一种跨音速风扇叶顶基元叶型的削尖前缘结构及设计方法

摘要

本发明涉及一种跨音速风扇叶顶基元叶型的前缘设计方法，首先在叶顶原始基元叶型的吸力面上，获得距离原始前缘一定长度的基准点；过基准点做一与原始吸力面呈一定夹角的直线段；直线段与原始压力面之间用半径较小的圆弧段进行连接，直线段另一端与原吸力面之间用倒圆进行圆滑过渡，并保持新旧叶片前缘的轴向位置保持不变。由于对原始基元叶型的前缘进行了削尖处理，减小了前缘有效半径，会延迟激波发生脱体，利于提升风扇的失速裕度。同时，由于削尖结构的引入，使得叶片前缘处的膨胀波分割成两部分，一部分为前缘半径引发的膨胀波，另一部分是直线段与吸力面过渡处引发的膨胀波，利于降低槽道激波前的马赫数，提高基元叶型的效率。

说明书

技术领域

本发明属于跨音速风扇叶片领域，涉及一种跨音速风扇的叶片结构及设计方法，具体涉及一种跨音速风扇叶顶基元叶型削尖前缘结构及设计方法

背景技术

在当代先进的航空涡扇发动机中，如图1所示，跨音速风扇转子的风扇1向着高通流能力、高效率和高稳定性的方向发展，由于需要兼顾同轴的低压涡轮的做功能力，低压轴转速不得不选定较高的转速，造成风扇叶片顶部2气体流动处于超音状态，在风扇叶片的顶部产生激波。激波首先具有一定的增压作用，可以有效提高叶顶的增压作用，但是，激波会引入一定的流动损失，随着激波波前马赫数的增加，激波损失急剧增加，当波前马赫数大于1.5时，应对激波进行控制。

跨音速叶栅内的激波结构如图2所示，基元叶片5的前缘处有一个脱体激波4。这道激波4的下半截伸向相邻叶片的叶背，并大体上接近于正激波的形状，称为槽道激波；脱体激波4的上半段，则伸向平面叶栅的左上方，称为外伸激波。脱体激波4后的气流流过叶片前缘圆角时分成两支，分别流向叶背和叶盆，于是就形成前驻点9。沿叶背流动的气流，在流过前缘和叶背曲面时重新加速为超声速，并由叶背表面发出一系列膨胀波7。其中一部分膨胀波7和外伸激波相交并使其减弱，一部分膨胀波和槽道激波相交，并改变槽道激波的强度。槽道激波与吸力面交点处8，槽道激波前的当地马赫数最高，因此激波也最强。实验和理论计算研究结果表明，受膨胀波7的影响外伸激波衰减的很快，伸到无限远处，外伸激波强度减弱为零。而槽道激波接近为一道正激波，且其会影响相邻叶片的叶背流场，使得叶背表面附面层发生分离，引气叶栅的损失增加。由此可见槽道激波位于基元叶型吸力面的位置直接影响着叶片吸力面分离起始点位置，从而影响整个叶栅的流动状况。

在跨音速风扇转子内部，槽道激波处于吸力面上的位置与风扇运行工况密切相关。如图3所示，当风扇转子工作在堵塞状态时，槽道激波10处于流道较下游位置，随着风扇背压的增加，正激波向前推移，在高效率点状态时，槽道激波11处于较前位置，当风扇工作在近失速点附近时，槽道激波12被推出叶片通道，形成脱体激波。从风扇稳定性的角度考虑，如果能推迟槽道激波的前移，有利于提高风扇的稳定工作裕度。

风扇尖部基元叶型前缘厚度越大，激波越容易发生脱体，激波损失越大，且越容易造成风扇失稳。风扇尖部基元叶型前缘越小，激波位置越靠后，有利于控制激波损失，同时利于提高风扇的综合稳定裕度。

为了控制激波，风扇叶顶基元叶片前缘设计的越来越薄，但是当基元叶片前缘楔形角保持不变时，基元叶片的叶身厚度也不断减薄，到达一定程度后，会降低叶片的刚度，使得叶片容易发生颤振，因此，叶片前缘厚度减薄受到限制，为了解决这一矛盾，本文发明了一种叶片前缘削尖结构。

发明内容

针对现有先进航空涡扇发动机中，进口风扇均为跨音速，叶片顶部存在强激波，为了控制激波，叶片尖部厚度应越来越小，而叶顶厚度减小到一定程度后，会影响叶片的刚度，容易使得风扇叶片发生局部颤振，为了保证压气机叶片的结构完整性，叶片尖部厚度不能减的太小，针对这一技术问题，为了控制叶片顶部的激波结构，并保证风扇叶片的结构完整性，本发明提供了一种跨音速风扇叶顶基元叶型的削尖前缘结构及设计方法，在叶片前缘进行了削尖处理，目的是即能控制叶片顶部的激波结构，又能保证风扇叶片的结构完整性。

本发明为实现其技术目的所采取的技术方案为：

一种跨音速风扇叶顶基元叶型的前缘设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

SS1.在跨音速风扇叶顶原始基元叶型的吸力面上选取一基准点，所述基准点与原始基元叶型的前缘点之间的距离为原始基元叶型前缘半径的若干倍；

SS2.以所述基准点为起点，做一条与原始基元叶型的吸力面成一锐角的直线段，所述直线段与原始基元叶型前缘相交；

SS3.所述直线段与原始基元叶型的压力面之间使用一半径小于原始基元叶型前缘半径的圆弧段光滑过渡，所述圆弧段形成为基元叶型的新前缘，所述新前缘与原始基元叶型的前缘轴向位置相同；

