本發(fā)明屬于葉輪機械氣動設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種兼顧氣動與強度的壓氣機轉(zhuǎn)子葉片。
背景技術(shù)：
：現(xiàn)代航空動力系統(tǒng)高推重比的發(fā)展需求對其主要氣動部件——風扇/壓氣機提出了極高的要求。這就要求風扇/壓氣機不僅具有較大的流量、較高的級壓比和效率，而且必須在全工況條件下具備較為寬廣的穩(wěn)定工作范圍。風扇/壓氣機單元負荷水平的顯著提高，勢必會導致轉(zhuǎn)子葉尖馬赫數(shù)增加，同時由于激波和葉片吸力面角區(qū)低能流體聚集產(chǎn)生脹壓與強剪切作用而導致附面層大尺度分離。這樣，不僅壓氣機非設(shè)工況氣動性能得不到保證，甚至在設(shè)計轉(zhuǎn)速下的失速裕度也受到嚴重影響。很顯然，傳統(tǒng)的氣動設(shè)計技術(shù)已經(jīng)無法勝任這項艱巨的設(shè)計任務。急需探索可同時考慮氣體粘性、三維、激波與旋渦控制等復雜多因素耦合條件下的先進壓氣機氣動優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)壓氣機在高負荷高通流條件下仍然具有較高的氣動效率水平與可實際利用的失速裕度?；谶@一想法，許多先進的氣動設(shè)計理念與設(shè)計體系應運而生。由王仲奇教授等于上世紀60年代初提出以附面層遷移理論為基礎(chǔ)的彎曲葉片概念與設(shè)計方法，彎曲葉片技術(shù)以其極具個性化的控制附面層低能流體徑向遷移的端壁效應特性一直受到廣泛關(guān)注，目前已經(jīng)在先進壓縮系統(tǒng)靜子甚至轉(zhuǎn)子葉片的設(shè)計中獲得廣泛應用。早在1974年至1977年期間，NASA-Lewis研究中心采用當時比較先進的掠形葉片技術(shù)，研制了高速靜音風扇QF-12。Wennerstrom首次將掠葉片技術(shù)引入到高負荷高通流跨音風扇的氣動設(shè)計中。美國Wright實驗室為了研究葉片掠的氣動設(shè)計概念與效果，開展了一系列掠形轉(zhuǎn)子的設(shè)計與實驗研究工作。Denton等也開展了與彎/掠形葉片相關(guān)的氣動性能與流場結(jié)構(gòu)的數(shù)值研究，其研究結(jié)果表明，彎/掠形葉片對風扇的失速裕度有著十分重要的影響。近年來，北京航空航天大學設(shè)計并測試了壓比分別高達2.2和2.3的單級后掠跨音高負荷風扇ATS-2與J285。隨著風扇/壓氣機級負荷水平的逐漸提高，在擴壓葉柵近似軸向出氣的設(shè)計要求下，勢必導致靜子呈現(xiàn)大折轉(zhuǎn)角的個性化特征，由此引發(fā)了靜子端區(qū)較強的附面層三維流動分離，其嚴重影響了風扇/壓氣機負荷水平與失速裕度的拓展。Breugelmans與Shang的研究結(jié)果表明，彎、掠靜子葉片技術(shù)的合理應用能夠有效減少角區(qū)失速。Weingold等針對一個三級壓氣機的研究結(jié)果表明，在堵塞流量與失速裕度的限制條件下，弓形靜子能夠增加該三級壓氣機的壓比和效率。Gummer等針對彎、掠跨音速靜子的數(shù)值與實驗研究結(jié)果也表明，前掠和正彎壓氣機靜子能夠有效降低端區(qū)流動損失，拓展靜子的有效工作范圍。然而，這些研究工作由于受到當時技術(shù)條件的限制，很多研究成果僅僅在某些方面甚至是某項單一技術(shù)上取得了部分突破，更有甚者僅僅局限于該項技術(shù)的機理研究。但是，有一點是非常明確的，那就是人們都意識到了葉片幾何特征對氣動性能影響的重要性。在氣動設(shè)計需求多元化的今天，急需一套能夠解決工程實際問題、高效且具有強大容錯能力的氣動優(yōu)化設(shè)計與葉片三維幾何氣動成型系統(tǒng)，以便適應當今葉輪機械設(shè)計技術(shù)發(fā)展的需求。為此，許多研究機構(gòu)與學者相繼為之付出了努力。