可变进口导流叶片的设计方法及叶片、压气机技术

本发明专利技术涉及压气机技术领域，尤其涉及一种可变进口导流叶片的设计方法，包括S1：确定进口来流马赫数以及进口气流角和出口气流角，S2：确定无量纲弯角分布函数；S3：选定叶型设计点迎角，确定叶型的弯角；S4:确定叶型的最大相对厚度，前缘及尾缘厚度；S5：确定叶型的最大相对厚度位置；S6：确定厚度分布函数；S7：对称积叠获得叶身；S8：给叶身部分加上前缘和尾缘；S9:对S8获得的叶型进行数值仿真，计算其性能并判断是否合适。本发明专利技术还提供的设计方法，拓展可用进口迎角范围，并在全工况范围内降低平均总压损失系数。本发明专利技术还涉及一种可变进口导流叶片的设计方法，以及利用该方法制成的叶片。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及压气机
，尤其涉及一种可变进口导流叶片的设计方法以及利用该方法制成的叶片，本专利技术还涉及一种包含上述叶片的压气机。
技术介绍
对于大多数地面燃气轮机及航空发动机用压气机，均会配备进口导流叶片以产生需要的进口气流方向。可调式进口导流叶片在工作时随着压气机转速的下降，会通过旋转来调整叶片的安装角以提供符合要求的出口气流角，此时导流叶片的迎角会大幅度增加，过大的迎角会使得气流通过叶片产生很大的总压损失并发生附面层分离。高总压损失系数失会使得整个压气机的效率降低，附面层分离有可能造成下游进口转子产生颤振，从而发生结构破坏。为了进一步拓展进口导流叶片的可用迎角范围，1957年美国NASA的Langley实验室的Dunavant在亚音速压气机叶型的基础上改进，提出了更适用于进口导流叶片的NACA63-A4K6系列叶型。与传统导流叶片相比，采用该NACA63-A4K6系列叶型设计出的进口导流叶片具有更高的临界马赫数以及更宽的可用迎角范围。NACA63-A4K6系列叶型针对传统亚音速扩压叶型在导流叶片中临界马赫数不高，容易导致流动堵塞的缺点进行了针对性的改进。NACA63型厚度分布的最大相对厚度位置在35％弦长处，前缘半径为0.297倍弦长，尾缘为0.600倍弦长。A4K6型中弧线具有强前加载特征，使得叶型的气动负荷及进口气流的折转主要集中在叶型的前部，并且具备较大的喉道面积，从而有效地提高了叶型的临界马赫数。然而，进口导流叶片中的流动是顺压力梯度的加速流动，而NACA63-A4K6系列叶型是从压气机扩压叶型修改而来，因此叶型的提出没有针对顺压力梯度驱动下的加速流动这一最重要的流动特征进行全面考虑。这使得采用NACA63-A4K6系列叶型设计的进口导叶虽然比采用传统亚音速压气机叶型的进口导叶具有更好的性能，但是无法满足先进航空发动机对更宽的可用迎角范围的需求。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术的一个目的是提供一种可变进口导流叶片的设计方法，其拓展了可用进口迎角范围，并在全工况范围内降低平均总压损失系数；同时在满足气动要求的前提下具有足够的前缘和尾缘厚度，使其充分满足结构完整性要求。本专利技术的另一个目的是提供一种通过上述可变进口导流叶片的设计方法设计的叶片。本专利技术的又一个目的是提高一种包含上述叶片的压片机。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种可变进口导流叶片的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：确定进口导流叶片不同展向位置处设计点的进口来流马赫数Ma1以及设计进口气流角β1和设计出口气流角β2；S2：确定无量纲弯角分布函数φ(t)，首先定义叶型无量纲坐标系，以前缘点为坐标原点，前缘点和尾缘点之间的连线为X轴，X轴表示无量纲弦长位置，t＝x/C，其中C是叶型的弦长，以垂直于前缘点和尾缘点之间的连线所在的水平面的直线为Y轴，以无量纲弦长位置t表示的中弧线弯角函数：f1(t)＝φ(t)·θ+θ0(0≤t≤1)式中，θ为叶型的中弧线弯角，θ0为叶型中弧线的前缘构造角，其中，θ0的正负号规定为当y/C>0为负，y/C<0为正，函数φ(t)是以无量纲弦长位置t表示的待定函数，函数φ(t)需要满足C1+C2+C3+C4＝1定义参数CFL：0.60≤CFL≤0.80选定C1，C2，C3和C4，从而确定无量纲弯角分布函数φ(t)；S3:定义叶栅的稠度S为叶型弦长C与栅距η之比，选定叶型在设计点的迎角i，通过下式确定叶型的弯角θ进而确定叶型的中弧线；式中，δ为落后角，S为稠度，f2(CFL)为待定函数，f2(CFL)＝A1CFL