申请/专利权人：北航(四川)西部国际创新港科技有限公司

申请日：2019-03-15

公开（公告）日：2021-05-25

公开（公告）号：CN110030038B

主分类号：F01D9/04(20060101)

分类号：F01D9/04(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.05.25#授权;2019.08.13#实质审查的生效;2019.07.19#公开

摘要：本申请公开了一种考虑BLI进气畸变效应的叶尖跨音风扇非对称静子设计方法，包括以下步骤：步骤一、根据BLI畸变进气条件下原型设计的风扇静子进口来流情况将静子叶片沿周向划分为畸变区域和非畸变区域；步骤二、对划分为畸变区域的静子叶片进行优化改型，同时，划分为非畸变区域的静子叶片保持原型设计；步骤三、将畸变区域的改型静子叶片和非畸变区域的原型设计叶片组合，得到全周向非对称静子叶片。

主权项：1.一种考虑BLI进气畸变效应的叶尖跨音风扇非对称静子设计方法，包括以下步骤：步骤一、根据BLI畸变进气条件下原型设计的风扇静子进口来流情况将静子叶片沿周向划分为畸变区域和非畸变区域；步骤二、对划分为畸变区域的静子叶片进行优化改型，同时，划分为非畸变区域的静子叶片保持原型设计；步骤三、将畸变区域的改型静子叶片和非畸变区域的原型设计叶片组合，得到全周向非对称静子叶片；所述步骤二包括：对-150°到-60°的周向区域降低叶尖的攻角，对-60°到-30°的周向区域降低50％叶高以上的攻角，对-30°到30°的周向区域降低全叶高的攻角，对30°到-150°的周向区域保持原型设计。

