CN111435399A - 风扇组件的造型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风扇组件的造型方法。造型方法包括构建叶栅通道内非轴对称端壁曲面。构建叶栅通道内非轴对称端壁曲面包括如下步骤：利用叶片端区双流路的流路设计方法来确定初始轴对称曲面半径和非轴对称曲面的凹曲面最低点半径；根据初始轴对称曲面半径和凹曲面最低点半径构建叶栅通道内非轴对称端壁曲面。本发明的造型方法通过利用叶片端区双流路的流路设计方法来对叶栅通道内的非轴对称端壁曲面进行构建，从而实现非轴对称曲面对流向的控制从而降低端壁损失。

Description

风扇组件的造型方法
技术领域
本发明涉及航空发动机设计技术领域，特别涉及一种风扇组件的造型方法。
背景技术
风扇是航空发动机的核心部件之一，其功能是压缩空气以提高气体的总温总压。风扇组件包括轮毂、机匣和叶片，其中，轮毂部分地限定空气动力平滑表面，机匣部分地限定空气动力平滑表面。叶片在周向上间隔设置并绕轮毂/机匣定位。一般情况下，叶片均匀布置在轮毂/机匣上，轮毂/机匣为轴对称的周向回转面，叶片转动以实现空气压缩。轮毂的前端连接帽罩，帽罩引导气流进入风扇。
风扇效率对发动机耗油率有重要的影响，为降低航空发动机耗油率以提高经济性，风扇涵道比日益增大，风扇增压比降低，叶尖切线速度降低且风扇轮毂比(风扇根部半径与尖部半径之比)逐渐降低。典型民用航空发动机的轮毂比已降低至0.3以下，轮毂比降低使得风扇叶片根部切线速度降低从而为保持风扇根部做功，风扇根部弯角大幅增加，典型的民机风扇出口弯角过弯(弯过轴向)达到20°。根部大的弯角使得在靠近轮毂的端区流动环境变得尤为恶劣，在常规的轴对称端壁下会产生严重的二次流动，损失增大且失速风险提高，进而降低了风扇的效率和失速裕度。现在风扇广泛采用弯、掠、倾等三维叶片造型技术，但由于根部应力最大且受力形式复杂使得这些技术在风扇叶片根部的应用受到了强度的限制，而端壁造型对端区二次流动有较好的控制作用且不影响转子强度，因此端壁的造型成为控制风扇端区流动的一个重要措施。另一方面，风扇叶片前连接帽罩，因此在风扇根部设计端壁造型时还需要考虑与帽罩造型之间的结合。
典型的非轴对称端壁造型方法采用数值寻优法，寻优设计法以端壁的几何曲面形状为基础，参数化调整端壁曲面上的控制点，与数值模拟方程嵌套求解寻优。这种方法可从数学的角度找到符合流场的最优端壁曲面，但是其缺点是曲面寻优求解时间较长，生成的曲面往往较为复杂，不利于工程应用。而且现有的端壁的造型方法只考虑了端壁的造型本身，未考虑端壁与叶片和帽罩之间的融合设计，因此易于造成气流流动不平滑，从而造成效率和失速裕度的降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风扇组件的造型方法，以降低端壁损失。
本发明提供一种风扇组件的造型方法，风扇组件包括轮毂、机匣以及设置于轮毂和机匣之间的多个叶片，造型方法包括构建叶栅通道内非轴对称端壁曲面，构建叶栅通道内非轴对称端壁曲面包括如下步骤：
利用叶片端区双流路的流路设计方法来确定初始轴对称曲面半径和非轴对称曲面的凹曲面最低点半径；
根据初始轴对称曲面半径和凹曲面最低点半径构建叶栅通道内非轴对称端壁曲面。
在一些实施例中，叶片端区双流路的流路设计方法包括：
确定叶片前缘和叶片尾缘之间的初始轴对称常规流路并根据初始轴对称常规流路确定初始轴对称曲面半径；
在叶片尾缘处不超过5％根部轴向位置的距离内，使非轴对称曲面的凹曲面流路与初始轴对称常规流路重合来得到凹曲面流路，并根据凹曲面流路确定凹曲面最低点半径。
在一些实施例中，根据初始轴对称曲面半径和凹曲面最低点半径构建叶栅通道内非轴对称端壁曲面包括利用多段式凹形曲线造型方法来构建叶栅通道内非轴对称端壁曲面，多段式凹形曲线造型方法包括至少三个控制点。
