一种低反力度压气机叶片设计方法、动叶及压气机与流程

1.本发明涉及压气机技术领域，具体涉及一种低反力度压气机叶片设计方法、动叶及压气机。


背景技术：

2.现代涡轮喷气发动机的结构由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成，而推重比是表征其性能的主要参数之一。第一代涡喷发动机的推重比只有1.2左右，而第四代军用发动机f119和f135的推重比已达到10～11。推重比越大，发动机的性能越好。
3.要想提高推重比无非是通过增大单位推力或减小发动机自重两种方式：对于第一种方式，提高涡轮进口温度可以有效提升单位推力。研究发现涡轮进口温度与最佳增压比成幂指数关系，因此在保证压气机级数不变的前提下就要提高单级压比；而对于第二种方式，由于一般航空发动机中压气机级数较多，其重量占据总重量的40％～50％，因此要减小自重就要减小压气机级数，而在保证总压比不变的前提下同样也是要提高单级压比。因此无论从增大单位推力的角度还是从减小发动机自重的角度，提高单级压比都可以改善航空发动机的性能。
4.根据基元级理论功的计算公式h＝uδw
u
，其中h为理论加工量，u为转速，δw
u
为扭速，可以通过提高扭速和轮缘速度的方式增大单级压比，其中，提高轮缘速度会使气体的流动速度提高，然而，当气体超声速流动时就会发生产生激波，所以叶片的吸力面会产生一道激波，由激波理论可知，激波会造成叶片总压损失增大，并且一道激波造成的损失大于几道微弱压缩波的损失，因此，本领域便产生以下需求：能否设计一种叶片设计方法，这种设计方法能够减小激波带来的损失。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
6.为此，本发明实施例提出一种低反力度压气机叶片设计方法，该叶片设计方法能够有效减小叶片的激波损失。
7.根据本发明实施例提出的低反力度压气机叶片设计方法包括以下步骤：将叶型的吸力面分为前段、中段和后段；获取至少8个控制点，并根据所述至少8个控制点生成所述中段的吸力面型线，其中，所述中段的吸力面型线包括预压缩型线，所述至少8个控制点包括第一控制点至第八控制点；将第一控制点、第二控制点设置在所述中段的吸力面型线的起始端，调整所述第一控制点和所述第二控制点的位置以使所述前段的吸力面型线和所述中段的吸力面型线平滑相连；将第三控制点、第四控制点设置在所述中段的吸力面型线的末尾端，调整所述第三控制点和所述第四控制点的位置以使所述中段的吸力面型线和所述后段的吸力面型线平滑相连；调整所述第五控制点、第六控制点、第七控制点、第八控制点使所述预压缩型线为s形。
8.根据本发明实施例的低反力度压气机叶片设计方法，该叶型设计方法能够有效减
小叶片的激波损失。
9.在一些实施例中，所述低反力度压气机叶片设计方法还包括以下步骤：获取至少5个中弧线控制点，并根据所述至少5个中弧线控制点生成所述叶型的中弧线，其中，所述至少5个中弧线控制点包括第九控制点至第十三控制点；将第九控制点、第十控制点设置在所述中弧线的起始端，调整所述第九控制点和所述第十控制点的位置以确定所述叶型前缘角，其中，所述叶型前缘角为a,且0
°
<a<50
°
；将第十一控制点、第十二控制点设置在所述中弧线的末尾端，调整所述第十一控制点和第十二控制点的位置以确定所述叶型尾缘角，其中所述叶型尾缘角为b，且0
°
<b<50
°
；调整第十三控制点的位置以控制所述中弧线的最大挠度，其中，所述最大挠度与所述中弧线的弦长的比值为c，且0.05≤c≤0.5。
10.在一些实施例中，所述叶型前缘角的绝对值和所述叶型尾缘角的绝对值之和为f，且5
°
≤f≤100
°
。
