一种压气机第二代弯曲叶片的设计方法

本发明涉及叶轮机械叶片设计领域，特别是涉及一种基于现有的弯曲叶片设计，进一步改善压气机展向气动参数分布的第二代弯曲叶片的设计方法。

背景技术：

1、压气机叶片是实现能量转换的核心部件，其设计的好坏直接影响到压气机的工作性能。现代航空发动机推重比和效率的设计要求不断增加，轴流压气机的单级压比也不断提高，导致压气机中出现尾缘分离和角区分离等现象。流动分离会引起高的流动损失，限制压气机性能和稳定性的提高。因此，有必要对压气机内部的流动分离进行控制。

2、弯曲叶片技术是一种能有效控制流动分离的流动控制技术，第一代弯曲叶片是由王仲奇院士在20世纪60年代提出的。弯曲叶片是指叶片的积叠线沿周向有倾斜的叶片，积叠线朝着旋转方向偏转的叶片称为正弯叶片，积叠线朝着旋转方向相反的方向偏转的叶片称为反弯叶片。积叠线是指各叶型截面重心的连线。

3、文献“王会社，袁新，钟兢军，王仲奇.叶片正弯曲对压气机叶栅叶片表面流动的影响[j].推进技术，2004，25(3)：210-214.”中以压气机叶栅为研究对象，研究了弯曲叶片对压气机叶栅流动分离的影响，研究表明：正弯可以明显改善叶栅端部流动，尤其是端壁/吸力面角区，基本消除了该处分离，降低了端壁区的二次流损失；叶片反弯消除了吸力面尾缘的回流，但恶化了两端的流动。

4、从文献中可知，第一代弯曲叶片会改善端壁或者叶中的流动，但同时也会影响其他叶展的流动，造成展向气动参数(负荷、气流角)分布的改变，对级间匹配带来的困难。因此，需要在第一代弯曲叶片的设计基础上，发展既能控制流动分离，又能进一步降低弯曲叶片对展向气动参数分布改变的第二代弯曲叶片设计技术。

5、在公开号为cn1299003a的发明专利中，公开了一种双弯曲压气机叶型，该叶型截面的重心沿一双弯重叠轴线对齐，目的是改善压气机性能。该发明专利的目的是改善压气机效率并提高失速区，同时限制离心应力。

6、在公开号为cn102168688a的发明专利中，公开了一种轴流式压气机静子叶片，该叶片采用两端正弯，叶中为直线的设计方法设计，降低了压气机的气动损失，提高了压气机的效率。

7、上述两种发明专利在弯曲叶片的设计过程中，都仅考虑了弯曲叶片对压气机流动分离和压气机效率的控制效果，没有考虑叶片弯曲后造成的展向气动参数分布的改变，采用该设计后可能对级间匹配带来的困难。

8、在公开号为cn106122107a的发明专利中，公开了一种用于多级轴流压气机的复合弯曲静叶，采用叶根部正弯、叶尖部反弯的形式，应用于多级轴流压气机时，能够显著改善静叶根部流动分离、减少静叶损失，平衡静叶展向负荷分布，并能够扩展跨音动叶尖部的稳定工作范围，从而在整个展向范围降低流动损失，扩展跨音级的失速裕度。

9、在公开号为cn113569498a的发明专利中，公开了一种轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法，目的在于提供解决轴流压气机气动设计中的叶片端区流动控制问题的一种轴流压气机端部弯曲静叶片设计方法，充分考虑了轴流压气机在多级环境下静叶片叶栅槽道内部流动的端区损失与攻角匹配。

10、上述两种发明专利在弯曲叶片的设计过程中，考虑了静叶的展向参数分布，但是发明专利cn106122107a设计的弯曲静叶，目的是使静叶展向负荷分布更加均匀，从而减少流动径向迁移带来的摩擦损失，并没有考虑弯曲叶片引起的展向气动参数分布变化对级间匹配造成的困难；发明专利cn113569498a考虑了进口参数的影响，并未考虑弯曲叶片出口展向气动参数分布的变化对压气机造成的影响。

