考虑BLI进气畸变效应的叶尖跨音风扇非对称静子设计方法技术

本申请公开了一种考虑BLI进气畸变效应的叶尖跨音风扇非对称静子设计方法，包括以下步骤：步骤一、根据BLI畸变进气条件下原型设计的风扇静子进口来流情况将静子叶片沿周向划分为畸变区域和非畸变区域；步骤二、对划分为畸变区域的静子叶片进行优化改型，同时，划分为非畸变区域的静子叶片保持原型设计；步骤三、将畸变区域的改型静子叶片和非畸变区域的原型设计叶片组合，得到全周向非对称静子叶片。

Asymmetric stator design method for tip transonic fan considering BLI intake distortion effect

【技术实现步骤摘要】
考虑BLI进气畸变效应的叶尖跨音风扇非对称静子设计方法
本申请属于压气机风扇静子设计领域，具体地，涉及一种考虑边界层抽吸(BoundaryLayerIngestion，简称BLI)叶尖跨音风扇非对称静子设计方法。
技术介绍
飞发一体化布局是下一代民用航空飞行器设计的趋势。运用边界层抽吸效应的推进系统布局，相较于传统动力系统布局，理论上能够降低5％～10％的飞行器耗油率，被各大航空研究机构看好。采用BLI推进系统的飞行器，将机身的一部分低速流动的附面层抽吸入动力系统，降低排气速度，提升推进效率，从而降低飞行器的整机耗油率。然而BLI推进系统也为发动机设计带来了新的挑战，由于风扇需要持续工作在畸变进气来流下，这使得风扇气动效率降低1％～2％。因此，BLI进气畸变条件下的高性能风扇设计成为了当下一个重要的研究课题。BLI进气畸变导致风扇内部流动呈现出周向非对称性，总压畸变在经过转子之后得到了发展，叶尖畸变强度增大，畸变沿转向发生周向扩展，周向影响范围扩大，转子出口(即静子进口)流场呈现出非对称性，畸变区域的静子气流角大幅度偏离设计值。攻角偏大导致静子叶型吸力面出现流动分离，产生较大的流动损失，导致风扇效率下降。因此，传统的按照均匀进气设计的风扇静子难以满足在畸变进气条件下的工作需求。基于畸变进气条件非对称流场中的风扇静子优化设计研究，国外的研究团队进行过一些工作，尝试进行静子的非对称设计以降低非对称流场中静子的流动损失。1996年，罗尔斯罗伊斯航空发动机公司(罗罗公司)通过非对称优化风扇出口导叶，调整局部叶片弦长和安装角，来减缓导叶下游非对称机匣承力结构对于导叶的影响，有效地抑制了导叶角区的分离流动。然而，下游机匣承力结构引起的静子流场非对称性无论从尺度还是幅值都明显小于BLI效应进气畸变引起的静子流场非对称性。2017年，剑桥-麻省理工研究团队Gunn和Hall采用非对称静子设计减小了BLI效应进气畸变下某低转速风扇的流动损失。首先对静子的基元叶型进行了非对称改型，调整叶片金属角和弦长，然后对静子叶片进行了非对称性的改型。结果表明：对风扇静子进行二维非对称改型可以减小叶尖高负荷区域的流动损失；进行三维叶片的非对称性改型，可以进一步降低静子叶根的分离损失。但是，Gunn和Hall的工作是基于一台低转速风扇进行的，而民用飞行器风扇通常是大涵道比、高转速且叶尖超音的，非对称静子优化设计是否适用于高负荷风扇静子尚未得到验证。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述问题，本申请提出了一种考虑BLI进气畸变效应的叶尖跨音风扇非对称静子设计方法，包括以下步骤：步骤一、根据BLI畸变进气条件下原型设计(即未考虑BLI进气畸变效应时的设计)的风扇静子进口来流情况将静子叶片沿周向划分为畸变区域和非畸变区域；步骤二、对划分为畸变区域的静子叶片进行优化改型，同时，划分为非畸变区域的静子叶片保持原型设计；步骤三、将畸变区域的改型静子叶片和非畸变区域的原型设计叶片组合，得到全周向非对称静子叶片。在本申请的一个实施方案中，所述步骤一包括根据BLI畸变进气条件下原型设计的风扇静子的攻角与设计值的偏离情况来划分畸变区域和非畸变区域。在本申请的一个实施方案中，所述步骤二包括通过修正静子进口金属角，使其对准来流方向来对划分为畸变区域的静子叶片进行优化改型，以降低静子攻角。优选地，通过修改静子基元级叶型中弧线的方式来修正静子进口金属角。优选地，采用中弧线和厚度分布的方式定义静子叶型。在本申请的一个实施方案中，对静子叶型进行参数化拟合，以对划分为畸变区域的静子叶片进行优化改型。在本申请的一个优选实施方案中，采用8阶Bezier曲线对静子叶片积叠线和中弧线进行参数化拟合。在本申请的一个实施方案中，保证叶片轴向弦长不变，Bezier曲线的控制点的x坐标固定不变，在改型过程中，通过修改控制点的y坐标使叶片进口金属角修改为目标值，并且，为保证出口金属角不变，第8、9个控制点的y坐标不变，Bezier曲线的中间段控制点的改型与原型设计的y坐标差值线性变化到0，从而获得中弧线的Bezier曲线控制点。优选地，运用NUMECA软件包中的Autoblade软件进行叶片优化改型设计。在本申请的一个优选实施方案中，所述步骤二包括：对-150°到-60°的周向区域降低叶尖的攻角，对-60°到-30°的周向区域降低50％叶高以上的攻角，对-30°到30°的周向区域降低全叶高的攻角，对30°到-150°的周向区域保持原型设计。