CN115853603A - 高通流宽工况涡轮排气支板大小叶片气动布局设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高通流宽工况涡轮排气支板大小叶片气动布局设计方法，将起承力作用的支板设计为大支板叶片；将起整流作用的支板设计为小支板叶片；对大、小叶片进行气动布局，大、小叶片气动布局分为均匀大小叶片气动布局和非均匀大小叶片气动布局，均匀大小叶片气动布局中的大、小叶片沿周向均匀布置，非均匀大小叶片气动布局实现相邻小叶片之间、大小叶片之间的流道具有最佳流动形态，在大叶片叶型设计参数确定的前提下，对小叶片的栅距和进出口几何构造角、安装角等叶型参数进行定制。本发明满足涡轮排气段在结构方面的承力、传力、引气功能，还在气动方面实现了低损失和整流需求。

Description

高通流宽工况涡轮排气支板大小叶片气动布局设计方法

技术领域

本发明属于涡轮发动机技术领域，涉及一种高通流宽工况涡轮排气支板大小叶片气动布局设计方法。

背景技术

高速涡轮发动机为了降低重量和成本，要求涡轮负荷更高，同时采用较少的级数，由此导致涡轮排气段整流支板进口预旋较高，气动设计难度增加。由于涡轮部件的宽工作范围，导致涡轮出口马赫数变化范围达到0.4～0.7、气流角变化范围达到±15°，从根到尖还存在较大的径向变化，且同时出口支板需承担整流、承力、传力、引气等功能，导致支板的最大厚度及叶型面积受到限制，往往造成排气段通道扩张明显。在高紧凑结构要求之下，通道扩张程度加剧。在这样的来流条件和结构限制下，排气支板极易发生流动分离，从而对下游加力燃烧室的稳定工作带来很大的困难。同时，由于高速涡轮发动机中加力燃烧室工作时间长、对整机推力影响大，在设计中必须严格控制支板出口的流场品质。因此，高轴向马赫数、大攻角和小轴向尺寸下，涡轮排气支板设计是一项亟待解决的问题。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：针对具有来流马赫数高、攻角变化范围宽以及子午通道扩张大、轴向尺寸紧凑等特点的高通流宽工况涡轮排气段，为实现支板兼具支撑、提供管路/冷气通路以及低损失和整流的要求，提出一种高通流宽工况涡轮排气支板大小叶片气动布局设计方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种高通流宽工况涡轮排气支板大小叶片气动布局设计方法，首先，将起承力作用的支板设计为大支板叶片，记为：大叶片；将起整流作用的支板设计为小支板叶片，记为：小叶片；然后，对大、小叶片进行气动布局，大、小叶片气动布局分为均匀大小叶片气动布局和非均匀大小叶片气动布局，均匀大小叶片气动布局中的大、小叶片沿周向均匀布置，非均匀大小叶片气动布局实现相邻小叶片之间、大小叶片之间的流道具有最佳流动形态，在大叶片叶型设计参数确定的前提下，对小叶片的栅距和进出口几何构造角、安装角的叶型参数进行定制。

其中，大支板叶片设计时，根据高通流宽工况涡轮排气段提出的支板设计技术要求，包括结构尺寸方面的约束和限制，完成排气段子午流道型线和大支板叶片设计、机匣型线的设计、大支板叶片叶型参数设计。

其中，排气段子午流道型线设计时，先进行轮毂型线设计，利用Line-Bezier-Line曲线形式将轮毂型线设计为S型曲线，其起点和终点处平缓，中间陡峭，第一个拐点靠近支板前缘，第二个拐点位于大支板叶片最大厚度位置处，使子午流道主扩张段在第二个拐点前实现。

其中，大支板叶片设计时，在叶片最大厚度位置上游，叶片厚度逐渐增加；在叶片最大厚度位置下游，叶片厚度迅速减小；第一个拐点位置的曲率半径小于第二个拐点位置的曲率半径。

其中，机匣型线设计时，利用Line-Bezier-Line曲线将机匣型线设计为凸包形状，凸包最高点轴向位置与大支板叶片最大厚度位置一致。

其中，叶型参数的设计原则为：前缘半径以不影响对上游转子的势干扰为准，尾缘厚度以改善流道后半部的压强梯度为准；在满足结构方面需求的前提下，大叶片数量越少越好，根据来流攻角和整流需求，对大叶片的进/出口几何构造角、安装角叶型参数进行设计。