2+A2CFL+A3其中A1，A2和A3为需要确定的系数；S4:确定最大相对厚度T、叶型的前缘厚度tLE1和尾缘厚度tTE2，对于稠度S在0.80-1.6范围内的叶栅，最大相对厚度T：式中，B1，B2和B3为需要确定的系数；前缘厚度tLE1＝D1·T(0.05≤D1≤0.40)后缘厚度tTE2＝D2·T(0.05≤D2≤0.40)S5:确定最大相对厚度位置Pmax，且Pmax为0.1-0.3，对于设计点进口气流马赫数0.40≤Ma1≤0.60的可调进口导流叶片，最大相对厚度位置：式中，E1，E2和E3为需要确定的系数；S6：确定厚度分布函数f3(t)，根据选定的前缘厚度、尾缘厚度以及最大相对厚度在厚度分布上的位置，确定厚度分布函数且该厚度分布函数需要满足：S7:将已经获得的相对厚度分布在中弧线法向方向对称积叠获得叶型的叶身部分；S8:确定前缘及尾缘的形状，给S7获得的叶身部分加上前缘及尾缘；S9：对S8获得的基元叶型用计算流体力学软件进行数值仿真，计算其性能，根据计算结果判断设计点在整条性能曲线上的位置是否合适，如果不合适则按需求改变S3中的设计点迎角，然后重复步骤S1至S8，直至设计点在整条性能曲线上的位置是适当的。其中，在步骤S8中，给S7获得的叶身部分加上前缘及尾缘之后，还对前缘、尾缘与叶身部分交接处的型线做局部的光滑处理。其中，在S4中的B1、B2和B3分别满足-1≤B1≤1，0<B2≤0.5，-1≤B3≤0。其中，在S5中的E1、E2和E3分别满足-0.3≤E1≤0.5，-0.2<E2≤0.3，0≤E3≤0.5。其中，其还包括S10：将不同展向高度、按照步骤S1到S9获得的基元叶栅进行展向积叠，以形成叶片的实体。其中，积叠可以采用重心积叠或前缘积叠或尾缘积叠者这些积叠的偏移方式。本专利技术还提供了一种通过上述可变进口导流叶片的设计方法设计的叶片。本专利技术还提供了一种压片机，其包含上述叶片。(三)有益效果通过本专利技术的设计方法设计的可变进口导流叶片拓展了可用进口迎角范围，并在全工况范围内降低平均总压损失系数；并且在满足气动要求的前提下具有足够的前缘和尾缘厚度，可以充分满足结构完整性要求；此外，该设计方法给出叶型的参数化设计方法，易于工程实践应用。附图说明图1为根据本专利技术的可变进口导流叶片的设计流程图；图2为根据本专利技术设计的可变进口导流叶片的叶型几何示意图；图3为叶型中弧线弯角变化图；图4为叶栅各角度参数的示意图；图5为可变进口导流叶片的示意图；图6为根据本专利技术的一个两级压气机的结构示意图；图7为根据本专利技术设计的一叶型的叶栅与常规叶型NACA63-A4K6设计的叶栅的总压损失曲线对比图；图8为根据本专利技术设计的另一叶型的叶栅与常规叶型NACA63-A4K6设计的叶栅的总压损失曲线对比图；图9为根据本专利技术设计的再一叶型的叶栅与常规叶型NACA63-A4K6设计的叶栅的总压损失曲线对比图；图10示出了一个常规进口导流叶片叶型在大正迎角状态时流场马赫数云图的数值仿真结果；以及图11示出了一个根据本专利技术的进口导流叶片叶型在大正迎角状态时流场马赫数云图的数值仿真结果。图中，1：中弧线；2：吸力面；3：压力面；4：前缘；5：尾缘；6-第一级转子；7：第一级静子；8：第二级转子；9：第二级静子；10-摇臂；11-操纵环；12：导流叶片。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。图1示出了根据本专利技术的可变进口导流叶片的设计流程图。如图1所示，本专利技术的可变进口导流叶片的设本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可变进口导流叶片的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：确定进口导流叶片不同展向位置处设计点的进口来流马赫数Ma1以及设计进口气流角β1和设计出口气流角β2；S2：确定无量纲弯角分布函数φ(t)，首先定义叶型无量纲坐标系，以前缘点为坐标原点，前缘点和尾缘点之间的连线为X轴，X轴表示无量纲弦长位置，t＝x/C，其中C是叶型的弦长，以垂直于前缘点和尾缘点之间的连线所在的水平面的直线为Y轴，以无量纲弦长位置t表示的中弧线弯角函数：f1(t)＝φ(t)·θ+θ0 (0≤t≤1)式中，θ为叶型的中弧线弯角，θ0为叶型中弧线的前缘构造角，其中，θ0的正负号规定为当y/C>0为负，y/C<0为正，函数φ(t)是以无量纲弦长位置t表示的待定函数，函数φ(t)需要满足φ(t)＝(C1t4+C2t3+C3t2+C4t) (0≤t≤1)，其中，C1、C2、C3、C4需要满足C1+C2+C3+C4＝1d2f1(t)dt2<0]]>定义参数CFL：CFL=(f1(0.5)-θ0)θ]]>0.60≤CFL≤0.80选定C1，C2，C3和C4，从而确定无量纲弯角分布函数φ(t)；S3:定义叶栅的稠度S为叶型弦长C与栅距η之比，选定叶型在设计点的迎角i，通过下式确定叶型的弯角θ进而确定叶型的中弧线；δ=f2(CFL)θSn,n=1.1]]>式中，δ为落后角，S为稠度，f2(CFL)为待定函数，f2(CFL)＝A1CFL2+A2CFL+A3其中A1，A2和A3为需要确定的系数；S4:确定最大相对厚度T、叶型的前缘厚度tLE1和尾缘厚度tTE2，对于稠度S在0.80‑1.6范围内的叶栅，最大相对厚度T：T=B1·Ma1+B2,0.8≤S≤1.1B1·Ma1+B2+B3·(S-1.1),1.1≤S≤1.6]]>式中，B1，B2和B3为需要确定的系数；前缘厚度 tLE1＝D1·T (0.05≤D1≤0.40)；尾缘厚度 tTE2＝D2·T (0.05≤D2≤0.40)；S5:确定最大相对厚度位置Pmax，且Pmax为0.1‑0.3，对于设计点进口气流马赫数0.40≤Ma1≤0.60的可调进口导流叶片，最大相对厚度位置：Pmax=E1·Ma1+E2,0.8≤S≤1.1E1·Ma1+E2+E3·(S-1.1),1.1≤S≤1.6]]>式中，E1，E2和E3为需要确定的系数；S6：确定厚度分布函数f3(t)，根据选定的前缘厚度、尾缘厚度以及最大相对厚度在厚度分布上的位置，确定厚度分布函数且该厚度分布函数需要满足：5≤d(f3(t)/T)dt|t=0≤50]]>d2f3(t)dt2<0,t∈[0,1]]]>S7:将已经获得的相对厚度分布在中弧线法向方向对称积叠获得叶型的叶身部分；S8:确定前缘及尾缘的形状，给S7获得的叶身部分加上前缘及尾缘；S9：对S8获得的基元叶型用计算流体力学软件进行数值仿真，计算其性能，根据计算结果判断设计点在整条性能曲线上的位置是否合适，如果不合适则按需求改变S3中的设计点迎角，然后重复步骤S1至S8，直至设计点在整条性能曲线上的位置是适当的。...

【技术特征摘要】
1.一种可变进口导流叶片的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：确定进口导流叶片不同展向位置处设计点的进口来流马赫数Ma1以及设计进口气流角β1和设计出口气流角β2；S2：确定无量纲弯角分布函数φ(t)，首先定义叶型无量纲坐标系，以前缘点为坐标原点，前缘点和尾缘点之间的连线为X轴，X轴表示无量纲弦长位置，t＝x/C，其中C是叶型的弦长，以垂直于前缘点和尾缘点之间的连线所在的水平面的直线为Y轴，以无量纲弦长位置t表示的中弧线弯角函数：f1(t)＝φ(t)·θ+θ0(0≤t≤1)式中，θ为叶型的中弧线弯角，θ0为叶型中弧线的前缘构造角，其中，θ0的正负号规定为当y/C>0为负，y/C<0为正，函数φ(t)是以无量纲弦长位置t表示的待定函数，函数φ(t)需要满足φ(t)＝(C1t4+C2t3+C3t2+C4t)(0≤t≤1)，其中，C1、C2、C3、C4需要满足C1+C2+C3+C4＝1d2f1(t)dt2<0]]>定义参数CFL：CFL=(f1(0.5)-θ0)θ]]>0.60≤CFL≤0.80选定C1，C2，C3和C4，从而确定无量纲弯角分布函数φ(t)；S3:定义叶栅的稠度S为叶型弦长C与栅距η之比，选定叶型在设计点的迎角i，通过下式确定叶型的弯角θ进而确定叶型的中弧线；δ=f2(CFL)θSn,n=1.1]]>式中，δ为落后角，S为稠度，f2(CFL)为待定函数，f2(CFL)＝A1CFL2+A2CFL+A3其中A1，A2和A3为需要确定的系数；S4:确定最大相对厚度T、叶型的前缘厚度tLE1和尾缘厚度tTE2，对于稠度S在0.80-1.6范围内的叶栅，最大相对厚度T：T=B1·Ma1+B2,0.8≤S≤1.1B1·Ma1+B2+B3·(S-1.1),1.1≤S≤1.6]]>式中，B1，B2和B3为需要确定的系数；前缘厚度tLE1＝D1·T(0.05≤D1≤0.40)；尾缘厚度tTE2＝D2·T(0.05≤D2≤0.40)；S5:确定最大相对厚度位置Pmax，且Pmax为0.1-0.3，对于设计点进口气流马...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宝杰，施恒涛，于贤君，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11