11.在一些实施例中，所述调整第十三控制点的位置以控制所述中弧线的最大挠度，其中，所述最大挠度与所述中弧线的弦长的比值为c，且0.05≤c≤0.5步骤之后，还包括以下步骤：获取至少5个压力面型线控制点，并根据所述至少5个压力面型线控制点生成压力面型线，其中，所述至少5个压力面型线控制点包括第十四控制点至第十八控制点；将第十四控制点和第十五控制点设置在所述压力面型线的起始端，调整所述第十四控制点和所述第十五控制点的位置以使确定所述压力面型线的入口角；将第十六控制点和第十七控制点设置在所述压力面型线的末尾端，调整所述第十六控制点和所述第十七控制点的位置以确定所述压力面型线的出口角；调整第十八控制点的位置以控制所述压力面型线的最大挠度，其中，所述压力面型线的最大挠度与所述中弧线的弦长的比值为d，且0.05≤d<c≤0.5。
12.在一些实施例中，所述调整第十八控制点的位置以控制所述压力面型线的最大挠度，其中，所述压力面型线的最大挠度与所述中弧线的弦长的比值为d，且0.05≤d<c≤0.5步骤之后,还包括以下步骤：设置后段的吸力面型线，使所述中弧线上的任一点到所述后段的吸力面型线的最小距离与所述任一点到所述压力面型线的最小距离相等。
13.在一些实施例中，所述设置后段的吸力面型线，使所述中弧线上的任一点到所述后段的吸力面型线的最小距离与所述任一点到所述压力面型线的最小距离相等步骤之后，还包括以下步骤：设置前段的吸力面型线，使前段的吸力面型线斜率与所述中弧线的入口斜率相同。
14.在一些实施例中，所述设置前段的吸力面型线，使前段的吸力面型线斜率与所述中弧线的入口斜率相同步骤之后，还包括以下步骤：基于保形映射原理，将多个叶型映射回对应的回转面，以构成多个曲面；将不同高度的多个曲面进行积叠，以形成叶片的实体。
15.在一些实施例中，所述预压缩型线于靠近所述前段的一端为起始端，所述叶片不同截面的起始端沿叶高方向线性变化，所述起始端与所述叶型的前缘点之间沿所述中弧线的弦长方向的距离与所述中弧线的弦长的比值为g，且5％≤g≤50％。
16.在一些实施例中，所述中段的吸力面型线为七阶贝塞尔曲线，所述中弧线为四阶贝塞尔曲线，所述压力面型线为四阶贝塞尔曲线。
17.在一些实施例中，所述叶片的安装角为h，且40
°
≤h≤90
°
。
18.根据本发明实施例的动叶，所述动叶为根据上述任一实施例中所述的低反力度压气机叶片设计方法设计的动叶。
19.根据本发明实施例的压气机，所述压气机包括动叶、静叶、轮毂和机匣，所述动叶为根据上述任一实施例中所述的低反力度压气机叶片设计方法设计的动叶，所述轮毂外周设置有多个沿所述轮毂的周向间隔布置的所述动叶，所述机匣环绕在所述轮毂的外周侧，所述机匣内壁设有多个与所述动叶配合并沿所述轮毂的周向间隔布置的所述静叶。
附图说明
20.图1是根据本发明实施例的叶型几何示意图；
21.图2是图1中的中段的吸力面型线拟合示意图；
22.图3是图1中的中弧线拟合示意图；
23.图4是图1中的压力面型线拟合示意图；
24.图5是图1在j处的局部放大图；
25.图6是图1在k处的局部放大图；
26.图7是根据本发明实施例在叶高方向上5个不同截面的中段的吸力面型线拟合示意图；
27.图8是根据本发明实施例在叶高方向上5个不同截面的中弧线拟合示意图；
28.图9是根据本发明实施例在叶高方向上5个不同截面的叶型几何示意图；
29.图10是根据本发明实施例的叶片的子午流线图；
30.图11是根据本发明实施例的三维叶片。
31.附图标记：
32.中段的吸力面型线1；第一控制点11；第二控制点12；第三控制点13；第四控制点14；第五控制点15；第六控制点16；第七控制点17；第八控制点18；
33.中弧线2；第九控制点21；第十控制点22；第十一控制点23；第十二控制点24；第十三控制点25；
