一种适用于高进口相对马赫数的超音叶型设计方法技术

本发明专利技术涉及一种适用于高进口相对马赫数的超音叶栅叶型设计方法，可以用于进口马赫数不低于1.7的超音叶型设计，该方法结合超音叶栅的唯一攻角关系式和起动关系关系式，通过控制超音叶栅造型的关键参数，可以直接构建压力面和吸力面，能够准确的控制叶栅前缘内伸波的激波角，从而实现对流场内斜激波波系结构的控制，同时设计完成的超音叶栅能够准确控制叶栅的启动条件。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于高进口相对马赫数的超音叶型设计方法
本专利技术涉及一种超音叶栅的造型方法，尤其涉及一种适用于高进口相对马赫数的超音叶型设计方法，可以用于进口马赫数不低于1.7的超音叶型设计，通过该方法可以直接构建压力面和吸力面，能够准确的控制叶栅前缘内伸波的激波角，同时设计完成的超音叶栅能够准确控制叶栅的启动条件。
技术介绍
超音叶栅的造型方法，广泛应用于高负荷跨/超音压气机中。为了提高压气机的级负荷，压气机的进口相对马赫数越来越高，当进口相对马赫数超过1.7时，叶栅内的激波结构产生也会变得复杂，同时叶栅的起动问题关系到叶栅的气动性能。以往的超音叶栅设计方法，无法做到将超音叶栅的起动条件和唯一攻角条件相结合，不能准确的控制超音叶栅的起动条件，使超音叶栅无法实现既定的气动性能。
技术实现思路
针对现有技术的缺点和不足，本专利技术提出了一种适用于高进口相对马赫数的超音叶型设计方法，可以用于进口马赫数不低于1.7的超音叶型设计，并给出了该方法进行超音叶栅设计的计算方法。该方法结合超音叶栅的唯一攻角关系式和起动关系关系式，通过控制超音叶栅造型的关键参数，可以直接构建压力面和吸力面，能够准确的控制叶栅前缘内伸波的激波角，从而实现对流场内斜激波波系结构的控制，实现超音叶栅起动条件的准确控制。本专利技术为实现其技术目的所采用的技术方案为：一种适用于高进口相对马赫数的超音叶栅叶型的设计方法，所述超音叶栅叶型包括压力面型线和吸力面型线，叶型表面任一点处的切线与叶型弦线之间的夹角为该点处的型面角γ，以叶型弦线作为x轴，以叶型的高度方向作为y轴，叶型表面任一点的坐标参数均包括横坐标x、纵坐标y，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：SS1.根据设计需求给定目标超音叶栅叶型的设计来流条件，包括设计来流马赫数为Ma∞，设计来流气流角为β∞；SS2.给定目标超音叶栅的设计几何参数，包括栅距s、安装角βs、弦长c、前缘倒圆的前缘半径LER、尾缘倒圆的尾缘半径TER；SS3.选取超音叶栅起动后的喉口马赫数Mah，确定超音叶栅的喉口宽度ht；SS4.确定LS、S、D、Inf、P、TS等6个控制点的坐标参数及型面角，并根据所述6个控制点的坐标参数及型面角拟合超音叶栅叶型的吸力面的型线，其中，LS为吸力面与前缘倒圆的交点，LS点的坐标参数(xLS,yLS)通过前缘半径LER和LS点处的型面角γLS确定；S为吸力面上与叶栅起动点相对应的控制点，给定气流在S点处时的气流角与来流气流角的差ΔβS，结合起动点的来流马赫数Ma∞,S和来流气流角β∞,S，确定S的坐标参数(xS,yS)及型面角γS；D为吸力面上与叶栅设计点相对应的控制点，给定气流在D点处的气流角与来流气流角的差ΔβD，结合设计点的来流马赫数Ma∞,D和来流气流角β∞,D，确定D点的坐标参数(xD,yD)及型面角γD；P为吸力面上的y坐标值最大的点，该点的坐标以两个特征系数的形式给出，横坐标的特征系数定义为coefP,x＝xP/c，纵坐标的特征系数定义为coefP,y＝yP/(s·cosβs-ht)，该点处的型面角γP＝0；Inf为吸力面上的拐点，该点的坐标以两个特征系数的形式给出，横坐标的特征系数定义为coefInf,x＝xInf/c，纵坐标的特征系数定义为coefInf,y＝yInf/yP，该点处型面角γInf是调整预压缩强度的重要参数，以ΔγInf＝γInf-γD的形式给出；TS为吸力面与尾缘倒圆的交点，给定尾缘倒圆的尾缘半径TER和该点处的型面角γTS，根据圆与切线的切点方程式，确定TS点的坐标参数为(xTS,yTS)；SS5.