全文数据：考虑BLI进气畸变效应的叶尖跨音风扇非对称静子设计方法技术领域本申请属于压气机风扇静子设计领域，具体地，涉及一种考虑边界层抽吸BoundaryLayerIngestion，简称BLI叶尖跨音风扇非对称静子设计方法。背景技术飞发一体化布局是下一代民用航空飞行器设计的趋势。运用边界层抽吸效应的推进系统布局，相较于传统动力系统布局，理论上能够降低5％～10％的飞行器耗油率，被各大航空研究机构看好。采用BLI推进系统的飞行器，将机身的一部分低速流动的附面层抽吸入动力系统，降低排气速度，提升推进效率，从而降低飞行器的整机耗油率。然而BLI推进系统也为发动机设计带来了新的挑战，由于风扇需要持续工作在畸变进气来流下，这使得风扇气动效率降低1％～2％。因此，BLI进气畸变条件下的高性能风扇设计成为了当下一个重要的研究课题。BLI进气畸变导致风扇内部流动呈现出周向非对称性，总压畸变在经过转子之后得到了发展，叶尖畸变强度增大，畸变沿转向发生周向扩展，周向影响范围扩大，转子出口即静子进口流场呈现出非对称性，畸变区域的静子气流角大幅度偏离设计值。攻角偏大导致静子叶型吸力面出现流动分离，产生较大的流动损失，导致风扇效率下降。因此，传统的按照均匀进气设计的风扇静子难以满足在畸变进气条件下的工作需求。基于畸变进气条件非对称流场中的风扇静子优化设计研究，国外的研究团队进行过一些工作，尝试进行静子的非对称设计以降低非对称流场中静子的流动损失。1996年，罗尔斯罗伊斯航空发动机公司罗罗公司通过非对称优化风扇出口导叶，调整局部叶片弦长和安装角，来减缓导叶下游非对称机匣承力结构对于导叶的影响，有效地抑制了导叶角区的分离流动。然而，下游机匣承力结构引起的静子流场非对称性无论从尺度还是幅值都明显小于BLI效应进气畸变引起的静子流场非对称性。2017年，剑桥-麻省理工研究团队Gunn和Hall采用非对称静子设计减小了BLI效应进气畸变下某低转速风扇的流动损失。首先对静子的基元叶型进行了非对称改型，调整叶片金属角和弦长，然后对静子叶片进行了非对称性的改型。结果表明：对风扇静子进行二维非对称改型可以减小叶尖高负荷区域的流动损失；进行三维叶片的非对称性改型，可以进一步降低静子叶根的分离损失。但是，Gunn和Hall的工作是基于一台低转速风扇进行的，而民用飞行器风扇通常是大涵道比、高转速且叶尖超音的，非对称静子优化设计是否适用于高负荷风扇静子尚未得到验证。发明内容针对现有技术中存在的上述问题，本申请提出了一种考虑BLI进气畸变效应的叶尖跨音风扇非对称静子设计方法，包括以下步骤：步骤一、根据BLI畸变进气条件下原型设计即未考虑BLI进气畸变效应时的设计的风扇静子进口来流情况将静子叶片沿周向划分为畸变区域和非畸变区域；步骤二、对划分为畸变区域的静子叶片进行优化改型，同时，划分为非畸变区域的静子叶片保持原型设计；步骤三、将畸变区域的改型静子叶片和非畸变区域的原型设计叶片组合，得到全周向非对称静子叶片。在本申请的一个实施方案中，所述步骤一包括根据BLI畸变进气条件下原型设计的风扇静子的攻角与设计值的偏离情况来划分畸变区域和非畸变区域。在本申请的一个实施方案中，所述步骤二包括通过修正静子进口金属角，使其对准来流方向来对划分为畸变区域的静子叶片进行优化改型，以降低静子攻角。优选地，通过修改静子基元级叶型中弧线的方式来修正静子进口金属角。优选地，采用中弧线和厚度分布的方式定义静子叶型。在本申请的一个实施方案中，对静子叶型进行参数化拟合，以对划分为畸变区域的静子叶片进行优化改型。在本申请的一个优选实施方案中，采用8阶Bezier曲线对静子叶片积叠线和中弧线进行参数化拟合。在本申请的一个实施方案中，保证叶片轴向弦长不变，Bezier曲线的控制点的x坐标固定不变，在改型过程中，通过修改控制点的y坐标使叶片进口金属角修改为目标值，并且，为保证出口金属角不变，第8、9个控制点的y坐标不变，Bezier曲线的中间段控制点的改型与原型设计的y坐标差值线性变化到0，从而获得中弧线的Bezier曲线控制点。优选地，运用NUMECA软件包中的Autoblade软件进行叶片优化改型设计。在本申请的一个优选实施方案中，所述步骤二包括：对-150°到-60°的周向区域降低叶尖的攻角，对-60°到-30°的周向区域降低50％叶高以上的攻角，对-30°到30°的周向区域降低全叶高的攻角，对30°到-150°的周向区域保持原型设计。可见，本申请将在BLI进气畸变条件下划分为畸变区域的静子叶片进行优化改型并结合保持原型设计的非畸变区域的静子叶片形成全周向非对称静子叶片，调整了静子负荷空间分布，降低静子周向局部区域高负荷，得到了非对称静子优化设计。在叶尖跨音风扇中运用非对称静子设计，延缓了畸变区域静子叶型吸力面的流动分离，降低了静子叶栅通道中的流动损失，缓解了风扇内部流动的非对称性，有效地提升了风扇级效率。附图说明附图示出了本申请的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本申请的原理，其中包括了这些附图以提供对本申请的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。图1示出了不同叶高处静子攻角分布90％、50％、10％叶高；图2示出了不同叶高处静子金属角改型金属角-原型金属角分布90％、70％、50％、30％、10％叶高；图3是本申请的非对称静子结构示意图90％叶高；图4示出了静子出口截面熵对比图90％叶高；图5示出了静子出口截面熵对比图50％叶高；图6示出了静子出口截面熵对比图10％叶高；图7示出了不同叶高和周向角度下原型与改型设计的静子S1流面速度分布对比图。具体实施方式下面结合附图和实施方式对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本申请。此处以高负荷跨音风扇级NASAStage67风扇静子为例说明本申请的考虑BLI进气畸变效应的叶尖跨音风扇非对称静子设计方法：首先，根据BLI畸变进气条件下原型设计的风扇静子进口来流情况将静子叶片沿周向划分为畸变区域和非畸变区域。