的叶片式预旋喷嘴设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低阻高效的叶片式预旋喷嘴设计方法，该方法通过对叶片气动载荷与端区落后角的调整，具体通过将各叶型截面的叶片安装角设置为比叶片出口几何角小10～30°，使得叶型负荷分布呈现后加载特征，通过将叶片式预旋喷嘴上下端区叶型的安装角相比其他区域减小1～10°，上下端区叶型的叶片出口几何角相比其他区域减小1～10°，以及将叶中叶型截面的安装角相比其他区域增大1～10°，实现对叶片式预旋喷嘴端区落后角进行修正。本发明通过增大叶片安装角进而使得叶型负荷分布呈现后加载特征，降低叶片式预旋喷嘴端区通道涡系结构强度及损失，改善叶片式预旋喷嘴出口气流均匀性，提高预旋系统的流量系数和预旋效率。

Description

一种低阻高效的叶片式预旋喷嘴设计方法

技术领域

本发明涉及航空发动机预旋冷却系统应用领域，尤其涉及一种用于预旋冷却系统的低阻高效叶片式预旋喷嘴设计方法。

背景技术

随着航空发动机性能的不断提升，涡轮前温度随之不断提高，导致涡轮部件承受着越来越严酷的热负荷，因而需要对高温部件进行高效冷却。预旋系统作为向涡轮转子叶片提供适宜压力、温度冷却气体的部件系统，因其具有较大降温潜力成为国内外的研究热点。作为预旋系统核心部件之一的预旋喷嘴，其性能的优劣直接决定了预旋系统的流阻与温变特性，进而影响涡轮转子叶片冷却效果。目前，叶片式预旋喷嘴是公认性能最好的预旋喷嘴之一，然而受限于发动机结构约束，叶片式预旋喷嘴的展弦比较小，通常小于0.5，导致叶片式预旋喷嘴的端区粘性损失较大，进而增大了预旋系统的流阻；此外，叶片气流落后角增大，降低了预旋效率，减弱了预旋系统的温降效果。上述因素共同作用恶化了涡轮转子叶片的冷却效果，从而影响涡轮部件的安全工作。针对上述问题，亟需寻求一种低阻高效的叶片式预旋喷嘴设计方法，达到降低预旋系统流阻、提高预旋系统温降、进而提升涡轮转子叶片冷却性能的目的。

发明内容

(一)技术问题

针对现有技术的上述缺陷和不足，本发明要解决的技术问题是提供一种低阻高效的叶片式预旋喷嘴设计方法，通过对叶片式预旋喷嘴气动载荷的调整以及叶片端区落后角的修正，降低叶片式预旋喷嘴的流动损失，提升叶片式预旋喷嘴的预旋效率，提高叶片式预旋喷嘴的温降效果，进而实现涡轮转子叶片的高效冷却。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种低阻高效的叶片式预旋喷嘴设计方法，其特征在于，所述设计方法至少包括如下步骤：

SS1.沿叶片高度方向确定位于不同叶高位置的N个叶型截面，其中，N≥3，所述N个叶型截面中至少包括一叶顶叶型截面、一中径叶型截面和一叶根叶型截面，且各所述叶型截面的形状轮廓相同并具有相同尺寸，每一所述叶型截面均包括吸力面型线和压力面型线，所述吸力面型线和压力面型线上均设有三个以上的控制点，且所述吸力面型线和压力面型线通过叶型前缘、叶型尾缘的圆弧光滑连接；

SS2.沿叶片高度方向将所述N个叶型截面进行三维积叠形成叶片式预旋喷嘴的初始构型，在进行叶片的三维积叠过程中，各所述叶型截面具有相同的叶片安装角、叶片进口几何角和叶片出口几何角，所述叶片安装角比叶片出口几何角小10～30°；

SS3.以步骤SS2积叠形成的叶片式预旋喷嘴初始构型为基础，将位于上下端区的叶顶叶型截面、叶根叶型截面的叶片安装角相比其他区域减小1～10°，将位于上下端区的叶顶叶型截面、叶根叶型截面的叶片出口几何角相比其他区域减小1～10°，将位于叶片中部的中径叶型截面的叶片安装角相比其他区域增大1～10°，获得最终的叶片式预旋喷嘴构型。

在航空发动机涡轮预旋系统中采用叶片式预旋喷嘴，其目的在于提升冷质预旋系统的性能。发明提供的低阻高效的叶片式预旋喷嘴设计方法中，通过对叶片式预旋喷嘴气动载荷的调整，降低叶片式预旋喷嘴端区粘性损失，减少冷质预旋系统的流动阻力，进而降低供气压力。

