專利名稱：改進端區(qū)堵塞的輪轂造型方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一類軸流風扇/壓氣機流道設計方法，尤其是改進風扇/壓氣機端區(qū)堵塞的輪轂造型方法。

背景技術：
隨著航空發(fā)動機推重比不斷提高，加大風扇/壓氣機的單級負荷是重要的手段。然而負荷的提高就給風扇/壓氣機設計增添了很大的難度。附面層在強逆壓梯度以及激波干擾下產生的堵塞、分離變得更加嚴重，造成各種損失不斷增加。但是，通過分析可知大部分的損失來自于端壁區(qū)域，所以對輪轂區(qū)域的研究就成了焦點問題之一。
針對輪轂區(qū)域的高損失問題，國內外的研究主要集中在以下幾個方面 對葉片根部進行二維和三維的研究，來解決輪轂區(qū)域的損失問題。1.二維研究主要是對葉片根部葉型，利用模型建立端壁對葉根的影響，使設計的可控擴散葉型更加適合真實流動，但是模型的建立需要大量的試驗結果，并且準確度對葉型的影響很大。2.三維研究主要是空間造型方面，在葉片根部采用彎設計，這樣可以使端壁附面層向中間主流部分移動，低能流體被主流帶走，但是，這種設計還處在定性分析階段，并且應用到轉子上也存在強度問題。
對輪轂直接處理，來解決輪轂區(qū)域的損失問題。1.在輪轂區(qū)域進行抽吸氣研究，是比較熱的研究方向。它的主要思想是抽出輪轂區(qū)低能流體，減少輪轂區(qū)域的堵塞使氣流不再分離，從而達到提高負荷、減少損失的目的。但是，工業(yè)界對抽吸氣在使用過程中抽氣孔的可靠性提出疑問。2.在風扇/壓氣機中開展輪轂非對稱端壁造型研究，其研究目的主要有兩個方面a.減少橫向的二次流動損失。b.控制根部葉片壓力面與吸力面的進口速度來減小損失，但是這樣的研究沒有給出定量的結構造型。3.在輪轂區(qū)域進行凸、凹的設計，其研究目的是控制葉片前、尾緣速度，來降低損失，但凸、凹處理方式還沒有一個定量的表達。
通過對以上研究的分析，存在這樣一個特點，現有研究還沒有綜合考慮葉片與輪轂形狀的影響。因此，針對輪轂區(qū)域流動堵塞以及角區(qū)分離比較嚴重的現象，結合外流飛機機翼與機身組合體造型設計的經驗，本課題組提出了根據葉片與輪轂組合體的幾何形狀和參數，建立改進端區(qū)堵塞的輪轂造型方法。改進端區(qū)堵塞的輪轂造型方法有定量的結構確定方式，相對簡單易于實現，因此具有較大的應用前景。


發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是降低風扇/壓氣機輪轂區(qū)域堵塞以及角區(qū)分離流動，擴大堵塞工況的工作范圍。本發(fā)明所采用的技術方法是根據葉片與輪轂組合體的幾何形狀和參數，在葉片輪轂區(qū)域進行重新造型，如圖1所示，這樣可以使輪轂區(qū)域的靜壓提高，促使附面層向葉中方向移動，使得輪轂與葉片角區(qū)內附面層堆積減弱、堵塞降低，從而實現本發(fā)明的目的。改進端區(qū)堵塞的輪轂造型方法有效與否的關鍵依賴于葉片與輪轂組合體幾何形狀的確定，以及重新造型后輪轂半徑的定量表達。其處理方法如下 (1)葉片橫截面的面積求解 根據已知的葉片幾何數據，可以確定葉片各垂直于軸向的橫截面面積。