在本申请的一个实施例中，根据BLI畸变进气条件下原型设计的风扇静子的攻角与设计值的偏离情况来划分畸变区域和非畸变区域。优选地，基于Stage67原型风扇在BLI效应畸变进气条件下的全周非定常数值模拟结果，可以得出畸变进气条件下静子的攻角与设计值的偏离情况，从图1的结果可知：周向位置-150°到30°区域叶尖攻角偏大；-60°到60°区域叶中攻角偏大；-30°到60°区域叶根攻角偏大；非畸变区域周向位置30°到-150°的静子攻角与原型设计偏离不大。其次，对划分为畸变区域的静子叶片进行优化改型，同时，划分为非畸变区域的静子叶片保持原型设计。在本实施例中，在对静子进行非对称优化设计过程中，将静子分为以下三个区域，按如下方法对静子攻角进行修正：-150°到-60°区域降低叶尖攻角，-60°到-30°区域降低50％叶高以上攻角，-30°到30°区域降低全叶高攻角，非畸变区域周向位置30°到-150°静子保持原型设计。经过优化设计后非对称静子进口金属角沿不同叶高的分布如图2所示。然后，可以通过修正静子进口金属角，使其对准来流方向来对划分为畸变区域的静子叶片进行优化改型，以降低静子攻角。优选地，在本实施例中，通过修改静子基元级叶型中弧线的方式来修正静子进口金属角，从而达到降低静子攻角的目的。静子进口金属角和攻角的对应关系如下公式：χ′in＝xin+itarget-iBLI＝χin+αtarget-αBLI其中χin′为改型后的静子进口金属角，χin为原型设计的静子进口金属角，itarget为目标攻角，iBLI为BLI畸变进气条件下的攻角，αtarget为目标叶片几何进气角，αBLI为BLI畸变进气条件下的叶片几何进气角。在本实施例中，为了通过修改静子基元级叶型中弧线的方式来修正静子进口金属角，采用中弧线和厚度分布的方式来定义静子叶型。优选地，对静子叶型进行参数化拟合，以对划分为畸变区域的静子叶片进行优化改型。在本实施例中，运用NUMECA软件包中Autoblade软件将静子几何沿展向分为11个叶形截面，采用中弧线和厚度分布的方式定义叶型，叶片沿重心积叠，叶片积叠线和中弧线同时采用8阶Bezier曲线进行参数化拟合，以得到叶片中弧线Bezier曲线进行进口金属角改型，同时保持其他叶形设计参数不变。采用Bezier曲线参数化方法，在优化过程中只需要修改控制生成Bezier曲线的控制点坐标，就能达到修改叶型的目的。在本实施例中，采用8阶Bezier曲线对中弧线进行参数化，8阶Bezier曲线一共有9个控制点第一个控制点为坐标原点。第1个控制点原点和第2个控制点连线与x轴夹角定义为叶片进口金属角，同样第8个控制点和第9个控制点连线与x轴夹角定义为叶片出口金属角，叶片进口金属角和叶片出口金属角的表达式如下：保证叶片轴向弦长不变，Bezier曲线控制点的x坐标固定不变，在改型过程中，通过修改控制点的y坐标使叶片进口金属角修改为目标值，例如，修改第2个控制点的y坐标，使得叶片进口金属角修改为目标值，并标记第二个控制点改型与原型y坐标差值为delta。为保证出口金属角不变，第8、9个控制点的y坐标不变，Bezier曲线的中间段控制点的改型与原型设计的y坐标差值线性变化到0，例如按如下线性函数方式生成：delta＝y′2-y2从而获得中弧线的Bezier曲线控制点。优选地，运用NUMECA软件包中的Autoblade软件进行叶片优化改型设计，将获得的中弧线的Bezier曲线控制点输入Autoblade可获得改型叶形的几何参数。最后，将畸变区域的改型静子叶片和非畸变区域的原型设计叶片组合，得到全周向非对称静子叶片。在本申请的实施例中，根据金属角优化的规律，依次生成17片改型静子叶片，将畸变区域17片改型叶片和非畸变区域17片原型叶片组合，得到了全周非对称静子设计。图3示出了在90％叶高处，原型设计和非对称改型设计的静子叶型的对比图。为了说明本申请的非对称静子的设计效果以及分析非对称静子设计如何影响风扇气动性能，这里，将原型和非对称改型静子的全周非定常数值模拟结果进行对比分析。从表1的BLI畸变进气条件下压气机气动性能数值计算结果对比可以看出，本申请提升了BLI效应畸变进气条件下风扇级效率，降低了静子损失系数，同时风扇内部流动非对称性降低，转子效率小幅提升。其中绝热效率ηis.与损失系数ω定义如下：ω＝Pti-PtoPti-PiPto表示出口截面总压，Pti表示进口截面总压，Tto为出口截面总温，Tti为进口截面总温，Pi为进口截面静压力。表1BLI畸变进气条件下压气机气动性能数值计算结果对比压气机中静子设计整级绝热效率ηis.转子绝热效率ηis.静子损失系数ω原型静子86.33％90.08％7.34％非对称改型静子87.16％90.24％6.00％相对变化+0.96％+0.18％-18.29％图4至图6示出了分别在90％叶高、50％叶高和10％叶高处静子出口截面熵对比图，从静子出口截面熵对比图中可以得到：在-150°到30°周向位置，在叶尖处，非对称改型静子的熵值明显低于原型静子，非对称静子设计主要降低了静子叶尖的流动损失。图7示出了不同叶高和周向角度下原型与改型设计的静子S1流面速度分布对比图。从图7的a图，即90％叶高和-60°周向位置对比图中看出，在气流畸变区域，原型静子叶型的吸力面出现了较大的流动分离，而经过非对称静子优化设计的改型静子，叶型吸力面分离得到缓解。从图7的b图，即50％叶高和-30°周向位置对比图中看出，叶中部分的进气畸变强度最低，原型和改型静子中流动均较好。从图7的c图，即10％叶高和-30°周向位置对比图中看出，畸变导致该区域静子叶根攻角过大，提前出现流动分离，而改型静子中流动分离得到了缓解。可见，非对称静子的优化方法，延缓了畸变区和非畸变区域中叶型吸力面分离流动，降低了流动损失。这里，虽然以高负荷跨音风扇级NASAStage67为例说明本申请的设计方法，但本领域技术人员应当理解，本申请的设计方法可应用于任何考虑BLI进气畸变效应的叶尖跨音风扇的非对称静子设计中。本领域的技术人员还应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

