一种兼顾气动与结构特征的航空发动机风扇叶片三维几何结构

摘要

本发明公开了一种兼顾气动与结构特征的民用航空发动机大风扇内涵叶片三维几何结构。传统设计的大风扇根部叶型后段弯角较大，尾缘吸力面与轮毂形成了比较小的锐角，低能气体在此角区堆积，流动损失很大，且吸力面与轮毂较小的夹角不利于叶片伸根段的结构造型。本发明主要优化了大风扇内涵叶片(大风扇叶片20％叶高以内部分)基元叶型出口金属角沿叶高的变化，拟合出了内涵叶片出口金属角的分布曲线及尾缘线在与轴向垂直的平面上的投影曲线。经过三维CFD验证，本发明能够有效减小风扇尾缘吸力面与轮毂形成的角区内的流动分离，提高风扇内涵的效率，为增压级提供了良好的进口条件，而且根部叶片与轮毂相对接近垂直为叶片在轮盘上的安装也提供了便利。

说明书

技术领域

本发明涉及一种兼顾气动与结构特征的民用航空发动机大风扇内涵叶片三维几何结构， 属于叶轮机械轴流压气机叶轮技术领域。

背景技术

民用航空发动机大风扇中由于轮毂比较小，流动参数沿径向变化比较剧烈。传统的设 计思想是采用沿叶高等功分布规律，认为这样能使流动的径向掺混最小，减小流动损失。由 于大风扇根尖切线速度的差距较大，为保证从根到尖轮缘功相等，则需要风扇内涵叶片基元 叶型扭转较大，于是传统风扇内涵叶片尾缘吸力面与轮毂形成了明显的锐角。但是研究表明， 等功分布的设计并不能使流动径向掺混最小，在气动方面，低能气体尾缘吸力面和轮毂形成 的角区内堆积，流动分离损失很大，同时也使得风扇内涵出口马赫数较大，增加了增压级的 设计难度和风险；在结构方面，吸力面与轮毂较小的夹角也不利于伸根段的结构造型，给叶 片在轮盘上的安装造成了困难，有可能在伸根段产生过大的应力。

随着设计和三维数值模拟技术的发展，现代航空发动机大风扇的采用全三维设计手段， 突破一些传统设计理念，根据流动的实际情况进行叶片造型，使叶片几何更符合流动需求， 改善流动，减小损失，同时兼顾结构特征，方便叶片的安装，避免应力过大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼顾气动与结构特征的民用航空发动机大风扇内涵叶片三 维几何结构，如图1所示。在设计大风扇1时，本发明调整内涵部分叶片2(大风扇叶片120％ 叶高以内部分)的加功量和落后角等设计参数，优化内涵叶片2的金属出口角β_2k沿展向的 分布，得到优化的内涵叶片尾缘曲线3，可以看出，内涵叶片的尾缘吸力面5与轮毂线10 更接近垂直。设计目的在于控制风扇根部吸力面与轮毂形成的角区内的流动分离，提高风扇 效率，改善内涵增压级的进口条件，同时有利于风扇伸根段的结构造型，便于叶片在轮盘上 的安装。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案主要包括以下几点：

一种兼顾气动与结构特征的民用航空发动机大风扇内涵叶片三维几何结构，其中，所述 的内涵叶片是指大风扇叶片0～20％叶高部分，特征在于：

1、所述的内涵叶片2的金属出口角满足如下条件：内涵叶片2(大风扇叶片20％叶高以 内部分)基元叶型的金属出口角β_2k(如图2所示，中弧线在尾缘点处的切线与轴向的夹 角，顺时针为正)沿展高的分布可以由一个三次多项式来描述

y＝79.804x³+70.411x²+33.222x-8.62

其中，x为相对展高的百分比数，y为相应叶高基元叶型的金属出口角，单位为度(°)，出 口金属角的公差范围为±0.2°。具有这种展向分布的金属出口角减小了内涵叶片的叶型弯角， 降低了做功量，有效控制了根部吸力面的流动分离。

