宽工况后向遮挡的涡轮后机匣整流支板设计方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种宽工况后向遮挡的涡轮后机匣整流支板设计方法及系统，该方法对不同叶高的特征基元截面分别进行设计，确保对低压涡轮出口三维流动的良好匹配；对于每个特征基元截面，分别利用进口几何角、出口几何角、栅距、弦长、遮挡宽度和轴向延伸段长度来描述叶片型线；利用二次偏转曲线方法分别获得叶片压力面和吸力面型线，再结合前缘和尾缘半径参数，分别利用椭圆和圆弧对叶片前缘和尾缘进行造型；按照所需的积叠方式实现叶片三维成型。该方法自由度高、所需变量少、且调整灵活方便，能够在良好气动整流的同时，灵活调整对末级低压涡轮的后向遮挡率，甚至实现后向完全遮挡，有助于快速设计低气动损失和强红外隐身效能的后机匣部件。的后机匣部件。

【技术实现步骤摘要】
宽工况后向遮挡的涡轮后机匣整流支板设计方法及系统


[0001]本专利技术属于航空涡轮发动机设计领域，特别涉及一种宽工况后向遮挡的涡轮后机匣整流支板设计方法及系统，为兼具整流和后向遮挡的涡轮后机匣整流支板参数化设计方法。

技术介绍

[0002]隐身性能(即低可探测性)是衡量军用飞机先进性的重要指标。近年来，飞机的隐身技术受到了越来越多的关注：美军除了装备的F
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22等隐身战机之外，还在大力地发展一种高亚声速无人隐身战机XQ
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58A，以实现未来全系列的隐身飞机；英国政府也在积极筹备六代机项目中“暴风雨”战斗机的研制计划，将在4年内为该计划投资20亿英镑，预计在2035年投入使用。除此之外，日本、韩国等国家都在积极研制自己的隐身飞机，这极大的促进了隐身技术的发展。
[0003]飞机隐身技术中，雷达隐身和红外隐身是两个最主要的方面。燃气涡轮发动机作为作战飞机的主要动力来源，其进/排气系统是主要的雷达散射源和红外辐射源。实现作战飞机隐身的前提就是尽可能降低进/排气系统的红外和雷达特征。红外探测是利用物体本身的物理特性，即温度大于绝对零度(
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273.15℃)的所有物体都会时刻向外界发出红外辐射，且随着温度的升高，红外辐射的强度会急剧升高。燃气涡轮发动机在运行过程中会排出大量高温气体，温度远远高于周围环境温度，这使得飞机的后向红外隐身难度大大增加。
[0004]发动机排气系统红外隐身的关键就是尽量减少排气系统在后向的红外辐射强度。具体的方法有：1)通过调整燃气组分，在燃气中添加含有红外屏蔽材料的物质，这样喷出的燃气就会形成红外屏蔽层，从而减弱尾焰的红外辐射；2)空气引射技术，该技术将周围环境的低温气体引入尾喷管并与高温燃气掺混，从而减弱尾焰的红外辐射；3)遮挡高温辐射源，通过在低压涡轮下游布置遮挡装置，从而避免或减小被红外探测装置探测的概率。
[0005]利用涡轮后机匣整流支板遮挡高温的低压涡轮部件是提升航空发动机红外隐身效能的潜在途径。涡轮后机匣整流支板需要兼顾整流、承力和后向遮挡功能，其设计研发难度极高。一方面，整流支板需要将末级低压涡轮后的气流往轴向进行导流，以提高发动机推力。另一方面，整流支板需要对高温的低压涡轮部件进行遮挡，以降低后向红外辐射强度，进而提升发动机的后向红外隐身效能。目前，能够灵活实现后向全遮挡的涡轮后机匣整流支板设计方法极为欠缺。本专利技术充分考虑整流支板的后向遮挡和气动整流设计需求，提出了基于二次偏转曲线的整流支板参数化设计方法及系统，可为研发宽工况、后向遮挡的涡轮后机匣提供理论和技术支撑。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种能够实现整流和后向遮挡的航空发动机涡轮后机匣整流支板参数化设计方法。相比现有的设计方法，该方法能够在气动整流的同时，方便灵活的调整对末级低压涡轮的后向遮挡率，甚至实现后向完全遮挡，有助