权利要求：1.一种考虑BLI进气畸变效应的叶尖跨音风扇非对称静子设计方法，包括以下步骤：步骤一、根据BLI畸变进气条件下原型设计的风扇静子进口来流情况将静子叶片沿周向划分为畸变区域和非畸变区域；步骤二、对划分为畸变区域的静子叶片进行优化改型，同时，划分为非畸变区域的静子叶片保持原型设计；步骤三、将畸变区域的改型静子叶片和非畸变区域的原型设计叶片组合，得到全周向非对称静子叶片。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一包括根据BLI畸变进气条件下原型设计的风扇静子的攻角与设计值的偏离情况来划分畸变区域和非畸变区域。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二包括通过修正静子进口金属角，使其对准来流方向来对划分为畸变区域的静子叶片进行优化改型，以降低静子攻角。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过修改静子基元级叶型中弧线的方式来修正静子进口金属角。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，采用中弧线和厚度分布的方式定义静子叶型。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对静子叶型进行参数化拟合，以对划分为畸变区域的静子叶片进行优化改型。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，采用8阶Bezier曲线对静子叶片积叠线和中弧线进行参数化拟合。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，保证叶片轴向弦长不变，Bezier曲线的控制点的x坐标固定不变，在改型过程中，通过修改控制点的y坐标使叶片进口金属角修改为目标值，并且，为保证出口金属角不变，第8、9个控制点的y坐标不变，Bezier曲线的中间段控制点的改型与原型设计的y坐标差值线性变化到0，从而获得中弧线的Bezier曲线控制点。9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于，运用NUMECA软件包中的Autoblade软件进行叶片优化改型设计。10.根据权利要求2至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤二包括：对-150°到-60°的周向区域降低叶尖的攻角，对-60°到-30°的周向区域降低50％叶高以上的攻角，对-30°到30°的周向区域降低全叶高的攻角，对30°到-150°的周向区域保持原型设计。

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