发明提供的低阻高效的叶片式预旋喷嘴设计方法中，通过将各叶型截面的叶片安装角设置为比叶片出口几何角大10～30°，其目的是为了通过增大叶片安装角进而使得叶型负荷分布呈现后加载特征，降低叶片通道前部横向压力梯度，延迟马蹄涡压力面分支和吸力面分支的交汇，降低通道二次流强度，减小喷嘴端区粘性损失。

发明提供的低阻高效的叶片式预旋喷嘴设计方法中，通过将叶片式预旋喷嘴上下端区叶型的安装角相比其他区域减小1～10°，上下端区叶型的叶片出口几何角相比其他区域减小1～10°，以及将中径叶型截面的安装角相比其他区域增大1～10°，其目的是为了通过对叶片式预旋喷嘴端区落后角进行修正，增大叶片式预旋喷嘴出口的气流预旋，改善叶片式预旋喷嘴出口气流均匀性，提升预旋效率，改善冷质预旋系统的温降效果，从而提高涡轮转子叶片的冷却效果。

上述方案中，步骤SS1中，每一所述叶型截面的吸力面型线和压力面型线均采用贝塞尔曲线进行构型，每条曲线上一般有三个以上的控制点。

上述方案中，步骤SS1中，叶型前缘、叶型尾缘的半径为0.1～3.0mm。

上述方案中，步骤SS2中，所述叶片式预旋喷嘴的进口几何角一般为0°。

上述方案中，步骤SS2中，叶片出口几何角一般为40°～90°。

(三)技术效果

同现有技术相比，本发明提出的低阻高效叶片式预旋喷嘴设计方法能够达到如下效果：

1)本发明通过对叶片式预旋喷嘴叶型的优化设计，降低了端区通道涡的强度，减弱了气流的欠偏转和过偏转程度，减小了预旋喷嘴的流动损失，提高喷嘴的预旋效率。

2)本发明提出的低阻高效叶片式预旋喷嘴设计方法可有效降低冷质预旋系统的流动阻力，提高冷质预旋系统的温降效果，进而提高涡轮转子叶片冷气品质，改善转子叶片的冷却效果。

附图说明

图1是依照本发明实施例叶片式预旋喷嘴压力面视图。

图2是依照本发明实施例叶片式预旋喷嘴吸力面视图。

图3是依照本发明实施例叶片式预旋喷嘴叶型截面图。

图4为本发明实施例叶片式预旋喷嘴出口截面熵云图。

图5为本发明实施例叶片式预旋喷嘴出口气流径向分布示意图。

图6为本发明实施例叶片式预旋喷嘴出口总压恢复系数径向分布示意图。

标号说明：

叶型压力面1、叶顶叶型截面2、中径叶型截面3、叶根叶型截面4、叶片式预旋喷嘴叶型吸力面5、叶型前缘6、叶型尾缘7。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明的内容不局限于下面的实施例。实际上，在未背离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化，这对本领域技术人员来说将是显而易见的。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用来产生又一个实施例。因此，意图是本发明将这样的修改和变化包括在所附的权利要求书和它们的等同物的范围内。

如图1～3所示，本发明提供的低阻高效的叶片式预旋喷嘴设计方法，至少包括以下步骤：

SS1.沿叶片高度方向确定位于不同叶高位置的N个叶型截面，N≥3，N个叶型截面中至少包括一叶顶叶型截面2、一中径叶型截面3和一叶根叶型截面4，且各叶型截面的形状轮廓相同并具有相同尺寸，每一叶型截面均包括吸力面型线5和压力面型线1，吸力面型线5和压力面型线1一般采用贝塞尔曲线进行构型，且每条曲线上一般有三个以上的控制点(实施例中每条曲线上设有七个控制点)，且吸力面型线5和压力面型线1通过叶型前缘6、叶型尾缘7的圆弧光滑连接，叶型前缘6、叶型尾缘7的半径为0.1～3.0mm，实施例中，叶根、中径和叶尖截面叶型前缘半径均为0.5mm，叶根、中径和叶尖截面叶型尾缘半径均为0.2mm。

SS2.沿叶片高度方向将N个叶型截面进行三维积叠形成叶片式预旋喷嘴的初始构型，在进行叶片的三维积叠过程中，各叶型截面具有相同的叶片安装角、叶片进口几何角和叶片出口几何角，其中，叶片进口几何角为0°，叶片出口几何角为40°以上，叶片安装角比叶片出口几何角小10～30°。实施例，中所述叶片式预旋喷嘴的叶根、中径和叶尖截面叶型进口几何角为0°，各截面设计要求叶型出口几何角为76°，安装角为66°。叶片式预旋喷嘴通过增大安装角进而实现叶型后加载的方式，降低叶片通道前部横向压力梯度，延迟马蹄涡压力面分支和吸力面分支的交汇，降低通道二次流强度，减小喷嘴端区粘性损失。