由圖2所示，垂直于軸向的橫截面與葉片表面相交可以得到交線邊緣的坐標值，按照以下方法可以計算出葉片橫截面的面積 其中S1為某軸向位置葉片橫截面面積，ΔSj′為單元面積，r為半徑，θ圓弧角度，(x1，y1)(x2，y2)(x3，y3)(x4，y4)為單元四邊形四個頂點坐標 (2)葉片與輪轂組合體橫截面的半徑求解 把葉片和輪轂構成成一個沿軸向的組合體，那么這個組合體的半徑就可以按照下面的公式求得 其中R′Ni為組合體半徑，R′Oi為原始輪轂半徑，N為葉片數，Si為葉片橫截面面積 從圖3可以看到，折合后的組合體形成的流道很不光滑，在這種情況下環(huán)壁附面層很容易發(fā)生堆積堵塞，以致造成分離，所以，要把組合體流道修改的光滑來控制擴壓，減少輪轂區(qū)域的堵塞。
(3)新輪轂半徑的確定 根據葉片與輪轂組合體橫截面面積分布重新造型輪轂，但是要注意以下兩個方面 ①.由于葉片橫截面頂部與根部對輪轂的影響不同，葉根處對輪轂影響較大，葉尖處影響較小，所以就要分別對待葉尖、葉根在組合體中對輪轂的影響； ②.重新造型后輪轂凹陷部分進口要保證凸曲率，凹陷部分中部不易過深，凹陷部分出口要保證凸曲率，這些都是考慮到進口部分凸曲率能控制進口速度，限制中間凹陷部分深度主要是控制擴壓，出口部分凸曲率收縮主要是使氣流加速降低逆壓梯度； 根據以上需要，按照權重方法重新造型輪轂(權重函數參照圖4)，輪轂半徑從以下公式得到 其中Si為某軸向位置葉片橫截面面積，ΔS′j為單元面積，r為半徑，θ圓弧角度，fWV為權重函數，(x1，y1)(x2，y2)(x3，y3)(x4，y4)為單元四邊形頂點坐標，RNi為新輪轂半徑，ROi為原始輪轂半徑，N為葉片數。
根據新輪轂半徑的定量表達可以確定新的流道，為了保證流道的光滑性，對其進行B樣條擬合，但要保證輪轂凹陷部分的曲率變化，最終得到新的輪轂造型(圖1)。



圖1為重新造型后子午面輪轂示意圖； 圖2為葉片某軸向位置橫截面示意圖； 圖3為葉片與輪轂折合成組合體后子午流道示意圖； 圖4為本發(fā)明中權重函數示意圖； 圖5為實例風扇轉子葉片軸向橫截面分布圖； 圖6為實例風扇轉子與輪轂構成組合體后形成的流道子午面圖； 圖7為實例風扇轉子經重新造型后得到的輪轂子午面圖； 圖8為實例風扇轉子重新造型前后數值模擬得到的效率特性線圖； 圖9為實例風扇轉子重新造型前后數值模擬得到的壓比特性線圖
具體實施例方式 舉例說明本發(fā)明的具體實施方式
。根據上述改進端區(qū)堵塞的輪轂造型方法對一風扇轉子輪轂進行重新設計，并用數值模擬的方法驗證其作用效果。
該風扇轉子的設計參數如表1所示，葉片表面參數為已知數據。
表1軸流風扇轉子設計參數 一、按照方法(1)確定葉片沿軸向橫截面面積Si分布 1)以求解葉片z＝0位置橫截面面積為例。已知葉片表面數據是按照基元級壓力面86個點、吸力面86個點，徑向21個基元級構成。通過差值的方法可以得到每個基元級壓力面和吸力面對應z＝0的兩個坐標，那么21個基元級就得到42個坐標點。z＝0位置的橫截面邊緣可以用42個坐標點確定，由42個坐標點可以把橫截面分成20個四邊形，那么用方法(1)中，可以得到每個四邊形單元的面積，再用就可以得到z＝0位置橫截面的面積Si＝0.01664平方米。
2)仿照上面的方法，可以求得橫截面面積沿軸向的分布，見圖5。
二、按照方法(2)確定葉片與輪轂組合體橫截面的半徑 1)以求解z＝0位置葉片與輪轂組合體橫截面半徑為例。由已經求得的橫截面面積Si＝0.01664平方米，葉片數14片，根據方法(2)中，可以求得z＝0位置組合體半徑R′Ni＝0.12476米。
