[發明專利]寬裕度的單級跨音風扇設計方法

有效

• 申請號: 201910160441.0
• 申請日: 2019-03-04
• 公開（公告）號: CN110046380B
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發明（設計）人: 潘天宇;李秋實;李志平;張亞飛
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/17
• 代理公司: 北京鼎承知識產權代理有限公司 11551
• 代理人: 李偉波;韓德凱

本公開提供一種寬裕度單級跨音風扇的設計方法，包括以下步驟：給定風扇的設計參數，設計參數包括流量、級壓比、級效率和外徑，基于設計參數獲取風扇的流道曲線和葉片的前尾緣曲線；基于風扇的一維氣動設計結果，通過時間推進通流設計程序進行子午面流場計算，將周向渦量作為子午面流場診斷因子，獲取周向渦量在子午面的分布；將邊界渦量流作為壁面診斷因子，分析轉子吸力面和靜子吸力面的軸向邊界渦量流和徑向邊界渦量流的分布；基于通流設計結果和壁面診斷結果，對風扇葉片的葉型參數進行優化。

技術領域

本公開涉及一種寬裕度的單級跨音風扇設計方法。

背景技術

航空發動機向高推重比趨勢發展，對風扇/壓氣機提出了更加緊湊和高負荷的發展要求。在目前材料性能未取得較大發展的前提下，未來風扇的主要趨勢是在滿足高負荷的前提下提高風扇的穩定裕度，以實現風扇在大流量范圍內較好的性能。眾所周知，由于氣流在風扇中是從低壓向高壓方向運動，逆壓梯度下氣流易分離，風扇在氣動設計上研制難度大，一直以來是制約發動機性能發展的主要瓶頸。

針對風扇的設計問題，研究者從不同的思路出發，分別發展了基于求解正、反問題的設計方法。正問題設計主要是在給定風扇幾何條件的情況下，通過求解雷諾平均的三維N-S方程來準確分析風扇性能和內部三維流場。在風扇的初始設計階段，需要反復修改風扇的幾何方案。為節省時間，設計者在進行三維計算之前通常會進行多次的通流設計和S1流面葉柵流場分析。而反問題設計則是給定葉片表面壓力，速度等參數分布反迭代求葉片形狀的設計方法。這兩種設計思路目前都具有一定的問題，正問題設計時間長，代價高，其次正問題的優化設計基本屬于黑箱操作，對于流動機理的把握不夠，收益較小。而反問題設計方法要求設計者經驗豐富，能夠給定合理的流場參數，對于設計者要求較高。

發明內容

為了解決至少一個上述技術問題，本公開提供一種寬裕度的單級跨音風扇設計方法，通過以下技術方案實現。

根據本公開的一個方面，寬裕度單級跨音風扇的設計方法包括以下步驟：

一維氣動設計：給定風扇的設計參數，設計參數包括流量、級壓比、級效率和外徑，基于設計參數獲取風扇的流道曲線和葉片的前尾緣曲線；

通流設計：基于風扇的一維氣動設計結果，通過時間推進通流設計程序進行子午面流場計算，將周向渦量作為子午面流場診斷因子；

壁面診斷：將邊界渦量流作為壁面診斷因子，分析轉子吸力面和靜子吸力面的軸向邊界渦量流和徑向邊界渦量流的分布；

優化設計：基于通流設計結果和壁面診斷結果，對風扇葉片的葉型參數進行設計和優化。

根據本公開的至少一個實施方式，通流設計階段還包括：基于風扇的流道曲線和葉片的前尾緣曲線確定轉子出口處環量分布，給定子午面環量徑向和軸向分布。

根據本公開的至少一個實施方式，轉子出口采用等環量徑向分布，轉子出口處環量沿軸向采用余弦曲線分布形式。

根據本公開的至少一個實施方式，將周向渦量作為通流設計的評價標準；評價標準包括：周向渦量的正峰值出現在葉尖區域，負峰值出現在葉根區域，主流區域未出現周向渦量峰值。

根據本公開的至少一個實施方式，優化設計階段還包括：基于轉子吸力面和靜子吸力面的軸向邊界渦量流診斷結果，從提高轉子和靜子的負荷能力的角度出發，將軸向邊界渦量流的面積分作為目標函數，對風扇葉片關鍵區域的葉型參數進行優化；關鍵區域包括出現徑向和/或軸向壓力梯度的區域；葉型參數包括中弧線曲率、厚度分布和彎掠形式。

根據本公開的至少一個實施方式，優化設計階段還包括：基于轉子吸力面和靜子吸力面的軸向邊界渦量流診斷結果，從提高流動效率的角度出發，將徑向邊界渦量流的面積分作為目標函數，對風扇葉片關鍵區域的葉型參數進行優化；關鍵區域包括出現徑向和/或軸向壓力梯度的區域；葉型參數包括中弧線曲率、厚度分布和彎掠。