确定LP、T、TP等3个控制点的坐标参数及型面角，并根据所述3个控制点的坐标参数及型面角拟合超音叶栅叶型的压力面的型线，其中，LP为压力面与前缘倒圆的交点，给定前缘半径LER和该点处的型面角γLP，根据圆与切线的切点方程式，确定LP点的坐标参数为(xLP,yLP)，通过型面角γLP，能够准确的控制叶栅前缘内伸波的激波角，从而实现对流场内斜激波波系结构的控制；T为该点与相邻叶片上的T'点对应，为压力面上的y坐标的绝对值最大的点，为了准确控制喉口面积，该点的坐标由P点坐标决定，xT＝xP-s·sinβs，yT＝s·sinβs-ht-yP，该点处的型面角γT＝0；TP为压力面与尾缘倒圆的交点，给定尾缘半径TER和该点处的型面角γTP，根据圆与切线的切点方程式，确定TP点的坐标参数为(xTP,yTP)；SS6.将压力面的TP点、吸力面的TS点通过尾缘倒圆相切连接，将压力面型线与吸力面型线在尾缘处闭合；SS7.将压力面的LP点、吸力面的LS点通过前缘倒圆相切连接，将压力面型线与吸力面型线在前缘处闭合。优选地，步骤SS3中，超音叶栅处于起动状态时，满足下列关系式：q(Ma∞)scosβ∞＝σtht………………………(1)其中，σt为喉口前的总压恢复系数，σt的计算基于正激波关系式的修正式：如式(2)所示：其中，进一步地，步骤SS3中，忽略掉起动状态下叶栅来流至喉口的总压损失，即σt＝1，根据叶栅进口流量与喉口流量的平衡方程q(Ma∞)scosβ∞＝q(Mah)ht，以及设计来流马赫数为Ma∞、设计来流气流角为β∞、栅距s、超音叶栅起动后的喉口马赫数Mah，计算超音叶栅的喉口宽度ht，其中，q代表流量。优选地，步骤SS4中，根据LS、S、D、Inf、P、TS共6个点的坐标参数及型面角，通过Bézier曲线拟合，得到超音叶栅叶型吸力面的型线。优选地，步骤SS4中，给定LS点处的型面角γLS以及前缘倒圆的前缘半径LER，根据圆与切线的切点方程式，求得LS点的坐标参数为(xLS,yLS)。优选地，步骤SS4中，给定气流在S点处的气流角与来流气流角的差ΔβS，结合起动点的来流马赫数Ma∞,S和来流气流角β∞,S，由方程式(3)-(5)计算S点的坐标参数(xS,yS)及型面角γS，其中：q(Ma∞)scosβ∞＝σEVq(MaEV)lEV/MaEV...................(3)β∞+ν∞＝βEV+νEV................................(4)式(4)中，ν为Prandtl-Meyer关系式；σEV＝σext＝1-Rle·[1.4519·(Ma∞-1)2+1.3910·(Ma∞-1)]…………(5)式(5)中，无量纲前缘半径Rle＝LER/(s·cosβs)。优选地，步骤SS4中，给定气流在D点处的气流角与来流气流角的差ΔβD，结合设计点的来流马赫数Ma∞,D和来流气流角β∞,D，同样由方程式(3)-(5)计算D点的坐标参数(xD,yD)及型面角γD。优选地，步骤SS5中，将LP、T、TP共3个点的坐标参数及型面角，通过Bézier曲线拟合，得到超音叶栅叶型压力面的型线。优选地，所述超音叶栅的进口相对马赫数不低于1.7。