其中，大、小叶片气动布局时，需要设计的内容包括：小叶片叶型设计和三维造型设计以及大小叶片的数目比、相对轴向位置、相对周向位置设计。

其中，均匀大小叶片气动布局时，设计参数包括小叶片叶型参数、大小叶片的数目比和小叶片在大叶片流道中的轴向位置，小叶片叶型参数包括小叶片的进/出口几何构造角、安装角；大小叶片的数目比确定时，选取的原则是在满足整流的前提下尽量选取较少的小叶片数量；确定大小叶片数目比以后，相邻小叶片以及大小叶片之间的周向位置或栅距即确定；小叶片在大叶片流道中的轴向位置满足小叶片尾缘轴向位置与大叶片尾缘轴向位置齐。

其中，非均匀大小叶片气动布局时，设计参数包括小叶片之间的栅距、小叶片的进气角以及小叶片在大叶片流道中的相对周向位置，非均匀大小叶片气动布局在均匀大小叶片气动布局方案基础上开展，其中的大叶片继承自均匀大小叶片气动布局方案，小叶片根据当地流动形态对进/出口几何构造角和安装角进行设计；非均匀大小叶片气动布局中的小叶片分为两大类，第一类是大叶片两侧相邻小叶片，第二类是除第一类小叶片外的小叶片，第一类小叶片改善大叶片流动特性，第二类小叶片对排气段进行整流；确定第一类小叶片与相邻大叶片之间的位置以及小叶片的进出口几何构造角、安装角时，以满足大叶片两侧通道收敛度相为准；确定第二类小叶片的型线和进/出口几何构造角、安装角时，以实现小叶片之间具有最佳流动形态，并满足涡轮排气段整流需求为准。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的高通流宽工况涡轮排气支板大小叶片气动布局设计方法，针对具有来流马赫数高、攻角变化范围宽、子午流道扩张显著等显著特征的高通流宽工况涡轮排气段，形成了均匀大小叶片气动布局和非均匀大小叶片气动布局设计方案，既能够满足涡轮排气段在结构方面承担的整流、承力、传力、引气等功能，还在气动方面实现了低损失和整流需求。

附图说明

图1为两个典型工况下涡轮排气段进口气流角的径向分布图；

图2为涡轮排气支板子午流道示意图；

图3为涡轮排气支板子午流道型线参数化示意图；

图4为涡轮排气支板大叶片叶型示意图；

图5为涡轮排气支板均匀大小叶片气动布局示意图；(a)图为根截面，(b)图为中截面，(c)图为尖截面；

图6为涡轮排气支板均匀大小叶片气动布局设计方案出口气流角分布；

图7为涡轮排气支板非均匀大小叶片气动布局示意图；(a)图为根截面，(b)图为中截面，(c)图为尖截面；

图8为涡轮排气支板非均匀大小叶片气动布局设计方案出口气流角分布。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明高通流宽工况涡轮排气支板大小叶片气动布局设计方法的基本设计思路是将起承力作用的支板和起整流作用的支板分开设计，将起承力作用的支板设计为弦长和厚度较大的大支板叶片(以下简称大叶片)，而将起整流作用的支板设计为弦长和厚度较小的小支板叶片(以下简称小叶片)。通过大叶片实现涡轮排气段在结构方面的支撑、提供管路/冷气通路等需求，为小叶片的设计自由度拓展空间，从而可以采用弯、掠等先进三维气动造型技术进行小叶片设计，以尽可能地降低流动损失并满足整流要求，图1为两个典型工况下涡轮排气段进口气流角的径向分布。大小叶片气动布局可分为均匀大小叶片气动布局和非均匀大小叶片气动布局，均匀大小叶片气动布局中的大、小叶片沿周向均匀布置，而非均匀大小叶片气动布局是为了保证相邻小叶片之间、大小叶片之间的流道都具有最佳的流动形态，在大叶片叶型设计参数确定的前提下，对小叶片的栅距和进出口几何构造角、安装角等叶型参数进行定制。

首先，根据高通流宽工况涡轮排气段提出的支板设计技术要求，尤其是结构尺寸方面的约束和限制，完成排气段子午流道型线和大支板叶片设计，如图2所示，并对仅具有大支板叶片的排气段进行三维数值模拟，总结马赫数、通道扩张率以及攻角对排气段流动特性的影响规律，为设计具有针对性的排气支板大小叶片气动布局方案提供基准参考方案。

