CN117763763A - 用于角区流动控制的压气机叶根轴向非均匀倒圆优化方法 - Google Patents

Abstract

一种用于角区流动控制的压气机叶根轴向非均匀倒圆优化方法，在待优化方案叶根压力面及吸力面选取若干控制点，确定各控制点处倒圆设计参数并应用B样条插值方法得到叶片各个轮廓散点的对应倒圆设计参数；对于所有轮廓散点分别建立垂直于端壁和局部叶型型线切线方向的平面直角坐标系，在此坐标系下基于所有轮廓散点的反比例函数确定带非均匀倒圆根部叶型轮廓。本发明减少非均匀倒圆设计所需的控制参数，以便于采用较少的样本数量进行后续的优化设计；能够有效抑制压气机叶根的角区分离，并降低额外的尾缘脱落涡带来的分离损失，从而在整个攻角范围内提高叶片性能，相比于均匀叶根倒圆，具有更大的性能优化潜力。

Description

用于角区流动控制的压气机叶根轴向非均匀倒圆优化方法

技术领域

本发明涉及的是一种发动机制造领域的技术，具体是一种用于角区流动控制的压气机叶根轴向非均匀倒圆优化方法。

背景技术

现代压气机核心机的尺寸不断缩小，在单级增压比和气动载荷不断提高的同时，随着负载的增加，角区分离问题变得更加严重，从而导致压气机的工作性能下降。叶根倒圆最初被视为叶片加工的必要结构。然而，研究表明在一些情况下它可以抑制角区分离，但目前尚未有较为普适的参数化方法及设计准则。

发明内容

本发明针对现有叶片根部均匀倒圆技术难以在不同来流工况下改善压气机性能的不足，现有设计方法无法实现通过进行被动流动控制改善角区分离，无法实现叶根结构强度优化的不足，提出一种用于角区流动控制的压气机叶根轴向非均匀倒圆优化方法，构造倒圆尺寸沿轴向先增后减的叶片几何构型。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种用于角区流动控制的压气机叶根轴向非均匀倒圆优化方法，在待优化方案叶根压力面及吸力面选取若干控制点，确定各控制点处倒圆设计参数并应用B样条插值方法得到叶片各个轮廓散点的对应倒圆设计参数；对于所有轮廓散点分别建立垂直于端壁和局部叶型型线切线方向的平面直角坐标系，在此坐标系下基于所有轮廓散点的反比例函数确定带非均匀倒圆根部叶型轮廓。

所述的待优化方案包括：不同叶高处的若干套叶型轮廓散点的坐标集。

所述的若干控制点，包括：前缘LE、尾缘TE、吸力面10％弦长SS1、吸力面50％弦长SS5、吸力面90％弦长SS9和压力面50％弦长PS5。

所述的平面直角坐标系，以垂直于局部叶型型线切线方向并垂直于叶高方向为X轴正方向，叶高方向为Y轴正方向。

所述的确定各控制点处的倒圆设计参数，具体包括：

i)确定倒圆在控制截面上沿Y轴方向的截距，即倒圆高度h，h∈[0,20％H]，其中H为叶片叶高。

ii)确定倒圆在控制截面上沿X轴方向的截距，即倒圆宽度w，w∈[0,10％C]，其中C为叶片弦长。

iii)确定倒圆坡度s，即倒圆轮廓控制方程在x＝w处的斜率，s的取值等于倒圆轮廓曲线和X坐标轴负方向的夹角正切值，为保证倒圆结构与叶型的平滑过渡，s∈[0.4,3.0]。

所述的各控制点处倒圆设计参数中：从前缘LE位置到吸力面50％弦长SS5位置，倒圆高度h和倒圆宽度w逐渐增大；从吸力面50％弦长SS5位置到尾缘TE位置，倒圆高度h和倒圆宽度w逐渐减小；且应保证SS9与TE处的h和w分别大于等于SS1与LE处的h和w。