SS3.以步骤SS2积叠形成的叶片式预旋喷嘴初始构型为基础，将位于上下端区的叶顶叶型截面、叶根叶型截面的叶片安装角相比其他区域减小1～10°，将位于上下端区的叶顶叶型截面、叶根叶型截面的叶片出口几何角相比其他区域减小1～10°，将位于叶片中部的中径叶型截面的叶片安装角相比其他区域增大1～10°，获得最终的叶片式预旋喷嘴构型。实施例中，通过将叶片式预旋喷嘴上下端区的安装角减小2°，即叶根截面和叶尖截面安装角为64°；上下端区的出口几何角减小1°，即叶根和叶尖截面出口几何角为75°；叶片式预旋喷嘴近中径截面安装角增大1°，即中径截面安装角为67°，从而增大叶片式预旋喷嘴出口的气流预旋，增强预旋系统的温降效果。

在航空发动机涡轮预旋系统中采用叶片式预旋喷嘴，其目的在于提升冷质预旋系统的性能。发明提供的低阻高效的叶片式预旋喷嘴设计方法，通过对叶片式预旋喷嘴气动载荷的调整，降低叶片式预旋喷嘴端区粘性损失，减少冷质预旋系统的流动阻力，进而降低供气压力。通过对叶片式预旋喷嘴端区落后角进行修正，改善叶片式预旋喷嘴出口气流均匀性，提升预旋效率，改善冷质预旋系统的温降效果，从而提高涡轮转子叶片的冷却效果。

采用本发明提及的叶片式预旋喷嘴设计方法，能够有效降低通道涡强度及其诱发的端区气流欠偏转和过偏转，改善出口气流均匀性，数值计算结果显示：相比于未采用本发明的叶片式预旋喷嘴，本发明优化设计的预旋喷嘴端区二次流显著降低(见图4)，出口气流角的径向偏差小于1°，见图5，排气均匀性得到明显改善。与此同时，采用本发明提及的叶片式预旋喷嘴优化方法优化设计的预旋喷嘴总压恢复系数相对提高1.40％，见图6，预旋系统温降相对提升0.9％。可见，本发明提出的方法能够有效降低预旋系统的流阻、提高预旋系统的温降效果。

综上所述，本发明可直接应用于航空发动机预旋冷却系统。

本发明探索了低阻高效叶片式预旋系统设计方法，设计出来一种适用于航空发动机预旋冷却系统叶片式预旋喷嘴设计方法，而这也是本发明所述工作的初衷。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实例，其几何形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构想所述的构造、特征及原理所作的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明专利所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种低阻高效的叶片式预旋喷嘴设计方法，其特征在于，所述设计方法至少包括如下步骤：

SS1.沿叶片高度方向确定位于不同叶高位置的N个叶型截面，其中，N≥3，所述N个叶型截面中至少包括一叶顶叶型截面、一中径叶型截面和一叶根叶型截面，且各所述叶型截面的形状轮廓相同并具有相同尺寸，每一所述叶型截面均包括吸力面型线和压力面型线，所述吸力面型线和压力面型线上均设有三个以上的控制点，且所述吸力面型线和压力面型线通过叶型前缘、叶型尾缘的圆弧光滑连接；

SS2.沿叶片高度方向将所述N个叶型截面进行三维积叠形成叶片式预旋喷嘴的初始构型，在进行叶片的三维积叠过程中，各所述叶型截面具有相同的叶片安装角、叶片进口几何角和叶片出口几何角，所述叶片安装角比叶片出口几何角小10～30°；

SS3.以步骤SS2积叠形成的叶片式预旋喷嘴初始构型为基础，将位于上下端区的叶顶叶型截面、叶根叶型截面的叶片安装角相比其他区域减小1～10°，将位于上下端区的叶顶叶型截面、叶根叶型截面的叶片出口几何角相比其他区域减小1～10°，将位于叶片中部的中径叶型截面的叶片安装角相比其他区域增大1～10°，获得最终的叶片式预旋喷嘴构型。

2.根据权利要求1所述的低阻高效的叶片式预旋喷嘴设计方法，其特征在于，步骤SS1中，每一所述叶型截面的吸力面型线和压力面型线均采用贝塞尔曲线进行构型，每条曲线上一般有三个以上的控制点。

3.根据权利要求1所述的低阻高效的叶片式预旋喷嘴设计方法，其特征在于，步骤SS1中，所述叶型前缘、叶型尾缘的半径为0.1～3.0mm。

4.根据权利要求1所述的低阻高效的叶片式预旋喷嘴设计方法，其特征在于，步骤SS2中，所述叶片进口几何角为0°。

5.根据权利要求1所述的低阻高效的叶片式预旋喷嘴设计方法，其特征在于，步骤SS2中，叶片出口几何角一般为40°～90°。

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