分墙支板导叶融合设计方法与流程

1.本发明涉及航空发动机领域，特别涉及一种分墙支板导叶融合设计方法。


背景技术：

2.大涵道比涡扇发动机是当前民用客机的主流动力装置，随着适航要求对发动机经济性和环保性追求，民用航空发动机的耗油率和噪音的指标要求逐年提高。对于大涵道比涡扇发动机，外涵效率对耗油率影响起决定因素。风扇和外涵出口导叶的转静干涉噪声是发动机噪声的重要组成部分。
3.图1为分体式外涵导叶和支板示意图。图2为融合式外涵导叶和支板示意图。
4.如图1和图2所示，传统大涵道比涡扇发动机，外涵有出口导叶、支板和分墙三个叶型结构。为了进一步降低发动机风扇转静干涉噪音，提升外涵效率，降低耗油率，减轻发动机重量，先进民用大涵道比涡扇发动机采用外涵分墙支板导叶融合设计技术。
5.融合式导叶支板相比传统分体式导叶，导叶距离风扇叶片更远，发动机风扇外涵转静干涉噪音更低。叶型一体化设计，出口导叶(ogv)设计考虑支板和分墙叶型堵塞，出口导叶支板和分墙流动损失更小，发动机外涵效率更高。支板也具有导流作用，且结构更为紧凑，有利于减少外涵导叶的叶片数，减轻发动机重量。
6.然而，由于融合设计，叶片造型复杂，优化参数繁多，三维流动复杂，数值模拟计算量庞大，优化设计繁琐。融合分墙支板的导叶方案全环周向周期性差，约化计算困难，通常采用全通道三维数值模拟作为设计仿真和校核手段，全通道计算网格数量巨大，计算时长过长。而且，对于融合分墙支板导叶设计方案，叶片种类数多、融合叶型几何特殊、优化参数繁多，优化设计难度巨大。传统的利用三维计算结果开展优化设计，需开展大量的全通道三维数值模拟工作，过长的计算时间和过大的数据量，占用大量计算资源且不利于设计迭代和设计结果的分析。
7.因此，为方便设计人员快速的迭代设计、获取设计经验，需发展一种快速评估设计方案的设计分析工具，减少融合导叶设计全通道三维计算量，快速收敛设计。
8.有鉴于此，本领域技术人员设计了一种分墙支板导叶融合设计方法，以期克服上述技术问题。