作为低压涡轮的下游部件，涡轮排气段的进口气动边界条件和几何尺寸基本确定；作为加力燃烧室的上游部件，尤其是在高速涡轮发动机中，加力燃烧室工作时间长，对整机推力影响大，在设计中必须严格控制排气段的出口流场品质，其出口几何尺寸通常也限定在一个范围内。此外，在高紧凑结构约束下，涡轮排气段轴向尺寸较小且基本确定。因此，对于设计自由度非常有限的涡轮排气段而言，子午流道型线设计是其中一项重要内容。具体而言，根据具体的结构参数约束和限制，将排气段轮毂或轮缘型线设计为合理的曲线形式，以削弱端壁流动分离和损失。由于涡轮排气段进/出口内径尺寸已基本确定，而子午流道的主要扩张区域位于轮毂位置，因此轮毂型线的设计对于排气段非常重要。如图3所示，本发明中利用Line-Bezier-Line曲线形式将轮毂型线设计为S型曲线，其起点和终点处平缓，中间陡峭，第一个拐点靠近支板前缘，第二个拐点位于大支板叶片最大厚度位置附近，从而使得子午流道绝大部分的扩张在第二个拐点前实现。这种曲线变化形式充分考虑了大支板叶片厚度变化对流道面积的影响，在叶片最大厚度位置上游，叶片厚度逐渐增加，虽然子午流道急剧扩张，但S1流面通流面积的减小可以起到一定的面积补偿作用，削弱其带来的不利影响；在叶片最大厚度位置下游，叶片厚度迅速减小，使得S1流面通流面积迅速扩张，而子午流道基本不再扩张，从而可以削弱支板厚度减小带来的不利影响。此外，第一个拐点位置的曲率半径相对较小，使得子午流道在支板叶片最大厚度位置上游迅速扩张，而第二个拐点位置的曲率半径较大，使得子午流道在支板叶片最大厚度位置附近及其下游缓慢变化，避免型线急剧变化而引起的流动恶化。

由于涡轮排气段进/出口的外径尺寸已基本确定，机匣型线的设计对于排气段上半叶高区域的流动特性也具有重要影响。本发明中利用Line-Bezier-Line曲线将机匣型线设计为凸包形状，在该区域建立先扩张后收缩的通道形式，使得机匣型线在支板最大厚度之后适度下压，期望利用子午流道收缩带来的局部加速减轻流道后部扩张段由于逆压梯度引起的分离。凸包高度和凸包最高点轴向位置是机匣型线的两个关键控制参数。结合当地流动特性进行凸包高度设计，一方面要避免由于凸包高度过大而引起局部流动分离，同时也要避免由于凸起高度过小而无法改善上半叶高流动特性，本发明中凸包高度为L₁＝8.1mm。为了充分发挥机匣曲线收缩对子午流道面积的补偿效应，结合大支板叶片厚度变化规律进行凸包最高点轴向位置设计，本发明中凸包最高点轴向位置与大支板叶片最大厚度基本一致，即距离前缘L₂＝62.4mm。

出于结构强度和减重的要求，大支板叶片的数量或其范围在气动设计前通常由发动机总体给定。由于排气支板在结构方面还需要满足承力、通过冷气/供油管路等需求，其最大厚度和积叠方式也基本确定。因此，大支板叶片的设计空间也非常有限，主要是叶型参数。考虑到大支板叶片距上游转子的轴向间距较小，为避免增强对上游转子的势干扰，前缘半径不宜过大，同时较大的尾缘厚度有利于改善流道后半部的压强梯度，本发明中根、中、尖3个截面的前/尾缘半径为r₁＝6mm和r₂＝5mm。为了降低叶片摩擦损失，在满足结构方面需求的前提下，大叶片数量应当尽量减少，本发明中大叶片数量为N₁＝7。同时，在结构方面允许的前提下，根据来流攻角和整流需求，对大叶片的进/出口几何构造角、安装角等叶型参数进行设计，使得大叶片也能够在一定程度上起到整流作用，如图4所示。大叶片的主要叶型设计参数如表1所示。

表1大叶片主要叶型设计参数

其次，在完成涡轮排气段子午流道型线和支板大叶片设计的基础上，即可开展大小叶片气动布局方案设计，其主要内容是小叶片叶型设计和三维造型设计以及大小叶片的数目比、相对轴向位置、相对周向位置设计。

