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申请/专利权人：北京航空航天大学

摘要：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。

主权项：1.一种单级跨音风扇的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：一维气动设计：给定所述风扇的设计参数，所述设计参数包括流量、级压比、级效率和外径，基于所述设计参数获取所述风扇的流道曲线和叶片的前尾缘曲线；通流设计：基于所述风扇的一维气动设计结果，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：基于所述通流设计结果和所述壁面诊断结果，对所述风扇叶片进行设计和优化。

全文数据：宽裕度的单级跨音风扇设计方法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。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径向边界涡量流诊断结果，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。根据本公开的至少一个实施方式，基于风扇的设计参数确定风扇的进出口马赫数和轮毂比，从而进一步获取风扇的流道曲线。根据本公开的至少一个实施方式，一维气动设计阶段还包括：采用接近等外径的设计，在转子叶尖后半段机匣收缩；转子前缘曲线在叶尖区域呈前掠形式，静子前缘曲线在叶根和叶尖区域呈前掠形式。根据本公开的另一方面，采用上述的设计方法所获得的单级跨音风扇。附图说明附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。图1是根据本公开的至少一个实施方式的一维设计阶段的流道和叶片前尾缘形式示意图。图2是根据本公开的至少一个实施方式的通流设计阶段的环量分布图。图3是根据本公开的至少一个实施方式的通流设计阶段的周向涡量分布图。图4是根据本公开的至少一个实施方式的通流设计阶段的马赫数分布图。图5是根据本公开的至少一个实施方式的通流设计阶段的气流角分布图。图6是根据本公开的至少一个实施方式的壁面诊断阶段的转子吸力面轴向BVF分布图。图7是根据本公开的至少一个实施方式的壁面诊断阶段的转子吸力面径向BVF分布图。图8是根据本公开的至少一个实施方式的壁面诊断阶段的静子吸力面壁面静压分布图。图9是根据本公开的至少一个实施方式的壁面诊断阶段的静子吸力面径向BVF分布图。图10是根据本公开的至少一个实施方式的优化设计前后风扇的特性曲线对比图。具体实施方式下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。风扇内部可以看作一个高强度的复杂涡量场，旋涡是影响风扇性能的主要流动现象，对于高负荷风扇来说，强逆压梯度下流场各种旋涡的强度很大，激波和旋涡、二次流之间的相互作用也非常强烈，因此如何安排负荷分布，控制内部流场的旋涡，是风扇设计成功与否的关键因素。本公开提供了控制风扇内部涡量场的气动设计方法，并通过合理利用涡量场来实现风扇的宽裕度的设计目标。在本公开的一个可选实施方式中，宽裕度单级跨音风扇的设计方法包括以下步骤：1一维气动设计：首先可以根据设计经验给定单机风扇的设计参数，设计参数可以包括流量、级压比、级效率、外径、静子叶片数、转子叶片数、叶尖切线速度、转速和负荷系数，基于上述设计参数，确定进口和出口马赫数，以及进口和出口轮毂比，并进一步确定风扇的流道几何。给定的单级风扇设计参数以及进口和出口马赫数、进口和出口轮毂比数据如下表1所示。表1单级跨音风扇设计参数优选的，流道可以采用接近等外径的设计，在转子叶尖后半段机匣可以略微收缩，基于风扇的设计参数可以根据经验给定叶片的前尾缘曲线，其中，转子前缘曲线在叶尖可以稍微前掠，静子前缘曲线在叶根和叶尖均可以呈前掠形式，如图1所示。2通流设计：基于风扇的一维气动设计结果，可以运用自编的时间推进通流设计程序进行通流计算。具体的，首先根据一维计算确定转子出口处环量，给定子午面环量径向和轴向分布。其中，转子出口可以采用等环量径向分布，环量沿轴向可以采用余弦曲线分布形式，如图2所示。优选的，可以将周向涡量作为子午面流场诊断因子，通过周向涡量诊断获取周向涡量在子午面的分布，并结合周向涡量分布情况对环量分布进行改进。将周向涡量作为通流设计阶段的评价标准时，如果观测到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，则表示周向涡量分布较理想，通流设计满足要求，可以进行下一个步骤。在本公开的一个可选实施方式中，如图3所示为通流设计阶段周向涡量在子午面的分布形式，其中，在转子和静子叶尖区域出现了正峰值，主流区未出现周向涡量峰值。在本公开的一个可选实施方式中，还可以同时分析子午面马赫数分布和气流角分布结果，以便于后续的壁面诊断和风扇叶片的设计、优化，如图4和5所示，其中只有转子区域是在相对坐标系下，其余区域都在绝对坐标系下，可以发现静子进口气流角约50度，在常规范畴之内，但静子叶根进口马赫数达到了1.2，已超音，这说明静子内激波的出现不可避免，这也是单级风扇级出现的新的流场特征。