在一些实施例中，相邻两个叶片的压力面和吸力面形成流通通道，多段式凹形端壁造型方法包括：
在同一轴向位置处计算叶型压力面周向角度和吸力面周向角度；
从吸力面到压力面的角度范围内按三个角度子区间分别构造第一曲线段、第二曲线段和第三曲线段，第一曲线段的两个端点半径分别为初始轴对称曲面半径和凹曲面最低点半径，第二曲线段为等半径区且半径为凹曲面最低点半径，第三曲线段的两个端点半径分别为凹曲面最低点半径和初始轴对称曲面半径；
利用角度半径控制公式来分别构造第一曲线段、第二曲线段和第三曲线段。
在一些实施例中，在多个轴向位置处构建凹形曲线并将每个轴向位置的凹形曲线连接起来即形成凹形端壁曲面。
在一些实施例中，风扇组件还包括帽罩，造型方法还包括在构建叶栅通道内非轴对称端壁曲面后构建帽罩导流锥曲面。
在一些实施例中，构建帽罩导流锥曲面包括：
计算叶栅通道内非轴对称端壁曲面的前缘点的周向位置；
在轴向方向上从前缘点向前延伸至与帽罩导流锥曲面的连接点，在连接点处非轴对称端壁曲面与帽罩子午流面之间的半径差逐渐降低至零并利用速度三角形公式计算前缘点的周向位置；
利用多段式凹形曲线造型方法确定非轴对称端壁曲面与轴对称初始帽罩曲面之间的过渡以得到帽罩导流锥曲面。
在一些实施例中，造型方法还包括将叶栅通道内非轴对称端壁曲面、帽罩导流锥曲面和叶片相连形成一体化曲面。
在一些实施例中，在得到一体化曲面后进行数值模拟分析并根据数值模拟分析的结果判断流场是否良好。
基于本发明提供的技术方案，造型方法包括构建叶栅通道内非轴对称端壁曲面。构建叶栅通道内非轴对称端壁曲面包括如下步骤利用叶片端区双流路的流路设计方法来确定初始轴对称曲面半径和非轴对称曲面的凹曲面最低点半径；根据初始轴对称曲面半径和凹曲面最低点半径构建叶栅通道内非轴对称端壁曲面。本发明的造型方法通过利用叶片端区双流路的流路设计方法来对叶栅通道内的非轴对称端壁曲面进行构建，从而实现非轴对称曲面对流向的控制从而降低端壁损失。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为风扇组件的结构示意图；
图2为本发明实施例的风扇组件的造型方法步骤示意图；
图3为本发明实施例的造型方法中双流路设计方法的原理示意图；
图4为本发明实施例的造型方法中三段式凹形曲线的构造示意图；
图5为本发明实施例的凹形曲面的结构示意图；
图6为角度半径过渡规律示意图；
图7为本发明实施例的帽罩导流锥和凹形曲面一体化造型图。
各附图标记分别代表：
1、机匣；2、叶片；3、轮毂；4、帽罩；X、轴线；Q、凹形曲线；F、非轴对称端壁曲面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
图1示出风扇组件的结构示意图。风扇组件包括机匣1、叶片2、轮毂3以及帽罩4。其中帽罩4与轮毂3对接形成平滑流路。机匣1、帽罩4以及轮毂3限制气流的流动边界，叶片2、轮毂3和帽罩4一起绕轴线X转动且叶片2对来流进行压缩。
本发明实施例的风扇组件的造型方法包括构建叶栅通道内非轴对称端壁曲面。且构建叶栅通道内非轴对称端壁曲面包括如下步骤：
利用叶片端区双流路的流路设计方法来确定初始轴对称曲面半径和非轴对称曲面的凹曲面最低点半径；
根据初始轴对称曲面半径和凹曲面最低点半径构建叶栅通道内非轴对称端壁曲面。
本发明实施例的造型方法通过利用叶片端区双流路的流路设计方法来对叶栅通道内的非轴对称端壁曲面进行构建，从而实现非轴对称曲面对流向的控制从而降低端壁损失。
具体地，如图3所示，本实施例的叶片端区双流路的流路设计方法包括：
确定叶片前缘B和叶片尾缘C之间的初始轴对称常规流路P1并根据初始轴对称常规流路P1确定初始轴对称曲面半径rA，即初始轴对称常规流路P1上任一点到轴线X的距离；
在叶片尾缘C处不超过5％根部轴向位置的距离内，使非轴对称曲面的凹曲面流路P2与初始轴对称常规流路P1重合来得到凹曲面流路，并根据凹曲面流路确定凹曲面最低点半径。
