一種兼顧氣動與結構特徵的航空發動機風扇葉片三維幾何結構的製作方法

2023-06-03 13:15:11

專利名稱：一種兼顧氣動與結構特徵的航空發動機風扇葉片三維幾何結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種兼顧氣動與結構特徵的民用航空發動機大風扇內涵葉片三維幾何結構，屬於葉輪機械軸流壓氣機葉輪技術領域。
背景技術：
民用航空發動機大風扇中由於輪轂比較小，流動參數沿徑向變化比較劇烈。傳統的設計思想是採用沿葉高等功分布規律，認為這樣能使流動的徑向摻混最小，減小流動損失。由於大風扇根尖切線速度的差距較大，為保證從根到尖輪緣功相等，則需要風扇內涵葉片基元葉型扭轉較大，於是傳統風扇內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，等功分布的設計並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內堆積，流動分離損失很大，同時也使得風扇內涵出口馬赫數較大，增加了增壓級的設計難度和風險；在結構方面，吸力面與輪轂較小的夾角也不利於伸根段的結構造型，給葉片在輪盤上的安裝造成了困難，有可能在伸根段產生過大的應力。隨著設計和三維數值模擬技術的發展，現代航空發動機大風扇的採用全三維設計手段，突破一些傳統設計理念，根據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，同時兼顧結構特徵，方便葉片的安裝，避免應力過大。

發明內容
本發明的目的在於提供一種兼顧氣動與結構特徵的民用航空發動機大風扇內涵葉片三維幾何結構，如

圖1所示。在設計大風扇1時，本發明調整內涵部分葉片2(大風扇葉片120%葉高以內部分)的加功量和落后角等設計參數，優化內涵葉片2的金屬出口角β21 沿展向的分布，得到優化的內涵葉片尾緣曲線3，可以看出，內涵葉片的尾緣吸力面5與輪轂線10更接近垂直。設計目的在於控制風扇根部吸力面與輪轂形成的角區內的流動分離， 提高風扇效率，改善內涵增壓級的進口條件，同時有利於風扇伸根段的結構造型，便於葉片在輪盤上的安裝。為實現上述發明目的，本發明的技術方案主要包括以下幾點一種兼顧氣動與結構特徵的民用航空發動機大風扇內涵葉片三維幾何結構，其中，所述的內涵葉片是指大風扇葉片O 20%葉高部分，特徵在於1、所述的內涵葉片2的金屬出口角滿足如下條件內涵葉片2(大風扇葉片20% 葉高以內部分)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 ζ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，χ為相對展高的百分比數，y為相應葉高基元葉型的金屬出口角，單位為度 )，出口金屬角的公差範圍為士 0.2°。具有這種展向分布的金屬出口角減小了內涵葉
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，所述的內涵葉片尾緣線滿足如下條件內涵葉片尾緣線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為葉輪旋轉方向，定義內涵葉片尾緣線3與輪轂線10相交的點為坐標原點(0，0)，坐標軸二為原點切線速度的
反方向，；沿徑向指向半徑增大方向，將X，y坐標值分別無量綱化，無量綱尺度分別為輪轂線10到內涵葉片尾緣線3在x，y方向的絕對長度。在以上坐標系的定義下，尾緣線在XOY 平面上的投影曲線擬合公式為
權利要求
1. 一種兼顧氣動與結構特徵的民用航空發動機大風扇內涵葉片三維幾何結構，其中， 所述的內涵葉片是指大風扇葉片O 20%葉高部分，特徵在於(1)、所述的內涵葉片的金屬出口角滿足如下條件內涵葉片基元葉型的金屬出口角 β 2k沿展高的分布可以由一個三次多項式來描述 y = 79. 804χ3+70. 411χ2+33. 222χ-8. 62，其中，χ為相對展高的百分比數，y為相應葉高基元葉型的金屬出口角，單位為°，出口金屬角的公差範圍為士 0.2° ；O)、同時，所述的內涵葉片尾緣線滿足如下條件內涵葉片尾緣線在與軸向垂直的 XOY平面上的投影可以擬合成一條六次多項式曲線，定義內涵葉片尾緣線與輪轂線相交的點為坐標原點(0，0)，ω為葉輪旋轉方向，坐標軸；為原點切線速度的反方向，；；沿徑向指向半徑增大方向，將χ，y坐標值分別無量綱化，無量綱尺度分別為內涵葉片尾緣線在χ，y方向的絕對長度；在以上坐標系的定義下，尾緣線在XOY平面上的投影曲線擬合公式為
全文摘要
本發明公開了一種兼顧氣動與結構特徵的民用航空發動機大風扇內涵葉片三維幾何結構。傳統設計的大風扇根部葉型後段彎角較大，尾緣吸力面與輪轂形成了比較小的銳角，低能氣體在此角區堆積，流動損失很大，且吸力面與輪轂較小的夾角不利於葉片伸根段的結構造型。本發明主要優化了大風扇內涵葉片(大風扇葉片20％葉高以內部分)基元葉型出口金屬角沿葉高的變化，擬合出了內涵葉片出口金屬角的分布曲線及尾緣線在與軸向垂直的平面上的投影曲線。經過三維CFD驗證，本發明能夠有效減小風扇尾緣吸力面與輪轂形成的角區內的流動分離，提高風扇內涵的效率，為增壓級提供了良好的進口條件，而且根部葉片與輪轂相對接近垂直為葉片在輪盤上的安裝也提供了便利。
文檔編號F01D5/14GK102536327SQ201110404108
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月7日 優先權日2011年12月7日
發明者孫曉峰, 朱芳, 桂幸民, 金東海 申請人:北京航空航天大學