均匀大小叶片气动布局的主要设计参数包括小叶片叶型参数、大小叶片的数目比和小叶片在大叶片流道中的轴向位置，如图5所示。其一是确定小叶片的进/出口几何构造角、安装角等叶型参数。虽然前缘半径较大能够适应大攻角来流条件，但是较大的前缘半径更容易引起摩擦损失增加，为了降低小叶片摩擦损失和尾缘损失，在满足强度要求的条件下，前/尾缘半径及最大厚度选取较小值，本发明中小叶片根、中、尖3个截面的半径为r₃＝1.0mm、r₄＝0.5mm。其二是确定大小叶片的数目比。如果大叶片数量相对较少，则小叶片数量应选取较多，反之则选取较少，其选取的基本原则是在满足整流的前提下尽量选取较少的小叶片数量，以降低摩擦和尾迹等损失，本发明中大/小叶片数目比为4。在确定大小叶片数目比以后，相邻小叶片以及大小叶片之间的周向位置(或栅距)即确定，相邻叶片间的中心角θ＝10.29°。其三是确定小叶片在大叶片流道中的轴向位置。由于小叶片位于大叶片槽道内部，大叶片对来流的整流作用使得小叶片的实际攻角减小，为了充分利用该效应，小叶片在大叶片流道中的轴向位置应当后移，使得小叶片尾缘轴向位置与大叶片尾缘轴向位置齐。这种布置形式也能够有效降低大叶片后段负荷，减小大叶片整体逆压梯度，从而削弱流动分离风险。小叶片的主要叶型设计参数如表2所示。图6给出了涡轮排气支板大小叶片气动布局设计方案出口气流角的径向分布，两个典型工况下出口气流角与轴向夹角均不超过±5°。此外，两个典型工况涡轮排气段总压恢复系数为0.9908和0.9843，流场品质满足设计要求。

表2均匀大小叶片气动布局中小叶片主要叶型设计参数

非均匀大小叶片气动布局的主要设计参数为小叶片之间的栅距、小叶片的进气角以及小叶片在大叶片流道中的相对周向位置，如图7所示。非均匀大小叶片气动布局通常在均匀大小叶片气动布局设计方案的基础上开展，其中的大叶片通常继承自均匀大小叶片气动布局设计方案，小叶片则需要根据当地流动形态对进/出口几何构造角和安装角等叶型参数进行重新设计。需要注意的是，非均匀大小叶片气动布局中的小叶片通常分为两大类，一类是大叶片两侧相邻小叶片，另一类则是除此以外的其他小叶片，前者的主要作用是改善大叶片流动特性，以尽可能削弱大叶片角区流动分离，后者的主要作用是对排气段进行整流，保证出口气流品质满足下游部件要求。在对二者进行设计时，应当根据其主要功能并结合当地流动形态，分别进行设计。由于大支板叶片的最大厚度较大，局部加速明显且吸力面逆压梯度较为严重，其引起的气动损失通常显著高于小叶片。因此，非均匀大小叶片气动布局设计中，应当格外关注小叶片叶型设计参数以及小叶片与相邻大叶片之间的栅距。如图7所示，从下到上，小叶片编号依次为#1、#2、#3、#4，叶片之间的中心角度依次为θ₁＝10°、θ₂＝10°、θ₃＝11.4°、θ₄＝10°、θ₅＝10°。大叶片相邻小叶片的主要作用是改善大叶片流动特性，整流作用相对较弱，应当根据大叶片两侧具体流动情况，确定小叶片与相邻大叶片之间的位置以及小叶片的进出口几何构造角、安装角等叶型参数，保证大叶片两侧通道收敛度基本相同，从而实现大小叶片之间流道具有最佳流动形态。除大叶片两侧相邻小叶片以外，第二类小叶片的主要作用是整流和维持良好的流动特征，根据小叶片当地来流攻角条件，对这类小叶片型线和进/出口几何构造角、安装角等进行定制设计，保证小叶片之间具有最佳流动形态，并最终满足涡轮排气段整流需求，本发明中小叶片#2和#3的叶型设计参数一致。4个叶片的主要叶型设计参数如表3所示。图8给出了涡轮排气支板非均匀大小叶片气动布局设计方案出口气流角径向分布，两个典型工况下出口气流角与轴向夹角均不超过±5°。此外，两个典型工况涡轮排气段总压恢复系数为0.9918和0.9855，流场品质满足设计要求。