于快速设计低气动损失和强红外隐身效能的后机匣部件，在不降低发动机运行温度的情况下尽可能降低尾喷管的温度，并尽可能使尾喷管的出口气流沿发动机轴向方向，以实现推力的最大化。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种宽工况后向遮挡的涡轮后机匣整流支板设计方法，包括以下步骤：
[0008]S1，选择不同叶高的特征截面分别进行造型；针对所述不同的特征截面，均包括转折段和轴向延伸段两部分；其中，转折段通过进口几何角、出口几何角、弦长、栅距和遮挡宽度共5个几何参数进行控制，轴向延伸段通过轴向延伸长度进行控制；
[0009]S2，利用二次偏转曲线方法分别获得满足进口几何角、出口几何角、弦长、栅距和遮挡宽度共5个几何参数的转折段压力面型线和转折段吸力面型线；
[0010]S3，在转折段后面通过给定轴向延伸长度获得轴向延伸段的压力面型线和吸力面型线，分别组合转折段与轴向延伸段的压力面型线和吸力面型线即可得到叶片压力面和吸力面的完整几何型线；
[0011]S4，根据结构要求确定叶片的前缘和尾缘直径，分别利用椭圆和圆弧对叶片的前缘和尾缘进行造型，从而得到不同特征截面的初始基元叶型；
[0012]S5，对S3所得叶片压力面和吸力面的完整几何型线分别进行拟合；同时在不同轴向位置添加若干控制点，对叶片的型线进行调整和迭代，再结合所得型线对叶片的前缘和尾缘进行造型，得到满足气动性能要求的基元叶型；
[0013]S6，确定叶片积叠形式，设定周向和轴向积叠参数，结合叶片积叠形式和S5所得基元叶型，获得叶片的三维造型。
[0014]S1中，选择至少3个不同的特征基元截面分别进行造型。
[0015]进口几何角根据当地叶高处的进口气流角确定，以减小进口的流动分离；出口几何角设定为90度以实现轴向排气；弦长根据结构尺寸限制和流动转折角进行调整；栅距根据整流支板2的叶片数和当地叶高的节径确定；利用遮挡宽度d来精准控制对末级低压涡轮部件的后向遮挡率，包括实现全遮挡设计；利用轴向延伸长度l来确定轴向延伸段的长度。
[0016]遮挡宽度d具体是指：当前整流支板2的前缘与相邻整流支板2的尾缘在发动机出口截面的投影重合距离，若两者重合，则d为正；若两者不重合，则d为负，当d为0时，代表整流支板2正好阻挡从发动机尾部的后向观测视线，对高温低压涡轮部件进行正后向遮挡；d增大，整流支板2遮挡的观测视线角度随之增大。
[0017]S5中，利用非均匀B样条曲线对S3所得叶片压力面和吸力面的型线分别进行拟合。
[0018]S2中，二次偏转曲线方法将型线整体分为前缘段、中间段以及尾缘段，前缘段为1段Bezier样条曲线，实现从近轴向方向朝周向方向偏转；尾缘段为1段Bezier样条曲线，实现从周向方向朝轴向方向的偏转；中间段为向1段或2段Bezier样条曲线，连接前缘段和尾缘段。
[0019]叶根处采用“C”型的流道轮廓，叶顶处采用“S”型的流道轮廓。
[0020]另外，本专利技术提供一种宽工况后向遮挡的涡轮后机匣整流支板设计系统，包括设计要素确定模块、型线设计模块、初始基元叶型获取模块、基元叶型更新模块和叶片三维造型设计模块。
[0021]设计要素确定模块用于选择不同叶高的特征截面分别进行造型；针对所述不同的