所述的叶片各个轮廓散点的对应倒圆设计参数，包括倒圆高度h、倒圆坡度s和倒圆宽度w，通过以下方式得到：将控制点和所有轮廓散点按压力面侧和吸力面侧两条型线分组，由轮廓散点的横坐标t唯一确定吸力面或压力面型线所有轮廓散点上的倒圆控制参数，具体为：吸力面上横坐标为t位置处的倒圆设计参数其中：h_i为吸力面第1到5个控制点处的对应倒圆设计参数h，压力面上横坐标为t位置处的倒圆设计参数其中：h_i为压力面第1到3个控制点处的对应倒圆设计参数h；w和s的插值方法与h相同；k次B样条基函数/>

所述的反比例函数是指：当前轮廓散点处的反比例函数，即倒圆控制方程其中：/>

所述的带非均匀倒圆根部叶型轮廓，通过将所有轮廓散点处的倒圆设计参数，根据倒圆控制方程得到对应的倒圆轮廓曲线，再将对应高度y_i处各轮廓散点沿前述与型线垂直平面直角坐标系的X方向向外侧延伸x_i长度，长度x_i为所在轮廓散点倒圆控制方程反求的x坐标，得到对应叶高位置包含倒圆的更新叶型轮廓，将更新叶型轮廓替换原有根部叶型轮廓，得到带非均匀倒圆根部叶型轮廓。

技术效果

本发明采用反比例函数形式的倒圆轮廓控制方程，仅需采用三个参数即能够对非均匀倒圆轮廓进行有效控制；基于关键的轴向控制点位置，采用反比例函数形式的倒圆轮廓以及倒圆尺寸先增后减的控制规律，对整个轴向范围内的倒圆进行协同控制。与现有技术相比，本发明显著减少非均匀倒圆设计所需的控制参数，以便于采用较少的样本数量进行后续的优化设计；能够有效抑制压气机叶根的角区分离，并降低额外的尾缘脱落涡带来的分离损失，从而在整个攻角范围内提高叶片性能，相比于均匀叶根倒圆，具有更大的性能优化潜力。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为待优化压气机叶栅模型示意图；

图3为倒圆轴向控制位置分布示意图；

图4为倒圆几何(半叶高)模型示意图；

图5为倒圆轮廓截面控制函数示意图；

图6为采用参数化非均匀倒圆设计的叶型几何模型示意图；

图7为无倒圆、小半径均匀倒圆、大半径均匀倒圆及参数化非均匀倒圆方案的不同攻角下定常总压损失系数对比图。

具体实施方式

如图2所示，为本实施例所涉及之待优化压气机叶片，其部分设计参数见表1所示。

表1某压气机叶片部分设计参数。

如图1所示，本实施例针对上述压气机叶片的压气机叶根轴向非均匀倒圆优化方法，包括：

步骤1)在待优化方案的叶根平面叶型中选取若干控制点确定倒圆设计参数：在压力面侧选取前缘LE、尾缘TE、压力面50％弦长PS5三个控制点进行倒圆轮廓控制；吸力面倒圆对分离流动影响显著，为了更好的控制流动，需要选取前缘LE、尾缘TE、吸力面10％弦长处SS1、吸力面50％弦长处SS5和吸力面90％弦长处SS9共五个控制点进行倒圆轮廓控制。各控制点位置如图3所示。

步骤2)对于选定的各个控制点，沿叶型轮廓法向方向建立平面直角坐标系，规定垂直于局部叶型型线切线方向并垂直于叶高方向为X轴正方向，叶高方向为Y轴正方向，该坐标系如图4所示。倒圆的轴向轮廓最终满足倒圆控制方程：

步骤3)根据实际设计需求先行确定叶片50％弦长处SS5及PS5控制点处的倒圆设计参数，具体包括：

i)确定倒圆高度h，如图5所示，h为倒圆在控制截面上沿Y轴方向的截距，即：控制h∈[0,20％H]，其中H为叶片叶高。

本实施例中，取h_ss5＝2.213mm、h_ps5＝5.989mm。

ii)确定倒圆宽度w，如图5所示，w为倒圆在控制截面上沿X轴方向的截距，即：控制w∈[0,10％C]，其中C为叶片弦长。

本实施例中，取w_ss5＝3.8mm、w_ps5＝3.996mm。

iii)确定倒圆坡度s，如图5所示，s为倒圆轮廓曲线和X坐标轴的夹角正切值，即倒圆轮廓控制方程在x＝w处的斜率：为保证倒圆结构与叶型的平滑过渡，s∈[0.4,3.0]。

