[发明专利]可控压力梯度的轴流压气机轮毂非对称设计方法

说明书

本公开提供了一种控制压力梯度的非对称端壁造型方法，其包括：在叶片通道内构建造型线，其中，造型线根据叶片通道内的物理流动特征构建，造型线为非轴对称曲线，以减小叶片通道内的横向压力梯度，造型线的形状由控制参数确定；通过扫掠造型线获得端壁造型曲面；以及根据目标参数对控制参数进行组合寻优，将目标参数获得极值时的端壁造型曲面确定为目标端壁造型曲面。

技术领域

本公开涉及一种控制压力梯度的非对称端壁造型方法。

背景技术

随着航空技术的极大发展，研究人员也在探索发动机各部件性能的极限。作为发动机核心部件之一，压气机的设计以及优化是研究者们持续关注的话题。压气机端壁造型作为改善压气机内部流动的一种有效手段，随着设计技术的提高，也成为目前研究的热点之一。

区别于传统的叶轮机械端壁设计，压气机端壁设计分别引入了轴向与周向凹凸的造型技术，也就是轴对称端壁造型以及非对称端壁造型技术。相比于轴对称端壁造型技术，非对称端壁造型起步较晚。这种设计概念起源于涡轮部件，主要用来降低涡轮二次流。Rolls-Royce公司曾应用非对称端壁造型技术改善Trent500发动机高压涡轮二次流损失。部件试验结果表明：非轴对称端壁造型使高压涡轮机效率在设计状态下增加了0.59％。

然而，由于涡轮与压气机内部流动状态的不同，因此非对称端壁造型应用于压气机端壁设计具有一定难度，主要原因在于压气机内部流动主要为逆压梯度的流动，这会使得非对称端壁造型在抑制角区分离以及减小二次流损失方面效果大大减弱。发明人认识到压气机端壁的非对称设计方法存在时效性低、具有随机性或依赖于设计者的经验水平的缺陷。

发明内容

为了解决至少一个上述技术问题，本公开提供了一种控制压力梯度的非对称端壁造型方法，其包括：在叶片通道内构建造型线，其中，造型线根据叶片通道内的物理流动特征构建，造型线为非轴对称曲线，以减小叶片通道内的横向压力梯度，造型线的形状由控制参数确定；通过扫掠造型线获得端壁造型曲面；以及根据目标参数对控制参数进行组合寻优，将目标参数获得极值时的端壁造型曲面确定为目标端壁造型曲面。

根据本公开的另一个实施方式，造型线由造型函数构建，造型函数包括第一三角函数和第二三角函数。其中，第一三角函数构建造型线的第一部分，第二三角函数构建造型线的第二部分。

根据本公开的又一个实施方式，第一部分靠近叶片通道的吸力面，并且第一部分呈凹形；以及第二部分靠近叶片通道的压力面，并且第二部分呈凸形。

根据本公开的又一个实施方式，第一部分长1/4周期；以及第二部分也长1/4周期。

根据本公开的又一个实施方式，造型线的造型函数为

式(1)中，上式为第一三角函数，下式为第二三角函数，R为造型线上的造型点距离压气机圆心的距离，R₁为压气机轮毂半径，θ为任意造型点相对于造型起始点旋转过的角度，θ₁为第一部分与第二部分的交点，θ₀为从造型起始点到造型结束点旋转过的角度，A₁为第一三角函数的振幅，A₂为第二三角函数的振幅，其中，θ₁、A₁和A₂为造型线的控制参数。

根据本公开的又一个实施方式，造型线包括3条，3条造型线与叶片通道的起始线和终止线将叶片通道沿轴向分为4等份。

根据本公开的又一个实施方式，控制压力梯度的非对称端壁造型方法包括：根据约束条件减少控制参数的个数，约束条件为保持叶片通道的物理流通面积不变。

根据本公开的又一个实施方式，约束条件为

根据式(2)得到