一种全遮挡涡轮后支板的内外流耦合结构设计方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种全遮挡涡轮后支板的内外流耦合结构设计方法及系统，对不同叶高的特征截面分别进行冷却腔室造型，能够保证均匀的壁厚和应力分布；在每个特征截面按照各冷却腔室的相对轴向弦长位置

【技术实现步骤摘要】
一种全遮挡涡轮后支板的内外流耦合结构设计方法及系统


[0001]本专利技术属于航空发动机研发设计领域，特别涉及一种全遮挡涡轮后支板的内外流耦合结构设计方法及系统
。

技术介绍

[0002]军用航空发动机所采用的加力燃烧室在保证发动机转速与涡轮进口燃气初参数不变的情况下，通过将燃油喷入涡轮后的燃气流中进行再燃烧，可进一步提高发动机尾喷流的燃气温度，从而为战斗机机动提供更加强劲的推力
。
为了实现涡轮后机匣与加力燃烧室等部件的低流阻
、
高可靠性
、
轻量化
、
强隐身设计，航空发动机涡轮后机匣与加力燃烧室的多功能一体化设计成为了航空发动机领域的前沿研究方向
。
[0003]美国的普惠公司率先提出了加力燃烧室与涡轮后机匣一体化设计理念，并成功应用于
F119
航空发动机中，实现了更高燃烧效率
、
更低流动损失的技术目标
。
国内在这方面的研究起步较晚，目前涡轮后机匣
‑
加力燃烧室一体化设计方面主要存在以下技术瓶颈：一是，随着涡轮前温度的升高，加力燃烧的温度也在逐年提升，导致涡轮后部件的热负荷逐年升高，需要对涡轮后部件，特别是一体化支板的冷却防护进行精细设计
。
二是，新一代战斗机对发动机后向红外隐身需求越来越高，这就需要对末级低压涡轮这一发动机排气系统的高温辐射源进行有效遮挡
。
在此背景下全遮挡一体化涡轮后支板设计被提出，其设计思路是将末级低压涡轮下游的整流支板进行改型，使之能够在几何上对末级低压涡轮叶片实现完全遮挡
。
同时，从外涵道引入冷气对全遮挡支板表面进行冷却降温，从而降低全遮挡支板的红外辐射强度
。
相比于对末级低压涡轮转子这一旋转部件进行冷却降温，对静止的整流支板进行冷却降温的可行性更高
、
风险更低
。
因此，全遮挡涡轮后支板的高效冷却布局成为了关键技术之一
。
[0004]涡轮后支板内的流动是典型的扩压流动，特别是对于全遮挡支板，其内部的流动会经历先顺压再扩压的流动过程，与涡轮内部的流动状况完全不同
。
因此，现有的针对气冷涡轮的冷却结构设计方法对于全遮挡涡轮后支板并不适用，亟需发展与全遮挡支板的流动特性相匹配的新型冷却结构设计方法
。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种全遮挡涡轮后支板的内外流耦合结构设计方法，针对全遮挡涡轮后支板的二次偏转几何特征和扩压流动特性，提出了复合冷却结构参数化设计方法，重点对全遮挡涡轮后支板的后向可视面进行冷却降温，有望为高可靠性
、
强红外隐身效能的涡轮后支板研发提供方法基础和技术支撑
。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种全遮挡涡轮后支板的内外流耦合结构设计方法，包括以下步骤：
[0007]S1
，选择不同叶高的特征截面分别进行冷却腔室构型，针对所述特征截面，分别根据当地的叶片外形型线
、
各冷却腔的偏置距离和相对轴向位置确定第一冷却腔室至第五冷
却腔室在各特征截面的二维型线；
[0008]S2
，根据叶片外形设定周向和轴向积叠参数，基于
S1
所得二维型线通过蒙面法获得各冷却腔室的三维造型；
[0009]S3
，在所述不同叶高的特征截面，根据第五冷却腔室的位置和劈缝宽度，获得尾缘劈缝在各特征截面的二维型线；
[0010]S4
，基于尾缘劈缝在各特征截面的二维型线，通过蒙面法获得劈缝沿叶高方向的初步三维造型，然后根据劈缝距离轮毂与机匣的距离以及劈缝个数通过布尔运算获得呈离散分布的尾缘劈缝结构；
[0011]S5
，对各个冲击腔
、
气膜腔进行冲击孔和气膜孔布置，具体的，先根据沿主流流向及叶高方向的相对位置确定冷却孔的打孔位置，然后根据各冷却孔的直径及相对壁面的倾斜角进行打孔；
[0012]S6
，对第一冷却腔室至第五冷却腔室和尾缘劈缝结构的棱线上进行倒角，获得带有完整冲击
‑
气膜复合冷却结构的全遮挡涡轮后支板三维制造模型
。
[0013]具体几何参数的取值如下给定：
[0014]第一冷却腔室距前缘相对位置
S1由其偏置距离
t
LE
决定，第一冷却腔室的内腔偏置距离
t
LE
取值为2倍气膜孔直径
d
FC
；第二至5冷却腔室中心距前缘的位置
S2分别取为
20
％，
40
％，
55
％，
87
％相对轴向弦长位置；
[0015]第二至5冷却腔室的气膜腔偏置距离
t
FC
取值为2倍气膜孔直径
d
FC
，宽度
w
FC
取值为2倍气膜孔直径
d
FC
，长度
L
FC
取值为
13
％轴向弦长；冲击腔偏置距离
t
IMP
取值为5‑6倍气膜孔直径
d
FC
，宽度
w
IMP
由叶片型线及偏置距离
t
IMP
决定，长度
L
IMP
取为
9.6