特征截面，均包括转折段和轴向延伸段两部分；其中，转折段通过进口几何角、出口几何角、弦长、栅距和遮挡宽度共5个几何参数进行控制，轴向延伸段通过轴向延伸长度进行控制；
[0022]型线设计模块首先利用二次偏转曲线方法分别获得满足进口几何角、出口几何角、弦长、栅距和遮挡宽度共5个几何参数的转折段压力面型线和转折段吸力面型线；然后在转折段后面通过给定轴向延伸长度获得轴向延伸段的压力面型线和吸力面型线，分别组合转折段与轴向延伸段的压力面型线和吸力面型线即可得到叶片压力面和吸力面的完整几何型线；
[0023]初始基元叶型获取模块用于根据结构要求确定叶片的前缘和尾缘直径，分别利用椭圆和圆弧对叶片的前缘和尾缘进行造型，从而本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽工况后向遮挡的涡轮后机匣整流支板设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，选择不同叶高的特征截面分别进行造型；针对所述不同的特征截面，均包括转折段和轴向延伸段两部分；其中，转折段通过进口几何角、出口几何角、弦长、栅距和遮挡宽度共5个几何参数进行控制，轴向延伸段通过轴向延伸长度进行控制；S2，利用二次偏转曲线方法分别获得满足进口几何角、出口几何角、弦长、栅距和遮挡宽度共5个几何参数的转折段压力面型线和转折段吸力面型线；S3，在转折段后面通过给定轴向延伸长度获得轴向延伸段的压力面型线和吸力面型线，分别组合转折段与轴向延伸段的压力面型线和吸力面型线即可得到叶片压力面和吸力面的完整几何型线；S4，根据结构要求确定叶片的前缘和尾缘直径，分别利用椭圆和圆弧对叶片的前缘和尾缘进行造型，从而得到不同特征截面的初始基元叶型；S5，对S3所得叶片压力面和吸力面的完整几何型线分别进行拟合；同时在不同轴向位置添加若干控制点，对叶片的型线进行调整和迭代，再结合所得型线对叶片的前缘和尾缘进行造型，得到满足气动性能要求的基元叶型；S6，确定叶片积叠形式，设定周向和轴向积叠参数，结合叶片积叠形式和S5所得基元叶型，获得叶片的三维造型。2.根据权利要求1所述的宽工况后向遮挡的涡轮后机匣整流支板设计方法，其特征在于，S1中，选择至少3个不同的特征基元截面分别进行造型。3.根据权利要求1所述的宽工况后向遮挡的涡轮后机匣整流支板设计方法，其特征在于，进口几何角根据当地叶高处的进口气流角确定，以减小进口的流动分离；出口几何角设定为90度以实现轴向排气；弦长根据结构尺寸限制和流动转折角进行调整；栅距根据整流支板2的叶片数和当地叶高的节径确定；利用遮挡宽度d来精准控制对末级低压涡轮部件的后向遮挡率，包括实现全遮挡设计；利用轴向延伸长度l来确定轴向延伸段的长度。4.根据权利要求3所述的宽工况后向遮挡的涡轮后机匣整流支板设计方法，其特征在于，遮挡宽度d具体是指：当前整流支板2的前缘与相邻整流支板2的尾缘在发动机出口截面的投影重合距离，若两者重合，则d为正；若两者不重合，则d为负，当d为0时，代表整流支板2正好阻挡从发动机尾部的后向观测视线，对高温低压涡轮部件进行正后向遮挡；d增大，整流支板2遮挡的观测视线角度随之增大。5.根据权利要求1所述的宽工况后向遮挡的涡轮后机匣整流支板设计方法，其特征在于，S5中，利用非均匀B样条曲线对S3所得叶片压力面和吸力面的型线分别进行拟合。6.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋立明，陶志，蒋首民，乔怡飞，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：