本专利技术的上述适用于高进口相对马赫数的超音叶栅叶型的设计方法，用于超音叶栅叶型的几何设计，超音叶栅叶型的设计包含压力面和吸力面，设计过程中，定义叶型表面任一点处的切线和弦线(即x轴)之间的夹角为该点处的型面角(用γ表示)，则型线上的每个控制点可以由三个数据确定：横坐标，纵坐标以及该点处的型面角，所有的控制点确定之后，只需将相邻控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于高进口相对马赫数的超音叶栅叶型的设计方法，所述超音叶栅叶型包括压力面型线和吸力面型线，叶型表面任一点处的切线与叶型弦线之间的夹角为该点处的型面角γ，以叶型弦线作为x轴，以叶型的高度方向作为y轴，叶型前缘点作为坐标原点，叶型表面任一点的坐标参数均包括横坐标x、纵坐标y，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：SS1.根据设计需求给定目标超音叶栅叶型的设计来流条件，包括设计来流马赫数为Ma∞，设计来流气流角为β∞；SS2.给定目标超音叶栅的设计几何参数，包括栅距s、安装角βs、弦长c、前缘倒圆的前缘半径LER、尾缘倒圆的尾缘半径TER；SS3.选取超音叶栅起动后的喉口马赫数Mah，确定超音叶栅的喉口宽度ht；SS4.确定LS、S、D、Inf、P、TS等6个控制点的坐标参数及型面角，并根据所述6个控制点的坐标参数及型面角拟合超音叶栅叶型的吸力面的型线，其中，LS为吸力面与前缘倒圆的交点，LS点的坐标参数(xLS,yLS)通过前缘半径LER和LS点处的型面角γLS确定；S为吸力面上与叶栅起动点相对应的控制点，给定气流在S点处时的气流角与来流气流角的差ΔβS，结合起动点的来流马赫数Ma∞,S和来流气流角β∞,S，确定S的坐标参数(xS,yS)及型面角γS；D为吸力面上与叶栅设计点相对应的控制点，给定气流在D点处的气流角与来流气流角的差ΔβD，结合设计点的来流马赫数Ma∞,D和来流气流角β∞,D，确定D点的坐标参数(xD,yD)及型面角γD；P为吸力面上的y坐标值最大的点，该点的坐标以两个特征系数的形式给出，横坐标的特征系数定义为coefP,x＝xP/c，纵坐标的特征系数定义为coefP,y＝yP/(s·cosβs‑ht)，该点处的型面角γP＝0；Inf为吸力面上的拐点，该点的坐标以两个特征系数的形式给出，横坐标的特征系数定义为coefInf,x＝xInf/c，纵坐标的特征系数定义为coefInf,y＝yInf/yP，该点处型面角γInf是调整预压缩强度的重要参数，以ΔγInf＝γInf‑γD的形式给出；TS为吸力面与尾缘倒圆的交点，给定尾缘倒圆的尾缘半径TER和该点处的型面角γTS，根据圆与切线的切点方程式，确定TS点的坐标参数为(xTS,yTS)；SS5.确定LP、T、TP等3个控制点的坐标参数及型面角，并根据所述3个控制点的坐标参数及型面角拟合超音叶栅叶型的压力面的型线，其中，LP为压力面与前缘倒圆的交点，给定前缘半径LER和该点处的型面角γLP，根据圆与切线的切点方程式，确定LP点的坐标参数为(xLP,yLP)，通过型面角γLP，能够准确的控制叶栅前缘内伸波的激波角，从而实现对流场内斜激波波系结构的控制；T为该点与相邻叶片上的T'点对应，为压力面上的y坐标的绝对值最大的点，为了准确控制喉口面积，该点的坐标由P点坐标决定，xT＝xP‑s·sinβs，yT＝s·sinβs‑ht‑yP，该点处的型面角γT＝0；TP为压力面与尾缘倒圆的交点，给定尾缘半径TER和该点处的型面角γTP，根据圆与切线的切点方程式，确定TP点的坐标参数为(xTP,yTP)；SS6.将压力面的TP点、吸力面的TS点通过尾缘倒圆相切连接，将压力面型线与吸力面型线在尾缘处闭合；SS7.将压力面的LP点、吸力面的LS点通过前缘倒圆相切连接，将压力面型线与吸力面型线在前缘处闭合。...