2)仿照上面方法，可以求得組合體橫截面半徑沿軸向的分布，那么就可以得到組合體形成的流道，見圖6。
三、按照方法(3)確定新輪轂半徑 1)根據方法(2)確定的組合體形狀，并且按照方法(3)中需要注意的兩點要求，本例選取了從0～1的線性權重函數。
2)以求解z＝0位置在權重函數影響下橫截面面積為例。由方法(1)中求解橫截面面積為基礎，按照線性權重函數，利用方法(3)中，對橫截面面積進行重新求和，可以求得到Si＝0.00745平方米。仿照這種方法，可以求得新的橫截面面積沿軸向的分布，見圖5。
3)以求解z＝0位置新輪轂半徑為例。由上面求得的z＝0位置的橫截面面積Si＝0.00745平方米，葉片數14，利用方法(3)中可以求得z＝0位置新輪轂的半徑RNi＝0.11317米。仿照這種方法，可以求得新的輪轂半徑沿軸向的分布，也就構成了新的流道。對流道進行B樣條擬合，最終得到新的輪轂造型，流道子午面圖見圖7。
四、對兩種輪轂形狀的風扇進行計算機數值模擬，對比數值結果可以發(fā)現，新造型的輪轂改進端區(qū)的堵塞狀況。從風扇壓比、效率特性曲線圖8和圖9可以看到新造型的輪轂處理使原始風扇堵塞工況被擴寬。
人們將會了解到，本發(fā)明不限于本申請案中指出和說明的特殊實施例子，只要不違背下列權利要求書中限定的新構思和范圍就可以做出各種改變和改進的方案。
權利要求
1.一種改進風扇/壓氣機端區(qū)堵塞的輪轂造型方法，其特征在于根據葉片與輪轂組合體的幾何形狀和參數，選取恰當的權重函數，確定新輪轂半徑的定量表達，最終得到新的輪轂造型。
2.按照權利要求1所述的改進端區(qū)堵塞的輪轂造型方，其特征在于可以確定葉片與輪轂組合體的半徑其中RNi′為組合體半徑，ROi′為原始
輪轂半徑，N為葉片數，其中Si為某軸向位置葉片橫截面面積，ΔSj′為單元面積，r為半徑，θ圓弧角度。
3.按照權利要求1和2所述的改進端區(qū)堵塞的輪轂造型方法，其特征在于通過選取權重函數fwv，根據葉片橫截面面積確定新輪轂的半徑其中Si為某軸向位置葉片橫截面面積，ΔSj′為單元面積，r為半徑，θ圓弧角度，fWV為權重函數，RNi為新輪轂半徑，ROi為原始輪轂半徑，N為葉片數。
4.按照權利要求1所述的改進端區(qū)堵塞的輪轂造型方法，其特征在于對新得到的輪轂半徑進行B樣條擬合，保證輪轂凹陷部分的曲率變化，最終得到新的輪轂造型。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種改進風扇/壓氣機端區(qū)堵塞以及角區(qū)分離的輪轂造型方法。其在葉片輪轂區(qū)域進行重新造型，有效的減緩了根部堵塞從而改善端部流動，實現了本發(fā)明的目的。與傳統(tǒng)的輪轂造型相比，本發(fā)明設計針對減少角區(qū)堵塞以至分離問題而采用了新的造型方法，因此能夠有效減少輪轂區(qū)域的大尺度分離，增加根部的加功能力，從而提高風扇/壓氣機的性能，同時擴大風扇/壓氣機穩(wěn)定工作范圍。
文檔編號F04D29/32GK101149062SQ200710177108
公開日2008年3月26日 申請日期2007年11月9日 優(yōu)先權日2007年11月9日
發(fā)明者李秋實, 盛 周, 春 楊 申請人:北京航空航天大學