具体在本实施例中，如图3所示，在本实施例中初始轴对称常规流路P1与凹曲面流路P2在C点处重合。
在本实施例中，如图4和图5所示，根据初始轴对称曲面半径rA和凹曲面最低点半径rC构建叶栅通道内非轴对称端壁曲面包括利用多段式凹形曲线造型方法来构建叶栅通道内非轴对称端壁曲面，多段式凹形曲线造型方法包括至少三个控制点。采用上述多段式凹形曲线造型方法来构建叶栅通道内非轴对称端壁曲面可以实现凹曲面参数化造型，方便设计人员调整叶栅通道内非轴对称曲面形状并实现叶片根部与凹曲面的一体化造型。而且上述造型方法易于在工程中应用实施。
具体地，如图4和图5所示，相邻两个叶片的压力面PS和吸力面SS之间形成流通通道，多段式凹形端壁造型方法包括：
在同一轴向位置D处计算叶型压力面PS的周向角度θp和吸力面SS的周向角度θs。
从压力面PS到吸力面SS的角度范围内按三个角度子区间分别构造第一曲线段、第二曲线段和第三曲线段，第一曲线段、第二曲线段和第三曲线段依次连接形成凹形曲线Q。其中，第一曲线段的两个端点半径分别为初始轴对称曲面半径rA和凹曲面最低点半径rC，第二曲线段为等半径区且半径为凹曲面最低点半径rC，第三曲线段的两个端点半径分别为凹曲面最低点半径rC和初始轴对称曲面半径rA。
利用角度半径控制公式来分别构造第一曲线段、第二曲线段和第三曲线段。
具体地，本实施例针对第一曲线段采用的角度半径控制公式为：
r＝Apθ2+Bpθ+Cp
Figure BDA0001919133350000071
rC＝Ap(θp+θ1)2+Bp(θp+θ1)+Cp
针对第二曲线段采用的角度半径控制公式为：
r＝rC
针对第三曲线段采用的角度半径控制公式为：
r＝Asθ2+Bsθ+C
Figure BDA0001919133350000072
rC＝As(θs+θ3)2+Bs(θs+θ3)+Cs
其中，Ap、Bp、Cp、As、Bs、Cs由设计人员给定和调整的角度-半径过渡规律确定，典型的角度-半径过渡规律如图6所示。
在其他实施例中，控制点可以根据需要增加或减少，但至少需要3个控制点。由于沿弦向截面均采用同样的无量纲过渡规律可以保证沿弦向的过渡光滑性，从而保证曲面的光滑。
如图5所示，在多个轴向位置处构建凹形曲线Q并将每个轴向位置的凹形曲线Q连接起来即形成凹形端壁曲面，也就是非轴对称端壁曲面F。
如图1所示，本实施例的风扇组件还包括帽罩4。造型方法还包括在构建叶栅通道内非轴对称端壁曲面后构建帽罩导流锥曲面。
如图7所示，本实施例的构建帽罩导流锥曲面包括：
计算叶栅通道内非轴对称端壁曲面的前缘点B的周向位置；
在轴向方向上从前缘点B向前延伸至与帽罩导流锥曲面的连接点A，在连接点A处非轴对称端壁曲面与帽罩子午流面之间的半径差逐渐降低至零并利用速度三角形公式计算连接点A的周向位置；
θA＝θB+△θ
在确定了连接点A和前缘点B的周向位置后，同样地利用多段式凹形曲线造型方法确定非轴对称端壁曲面与轴对称初始帽罩曲面之间的过渡以得到帽罩导流锥曲面H。本实施例对帽罩导流锥曲面H进行构建使得帽罩与凹曲面端壁光滑对接，从而引导气流进入端壁。
在构建好上述叶栅通道内非轴对称端壁曲面F和帽罩导流锥曲面H后，本实施例的造型方法还包括将叶栅通道内非轴对称端壁曲面F、帽罩导流锥曲面H和叶片相连形成一体化曲面。本实施例将端壁、叶片端区及帽罩进行一体化造型从而实现叶栅通道内凹曲面非轴对称端壁和叶身和帽罩相融合的曲面造型设计，进一步提高气流流动的平滑性，从而提高效率和失速裕度。
如图2所示，在得到一体化曲面后进行数值模拟分析并根据数值模拟分析的结果判断流场是否良好。若流场良好则完成上述曲面的构建；若流场不良好，则再次利用上述各个步骤的方法对曲面的形状进行调整直到达到流场良好的目标。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种风扇组件的造型方法，所述风扇组件包括轮毂、机匣以及设置于所述轮毂和所述机匣之间的多个叶片，其特征在于，所述造型方法包括构建叶栅通道内非轴对称端壁曲面，所述构建叶栅通道内非轴对称端壁曲面包括如下步骤：