技术实现要素：

9.本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中导叶的融合设计需要开展大量的全通道三维数值模拟工作，过长的计算时间和过大的数据量，占用大量计算资源且不利于设计迭代和设计结果的分析等缺陷，提供一种分墙支板导叶融合设计方法。
10.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
11.一种分墙支板导叶融合设计方法，其特点在于，所述分墙支板导叶融合设计方法包括以下步骤：
12.s1、输入完成全环所有融合叶片和外涵导叶的三维叶片造型；
13.s2、针对多个典型展高截面，展开成平面叶型；
14.s3、针对展开后的所述平面叶型，求解各个相邻叶片通道的内切圆半径和中心流线，得到各叶片通道中心流线上的通道扩张比变化和相邻通道进出口的通道扩张比变化；
15.s4、开展扩张比周向分布分析；
16.s5、开展通道内部扩张比分析；
17.s6、开展全环三维计算；
18.s7、结合三维计算结果和各个叶片通道进出口的扩张比变化，对各个叶片进口攻角开展优化；
19.s8、结合三维计算结果和各个叶片通道内部的扩张比变化，对各个叶型表面等熵马赫数分布进行优化。
20.根据本发明的一个实施例，所述步骤s2具体包括：所述典型展高截面包括0％展高、20％展高、50％展高、80％展高及100％展高截面的三维叶型。
21.根据本发明的一个实施例，所述步骤s4之后还包括以下步骤：根据扩张比周向分布判断叶型攻角分布是否合理，若合理则进入步骤s5；若不合理，则优化进口攻角和扩张比分布，再返回步骤s1。
22.根据本发明的一个实施例，所述步骤s4中，若叶片相邻通道扩张比的比值ar大于1，则所述叶片实际工作攻角偏正；若叶片相邻通道扩张比的比值ar小于1，则所述叶片实际工作攻角偏负。
23.根据本发明的一个实施例，所述叶片相邻通道扩张比的比值ar取值范围为0.85-1.15，
24.根据本发明的一个实施例，所述步骤s5之后还包括以下步骤：判断叶片载荷分布是否合理，若合理则进入所述步骤s6；若不合理，则需要优化叶片内部通道扩张比，在返回所述步骤s1。
25.根据本发明的一个实施例，所述通道内部扩张比变化斜率越大表征载荷越大，需要调整叶片造型方案使叶片内部通道扩张比均匀变化。
26.根据本发明的一个实施例，所述步骤s6中开展全环三维计算，获取所有叶型表面等熵马赫数分布。
27.根据本发明的一个实施例，所述步骤s8之后还包括以下步骤：判断是否完成优化，若完成则结束；若没有完成，则返回步骤s1。
28.根据本发明的一个实施例，所述融合叶片包括至少一个分墙导叶融合叶片和若干个支板导叶融合叶片；所述外涵导叶包括若干个若干种类叶型的外涵导叶。
29.本发明的积极进步效果在于：
30.本发明分墙支板导叶融合设计方法具有如下诸多优势：
31.一、本发明针对复杂的融合分墙支板导叶设计提供了一种降维分析手段，有利于设计人员化繁为简，快速总结设计经验。
32.二、本发明提出了一种描述非周期性叶片的周向几何均匀度的参数，完成叶片全环造型后，可通过通道扩张比比值对造型结果进行分析优化。
33.三、本发明以三维造型结果作为输入，开展全环三维计算前，即可开展全环叶片的载荷和攻角优化，大量的减少了优化设计过程中的三维全环数值模拟计算，显著提升设计
效率，有利于设计快速收敛。
附图说明
34.本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
35.图1为分体式外涵导叶和支板示意图。
36.图2为融合式外涵导叶和支板示意图。
37.图3为本发明分墙支板导叶融合设计方法中0％展高截面叶型示意图。
38.图4为本发明分墙支板导叶融合设计方法中叶片通道扩张比示意图。
39.图5为本发明分墙支板导叶融合设计方法中通道扩张比变化图。
40.图6为本发明分墙支板导叶融合设计方法中0％展高叶片通道示意图。
41.图7为本发明分墙支板导叶融合设计方法中0％展高叶片通道扩张比分布。
42.图8为本发明分墙支板导叶融合设计方法的流程图。
具体实施方式
43.为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
44.现在将详细参考附图描述本发明的实施例。现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。
45.此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。
46.此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。
47.图3为本发明分墙支板导叶融合设计方法中0％展高截面叶型示意图。图4为本发明分墙支板导叶融合设计方法中叶片通道扩张比示意图。图5为本发明分墙支板导叶融合设计方法中通道扩张比变化图。图6为本发明分墙支板导叶融合设计方法中0％展高叶片通道示意图。图7为本发明分墙支板导叶融合设计方法中0％展高叶片通道扩张比分布。图8为本发明分墙支板导叶融合设计方法的流程图。
48.如图3所示，在工程应用中，外涵分墙支板导叶融合方案通常有1～2个分墙导叶融合叶片10，若干个支板导叶融合叶片20，以及若干个若干种类叶型的外涵导叶30构成。
49.其中，分墙导叶融合叶片10设计时需考虑内部安装零组件的结构约束、对融合叶片附近出口导叶的流动影响以及进口来流条件。支板导叶融合叶片20设计时需考虑内部通管路的结构约束、叶片附近出口导叶的流动影响以及进口来流条件。外涵导叶30设计时需考虑相邻叶片的几何、进口来流条件和出口气流参数。通过不同种类的外涵导叶排布和融合叶型优化，实现几何周向均匀过渡，适应来流条件。