Benini與JANG等分別針對NASARotor37轉(zhuǎn)子開展氣動優(yōu)化設(shè)計研究，將葉柵內(nèi)部復雜三維粘性流動特征納入所考慮的范疇，通過葉片幾何的改變以達到控制葉片吸力面的激波結(jié)構(gòu)以及分離區(qū)域大小的目的，并取得了良好的效果。Lian等以NASARotor67轉(zhuǎn)子為藍本，采用包括多目標遺傳算法在內(nèi)的多種優(yōu)化算法對跨音動葉進行氣動優(yōu)化設(shè)計研究。其研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)子的壓比和絕熱效率均獲得了不同程度的提升。此外，研究結(jié)果還表明，跨音速轉(zhuǎn)子表面的附面層流動對葉片幾何參數(shù)的變化十分敏感，尤其是處于較高來流馬赫數(shù)的葉尖截面，截面幾何的微小變化會帶來近壁壓力分布的巨大改觀。針對目前的高負荷風扇/壓氣機氣動設(shè)計技術(shù)，在較高的負荷水平與通流能力的限制條件下，如何滿足最低的失速裕度需求(SM>10％～15％)已經(jīng)成為這項技術(shù)的一個瓶頸。Ellbrant等開展了權(quán)衡氣動效率與失速裕度的優(yōu)化設(shè)計研究工作。以總壓損失系數(shù)(2D)/多變效率(3D)和靜壓升系數(shù)為目標函數(shù)，并結(jié)合了求解準三維與全三維NS方程的ParetoFront優(yōu)化方法。研究結(jié)果表明，氣動效率與失速裕度是一對矛盾。如果氣動效率要求太高，那么必然不能獲得所希望的失速裕度。因此，在實際壓氣機的工程設(shè)計過程中，必須在氣動效率與失速裕度兩個技術(shù)指標之間折衷考慮。Oyama等耦合三維NS方程求解器，建立了一個高精度的優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)，并運用該系統(tǒng)對NASARotor67轉(zhuǎn)子進行優(yōu)化設(shè)計研究。研究結(jié)果表明，在流量與壓比不變的條件下，絕熱效率增加了1.783％。最后，值得一提的是，近年來美國辛辛那提大學的MarkTurner領(lǐng)導的課題組，建立耦合三維CFD的基于葉片幾何曲率控制的葉輪機械氣動優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)。這一優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)的顯著特征是將對通道流場影響的葉片關(guān)鍵幾何參數(shù)曲率與葉柵氣動性能聯(lián)系起來，探索構(gòu)建葉片幾何特征與流場參數(shù)之間的聯(lián)系。上述提到的優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)有三個重要特征，其一是，耦合CFD求解系統(tǒng)。其二是，注重其工程實用性而非僅僅是單項技術(shù)的突破。其三是，越來越凸顯葉片通道幾何的重要性。綜上所述，本申請是基于葉列間流動匹配與控制葉型中弧線曲率的優(yōu)化設(shè)計思想，以GE公司的E3發(fā)動機的高壓壓氣機前1.5級為藍本，在保證葉片強度的條件下，在級環(huán)境下對其轉(zhuǎn)子葉片開展優(yōu)化設(shè)計，以期獲得通流能力、氣動效率、壓比以及失速裕度等綜合氣動性能指標的整體提升。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明為克服現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)普遍存在葉片氣動性能與強度很難同時兼顧的問題，提供一種兼顧氣動與強度的壓氣機轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：一種兼顧氣動與強度的壓氣機轉(zhuǎn)子葉片，其整體為流線型型面，該型面由內(nèi)曲面和與內(nèi)曲面對置的外曲面構(gòu)成，沿其主軸線包括下半葉、中間部、及上半葉；所述內(nèi)曲面呈凹形，且其凹形程度從下至上逐漸減?。