专利名称：：改善角区堵塞的非轴对称轮毂造型方法
技术领域：
：本发明涉及的是一类轴流风扇/压气机流道设计方法，尤其是改善风扇/压气机角区堵塞的非轴对称轮毂造型方法。
背景技术：
：随着航空发动机推重比不断提高，加大风扇/压气机的级负荷是重要的手段。然而负荷的提高给风扇/压气机的设计增添了难度。附面层在强逆压梯度下，在轮毂角区会产生严重的分离，并造成堵塞。因此，对轮毂角区的研究成为了热点问题之一。针对轮毂角区的分离问题，国内外的研究主要集中在以下几个方面对叶片根区进行二维和三维的研究，来解决轮毂角区的分离问题。l.二维研究主要是对叶片根部叶型，建立端壁对叶根的影响模型，使设计的可控扩散叶型更加适合真实流动，伹是模型的建立需要大量的试验结果。2.三维研究主要是空间造型方面，在叶片根部采用弯设计，可以使端壁附面层向叶中主流部分移动，使低能流体被主流带走，减少轮毂角区的分离的发生。对轮毂进行直接处理，来解决轮毂角区分离问题。l.在轮毂区域进行抽吸气研究，是比较热的研究方向。它的主要思想是抽出轮毂区低能流体，减少轮毂区域分离的发生，从而达到提高负荷、减少损失的目的。伹是，工业界对抽吸气在使用过程中抽气孔的可靠性提出疑问。2.在轮毂产生凸、凹的形状变化，其研究目的是控制叶片前、尾缘速度，来降低损失，但凸、凹处理方法都没有一个定量的表达。3.在风扇/压气机中开展轮毂非对称端壁造型研究，其研究目的主要有两个方面a.减少横向的二次流动损失。b.控制根部叶片压力面与吸力面的进口速度来减小损失，但是这样的研究都没有给出定量的结构造型。通过对以上研究的分析，结合已有的轮毂轴对称造型设计方法。针对轮毂区域叶栅中横向二次流的流动特点，提出了在轮毂轴对称造型方法的基础上，添加周向造型函数，建立改善角区堵塞的非轴对称轮穀造型方法。改此轮毂造型方法有定量的确定方式，相对简单易于实现，因此具有较大的应用前景。
发明内容本发明的目的是降低风扇/压气机轮毂角区分离而产生的堵塞。本发明所采用的技术方法是根据轮毂轴对称造型方法对轮毂进行下凹幅值的确定，如图1所示，在此基础上添加周向造型，完成轮毂的非轴对称造型。这样的造型方式可以使轮毂与叶片角区内附面层堆积减弱、分离减少、堵塞降低，从而实现本发明的目的。改善角区堵塞的非轴对称轮毂造型方法有效与否的关键依赖于轴对称造型方法确定轮毂的下凹幅值和周向造型函数的确定，以及非轴对称轮毂半径的定量表达。其处理方法如下(1)轴对称轮毂造型方法确定轮毂的下凹幅值由图2所示，垂直于轴向的横截面与叶片表面相交可以得到交线边缘的坐标值，按照以下方法可以计算出叶片横截面的面积。A=—+W—+一W+Wl—W)进而确定下凹幅值M=i。z-^z一(M力式中&为某轴向位置叶片横截面面积，ASi为单元面积，为权重函数(如图3所示)，(A,A)(&，h)(^:V3)(X4J4)为单元四边形顶点坐标，M为轮毂的下凹幅值，及。z为原始轮毂半径，w为叶片数(2)周向造型函数的确定按照以下方法确定周向造型函数，如图4所示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>式中p为周向位置，《和分别为叶片吸力面、压力面的周向坐标，"为幂指数(3)非轴对称轮毂半径的定量表达式中i为新的轮毂半径。根据新轮毂半径的定量表达可以确定新的非轴对称轮毂面，为了保证轮毂面的光滑性，对其进行光顺处理，最终得到新的轮毂造型。图l为重新造型后子午面轮毂示意图U:轴向；2:重新造型后轮穀；3:原始轮毂)；图2为叶片某轴向位置横截面示意图(l:单元面积；2:叶片横截面)；图3为本发明中权重函数示意图(1:三角函数权重；2:线性函数权重；3:二次曲线函数权重)；图4为轮穀周向造型示意具体实施例方式举例说明本发明的具体实施方式。根据上述改善角区堵塞的非轴对称轮毂造型方法对一风扇转子轮毂进行重新设计。该风扇转子的设计参数如表1所示，叶片表面参数为已知数据。表1轴流风扇转子设计参数<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>按照方法(1)确定沿轴向轮毂的下凹幅值M:1)以求解叶片2=0位置横截面面积为例。已知叶片表面数据是按照基元级压力面86个点、吸力面86个点，径向21个基元级构成。通过差值的方法可以得到每个基元级压力面和吸力面对应2=0的两个坐标，那么21个基元级就得到42个坐标点。2=0位置的横截面边缘可以用42个坐标点确定，由42个坐标点可以把横截面分成20个四边形，那么用方法(1)中A=会0^2U4—Wl+矽4+WlU3)，可以得到每个四边形单元的面积，再用^-I;a^/^o')，选取了从o~i的线性权重函数，就可以得到z=0位置横截面的面积S,=0.00745平方米。2)利用方法(1)*M=ioz—^一(W.S乂)，可以求得Z-O位置轮毂的下凹幅值M二0.11589-0.11317=0.00272米。按照方法(2)确定周向变化1)利用方法(2)中K^-一sin"(^l^2;r)，可以得到Z-O、6=76.765位置处，"=1的轮毂的周向变化，,=-sin(C:Cx2;r)=—1。