34.压力面型线3；第十四控制点31；第十五控制点32；第十六控制点33；第十七控制点34；第十八控制点35；
35.后段的压力面型线4；前段的压力面型线5；前缘6；尾缘7；叶根8；叶顶9；
36.叶型前缘角a；叶型尾缘角b。
具体实施方式
37.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为本发明的限制。
38.对本发明进行进一步详细说明之前，对本发明实施例中涉及的名词和术语进行说明，本发明实施例中涉及的名词和术语适用于如下解释。
39.子午流线：s2m流面(中间s2流面)与无数个s1流面相交形成的线。
40.s1流面：从一个叶片到另一个叶片间的流面。
41.s2流面：从叶根到叶尖的流面。
42.s1m流面：中间s1流面。
43.s2m流面：中间s2流面。
44.中弧线：叶型内切圆圆心的连线。
45.弦长：连接中弧线与叶型前后缘交点之间的直线称为弦。
46.弦的长度为弦长。
47.最大挠度：中弧线到弦的最大垂直距离。
48.叶型前缘角：中弧线在前缘点的切线与弦之间的夹角。
49.叶型尾缘角：中弧线在尾缘点的切线与弦之间的夹角。
50.压力面型线的入口角：压力面型线在前缘点的切线与弦之间的夹角。
51.压力面型线的出口角：压力面型线在尾缘点的切线与弦之间的夹角。
52.安装角：叶型弦线与额线之间的夹角。
53.额线：连接叶栅中所有叶型前缘点的直线。
54.叶栅：由形状相同的许多叶型彼此以一定距离沿圆周均匀排列形成的环形表面。
55.中弧线的入口角：中弧线在前缘点的切线与额线的夹角。
56.中弧线的出口角：中弧线在尾缘点的切线与额线的夹角。
57.压力面型线的最大挠度：压力面型线到弦的最大垂直距离。
58.其中，叶型前缘角在数值上等于安装角与中弧线的入口角之间的差值，叶型尾缘角在数值上等于中弧线的出口角与安装角的差值，压力面型线的入口角在数值上等于叶型前缘角，压力面型线的出口角在数值上等于叶型尾缘角。
59.以某叶片为例，已知由叶根向叶高方向5个截面的叶片造型参数如表1中所示。其中，section 1为叶根处的叶型，section 5是叶顶处的叶型，section 2、section 3、section 4是叶根与叶顶之间的叶型。
60.表1叶片造型参数
[0061][0062]
基于表1中参数，本发明实施例提供的低反力度压气机叶片设计方法包括以下步骤：
[0063]
s1:将叶型的吸力面分为前段、中段和后段。
[0064]
图1为根据本发明实施例的叶型几何示意图，按气流顺着叶型流动的方向将叶型的吸力面依次排序分成三个特征区域，分别为前段、中段和后段，前段的吸力面型线5为图1
中的ab段，中段的吸力面型线1为图1中的bc段，后段的吸力面型线4为图1中的cd段，压力面型线3为ef段。
[0065]
s2:获取至少8个控制点，并根据至少8个控制点生成中段的吸力面型线1，其中，中段的吸力面型线1包括预压缩型线，至少8个控制点包括第一控制点11至第八控制点18。
[0066]
s3:将第一控制点11、第二控制点12设置在中段的吸力面型线1的起始端，调整第一控制点11和第二控制点12的位置以使前段的吸力面型线5和中段的吸力面型线1平滑相连。这样可将图1中的b点光顺连续，可避免应力集中且使流场分布均匀合理。
[0067]
s4:将第三控制点13、第四控制点14设置在中段的吸力面型线1的末尾端，调整第三控制点13和第四控制点14的位置以使中段的吸力面型线1和后段的吸力面型线4平滑相连。这样可将图1中的c点光顺连续，可避免应力集中且使流场分布均匀合理。
[0068]
s5:调整第五控制点15、第六控制点16、第七控制点17、第八控制点18使预压缩型线为s型。
[0069]