凰鐾馇娉释剐?，且其凸形程度從下至上逐漸減?。凰鲋虚g部橫截面曲率為零。較佳地，所述下半葉高度占葉片高度的40～90％。較佳地，所述葉片沿長度方向的截面重心積迭獲得三維葉片。本發(fā)明通過對動葉進、出口氣流角匹配與葉型中弧線二階導數(shù)進行合理的優(yōu)化比配，保證了葉型截面中弧線的曲率連續(xù)，由此重組葉片氣動負荷，有效控制動葉通道內(nèi)部激波結(jié)構(gòu)與激波后的分離流動以及葉片吸力面角區(qū)二次流，降低了擴壓葉柵氣動損失，拓展壓氣機的穩(wěn)定工作范圍；獲得的轉(zhuǎn)子葉片新型結(jié)構(gòu)兼顧了氣動與強度兩方面的實際要求，體現(xiàn)了發(fā)動機葉片無可附加的實際設(shè)計需求，具有很好的實際應用價值。附圖說明圖1為本發(fā)明的葉片前視圖；圖2為本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)截面對比圖；圖3為本發(fā)明截面重心積迭圖；圖4為本發(fā)明中典型截面的中弧線及其一、二階導數(shù)特征圖；圖5為本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對比的壓氣機特性沿葉高分布圖，其中(a)效率；(b)總壓比。具體實施方式以下結(jié)合附圖和具體實施例，對發(fā)明進行詳細說明。參見圖1，本發(fā)明提供一種兼顧氣動與強度的壓氣機轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)，其整體為流線型型面，該型面由內(nèi)曲面1a和與內(nèi)曲面1a對置的外曲面1b構(gòu)成，沿其主軸線包括下半葉11、中間部12、及上半葉13；所述內(nèi)曲面1a呈凹形，且其凹形程度從下至上逐漸減?。凰鐾馇?b呈凸形，且其凸形程度從下至上逐漸減?。凰鲋虚g部12橫截面曲率為零。本發(fā)明中，內(nèi)曲面1a朝向出氣口，外曲面1b位于進氣口一側(cè)，所述下半葉11高度h占葉片高度H的40～90％。進一步地，所述葉片沿長度方向的截面采用重心積迭構(gòu)造三維葉片。以下通過氣動檢驗、強度分析與校核來說明本發(fā)明具體獲得的兼顧氣動與強度性能。一、氣動檢驗本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)中，E3高壓壓氣機前1.5級主要設(shè)計參數(shù)見表1，本發(fā)明葉片結(jié)構(gòu)所能達到的性能見表2。表1主要設(shè)計參數(shù)設(shè)計參數(shù)值葉尖切線速度/(m/s)451.700設(shè)計轉(zhuǎn)速/(rpm)12300第一級轉(zhuǎn)子進口單位迎面流量/(kg/s·m2)189.423第一級葉尖流量系數(shù)0.417第一級葉尖負荷系數(shù)0.307第一級轉(zhuǎn)子葉尖進口相對馬赫數(shù)1.356第一級轉(zhuǎn)子輪轂比0.507葉片數(shù)：進口導葉，轉(zhuǎn)子1，靜子132,28,50第一級轉(zhuǎn)子葉尖間隙/(mm)0.5表2優(yōu)化前后壓氣機最高效率點特性對比表2給出了控制曲率優(yōu)化前后的壓氣機特性。研究結(jié)果表明，通過控制葉片截面幾何曲線的曲率，有效地控制了葉片表面擴壓流場參數(shù)的梯度，壓氣機整體氣動性能獲得了顯著的提升。相對于原型方案，在優(yōu)化設(shè)計工況下，壓氣機的絕熱效率與壓比分別增加了1.67％和0.223％。堵塞流量增加了0.537％。失速流量降低了1.54％，從而壓氣機的失速裕度也得到了增加，有效拓展了壓氣機的穩(wěn)定工作范圍。此外，對比之前的進出口幾何角匹配方案，堵塞流量有所減少，但取而代之的是氣動效率、壓比以及失速裕度的大幅度提升。圖2給出了可控曲率優(yōu)化前后葉型截面形線對比分析。研究結(jié)果表明，優(yōu)化后的葉片幾何表現(xiàn)為40％葉展以下的葉型折轉(zhuǎn)角有所減小，這有利于降低葉片下半葉展的氣動負荷，改善動葉吸力面角區(qū)的流動，從而減少流動損失，提高氣動效率。