[發(fā)明專利]一種兼顧氣動與結(jié)構(gòu)特征的航空發(fā)動機風(fēng)扇葉片三維幾何結(jié)構(gòu)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110404108.3
• 申請日: 2011-12-07
• 公開（公告）號: CN102536327A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 桂幸民;孫曉峰;金東海;朱芳
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: F01D5/14
• 分類號: F01D5/14
• 代理公司: 北京慧泉知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種兼顧氣動與結(jié)構(gòu)特征的民用航空發(fā)動機大風(fēng)扇內(nèi)涵葉片三維幾何結(jié)構(gòu)，屬于葉輪機械軸流壓氣機葉輪技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

民用航空發(fā)動機大風(fēng)扇中由于輪轂比較小，流動參數(shù)沿徑向變化比較劇烈。傳統(tǒng)的設(shè)計思想是采用沿葉高等功分布規(guī)律，認(rèn)為這樣能使流動的徑向摻混最小，減小流動損失。由于大風(fēng)扇根尖切線速度的差距較大，為保證從根到尖輪緣功相等，則需要風(fēng)扇內(nèi)涵葉片基元葉型扭轉(zhuǎn)較大，于是傳統(tǒng)風(fēng)扇內(nèi)涵葉片尾緣吸力面與輪轂形成了明顯的銳角。但是研究表明，等功分布的設(shè)計并不能使流動徑向摻混最小，在氣動方面，低能氣體尾緣吸力面和輪轂形成的角區(qū)內(nèi)堆積，流動分離損失很大，同時也使得風(fēng)扇內(nèi)涵出口馬赫數(shù)較大，增加了增壓級的設(shè)計難度和風(fēng)險；在結(jié)構(gòu)方面，吸力面與輪轂較小的夾角也不利于伸根段的結(jié)構(gòu)造型，給葉片在輪盤上的安裝造成了困難，有可能在伸根段產(chǎn)生過大的應(yīng)力。

隨著設(shè)計和三維數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代航空發(fā)動機大風(fēng)扇的采用全三維設(shè)計手段，突破一些傳統(tǒng)設(shè)計理念，根據(jù)流動的實際情況進行葉片造型，使葉片幾何更符合流動需求，改善流動，減小損失，同時兼顧結(jié)構(gòu)特征，方便葉片的安裝，避免應(yīng)力過大。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種兼顧氣動與結(jié)構(gòu)特征的民用航空發(fā)動機大風(fēng)扇內(nèi)涵葉片三維幾何結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在設(shè)計大風(fēng)扇1時，本發(fā)明調(diào)整內(nèi)涵部分葉片2(大風(fēng)扇葉片120％葉高以內(nèi)部分)的加功量和落后角等設(shè)計參數(shù)，優(yōu)化內(nèi)涵葉片2的金屬出口角β_2k沿展向的分布，得到優(yōu)化的內(nèi)涵葉片尾緣曲線3，可以看出，內(nèi)涵葉片的尾緣吸力面5與輪轂線10更接近垂直。設(shè)計目的在于控制風(fēng)扇根部吸力面與輪轂形成的角區(qū)內(nèi)的流動分離，提高風(fēng)扇效率，改善內(nèi)涵增壓級的進口條件，同時有利于風(fēng)扇伸根段的結(jié)構(gòu)造型，便于葉片在輪盤上的安裝。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案主要包括以下幾點：

一種兼顧氣動與結(jié)構(gòu)特征的民用航空發(fā)動機大風(fēng)扇內(nèi)涵葉片三維幾何結(jié)構(gòu)，其中，所述的內(nèi)涵葉片是指大風(fēng)扇葉片0～20％葉高部分，特征在于：

1、所述的內(nèi)涵葉片2的金屬出口角滿足如下條件：內(nèi)涵葉片2(大風(fēng)扇葉片20％葉高以內(nèi)部分)基元葉型的金屬出口角β_2k(如圖2所示，中弧線在尾緣點處的切線與軸向的夾角，順時針為正)沿展高的分布可以由一個三次多項式來描述

y＝79.804x³+70.411x²+33.222x-8.62

其中，x為相對展高的百分比數(shù)，y為相應(yīng)葉高基元葉型的金屬出口角，單位為度(°)，出口金屬角的公差范圍為±0.2°。具有這種展向分布的金屬出口角減小了內(nèi)涵葉片的葉型彎角，降低了做功量，有效控制了根部吸力面的流動分離。

2、同時，所述的內(nèi)涵葉片尾緣線滿足如下條件：內(nèi)涵葉片尾緣線3在與軸向垂直的XOY平面上的投影可以擬合成一條六次多項式曲線。如圖3所示，ω為葉輪旋轉(zhuǎn)方向，定義內(nèi)涵葉片尾緣線3與輪轂線10相交的點為坐標(biāo)原點(0，0)，坐標(biāo)軸為原點切線速度的反方向，沿徑向指向半徑增大方向，將x，y坐標(biāo)值分別無量綱化，無量綱尺度分別為輪轂線10到內(nèi)涵葉片尾緣線3在x，y方向的絕對長度。在以上坐標(biāo)系的定義下，尾緣線在XOY平面上的投影曲線擬合公式為：

其中，y的公差范圍為±0.03。

本發(fā)明為一種兼顧氣動與結(jié)構(gòu)特征的民用航空發(fā)動機大風(fēng)扇內(nèi)涵葉片三維幾何結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點在于：突破傳統(tǒng)設(shè)計理念，通過優(yōu)化風(fēng)扇基元葉型金屬出口角和尾緣線，控制風(fēng)扇內(nèi)涵葉片尾緣吸力面與輪轂形成的角區(qū)內(nèi)的流動分離，提高了風(fēng)扇的效率，并且能夠降低風(fēng)扇內(nèi)涵出口馬赫數(shù)，改善增壓級的進口條件，還能夠有利于伸根段的結(jié)構(gòu)造型，同時兼顧風(fēng)扇氣動性能和結(jié)構(gòu)要求。經(jīng)過計算流體動力學(xué)(即CFD)數(shù)值計算，該風(fēng)扇性能較好，設(shè)計點的風(fēng)扇效率達到了93.17％，尤其是風(fēng)扇內(nèi)涵效率達到了96.27％

附圖說明

圖1所示為本發(fā)明風(fēng)扇葉片三維幾何造型示意圖

圖2所示為本發(fā)明風(fēng)扇內(nèi)涵葉片在0％、10％、20％展向葉高截面上的葉型示意圖

圖3所示為本發(fā)明風(fēng)扇內(nèi)涵葉片尾緣線在與軸向垂直平面上的投影曲線示意圖

圖中具體標(biāo)號及符號如下：

1：大風(fēng)扇葉片；2：風(fēng)扇內(nèi)涵葉片(20％葉高以內(nèi))；3：內(nèi)涵葉片尾緣線；4：壓力面；5：吸力面；6：0％葉高截面葉型；7：10％葉高截面葉型；8：20％葉高截面葉型；9：0％葉高截面葉型中弧線；10：輪轂線