利用叶片端区双流路的流路设计方法来确定初始轴对称曲面半径和非轴对称曲面的凹曲面最低点半径；
根据初始轴对称曲面半径和所述凹曲面最低点半径构建叶栅通道内非轴对称端壁曲面。
2.根据权利要求1所述的风扇组件的造型方法，其特征在于，所述叶片端区双流路的流路设计方法包括：
确定叶片前缘和叶片尾缘之间的初始轴对称常规流路并根据所述初始轴对称常规流路确定所述初始轴对称曲面半径；
在所述叶片尾缘处不超过5％根部轴向位置的距离内，使所述非轴对称曲面的凹曲面流路与所述初始轴对称常规流路重合来得到凹曲面流路，并根据所述凹曲面流路确定所述凹曲面最低点半径。
3.根据权利要求1所述的风扇组件的造型方法，其特征在于，根据初始轴对称曲面半径和所述凹曲面最低点半径构建叶栅通道内非轴对称端壁曲面包括利用多段式凹形曲线造型方法来构建叶栅通道内非轴对称端壁曲面，所述多段式凹形曲线造型方法包括至少三个控制点。
4.根据权利要求3所述的风扇组件的造型方法，其特征在于，相邻两个所述叶片的压力面和吸力面形成流通通道，所述多段式凹形端壁造型方法包括：
在同一轴向位置处计算叶型压力面周向角度和吸力面周向角度；
从吸力面到压力面的角度范围内按三个角度子区间分别构造第一曲线段、第二曲线段和第三曲线段，所述第一曲线段的两个端点半径分别为初始轴对称曲面半径和凹曲面最低点半径，所述第二曲线段为等半径区且半径为凹曲面最低点半径，所述第三曲线段的两个端点半径分别为凹曲面最低点半径和初始轴对称曲面半径；
利用角度半径控制公式来分别构造所述第一曲线段、所述第二曲线段和所述第三曲线段。
5.根据权利要求4所述的风扇组件的造型方法，其特征在于，构造所述第一曲线段的角度半径控制公式为：
r＝Apθ2+Bpθ+Cp
Figure FDA0001919133340000021
rC＝Ap(θp+θ1)2+Bp(θp+θ1)+Cp
构造所述第二曲线段的角度半径控制公式为：r＝rC
构造所述第三曲线段的角度半径控制公式为：
r＝Asθ2+Bsθ+C
Figure FDA0001919133340000022
rC＝As(θs+θ3)2+Bs(θs+θ3)+Cs
其中，Ap、Bp、Cp、As、Bs、Cs为设定值。
6.根据权利要求3所述的风扇组件的造型方法，其特征在于，在多个轴向位置处构建凹形曲线并将每个轴向位置的凹形曲线连接起来即形成凹形端壁曲面。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的风扇组件的造型方法，其特征在于，所述风扇组件还包括帽罩，所述造型方法还包括在构建叶栅通道内非轴对称端壁曲面后构建帽罩导流锥曲面。
8.根据权利要求7所述的风扇组件的造型方法，其特征在于，构建帽罩导流锥曲面包括：
计算所述叶栅通道内非轴对称端壁曲面的前缘点的周向位置；
在轴向方向上从所述前缘点向前延伸至与所述帽罩导流锥曲面的连接点，在所述连接点处所述非轴对称端壁曲面与帽罩子午流面之间的半径差逐渐降低至零并利用速度三角形公式计算所述前缘点的周向位置；
利用多段式凹形曲线造型方法确定所述非轴对称端壁曲面与轴对称初始帽罩曲面之间的过渡以得到帽罩导流锥曲面。
9.根据权利要求8所述的风扇组件的造型方法，其特征在于，所述造型方法还包括将所述叶栅通道内非轴对称端壁曲面、所述帽罩导流锥曲面和叶片相连形成一体化曲面。
10.根据权利要求9所述的风扇组件的造型方法，其特征在于，在得到所述一体化曲面后进行数值模拟分析并根据所述数值模拟分析的结果判断流场是否良好。
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