可见，本申请将在BLI进气畸变条件下划分为畸变区域的静子叶片进行优化改型并结合保持原型设计的非畸变区域的静子叶片形成全周向非对称静子叶片，调整了静子负荷空间分布，降低静子周向局部区域高负荷，得到了非对称静子优化设计。在叶尖跨音风扇中运用非对称静子设计，延缓了畸变区域静子叶型吸力面的流动分离，降低了静子叶栅通道中的流动损失，缓解了风扇内部流动的非对称性，有效地提升了风扇级效率。附图说明附图示出了本申请的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本申请的原理，其中包括了这些附图以提供对本申请的进一步理解，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示出了不同叶高处静子攻角分布(90％、50％、10％叶高)；图2示出了不同叶高处静子金属角(改型金属角-原型金属角)分布(90％、70％、50％、30％、10％叶高)；图3是本申请的非对称静子结构示意图(90％叶高)；图4示出了静子出口截面熵对比图(90％叶高)；图5示出了静子出口截面熵对比图(50％叶高)；图6示出了静子出口截面熵对比图(10％叶高)；图7示出了不同叶高和周向角度下原型与改型设计的静子S1流面速度分布对比图。具体实施方式下面结合附图和实施方式对本申请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，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请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申请。此处以高负荷跨音风扇级NASAStage67风扇静子为例说明本申请的考虑BLI进气畸变效应的叶尖跨音风扇非对称静子设计方法：首先，根据BLI畸变进气条件下原型设计的风扇静子进口来流情况将静子叶片沿周向划分为畸变区域和非畸变区域。在本申请的一个实施例中，根据BLI畸变进气条件下原型设计的风扇静子的攻角与设计值的偏离情况来划分畸变区域和非畸变区域。优选地，基于Stage67原型风扇在BLI效应畸变进气条件下的全周非定常数值模拟结果，可以得出畸变进气条件下静子的攻角与设计值的偏离情况，从图1的结果可知：周向位置-150°到30°区域叶尖攻角偏大；-60°到60°区域叶中攻角偏大；-30°到60°区域叶根攻角偏大；非畸变区域(周向位置30°到-150°)的静子攻角与原型设计偏离不大。其次，对划分为畸变区域的静子叶片进行优化改型，同时，划分为非畸变区域的静子叶片保持原型设计。在本实施例中，在对静子进行非对称优化设计过程中，将静子分为以下三个区域，按如下方法对静子攻角进行修正：-150°到-60°区域降低叶尖攻角，-60°到-30°区域降低50％叶高以上攻角本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑BLI进气畸变效应的叶尖跨音风扇非对称静子设计方法，包括以下步骤：步骤一、根据BLI畸变进气条件下原型设计的风扇静子进口来流情况将静子叶片沿周向划分为畸变区域和非畸变区域；步骤二、对划分为畸变区域的静子叶片进行优化改型，同时，划分为非畸变区域的静子叶片保持原型设计；步骤三、将畸变区域的改型静子叶片和非畸变区域的原型设计叶片组合，得到全周向非对称静子叶片。

【技术特征摘要】
1.一种考虑BLI进气畸变效应的叶尖跨音风扇非对称静子设计方法，包括以下步骤：步骤一、根据BLI畸变进气条件下原型设计的风扇静子进口来流情况将静子叶片沿周向划分为畸变区域和非畸变区域；步骤二、对划分为畸变区域的静子叶片进行优化改型，同时，划分为非畸变区域的静子叶片保持原型设计；步骤三、将畸变区域的改型静子叶片和非畸变区域的原型设计叶片组合，得到全周向非对称静子叶片。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一包括根据BLI畸变进气条件下原型设计的风扇静子的攻角与设计值的偏离情况来划分畸变区域和非畸变区域。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二包括通过修正静子进口金属角，使其对准来流方向来对划分为畸变区域的静子叶片进行优化改型，以降低静子攻角。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过修改静子基元级叶型中弧线的方式来修正静子进口金属角。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，采用中弧线和厚度分布的方式定义静子叶型。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对静子...

【专利技术属性】
技术研发人员：李秋实，杨哲，鹿哈男，潘天宇，
申请(专利权)人：北航四川西部国际创新港科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51