而在40％～90％葉展區(qū)域，葉型折轉(zhuǎn)角有所增加，這充分利用了葉片跨音速流動區(qū)域氣流切線速度高、葉片對氣流做功能力強的特征，增加上半葉展的氣動負荷，在一定程度上彌補了下半葉展的氣動負荷的虧損。而在這一區(qū)域，控制曲率優(yōu)化設(shè)計的流體動力學機理即為通過對截面幾何型線曲率的合理控制，從而調(diào)整跨音速流動的逆壓力梯度，從組葉片表面壓力分布，降低激波強度。在葉尖部分，為了降低激波損失，葉型呈現(xiàn)預壓縮特征，且葉型中弧線的最大撓度位置位于50％葉片弦長之后(參見圖3，葉片沿長度方向的截面重心積迭獲得三維葉片)，這與現(xiàn)有跨音速高負荷動葉設(shè)計理論的核心思想相吻合。為了進一步分析優(yōu)化前后葉型截面的幾何特征以及本文氣動優(yōu)化技術(shù)的優(yōu)點，圖4給出了典型截面的中弧線及其一、二階導數(shù)在基本葉型平面內(nèi)的變化特征。研究結(jié)果表明，葉型中弧線斜率以及曲率均沿弦向呈現(xiàn)光滑分布，而且均得到了有效的控制，實現(xiàn)了預期的可控曲率目標。由于根部馬赫數(shù)較低，要實現(xiàn)較大的加功量，所以動葉根部葉型折轉(zhuǎn)角較大。而葉尖部分馬赫數(shù)較高，部分氣流的增壓效果主要來自于激波，同時為了控制激波后的可能引發(fā)的流動分離，所以動葉尖部葉型折轉(zhuǎn)角較小。甚至為了有效減小波前馬赫數(shù)從而降低激波強度，出現(xiàn)了反曲率葉型(預壓縮葉型)設(shè)計，即進口附近中弧線存在局部負曲率。同時，在跨音速截面附近，由于流動物理特征存在質(zhì)的改變，所以葉型中弧線的斜率以及曲率沿弦向均發(fā)生較大變化，如75％展向截面。圖5給出了絕熱效率、總壓比沿展向分布特性。研究結(jié)果表明，控制曲率優(yōu)化方案的壓比特性表現(xiàn)為：40％葉展以下有所減低，而其余葉展范圍則增加。其原因主要是通過優(yōu)化設(shè)計后，40％葉展以下氣流折轉(zhuǎn)角減小，其它展向位置不僅氣流折轉(zhuǎn)角有所增加，而且激波強度以及激波后的流場品質(zhì)均得到了合理的改善。此外，通過型面幾何曲率的調(diào)整，不僅有效地控制擴壓流場參數(shù)的梯度，而且對于葉尖區(qū)域激波脹壓流場特性的控制也比較理想。因此，最終導致了控制曲率優(yōu)化方案基本上全葉展范圍內(nèi)絕熱效率均獲得提升，而且平均增幅大于1％。二、強度分析與校核轉(zhuǎn)子葉片的設(shè)計原則可以概括為：在機械結(jié)構(gòu)、強度、材料性能等的限制范圍內(nèi)，構(gòu)建所需氣動負荷分布的最小損失氣動外形。因此，葉片強度分析與校核作為發(fā)動機葉片設(shè)計不可或缺的重要環(huán)節(jié)。為了驗證本發(fā)明所取得的新型轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)的合理性與實用性，采用CSD技術(shù)對原型以及新型轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)進行強度分析。表3給出了葉片主要材料屬性。表3葉片材料屬性轉(zhuǎn)子葉片的應力分布測試表明，原型轉(zhuǎn)子葉片根部最大應力為7.3251×108pa，優(yōu)化后轉(zhuǎn)子葉片根部最大應力為5.985×108pa，遠遠小于原型轉(zhuǎn)子方案，而且葉片表面的應力分布也趨于合理。這說明本發(fā)明所取得新型轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)布局在氣動方面取得較好的效果，而且葉根強度也較原型結(jié)構(gòu)優(yōu)越。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。當前第1頁1 2 3