2、同时，所述的内涵叶片尾缘线满足如下条件：内涵叶片尾缘线3在与轴向垂直的XOY 平面上的投影可以拟合成一条六次多项式曲线。如图3所示，ω为叶轮旋转方向，定义内涵 叶片尾缘线3与轮毂线10相交的点为坐标原点(0，0)，坐标轴为原点切线速度的反方向， 沿径向指向半径增大方向，将x，y坐标值分别无量纲化，无量纲尺度分别为轮毂线10到 内涵叶片尾缘线3在x，y方向的绝对长度。在以上坐标系的定义下，尾缘线在XOY平面上 的投影曲线拟合公式为：

其中，y的公差范围为±0.03。

本发明为一种兼顾气动与结构特征的民用航空发动机大风扇内涵叶片三维几何结构， 其优点在于：突破传统设计理念，通过优化风扇基元叶型金属出口角和尾缘线，控制风扇内 涵叶片尾缘吸力面与轮毂形成的角区内的流动分离，提高了风扇的效率，并且能够降低风扇 内涵出口马赫数，改善增压级的进口条件，还能够有利于伸根段的结构造型，同时兼顾风扇 气动性能和结构要求。经过计算流体动力学(即CFD)数值计算，该风扇性能较好，设计点 的风扇效率达到了93.17％，尤其是风扇内涵效率达到了96.27％

附图说明

图1所示为本发明风扇叶片三维几何造型示意图

图2所示为本发明风扇内涵叶片在0％、10％、20％展向叶高截面上的叶型示意图

图3所示为本发明风扇内涵叶片尾缘线在与轴向垂直平面上的投影曲线示意图

图中具体标号及符号如下：

1：大风扇叶片；2：风扇内涵叶片(20％叶高以内)；3：内涵叶片尾缘线；4：压力面；5： 吸力面；6：0％叶高截面叶型；7：10％叶高截面叶型；8：20％叶高截面叶型；9：0％叶高 截面叶型中弧线；10：轮毂线

β_2k：金属出口角(中弧线9在尾缘点处的切线与轴向的夹角，顺时针为正)

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本分明的技术方案做进一步的说明。

一种兼顾气动与结构特征的民用航空发动机大风扇内涵叶片三维几何结构，其中，所述 的内涵叶片是指大风扇叶片0～20％叶高部分，其特征在于：

1、内涵叶片2基元叶型的金属出口角β_2k(如图2所示，中弧线在尾缘点处的切线与轴 向的夹角，顺时针为正)沿展高的分布可以由一个三次多项式来描述

y＝79.804x³+70.411x²+33.222x-8.62

其中，x为相对展高的百分比数，y为相应叶高基元叶型的金属出口角，单位为度(°)，出 口金属角的公差范围为±0.05°。具有这种展向分布的金属出口角减小了内涵叶片的叶型弯 角，降低了做功量，有效控制了根部吸力面的流动分离。

2、内涵叶片尾缘线3在与轴向垂直的XOY平面上的投影可以拟合成一条六次多项式曲 线。如图3所示，ω为风扇旋转方向，定义内涵叶片尾缘线3与轮毂线10相交的点为坐标 原点(0，0)，坐标轴为原点切线速度的反方向，沿径向指向半径增大方向，将x，y坐标 值分别无量纲化，无量纲尺度分别为轮毂线10到20％叶高的内涵叶片尾缘线3在x，y方向 的绝对长度。在以上坐标系的定义下，尾缘线在XOY平面上的投影曲线拟合公式为：

其中，y的公差范围为±0.03。

综上，根据风扇内涵叶片出口金属角沿径向的分布规律，以及同时满足尾缘线在轴向平 面上相对坐标系下的投影曲线方程，可以得到风扇内涵叶片的一种三维几何特征，能够有效 控制风扇内涵角区流动分离，提高风扇效率，降低增压级进口马赫数，同时有利于风扇叶片 伸根段的结构造型。