图1中示出了单个叶型中段的吸力面型线1即图1中的bc段，bc段为七阶贝塞尔曲线，bc段内的预压缩型线为s形，当超音速的气流经过bc段时，可将一道激波变成几道压缩波，从而有效减小叶片的激波损失。
[0070]
在一些实施例中，低反力度压气机叶片设计方法还包括：
[0071]
s6:获取至少5个中弧线控制点，并根据至少5个中弧线控制点生成叶型的中弧线2，其中，至少5个中弧线控制点包括第九控制点21至第十三控制点25。
[0072]
s7:将第九控制点21、第十控制点22设置在中弧线2的起始端，调整第九控制点21和第十控制点22的位置以确定叶型前缘角a。
[0073]
s8:将第十一控制点23、第十二控制点24设置在中弧线2的末尾端，调整第十一控制点23和第十二控制点24的位置以确定叶型尾缘角。
[0074]
s9:调整第十三控制点25的位置以控制中弧线2的最大挠度。
[0075]
设计者可根据叶型前缘角a、叶型尾缘角b、中弧线2的端点及中弧线2的最大挠度，通过5个控制点应用4阶贝塞尔曲线将中弧线2拟合，单个叶型的中弧线2拟合示意图如图3所示。
[0076]
在一些实施例中，调整第十三控制点25的位置以控制中弧线2的最大挠度步骤之后，低反力度压气机叶片设计方法还包括以下步骤：
[0077]
s10:获取至少5个压力面型线控制点，并根据至少5个压力面型线控制点生成压力面型线3，其中，至少5个压力面型线控制点包括第十四控制点31至第十八控制点35。
[0078]
s11:将第十四控制点31和第十五控制点32设置在压力面型线3的起始端，调整第十四控制点31和第十五控制点32的位置以使确定压力面型线3的入口角。
[0079]
s12:将第十六控制点33和第十七控制点34设置在压力面型线3的末尾端，调整第十六控制点33和第十七控制点34的位置以确定压力面型线3的出口角。
[0080]
需要说明的是，压力面型线3的入口角与叶型前缘角a数值相同，压力面型线3的出口角与叶型尾缘角b数值相同，换言之，确定了叶型前缘角a和叶型尾缘角b也就确定了压力面型线3的入口角和压力面型线3的出口角。
[0081]
s13:调整第十八控制点35的位置以控制压力面型线3的最大挠度。
[0082]
设计者可根据压力面型线3的入口角、压力面型线3的出口角、压力面型线3的端点
及压力面型线3的最大挠度，通过5个控制点应用4阶贝塞尔曲线将压力面型线3拟合。
[0083]
在一些实施例中，调整第十八控制点35的位置以控制压力面型线3的最大挠度步骤之后，低反力度压气机叶片设计方法还包括：
[0084]
s14:设置后段的吸力面型线4，使中弧线2上的任一点到后段的吸力面型线4的最小距离与所述任一点到压力面型线3的最小距离相等。
[0085]
例如，设计者在构造后段的吸力面型线4的时候，以中弧线2上的点为圆心画圆，使多个圆与压力面型线3相切，然后将后段的吸力面型线4与多个圆相切，即可确定的后段的吸力面型线4。
[0086]
在一些实施例中，设置后段的吸力面型线4，使中弧线2上的任一点到后段的吸力面型线4的最小距离与所述任一点到压力面型线3的最小距离相等步骤之后，低反力度压气机叶片设计方法还包括：
[0087]
s15:设置前段的吸力面型线5，使前段的吸力面型线5的斜率与中弧线2的入口斜率相同。
[0088]
前缘半径和尾缘半径由设计者设定，设计者可根据前缘半径、前段的吸力面型线5、中段的吸力面型线1、后段的吸力面型线4、压力面型线3和尾缘半径即可确定叶片的叶型。
[0089]
在一些实施例中，设置前段的吸力面型线5，使前段的吸力面型线5的斜率与中弧线2的入口斜率相同步骤之后，低反力度压气机叶片设计方法还包括：
[0090]
s16:基于保形映射原理，将多个叶型映射回对应的回转面，以构成多个曲面。
