[发明专利]一种燃气轮机风扇叶片反扭过程的预估方法

说明书

技术领域

本发明涉及叶片叶型设计的技术领域，具体涉及一种燃气轮机风扇叶片反扭过程的预估方法。

背景技术

燃气轮机，特别是涡扇发动机风扇级的性能对发动机总性能有着至关重要的影响，而叶型则是决定风扇性能的最重要的参数之一，所以保证风扇叶片在工作点的形状和设计点的相同或接近是实现其设计性能指标的关键环节。燃气轮机风扇在工作过程中，叶片在气动力、离心力和热应力的共同作用下，会产生伸长、展开等复杂的变形，叶片会从加工的形状（冷态叶型）变为工作转速下的叶型（热态叶型），而热态叶型又受转速和负载的制约，所以不同气动工况下热态叶型略有不同。在航空发动机的叶片设计中，一般根据气动性能、强度、寿命等要求设计出在设计工况下的叶片最佳气动几何形状（热叶片），再利用结构分析对设计叶型进行反推以求得冷态加工叶型（热到冷），即叶片反扭设计。另一方面，许多涉及到叶片变形方面的研究，如气动弹性的强迫响应、颤振等问题，往往需要叶片在非设计气动工况下的精确叶型。以冷态加工叶型为分析起点，得到工作热态下叶片形状的预估称为“冷到热”的过程。

大量研究表明，燃气轮机叶片形状的细微差别会影响叶尖间隙、气流角等，从而导致风扇叶片通道内的流动和设计工况有一定差别。特别对跨音速风扇，叶片变形可能会引起激波位置的移动，从而偏离其最佳设计点，进而影响燃气轮机的性能、效率，甚至带来气动弹性稳定性等问题。而现代发动机高推重比的需求，要求风扇叶片高负载，低重量。新型轻质复合材料、空心结构等措施的采用使得叶片相对刚性下降，在大的气动载荷下，较之常规风扇更易产生较大变形，气动力的非线性效应更明显。而在超、跨音速流动工况下叶片变形对激波位置有重要影响。叶片在气动力作用下的变形作用体现的更突出。而传统叶片反扭设计，只是根据结构强度需求，叶片安装角偏转一个角度。这种方法对新结构、新材料的设计很难得到优化的叶片制造叶型，从而导致叶片在设计转速下工作时与设计叶型不一致。

无论是“冷到热”还是“热到冷”的叶型计算，都要求反推的冷态叶型具有较高精度，才能实现各个气动工况下预测的热态叶型与叶片实际工作态叶型的一致性。因此对精确预估燃气轮机风扇叶片反扭过程的方法进行研究是十分重要的，尤其对于发展大涵道比的跨音速风扇有着重要的工程应用价值。

发明内容

发明目的是为了解决目前燃气轮机风扇叶片反扭设计方法不完善的问题，进而提供了一种燃气轮机风扇叶片反扭过程的预估方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种燃气轮机风扇叶片反扭过程的预估方法，该方法由以下步骤实现的：

步骤一：以设计时叶片几何数据为原始热态叶型，叶片材料为设计时选取的材料，获取弹性常数，泊松比性能参数，以设计点的气动工况为工作点；

步骤二：根据原始设计工况下热态叶片几何型值，构建风扇叶片的几何模型；

步骤三：将风扇叶片进行网格划分，并结合设计时给定的材料性能参数，构建风扇叶片的有限元模型；

步骤四：结合风扇叶片的设计点运行工况，即转速的设计要求，叶片位移约束边界条件，进行叶片在离心力作用下的静态变形分析，获得离心负载下叶片的静变形量；

步骤五：使用原始热态叶型减去离心静变形得到固体域中的预测冷态叶型①：首先提取叶片各节点的几何坐标即Xs0，Ys0，Zs0，然后根据离心静变形计算结果，在X、Y、Z轴方向上提取叶片各节点处变形值即UX1，UY1，UZ1，在步骤三中的风扇叶片几何外形的基础上实行叶片初步反扭计算，在X、Y、Z轴方向上使各节点坐标取值为Xs0-UX1，Ys0-UY1，Zs0-UZ1，从而，确定风扇叶片的预测冷态几何形式；

步骤六：将燃气轮机风扇叶片的几何模型导入计算流体力学分析软件的前处理器AUTOGRID，建立流体域，完成流体网格的划分；

步骤七：使用原始热态叶型减去离心静变形得到流体域中的预测冷态叶型①：首先提取叶片各节点的几何坐标即Xf0，Yf0，Zf0，然后使用所述有限元模型得到节点上的静变形量UX1，UY1，UZ1插值到叶片的流体网格节点上以获得UXf1，UYf1，UZf1；然后，使用动网格技术，将基于原始叶型下的流体域网格节点以叶片固面上节点变形量为边界条件，设流体域其他边界变形为0，进行调整，并最大程度保证流体网格质量不变；