本实施例中，取s_ss5＝0.515、s_ps5＝0.426。

步骤4)继而分别在压力面、吸力面其余控制点处设计倒圆设计参数，具体包括：

i)压力面侧应保证PS5处倒圆高度h和倒圆宽度w大于等于前缘LE和尾缘TE处倒圆高度h和倒圆宽度w，并控制倒圆坡度s在合理范围内；

ii)在吸力面侧应保证从前缘LE位置到吸力面50％弦长SS5位置，倒圆高度h和倒圆宽度w逐渐增大；从吸力面50％弦长SS5位置到尾缘TE位置，倒圆高度h和倒圆宽度w逐渐减小；且应保证SS9与TE处的h和w分别大于等于SS1与LE处的h和w。

根据上述原则和本实施例的实际情况，可确定本实施例各控制点处的倒圆设计参数如表2所示：

表2某压气机叶片控制点倒圆设计参数

步骤5)基于步骤4)取得各控制点处的倒圆设计参数后，计算该控制点处的倒圆轮廓，对于控制倒圆轮廓的反比例函数表达式，即倒圆控制方程：中的各参数取值，由各控制点处的倒圆设计参数h、w、s确定：/>

本实施例各控制点处的倒圆控制方程中的各参数取值如表3所示：

表3某压气机叶片控制点倒圆控制方程参数：

步骤6)确定各控制点的倒圆设计参数后，为避免出现几何奇点，形成不合理的尖刺或者缺损，采用B样条插值生成叶片其余轮廓散点处的倒圆设计参数h、w及s，具体包括：

i)在平面叶型文件上，根据压力面和吸力面所处的不同型线将前缘LE至尾缘TE之间的全部轮廓散点及控制点分为两组，每一型线上的各轮廓散点可分别由平面叶型坐标系中横坐标t唯一确定。压力面侧包括控制点：LE、PS5、TE；吸力面侧包括控制点：LE、SS1、SS5、SS9、TE。

ii)对两组型线上的轮廓散点分别应用B样条插值方法，以该型线上的控制点为插值节点，对三个倒圆设计参数h、w、s分别进行插值，获得所有轮廓散点处的倒圆设计参数。吸力面上横坐标为t位置处的倒圆设计参数其中：h_i为吸力面5个控制点处的对应倒圆设计参数h，压力面上横坐标为t位置处的倒圆设计参数/>其中：h_i为压力面3个控制点处的对应倒圆设计参数h，w和s的插值方法与h相同，B_i,k(t)称作k次B样条基函数，可由如下递推关系式确定：/>k为插值次数。

本实施例中，根据控制点个数的不同，在压力面侧取k＝2，在吸力面侧取k＝4。

步骤7)基于步骤6)中得到的叶型各轮廓散点处的倒圆设计参数，应用倒圆控制方程，即可得到所有轮廓散点上的倒圆轮廓曲线。继而，对于任意轮廓散点，根据平面叶型文件中对应的叶高值y_i，应用倒圆控制方程，计算对应的x坐标x＝x_i，即相比于原叶型，倒圆轮廓向外延伸的x_i长度。在该叶高的叶型几何平面上，将所有轮廓散点沿垂直于当地叶型型线切线方向延伸对应的x_i长度，替换原轮廓，即可获得该叶高位置的叶型轮廓。对倒圆结构涉及的所有叶高处的叶型文件进行上述替换，进而替换原有叶型轮廓以建立新的带参数化非均匀倒圆的根部叶型轮廓。

对于本实施例采用以上非均匀倒圆设计后的压气机叶片进行建模、网格划分及数值模拟，其叶片表面网格分布如图6所示，其计算结果F_Var与无倒圆原型叶片BASE、0.5mm均匀倒圆F_0.5及3mm均匀倒圆F_3.0的总压损失结果对比如图5所示。