8t).58—65.32三、按照方法(3)确定新的轮穀半径1)利用方法(3)中及-ioz+Mxr(e)，可以得到Z-0、6=76.765位置新的轮毂半径i=0.11589+0.00272x[—sin(80.58_76.765x2;r)]=0.11317。80.58-65.32四、为了保证新生成轮毂面的光滑性，对其进行光顺处理，最终得到新的轮毂造型。权利要求1、一种改进风扇/压气机角区堵塞的非轴对称轮毂造型方法，其特征在于根据叶片与轮毂组合体的几何形状和参数，选取恰当的权重函数fWV，计算叶片横截面面积<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>S</mi><mi>z</mi></msub><mo>=</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><mi>Δ</mi><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>f</mi><mi>WV</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0001"file="A2009100841670002C1.tif"wi="33"he="9"top="46"left="28"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>进而确定轮毂的下凹幅值<mathsid="math0002"num="0002"><math><![CDATA[<mrow><mi>ΔR</mi><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mi>OZ</mi></msub><mo>-</mo><msqrt><msubsup><mi>R</mi><mi>OZ</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mi>N</mi><mo>·</mo><msub><mi>S</mi><mi>z</mi></msub><mo>/</mo><mi>π</mi><mo>)</mo></mrow></msqrt><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0002"file="A2009100841670002C2.tif"wi="54"he="9"top="45"left="114"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>再结合周向造型函数<mathsid="math0003"num="0003"><math><![CDATA[<mrow><mi>r</mi><mrow><mo>(</mo><mi>θ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mo>-</mo><msup><mi>sin</mi><mi>n</mi></msup><mrow><mo>(</mo><mfrac><mrow><msub><mi>θ</mi><mi>s</mi></msub><mo>-</mo><mi>θ</mi></mrow><mrow><msub><mi>θ</mi><mi>s</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>θ</mi><mi>p</mi></msub></mrow></mfrac><mo>×</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0003"file="A2009100841670002C3.tif"wi="49"he="11"top="58"left="50"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>最终确定新的非轴对称轮毂半径的定量表达R＝ROZ+ΔR×r(θ)，从而得到新的轮毂造型。其中Sz为某轴向位置叶片横截面面积，ΔSi为单元面积，fWV为权重函数，ΔR为轮毂的下凹幅值，ROZ为原始轮毂半径，N为叶片数，θ为周向坐标，θs和θp分别为叶片吸力面、压力面的周向坐标，n为幂指数，R为新的非轴对称轮毂半径。2、按照权利要求1所述的改进风扇/压气机角区堵塞的非轴对称轮毂造型方法,其特征在于对新得到的轮毂半径构成的非轴对称轮毂面进行光顺处理，最终得到新的轮毂造型。全文摘要本发明涉及一种改进风扇/压气机角区堵塞的非轴对称轮毂造型方法。其在叶片轮毂区域进行重新造型，有效的减缓了角区分离产生的堵塞，实现了本发明的目的。与传统的轮毂造型相比，本发明设计针对风扇/压气机角区堵塞问题而采用了新的非轴对称轮毂造型方法，因此能够有效的减少轮毂区域的分离，增加根部的加功能力，从而提高风扇/压气机的性能，同时扩大风扇/压气机稳定工作范围。文档编号F04D29/32GK101566169SQ20091008416公开日2009年10月28日申请日期2009年5月21日优先权日2009年5月21日发明者侯安平,李秋实,春杨申请人:北京航空航天大学