50.如图4至图8所示，本发明公开了一种分墙支板导叶融合设计方法，其包括以下步骤：
51.步骤s1、输入完成全环所有融合叶片和外涵导叶的三维叶片造型。
52.根据内部结构尺寸约束和来流条件等设计输入完成全环所有融合叶片和外涵导叶的三维叶片造型。
53.步骤s2、针对多个典型展高截面，展开成平面叶型。
54.优选地，所述步骤s2具体包括：所述典型展高截面包括0％展高、20％展高、50％展高、80％展高及100％展高截面的三维叶型，展开成平面叶型如图3所示。
55.步骤s3、针对展开后的所述平面叶型，求解各个相邻叶片通道的内切圆半径和中心流线(即内切圆圆心，如图4所示)，得到各叶片通道中心流线上的通道扩张比变化和相邻通道进出口的通道扩张比变化，如图5至图7所示。
56.步骤s4、开展扩张比周向分布分析。
57.优选地，所述步骤s4之后还包括以下步骤：根据扩张比周向分布判断叶型攻角分布是否合理，若合理则进入步骤s5；若不合理，则优化进口攻角和扩张比分布，再返回步骤s1。
58.此处，如图7所示各个叶片通道进出口扩张比变化，表征各个叶片通道周向过渡均匀性，调整叶片造型方案，使各个叶片通道进出口扩张比过渡均匀。
59.所述步骤s4中，若叶片相邻通道扩张比的比值ar大于1，则所述叶片实际工作攻角偏正；若叶片相邻通道扩张比的比值ar小于1，则所述叶片实际工作攻角偏负。所述叶片相邻通道扩张比的比值ar取值范围优选为0.85-1.15之间。
60.本实施例中，某叶片相邻通道扩张比比值ar定义如下：
61.某叶片叶背侧通道进出口扩张比等于叶背侧出口内切圆半径比上进口内切圆半径：
62.某叶片叶盆侧通道进出口扩张比等于叶盆侧出口内切圆半径比上进口内切圆半径：
63.相邻通道扩张比比值ar：
64.ar值会影响叶片实际工作攻角，ar值大于1则该叶片实际工作攻角偏正，ar值小于1则该叶片实际工作攻角偏负，因此ar值的取值优选在0.85～1.15的范围内。
65.步骤s5、开展通道内部扩张比分析。
66.优选地，所述步骤s5之后还包括以下步骤：判断叶片载荷分布是否合理，若合理则进入所述步骤s6；若不合理，则需要优化叶片内部通道扩张比，在返回所述步骤s1。
67.如图5表征叶片通道内部扩张比变化，扩张比变化斜率越大表征载荷越大，调整叶片造型方案使叶片内部通道扩张比均匀变化。
68.步骤s6、开展全环三维计算。
69.通过开展全环三维计算，可以获取所有叶型表面等熵马赫数分布等流场细节。
70.步骤s7、结合三维计算结果和各个叶片通道进出口的扩张比变化(如图7所示)，对各个叶片进口攻角开展优化。
71.步骤s8、结合三维计算结果和各个叶片通道内部的扩张比变化(如图5所示)，对各
个叶型表面等熵马赫数分布进行优化。
72.优选地，所述步骤s8之后还包括以下步骤：判断是否完成优化，若完成则结束；若没有完成，则返回步骤s1。
73.根据上述描述，本发明分墙支板导叶融合设计方法提供了一种降维分析手段，能减少全环三维数值模拟计算，加速设计收敛。
74.本发明分墙支板导叶融合设计方法利用全环三维叶片造型结果为输入，对全环三维叶型典型展高截面做保角变换，展开成全环平面叶型(如图3所示)。在开展三维计算前，对全环平面叶型典型展高各个叶片通道内部扩张比开展分析，对叶片造型结果进行内部扩张比、通道载荷和攻角进行优化，从而减少三维计算次数，使设计快速迭代收敛。
75.通过分析叶片通道内部扩张比变化，对叶片表面载荷进行初步优化，如图4和图5所示，尤其是如图6中的普通ogv叶片和分墙支板导叶融合叶型组成的叶型通道(td6通道和td7通道)。
76.其中，图4中ri为进口内切圆半径表征进口通道面积，ro为出口内切圆半径表征出口通道面积，rm为内部内切圆半径表征内部通道面积。
77.图5中纵坐标为表示通道内部扩张比，横坐标为中心流线坐标。图5表征叶片通道扩张比变化。
78.本发明所述分墙支板导叶融合设计方法的周向叶片通道必须均匀过渡，若过渡不均匀则会导致相邻叶片攻角过正或过负，不利于外涵效率和稳定裕度提高。如图6和图7所示，对造型结果开展叶片通道扩张比变化分析，利用图7可对造型结果的扩张比分布进行初步优化。
79.其中，图6中表示14个通道编号分别为td1至td14。
80.其中，图7表示各个通道的扩张比分布，横坐标为通道进出口扩张比纵坐标表示通道编号。
81.本发明所述分墙支板导叶融合设计方法针对该优化设计难题，提出了一种降维设计分析方法，对全通道三维叶片造型结果展开快速分析，减少三维分析计算量，提高优化设计效率，使设计能快速迭代收敛。
82.另外，本技术中用到的术语具体解释如下：
83.支板是指传统航空发动机外涵风扇叶片和外涵导叶后，有外涵支板用于传递推力等载荷、传递中介刚度等功能。
84.分墙(吊挂)是指传统航空发动机外涵有分墙(吊挂)用于连接飞机和发动机，以及安装预冷器等附件。
85.分墙支板融合导叶是指融合分墙支板导叶将分墙、支板和外涵导叶三个结构融合为一个结构，同时起到导流扩压、传递载荷和结构连接的功能。
86.攻角是指叶片来流气流角和叶型进口金属角的夹角。
87.综上所述，本发明分墙支板导叶融合设计方法具有如下诸多优势：
88.一、本发明针对复杂的融合分墙支板导叶设计提供了一种降维分析手段，有利于设计人员化繁为简，快速总结设计经验。
89.二、本发明提出了一种描述非周期性叶片的周向几何均匀度的参数，完成叶片全环造型后，可通过通道扩张比比值对造型结果进行分析优化。
90.三、本发明以三维造型结果作为输入，开展全环三维计算前，即可开展全环叶片的载荷和攻角优化，大量的减少了优化设计过程中的三维全环数值模拟计算，显著提升设计效率，有利于设计快速收敛。
91.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。