【技术特征摘要】
1.一种适用于高进口相对马赫数的超音叶栅叶型的设计方法，所述超音叶栅叶型包括压力面型线和吸力面型线，叶型表面任一点处的切线与叶型弦线之间的夹角为该点处的型面角γ，以叶型弦线作为x轴，以叶型的高度方向作为y轴，叶型前缘点作为坐标原点，叶型表面任一点的坐标参数均包括横坐标x、纵坐标y，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：SS1.根据设计需求给定目标超音叶栅叶型的设计来流条件，包括设计来流马赫数为Ma∞，设计来流气流角为β∞；SS2.给定目标超音叶栅的设计几何参数，包括栅距s、安装角βs、弦长c、前缘倒圆的前缘半径LER、尾缘倒圆的尾缘半径TER；SS3.选取超音叶栅起动后的喉口马赫数Mah，确定超音叶栅的喉口宽度ht；SS4.确定LS、S、D、Inf、P、TS等6个控制点的坐标参数及型面角，并根据所述6个控制点的坐标参数及型面角拟合超音叶栅叶型的吸力面的型线，其中，LS为吸力面与前缘倒圆的交点，LS点的坐标参数(xLS,yLS)通过前缘半径LER和LS点处的型面角γLS确定；S为吸力面上与叶栅起动点相对应的控制点，给定气流在S点处时的气流角与来流气流角的差ΔβS，结合起动点的来流马赫数Ma∞,S和来流气流角β∞,S，确定S的坐标参数(xS,yS)及型面角γS；D为吸力面上与叶栅设计点相对应的控制点，给定气流在D点处的气流角与来流气流角的差ΔβD，结合设计点的来流马赫数Ma∞,D和来流气流角β∞,D，确定D点的坐标参数(xD,yD)及型面角γD；P为吸力面上的y坐标值最大的点，该点的坐标以两个特征系数的形式给出，横坐标的特征系数定义为coefP,x＝xP/c，纵坐标的特征系数定义为coefP,y＝yP/(s·cosβs-ht)，该点处的型面角γP＝0；Inf为吸力面上的拐点，该点的坐标以两个特征系数的形式给出，横坐标的特征系数定义为coefInf,x＝xInf/c，纵坐标的特征系数定义为coefInf,y＝yInf/yP，该点处型面角γInf是调整预压缩强度的重要参数，以ΔγInf＝γInf-γD的形式给出；TS为吸力面与尾缘倒圆的交点，给定尾缘倒圆的尾缘半径TER和该点处的型面角γTS，根据圆与切线的切点方程式，确定TS点的坐标参数为(xTS,yTS)；SS5.确定LP、T、TP等3个控制点的坐标参数及型面角，并根据所述3个控制点的坐标参数及型面角拟合超音叶栅叶型的压力面的型线，其中，LP为压力面与前缘倒圆的交点，给定前缘半径LER和该点处的型面角γLP，根据圆与切线的切点方程式，确定LP点的坐标参数为(xLP,yLP)，通过型面角γLP，能够准确的控制叶栅前缘内伸波的激波角，从而实现对流场内斜激波波系结构的控制；T为该点与相邻叶片上的T'点对应，为压力面上的y坐标的绝对值最大的点，为了准确控制喉口面积，该点的坐标由P点坐标决定，xT＝xP-s·sinβs，yT＝s·sinβs-ht-yP，该点处的型面角γT＝0；TP为压力面与尾缘倒圆的交点，给定尾缘半径TER和该点处的型面角γTP，根据圆与切线的切点方程式，确定TP点的坐标参数为(xTP,yTP)；SS6.将压力面的TP点、吸力面的TS点通过尾缘倒圆相切连接，将压力面型线与吸力面型线在尾缘处闭合；SS7.将压力面的LP点、吸力面的L...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵庆军，孙小磊，张锴，赵巍，崔伟伟，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11