11、因此，现有关于弯曲叶片设计技术中，未见减小叶片弯曲对展向气动参数分布的影响，提高级间匹配的设计方法。为了在第一代弯曲叶片设计基础上，进一步提高压气机的性能，在控制角区分离的前提下，降低弯曲叶片对展向气动参数分布的改变，减小第一代弯曲叶片设计后风扇后的气动损失及对级间匹配带来的困难，本发明提出了一种压气机第二代弯曲叶片的设计方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种压气机第二代弯曲叶片的设计方法，能够解决第一代弯曲叶片造成的展向气动参数分布的改变，进而导致级间匹配困难的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种压气机第二代弯曲叶片的设计方法，包括：

4、确定待优化的第一代弯曲叶片；以所述第一代弯曲叶片为当前弯曲叶片；

5、对当前弯曲叶片进行数值模拟分析，得出叶栅的出口气流角沿展向的分布情况；

6、对比当前弯曲叶片与原始叶片之间的出口气流角变化情况；所述原始叶片是所述第一代弯曲叶片设计时的基准压气机叶片；

7、对当前弯曲叶片中出口气流角的变化角度大于预设值的区域进行叶型安装角和叶型型线的重新设计，得到叶型型线重设计弯曲叶片；所述叶型型线满足bezier曲线的形式，且通过调整控制点位置进行设计；

8、以当前所述叶型型线重设计弯曲叶片为当前弯曲叶片，返回步骤“对当前弯曲叶片进行数值模拟分析，得出叶栅的出口气流角沿展向的分布情况”，直至当前所述叶型型线重设计弯曲叶片的出口气流角满足预设要求，得到第二代弯曲叶片；所述预设要求包括当前所述叶型型线重设计弯曲叶片与原始叶片在预设区域内出口气流角的差小于所述预设值，且当前所述叶型型线重设计弯曲叶片的出口气流角沿展向分布均匀。

9、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

10、本发明提供一种压气机第二代弯曲叶片的设计方法，在第一代弯曲叶片的基础上，分析弯曲叶片的出口气流角，并对出口气流角不满足预设要求得展向区域重新设计叶型安装角和叶型型线，使得进一步优化设计的弯曲叶片不仅可以控制压气机叶栅的角区分离等流动分离，提高压气机叶栅的气动性能，还可以降低因叶片弯曲造成的叶栅出口参数径向分布的变化，减小级间匹配的困难，推动弯曲叶片技术的进一步发展和工程应用。另外，本发明不仅适用于压气机叶栅的设计，还可适用于各种叶轮机械的气动设计。

技术特征：

1.一种压气机第二代弯曲叶片的设计方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种压气机第二代弯曲叶片的设计方法，其特征在于，对当前弯曲叶片进行数值模拟分析，得出叶栅的出口气流角沿展向的分布情况，具体包括：

3.根据权利要求2所述的一种压气机第二代弯曲叶片的设计方法，其特征在于，对比当前弯曲叶片与原始叶片之间的出口气流角变化情况，具体包括：

4.根据权利要求3所述的一种压气机第二代弯曲叶片的设计方法，其特征在于，对当前弯曲叶片中出口气流角的变化角度大于预设值的区域进行叶型安装角和叶型型线的重新设计，具体包括：

5.根据权利要求1所述的一种压气机第二代弯曲叶片的设计方法，其特征在于，确定待优化的第一代弯曲叶片，具体包括：

6.根据权利要求5所述的一种压气机第二代弯曲叶片的设计方法，其特征在于，根据所述叶栅内流动分离的分布情况确定压气机叶栅的积叠线形式，具体包括：

技术总结
本发明公开一种压气机第二代弯曲叶片的设计方法，涉及叶轮机械叶片设计领域，在第一代弯曲叶片的基础上，分析弯曲叶片的出口气流角，并对出口气流角不满足预设要求的展向区域重新设计叶型安装角和叶型型线，使得进一步优化设计的弯曲叶片不仅可以控制压气机叶片的角区分离等流动分离，提高压气机叶片的气动性能，还可以降低因叶片弯曲造成的压气机出口参数径向分布的变化，减小级间匹配的困难，推动弯曲叶片技术的进一步发展和工程应用。

技术研发人员：曹志远,高玺,孙奕
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23