3壁面诊断：基于上述通流设计，进一步进行边界涡量流BVF，即boundaryvorticityflux诊断分析，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，以便于后续的优化设计。对转子吸力面的轴向BVF诊断显示，在叶中区域出现了轴向BVF的正峰值，如图6所示，源于此位置出现了径向和周向压力梯度，由于该正峰值的出现对加功量不利，因此，应尽量调整至使该正峰值减小或变化平缓。对转子吸力面的径向BVF诊断显示，在叶中区域出现了径向BVF正峰值，如图7所示，正峰值从叶中区域一直向叶尖方向延伸，在叶尖呈现与机匣垂直的状态，该峰值带是激波在叶片吸力面的反映，说明这些关键区域，例如叶中区域的轴向压力梯度过大。对静子吸力面的轴向BVF诊断显示，65％叶高位置至叶尖出现了正的轴向BVF峰值，叶根至20％叶高的位置出现了负的轴向BVF峰值。出现该现象的原因可能是，由于静子叶片呈正弯状态，使其轴向位置出现“C”型压力径向分布，即叶根叶尖压力高，叶中压力低，如图8所示。在叶根和叶尖的此轴向位置处出现了较大的径向压力梯度，因此便产生了轴向BVF峰值。静子叶片的正弯状态有利于叶根和叶尖的流体向叶中运动汇集，附面层内的低能流体也会向叶中迁移，有利于缓解端区堵塞和减小端区损失。因此一定程度上可以说这种因为静子叶片正弯产生的轴向BVF峰值是有利的，尽管如此，也应尽量使该峰值适当削弱，使轴向BVF分布较平缓为佳。对静子吸力面的径向BVF诊断显示，在静子吸力面存在一道径向BVF负峰值，如图9所示，径向BVF负峰值所在位置为静子内激波的位置，由于激波可以引起大的轴向压力梯度，因此产生了径向BVF负峰值。这是常规在无激波的静子壁面所不会出现的。另外从图中也可看出叶根和叶尖的峰值偏弱，叶中区域峰值最强。此径向BVF负峰值带的出现，可以引起附面层流动的紊乱，并出现闭式分离。总的来说，由于静子内出现激波，流动状况更严峻，径向BVF分布显示有进一步改进的潜力。4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。在本公开的一个可选实施方式中，基于上述的壁面诊断结果，可以通过减弱转子的叶中区域出现的轴向和径向BVF正峰值，缩小其影响范围。可以适当平缓静子叶根至20％叶高的轴向BVF负峰值，以及65％叶高至叶尖的正峰值，适当削弱静子内部激波强度以减弱径向BVF负峰值带。优选的，可以基于转子吸力面和静子吸力面的轴向BVF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BVF的面积分作为目标函数，重点优化叶片的关键截面和位置的叶型参数。更优选的，重点优化出现径向和或轴向压力梯度的区域的中弧线曲率、厚度分布和或弯掠形式，这样无须对所有截面参数都进行优化，可以大大缩短优化时间。例如，对于单级风扇的转子，可以针对出现轴向BVF正峰值的叶中区域叶型进行优化；对于单级风扇的静子，可以针对出现轴向BVF负峰值的叶根区域的弯曲状态进行优化。在本公开的一个可选实施方式中，还可以从提高转子和静子的流动效率的角度出发，将径向BVF面积分作为目标函数，并结合转子吸力面和静子吸力面的轴向BVF诊断结果，重点优化叶片的关键截面和位置的叶型参数。在本公开的一个可选实施方式中，还可以基于转子吸力面和静子吸力面的径向BVF诊断结果，对风扇叶片关键区域的叶型参数进行优化。其中，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。例如，对于单级风扇的转子，可以修改叶中以上截面径向BVF显示的关键区域的叶型中弧线曲率，达到降低径向BVF峰值的目的；对于单级风扇的静子，可以重点改善激波前的加速流动，因为静子叶中区域的进口马赫数约为1.1，而波前最大马赫数达到了1.4，导致径向BVF负峰值的出现，可以针对叶中截面前半段的曲率进行修改，使前半段平直或产生预压缩的效果。在本公开的一个可选实施方式中，为了验证上述优化设计的效果，可以对优化前后的风扇的设计参数进行对比。结果显示，经过优化设计后的单级风扇，不但压比大大提高，效率也有所提高，如图10左图所示，在峰值效率点，压比提高了5.73％，图10右图所示，峰值效率从89.4％提高到90.4％，流量相差很小，实现了宽裕度的设计目标。本公开的宽裕度的单级跨音风扇设计方法，在改进的正、反问题设计结合的基础上，将流场诊断因子周向涡量和壁面诊断因子BVF这两个参数应用到风扇的设计和优化中，作为新型的涡动力学约束，有针对性地对关键区域进行优化或反设计，以缩短优化时间并减少对设计者经验的高要求，指导宽裕度风扇的设计；此外，本公开建立了风扇性能参数与涡量场的数学关系，进而可以定性、定量的分析局部涡结构对于总性能的影响，从而可以为气动设计和分析提供理论指导。本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