由图7可见，与现有技术相比，通过本发明能够克服F_0.5在大攻角下改善效果差以及F_3.0在小攻角下使流动恶化的缺点。相比于采用大半径均匀倒圆的F_3.0，采用非均匀倒圆的F_Var在大攻角下总压损失水平与其相近，但在小攻角下总压损失则减少了7％～10％。而相比于采用小半径均匀倒圆的F_0.5，采用非均匀倒圆的F_Var在小攻角下与其总压损失水平相近，但在大攻角下总压损失则减少了10％。由此不难看出，采用本发明非均匀倒圆方法的示例F_Var在整个攻角范围内均有效降低了总压损失，达到了较好的控制效果，体现了本发明在改善流动、提高压气机效率方面的重要价值。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种用于角区流动控制的压气机叶根轴向非均匀倒圆优化方法，其特征在于，在待优化方案叶根压力面及吸力面选取若干控制点，确定各控制点处倒圆设计参数并应用B样条插值方法得到叶片各个轮廓散点的对应倒圆设计参数；对于所有轮廓散点分别建立垂直于端壁和局部叶型型线切线方向的平面直角坐标系，在此坐标系下基于所有轮廓散点的反比例函数确定带非均匀倒圆根部叶型轮廓；

所述的若干控制点，包括：前缘LE、尾缘TE、吸力面10％弦长SS1、吸力面50％弦长SS5、吸力面90％弦长SS9和压力面50％弦长PS5。

2.根据权利要求1所述的用于角区流动控制的压气机叶根轴向非均匀倒圆优化方法，其特征是，所述的确定各控制点处倒圆设计参数，具体包括：

i)确定倒圆在控制截面上沿Y轴方向的截距，即倒圆高度h，h∈[0,20％H]，其中H为叶片叶高；

ii)确定倒圆在控制截面上沿X轴方向的截距，即倒圆宽度w，w∈[0,10％C]，其中C为叶片弦长；

iii)确定倒圆坡度s，即倒圆轮廓控制方程在x＝w处的斜率，s的取值等于倒圆轮廓曲线和X坐标轴负方向的夹角正切值，为保证倒圆结构与叶型的平滑过渡，s∈[0.4,3.0]。

3.根据权利要求1或2所述的用于角区流动控制的压气机叶根轴向非均匀倒圆优化方法，其特征是，所述的各控制点处倒圆设计参数中：从前缘LE位置到吸力面50％弦长SS5位置，倒圆高度h和倒圆宽度w逐渐增大；从吸力面50％弦长SS5位置到尾缘TE位置，倒圆高度h和倒圆宽度w逐渐减小；且应保证SS9与TE处的h和w分别大于等于SS1与LE处的h和w。

4.根据权利要求1所述的用于角区流动控制的压气机叶根轴向非均匀倒圆优化方法，其特征是，所述的叶片各个轮廓散点的对应倒圆设计参数，包括倒圆高度h、倒圆坡度s和倒圆宽度w，通过以下方式得到：将控制点和所有轮廓散点按压力面侧和吸力面侧两条型线分组，由轮廓散点的横坐标t唯一确定吸力面或压力面型线所有轮廓散点上的倒圆控制参数，具体为：吸力面上横坐标为t位置处的倒圆设计参数其中：h_i为吸力面第1到5个控制点处的对应倒圆设计参数h，压力面上横坐标为t位置处的倒圆设计参数其中：h_i为压力面第1到3个控制点处的对应倒圆设计参数h；w和s的插值方法与h相同；k次B样条基函数/>

5.根据权利要求1所述的用于角区流动控制的压气机叶根轴向非均匀倒圆优化方法，其特征是，所述的反比例函数是指：当前轮廓散点处的反比例函数，即倒圆控制方程其中：/>

6.根据权利要求1所述的用于角区流动控制的压气机叶根轴向非均匀倒圆优化方法，其特征是，所述的带非均匀倒圆根部叶型轮廓，通过将所有轮廓散点处的倒圆设计参数，根据倒圆控制方程得到对应的倒圆轮廓曲线，再将对应高度y_i处各轮廓散点沿前述与型线垂直平面直角坐标系的X方向向外侧延伸x_i长度，长度x_i为所在轮廓散点倒圆控制方程反求的x坐标，得到对应叶高位置包含倒圆的更新叶型轮廓，将更新叶型轮廓替换原有根部叶型轮廓，得到带非均匀倒圆根部叶型轮廓。