[0091]
s17:将不同高度的多个曲面进行积叠，以形成叶片的实体。
[0092]
图8为根据本发明实施例的叶片的子午流线图，图9是根据本发明实施例的三维叶片。
[0093]
需要说明的是，本发明中，对于需要积叠的曲面的数目不做限定，叶片实体可由5个曲面进行积叠得到，叶片实体也可以由多于5个曲面进行积叠得到。
[0094]
需要说明的是，由于叶片是由多个曲面积叠而成，如曲面之间不光顺，叶片在运转过程中将会受到应力集中问题，因此，多个曲面在积叠过程中需要光顺处理，例如，可在曲面之间的曲线上通过差值取点的方式进行光顺处理。
[0095]
在一些实施例中，0
°
<a<50
°
，例如，如表1所示，本实施例选取了由叶根向叶高方向的5个叶型，5个叶型的叶型前缘角a分别为30.57
°
、29.86
°
、26.66
°
、22.05
°
、25.68
°
。
[0096]
在一些实施例中，0
°
<b<50
°
，例如，如表1所示，本实施例选取了由叶根向叶高方向的5个叶型，5个叶型的叶型尾缘角b分别为39.67
°
、36.15
°
、36.20
°
、34.67
°
、34.96
°
。
[0097]
在一些实施例中，最大挠度与中弧线的弦长的比值为c，且0.05≤c≤0.5，例如，如表1所示，本实施例选取了由叶根向叶高方向的5个叶型，5个叶型的最大挠度与中弧线的弦长的比值c分别为17.78％、18.35％、17.78％、17.37％、16.14％，5个叶型中弧线最大挠度位置与中弧线的比值为55.51％55.81％56.78％55.62％56.49％，具体如图8所示。
[0098]
在一些实施例中，叶型前缘角a的绝对值和叶型尾缘角b的绝对值之和为f，且5
°
≤f≤100
°
。
[0099]
在一些实施例中，所述压力面型线的最大挠度与所述中弧线的弦长的比值为d，且0.05≤d<c≤0.5，例如，如表1所示，本实施例选取了由叶根向叶高方向的5个叶型，5个叶型
的压力面最大挠度与中弧线的比值d分别为14.04％14.41％14.39％14.50％13.45％，5个叶型的压力面最大挠度位置与中弧线的弦长的比值为54.98％56.24％57.36％55.02％54.68％，具体如图9所示。
[0100]
在一些实施例中，预压缩型线于靠近前段的一端为起始端，起始端与叶型的前缘点之间沿中弧线2的弦长方向的距离为起始距离，起始距离与中弧线2的弦长的比值为g，且5％≤g≤50％，例如，如表1所示，本实施例选取了由叶根向叶高方向的5个叶型，叶型的起始距离与中弧线2的弦长的比值为5％、8.75％、12.5％、16.25％、20.0％，具体如图7所示。
[0101]
在一些实施例中，叶片的安装角为h,且40
°
≤h≤90
°
，例如，如表1所示，本实施例选取了由叶根向叶高方向的5个叶型，5个叶型的安装角为63.35
°
、61.70
°
、59.00
°
、55.41
°
、50.79
°
。
[0102]
本发明的动叶的具体实施例，动叶为根据上述任一实施例中所述的低反力度压气机叶片设计方法设计的动叶。
[0103]
本发明的压气机的具体实施例，压气机包括动叶、静叶、轮毂和机匣，动叶为根据上述任一实施例中所述的低反力度压气机叶片设计方法设计的动叶，轮毂外周设置有多个沿轮毂的周向间隔布置的动叶，机匣环绕在轮毂的外周侧，机匣内壁设有多个与动叶配合并沿轮毂的周向间隔布置的静叶。
[0104]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体地限定。
[0105]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。