表3非均匀大小叶片气动布局中小叶片主要叶型设计参数

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高通流宽工况涡轮排气支板大小叶片气动布局设计方法，其特征在于，首先，将起承力作用的支板设计为大支板叶片，记为：大叶片；将起整流作用的支板设计为小支板叶片，记为：小叶片；然后，对大、小叶片进行气动布局，大、小叶片气动布局分为均匀大小叶片气动布局和非均匀大小叶片气动布局，均匀大小叶片气动布局中的大、小叶片沿周向均匀布置，非均匀大小叶片气动布局实现相邻小叶片之间、大小叶片之间的流道具有最佳流动形态，在大叶片叶型设计参数确定的前提下，对小叶片的栅距和进出口几何构造角、安装角的叶型参数进行定制。

2.如权利要求1所述的高通流宽工况涡轮排气支板大小叶片气动布局设计方法，其特征在于，大支板叶片设计时，根据高通流宽工况涡轮排气段提出的支板设计技术要求，包括结构尺寸方面的约束和限制，完成排气段子午流道型线和大支板叶片设计、机匣型线的设计、大支板叶片叶型参数设计。

3.如权利要求2所述的高通流宽工况涡轮排气支板大小叶片气动布局设计方法，其特征在于，排气段子午流道型线设计时，先进行轮毂型线设计，利用Line-Bezier-Line曲线形式将轮毂型线设计为S型曲线，其起点和终点处平缓，中间陡峭，第一个拐点靠近支板前缘，第二个拐点位于大支板叶片最大厚度位置处，使子午流道主扩张段在第二个拐点前实现。

4.如权利要求3所述的高通流宽工况涡轮排气支板大小叶片气动布局设计方法，其特征在于，大支板叶片设计时，在叶片最大厚度位置上游，叶片厚度逐渐增加；在叶片最大厚度位置下游，叶片厚度迅速减小；第一个拐点位置的曲率半径小于第二个拐点位置的曲率半径。

5.如权利要求4所述的高通流宽工况涡轮排气支板大小叶片气动布局设计方法，其特征在于，机匣型线设计时，利用Line-Bezier-Line曲线将机匣型线设计为凸包形状，凸包最高点轴向位置与大支板叶片最大厚度位置一致。

6.如权利要求5所述的高通流宽工况涡轮排气支板大小叶片气动布局设计方法，其特征在于，叶型参数的设计原则为：前缘半径以不影响对上游转子的势干扰为准，尾缘厚度以改善流道后半部的压强梯度为准；在满足结构方面需求的前提下，大叶片数量越少越好，根据来流攻角和整流需求，对大叶片的进/出口几何构造角、安装角叶型参数进行设计。

7.如权利要求6所述的高通流宽工况涡轮排气支板大小叶片气动布局设计方法，其特征在于，大、小叶片气动布局时，需要设计的内容包括：小叶片叶型设计和三维造型设计以及大小叶片的数目比、相对轴向位置、相对周向位置设计。

8.如权利要求7所述的高通流宽工况涡轮排气支板大小叶片气动布局设计方法，其特征在于，均匀大小叶片气动布局时，设计参数包括小叶片叶型参数、大小叶片的数目比和小叶片在大叶片流道中的轴向位置，小叶片叶型参数包括小叶片的进/出口几何构造角、安装角；大小叶片的数目比确定时，选取的原则是在满足整流的前提下尽量选取较少的小叶片数量；确定大小叶片数目比以后，相邻小叶片以及大小叶片之间的周向位置或栅距即确定；小叶片在大叶片流道中的轴向位置满足小叶片尾缘轴向位置与大叶片尾缘轴向位置齐。

9.如权利要求8所述的高通流宽工况涡轮排气支板大小叶片气动布局设计方法，其特征在于，非均匀大小叶片气动布局时，设计参数包括小叶片之间的栅距、小叶片的进气角以及小叶片在大叶片流道中的相对周向位置，非均匀大小叶片气动布局在均匀大小叶片气动布局方案基础上开展，其中的大叶片继承自均匀大小叶片气动布局方案，小叶片根据当地流动形态对进/出口几何构造角和安装角进行设计；非均匀大小叶片气动布局中的小叶片分为两大类，第一类是大叶片两侧相邻小叶片，第二类是除第一类小叶片外的小叶片，第一类小叶片改善大叶片流动特性，第二类小叶片对排气段进行整流；确定第一类小叶片与相邻大叶片之间的位置以及小叶片的进出口几何构造角、安装角时，以满足大叶片两侧通道收敛度相为准；确定第二类小叶片的型线和进/出口几何构造角、安装角时，以实现小叶片之间具有最佳流动形态，并满足涡轮排气段整流需求为准。

10.一种基于权利要求1-9中任一项所述的高通流宽工况涡轮排气支板大小叶片气动布局设计方法在涡轮发动机技术领域中的应用。

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