7.根据权利要求1-6中任一所述的用于角区流动控制的压气机叶根轴向非均匀倒圆优化方法，其特征是，具体包括：

步骤1)在待优化方案的叶根平面叶型中选取若干控制点确定倒圆设计参数：在压力面侧选取前缘LE、尾缘TE、压力面50％弦长PS5三个控制点进行倒圆轮廓控制；吸力面倒圆对分离流动影响显著，为了更好的控制流动，需要选取前缘LE、尾缘TE、吸力面10％弦长处SS1、吸力面50％弦长处SS5和吸力面90％弦长处SS9共五个控制点进行倒圆轮廓控制；

步骤2)对于选定的各个控制点，沿叶型轮廓法向方向建立平面直角坐标系，规定垂直于局部叶型型线切线方向并垂直于叶高方向为X轴正方向，叶高方向为Y轴正方向，倒圆的轴向轮廓最终满足倒圆控制方程：

步骤3)根据实际设计需求先行确定叶片50％弦长处SS5及PS5控制点处的倒圆设计参数，具体包括：

i)确定倒圆在控制截面上沿Y轴方向的截距，即倒圆高度控制h∈[0,20％H]，其中H为叶片叶高；

ii)确定倒圆在控制截面上沿X轴方向的截距，即倒圆宽度控制w∈[0,10％C]，其中C为叶片弦长；

iii)确定倒圆轮廓曲线和X坐标轴的夹角正切值，即倒圆轮廓控制方程在x＝w处的斜率作为倒圆坡度为保证倒圆结构与叶型的平滑过渡，s∈[0.4,3.0]；

步骤4)继而分别在压力面、吸力面其余控制点处设计倒圆设计参数，具体包括：

i)压力面侧应保证PS5处倒圆高度h和倒圆宽度w大于等于前缘LE和尾缘TE处倒圆高度h和倒圆宽度w；

ii)在吸力面侧应保证从前缘LE位置到吸力面50％弦长SS5位置，倒圆高度h和倒圆宽度w逐渐增大；从吸力面50％弦长SS5位置到尾缘TE位置，倒圆高度h和倒圆宽度w逐渐减小；且应保证SS9与TE处的h和w分别大于等于SS1与LE处的h和w；

步骤5)基于步骤4)取得各控制点处的倒圆设计参数后，计算该控制点处的倒圆轮廓，对于控制倒圆轮廓的反比例函数表达式，即倒圆控制方程：中的各参数取值，由各控制点处的倒圆设计参数h、w、s确定：/>

步骤6)确定各控制点的倒圆设计参数后，为避免出现几何奇点，形成不合理的尖刺或者缺损，采用B样条插值生成叶片其余轮廓散点处的倒圆设计参数h、w及s，具体包括：

i)在平面叶型文件上，根据压力面和吸力面所处的不同型线将前缘LE至尾缘TE之间的全部轮廓散点及控制点分为两组，每一型线上的各轮廓散点可分别由平面叶型坐标系中横坐标t唯一确定，压力面侧包括控制点：LE、PS5、TE；吸力面侧包括控制点：LE、SS1、SS5、SS9、TE；

ii)对两组型线上的轮廓散点分别应用B样条插值方法，以该型线上的控制点为插值节点，对三个倒圆设计参数h、w、s分别进行插值，获得所有轮廓散点处的倒圆设计参数，吸力面上横坐标为t位置处的倒圆设计参数其中：h_i为吸力面5个控制点处的对应倒圆设计参数h，压力面上横坐标为t位置处的倒圆设计参数/>其中：h_i为压力面3个控制点处的对应倒圆设计参数h，w和s的插值方法与h相同，B_i,k(t)称作k次B样条基函数，可由如下递推关系式确定：/>k为插值次数；

步骤7)基于步骤6)中得到的叶型各轮廓散点处的倒圆设计参数，应用倒圆控制方程，即可得到所有轮廓散点上的倒圆轮廓曲线，继而，对于任意轮廓散点，根据平面叶型文件中对应的叶高值y_i，应用倒圆控制方程，计算对应的x坐标x＝x_i，即相比于原叶型，倒圆轮廓向外延伸的x_i长度，在该叶高的叶型几何平面上，将所有轮廓散点沿垂直于当地叶型型线切线方向延伸对应的x_i长度，替换原轮廓，即可获得该叶高位置的叶型轮廓，对倒圆结构涉及的所有叶高处的叶型文件进行上述替换，进而替换原有叶型轮廓以建立新的带参数化非均匀倒圆的根部叶型轮廓。