[发明专利]宽裕度的单级跨音风扇设计方法

说明书

本公开提供一种宽裕度单级跨音风扇的设计方法，包括以下步骤：给定风扇的设计参数，设计参数包括流量、级压比、级效率和外径，基于设计参数获取风扇的流道曲线和叶片的前尾缘曲线；基于风扇的一维气动设计结果，通过时间推进通流设计程序进行子午面流场计算，将周向涡量作为子午面流场诊断因子，获取周向涡量在子午面的分布；将边界涡量流作为壁面诊断因子，分析转子吸力面和静子吸力面的轴向边界涡量流和径向边界涡量流的分布；基于通流设计结果和壁面诊断结果，对风扇叶片的叶型参数进行优化。

技术领域

本公开涉及一种宽裕度的单级跨音风扇设计方法。

背景技术

航空发动机向高推重比趋势发展，对风扇/压气机提出了更加紧凑和高负荷的发展要求。在目前材料性能未取得较大发展的前提下，未来风扇的主要趋势是在满足高负荷的前提下提高风扇的稳定裕度，以实现风扇在大流量范围内较好的性能。众所周知，由于气流在风扇中是从低压向高压方向运动，逆压梯度下气流易分离，风扇在气动设计上研制难度大，一直以来是制约发动机性能发展的主要瓶颈。

针对风扇的设计问题，研究者从不同的思路出发，分别发展了基于求解正、反问题的设计方法。正问题设计主要是在给定风扇几何条件的情况下，通过求解雷诺平均的三维N-S方程来准确分析风扇性能和内部三维流场。在风扇的初始设计阶段，需要反复修改风扇的几何方案。为节省时间，设计者在进行三维计算之前通常会进行多次的通流设计和S1流面叶栅流场分析。而反问题设计则是给定叶片表面压力，速度等参数分布反迭代求叶片形状的设计方法。这两种设计思路目前都具有一定的问题，正问题设计时间长，代价高，其次正问题的优化设计基本属于黑箱操作，对于流动机理的把握不够，收益较小。而反问题设计方法要求设计者经验丰富，能够给定合理的流场参数，对于设计者要求较高。

发明内容

为了解决至少一个上述技术问题，本公开提供一种宽裕度的单级跨音风扇设计方法，通过以下技术方案实现。

根据本公开的一个方面，宽裕度单级跨音风扇的设计方法包括以下步骤：

一维气动设计：给定风扇的设计参数，设计参数包括流量、级压比、级效率和外径，基于设计参数获取风扇的流道曲线和叶片的前尾缘曲线；

通流设计：基于风扇的一维气动设计结果，通过时间推进通流设计程序进行子午面流场计算，将周向涡量作为子午面流场诊断因子；

壁面诊断：将边界涡量流作为壁面诊断因子，分析转子吸力面和静子吸力面的轴向边界涡量流和径向边界涡量流的分布；

优化设计：基于通流设计结果和壁面诊断结果，对风扇叶片的叶型参数进行设计和优化。

根据本公开的至少一个实施方式，通流设计阶段还包括：基于风扇的流道曲线和叶片的前尾缘曲线确定转子出口处环量分布，给定子午面环量径向和轴向分布。

根据本公开的至少一个实施方式，转子出口采用等环量径向分布，转子出口处环量沿轴向采用余弦曲线分布形式。

根据本公开的至少一个实施方式，将周向涡量作为通流设计的评价标准；评价标准包括：周向涡量的正峰值出现在叶尖区域，负峰值出现在叶根区域，主流区域未出现周向涡量峰值。

根据本公开的至少一个实施方式，优化设计阶段还包括：基于转子吸力面和静子吸力面的轴向边界涡量流诊断结果，从提高转子和静子的负荷能力的角度出发，将轴向边界涡量流的面积分作为目标函数，对风扇叶片关键区域的叶型参数进行优化；关键区域包括出现径向和/或轴向压力梯度的区域；叶型参数包括中弧线曲率、厚度分布和弯掠形式。

根据本公开的至少一个实施方式，优化设计阶段还包括：基于转子吸力面和静子吸力面的轴向边界涡量流诊断结果，从提高流动效率的角度出发，将径向边界涡量流的面积分作为目标函数，对风扇叶片关键区域的叶型参数进行优化；关键区域包括出现径向和/或轴向压力梯度的区域；叶型参数包括中弧线曲率、厚度分布和弯掠。