％轴向弦长，冲击孔直径取值为2倍气膜孔直径
d
FC
；劈缝宽度
w
SL
取值为
50
％第五冷却腔室宽度
。
[0016]对第一冷却腔室进行二维造型具体为：对叶片吸力侧和压力侧型线向内偏置距离
t
LE
，针对偏置后的型线，在距离前缘4倍
t
LE
位置处进行截断，第一冷却腔室中心距前缘的轴向距离
S1为
2.5
倍
t
LE
；
[0017]将截断后的压力面侧和吸力面侧偏置曲线用一条直线进行连接，获得第一冷却腔在不同特征截面的二维型线
。
[0018]对第二至第五冷却腔室进行二维造型时，
[0019]对所在特征截面的吸力面
、
压力面侧型线向内进行三次偏置，以叶片中弧线以及第二冷却腔室至第五冷却腔室距前缘的距离
S2、S3、S4以及
S5确定第二冷却腔室至第五冷却腔室冲击腔中心点的位置；
[0020]根据第二冷却腔室至第五冷却腔室冲击腔中心点的位置以及当地中弧线的法向量，确定各偏置曲线上冷却腔室型线中心位置；
[0021]按照第二冷却腔室至第五冷却腔室的气膜腔长度及冲击腔的长度确定其两侧型线；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种全遮挡涡轮后支板的内外流耦合结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1
，选择不同叶高的特征截面分别进行冷却腔室构型，针对所述特征截面，分别根据当地的叶片外形型线
、
各冷却腔的偏置距离和相对轴向位置确定第一冷却腔室至第五冷却腔室在各特征截面的二维型线；
S2
，根据叶片外形设定周向和轴向积叠参数，基于
S1
所得二维型线通过蒙面法获得各冷却腔室的三维造型；
S3
，在所述不同叶高的特征截面，根据第五冷却腔室的位置和劈缝宽度，获得尾缘劈缝在各特征截面的二维型线；
S4
，基于尾缘劈缝在各特征截面的二维型线，通过蒙面法获得劈缝沿叶高方向的初步三维造型，然后根据劈缝距离轮毂与机匣的距离以及劈缝个数通过布尔运算获得呈离散分布的尾缘劈缝结构；
S5
，对各个冲击腔
、
气膜腔进行冲击孔和气膜孔布置，具体的，先根据沿主流流向及叶高方向的相对位置确定冷却孔的打孔位置，然后根据各冷却孔的直径及相对壁面的倾斜角进行打孔；
S6
，对第一冷却腔室至第五冷却腔室和尾缘劈缝结构的棱线上进行倒角，获得带有完整冲击
‑
气膜复合冷却结构的全遮挡涡轮后支板三维制造模型
。2.
根据权利要求1所述的全遮挡涡轮后支板的内外流耦合结构设计方法，其特征在于，具体几何参数的取值如下给定：第一冷却腔室距前缘相对位置
S1由其偏置距离
t
LE
决定，第一冷却腔室的内腔偏置距离
t
LE
取值为2倍气膜孔直径
d
FC
；第二至5冷却腔室中心距前缘的位置
S2分别取为
20
％，
40
％，
55
％，
87
％相对轴向弦长位置；第二至5冷却腔室的气膜腔偏置距离
t
FC
取值为2倍气膜孔直径
d
FC
，宽度
w
FC
取值为2倍气膜孔直径
d
FC
，长度
L
FC
取值为
13
％轴向弦长；冲击腔偏置距离
t
IMP
取值为5‑6倍气膜孔直径
d
FC
，宽度
w
IMP
由叶片型线及偏置距离
t
IMP
决定，长度
L
IMP
取为
9.6
％轴向弦长，冲击孔直径取值为2倍气膜孔直径
d
FC
；劈缝宽度
w
SL
取值为
50
％第五冷却腔室宽度
。3.
根据权利要求1所述的全遮挡涡轮后支板的内外流耦合结构设计方法，其特征在于，对第一冷却腔室进行二维造型具体为：对叶片吸力侧和压力侧型线向内偏置距离
t
LE
，针对偏置后的型线，在距离前缘4倍
t
LE
位置处进行截断，第一冷却腔室中心距前缘的轴向距离
S1为
2.5
倍
t
LE
；将截断后的压力面侧和吸力面侧偏置曲线用一条直线进行连接，获得第一冷却腔在不同特征截面的二维型线
。4.
根据权利要求1所述的全遮挡涡轮后支板的内外流耦合结构设计方法，其特征在于，对第二至第五冷却腔室进行二维造型时，对所在特征截面的吸力面
、
压力面侧型线向内进行三次偏置，以叶片中弧线以及第二冷却腔室至第五冷却腔室距前缘的距离
S2、S3、S4以及
S5确定第二冷却腔室至第五冷却腔室冲击腔中心点的位置；根据第二冷却腔室至第五冷却腔室冲击腔中心点的位置以及当地中弧线的法向量，确定各偏置曲线上冷却腔室型线中心位置；按照第二冷却腔室至第五冷却腔室的气膜腔长度及冲击腔的长度确定其两侧型线；
连接对应型线即获得各特征截面上第二冷却腔室至第五冷却腔室的冲击腔及气膜腔的二维造型
。5.
根据权利要求1所述的全遮挡涡轮后支板的内外流耦合结构设计方法，其特征在于，取当前冷却腔室的冲击腔靠近叶片尾缘一侧的冷却腔室壁面型线的中点与支板叶片尾缘点相连形成直线，然后将该直线分别向压力面和吸力面偏置
0.5
倍尾缘劈缝...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶志，葛笑楠，蒋首民，何嘉琪，齐海成，徐顺，宋立明，
申请(专利权)人：中国航发沈阳发动机研究所，
类型：发明
国别省市：