权利要求：1.一种单级跨音风扇的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：一维气动设计：给定所述风扇的设计参数，所述设计参数包括流量、级压比、级效率和外径，基于所述设计参数获取所述风扇的流道曲线和叶片的前尾缘曲线；通流设计：基于所述风扇的一维气动设计结果，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：基于所述通流设计结果和所述壁面诊断结果，对所述风扇叶片进行设计和优化。2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述通流设计阶段还包括：基于所述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。3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述转子出口采用等环量径向分布，所述转子出口处环量沿轴向采用余弦曲线分布形式。4.根据权利要求1或3所述的设计方法，其特征在于，将所述周向涡量作为所述通流设计的评价标准；所述评价标准包括：所述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。5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述优化设计阶段还包括：基于所述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，将所述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；所述关键区域包括出现径向和或轴向压力梯度的区域；所述叶型参数包括中弧线曲率、厚度分布和弯掠形式。6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述优化设计阶段还包括：基于所述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，将所述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；所述关键区域包括出现径向和或轴向压力梯度的区域；所述叶型参数包括中弧线曲率、厚度分布和弯掠。7.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述优化设计阶段还包括：基于所述转子吸力面和静子吸力面的径向边界涡量流诊断结果，对风扇叶片关键区域的叶型参数进行优化；所述关键区域包括出现径向和或轴向压力梯度的区域；所述叶型参数包括中弧线曲率、厚度分布和弯掠。8.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，基于所述风扇的设计参数确定所述风扇的进出口马赫数和轮毂比，从而进一步获取所述风扇的流道曲线。9.根据权利要求1-8中任一项所述的设计方法，其特征在于，所述一维气动设计阶段还包括：采用接近等外径的设计，在转子叶尖后半段机匣收缩；转子前缘曲线在叶尖区域呈前掠形式，静子前缘曲线在叶根和叶尖区域呈前掠形式。10.一种采用权利要求1至9中任一项所述的设计方法所获得的单级跨音风扇。

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