SS4.在所述基准点位置处，对所述直线段和原始基元叶型的吸力面之间进行倒圆过渡处理，使二者之间圆滑过渡。

优选地，所述基准点与原始基元叶型的前缘点之间的距离为原始基元叶型前缘半径的4-6倍。如果二者之间的距离过短，对激波的控制作用较弱，如果该距离过长，会影响风扇叶片的结构完整性，因此该距离应控制在原始基元叶型前缘半径的4-6倍之间。

优选地，所述直线段与原始基元叶型的吸力面之间的夹角为7°～12°。该夹角越大，会导致新的前缘半径越小，对激波的控制效果越明显，但会导致所述直线段与原吸力面的结合处曲率变化过大，影响叶片的效率。该夹角越小，会导致新的前缘半径越大，对激波的控制效果不明显。

优选地，所述圆弧段半径为原始基元叶型前缘半径的0.4-0.6倍。所述圆弧段形成为基元叶型的新前缘，新前缘半径是影响激波的重要几何参数。新前缘半径减小，有利于控制激波强度，使得激波位置后移，利于控制叶型损失。

优选地，通过调整所述基准点与原始基元叶型的前缘点之间的距离，以及直线段与原始基元叶型吸力面之间的夹角，对所述圆弧段的半径进行调整。

优选地，步骤SS3中在设定所述圆弧段时，应保证新旧前缘的金属几何角的偏转角不大于5°。由于对原始基元叶型前缘进行了削尖处理，会使得前缘的金属几何角发生偏转，该偏转角的存在，会增加前缘进口几何角，在相同来流的情况下，叶顶处有效攻角比原始叶型有一定减小，易提升基元叶型的失速裕度。

根据本发明的另一方面，还提供了一种跨音速风扇叶顶基元叶型的削尖前缘结构，其特征在于，所述削尖前缘根据本发明的上述跨音速风扇叶顶基元叶型的前缘设计方法得到。

根据本发明的另一方面，还提供了一种跨音速风扇叶顶基元叶型，所述基元叶型具有本发明的上述削尖前缘结构。

根据本发明的另一方面，还提供了一种跨音速风扇叶片，所述风扇叶片具有本发明的上述风扇叶顶基元叶型。

同现有技术相比，本发明的跨音速风扇叶顶基元叶型的前缘设计方法，由于对原始基元叶型的前缘进行了“削尖”处理，“削尖”后的叶片减小了前缘有效半径，会延迟激波发生脱体，利于提升风扇的失速裕度。同时，由于“削尖”结构的引入，使得叶片前缘处的膨胀波分割成两部分，一部分为前缘半径引发的膨胀波，另一部分是直线段与吸力面过渡处引发的膨胀波，此过程也利于降低槽道激波前的马赫数，利于提高基元叶型的效率。

附图说明

图1为现有跨音速风扇转子结构示意图；

图2为现有超音速风扇叶顶叶栅中的激波结构示意图；

图3为现有跨音速风扇不同工况下叶顶叶栅中的激波形态示意图；

图4为本发明的跨音速风扇叶顶基元叶型的削尖前缘结构示意图；

图5本发明的削尖叶片对激波结构的影响示意图。

标号说明：风扇叶片1，顶部基元叶型2，旋转轴3，脱体激波4，基元叶片5，滞止流线6，膨胀波7，槽道激波与吸力面交点8，前驻点9，堵塞状态槽道激波10，最高效率点槽道激波11，近失速点槽道激波12，夹角13，新前缘半径14，旧前缘半径15，偏转角16，长度17，转接半径18，直线19，脱体激波20，附体激波21，膨胀波22，膨胀波23，膨胀波24

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图4所示，本发明的跨音速风扇叶顶基元叶型的削尖前缘结构，按照如下方法得到：首先在叶顶原始基元叶型的吸力面上，获得距离原始前缘一定长度17的基准点；之后，过此基准点做一与原始吸力面呈一定夹角13的直线段19；然后，直线段19与原始压力面之间用一半径14小于原始前缘半径的圆弧段进行连接，且直线段19的另一端与原吸力面之间用半径18的倒圆进行圆滑过渡，圆弧段形成新的叶片前缘，但需要保持新旧叶片前缘的轴向位置保持不变。

其中，基准点与原始基元叶型的前缘点之间的长度17，即圆弧段形成的新前缘与直线段与吸力面的交点的长度，大约是原始前缘半径15的4-6倍。基准点与原始基元叶型的前缘点之间的长度17距离过短，对激波的控制作用较弱，长度17距离过长，会影响风扇叶片的结构完整性，因此长度17应控制在4-6倍旧前缘半径15之间。

直线段19与原吸力面形成的夹角13，夹角13越大，新前缘半径14越小，对激波的控制效果越明显，但使得直线段19与原吸力面的结合处曲率变化大，影响叶片的效率。夹角13越小，新前缘半径14越大，对激波的控制效果不明显。本发明建议夹角13的取值范围在7°～12°之间。

新前缘半径14是影响激波的重要几何参数。新前缘半径14减小，有利于控制激波强度，使得激波21位置后移，利于控制叶型损失。本发明建议新前缘半径14与旧前缘半径15的比值的取值范围在0.4-0.6之间。通过调整长度17和夹角13的取值可以对新前缘半径14的大小进行调整。

对前缘进行削尖处理，会使得前缘的金属几何角发生偏转，偏转角16不应大于5°。由于偏转角15的存在，会使得进口几何角增加，在相同来流的情况下，叶顶处的有效攻角相比原叶型有一定减小，易提升基元叶型的失速裕度。

如图5所示，“削尖”叶片减小了前缘有效半径，会延迟激波21发生脱体，利于提升风扇的失速裕度。同时，由于“削尖”结构的引入，使得叶片前缘处的膨胀波23分割成两部分，一部分为前缘半径引发的膨胀波24，一部分是直线19与吸力面过渡处引发的膨胀波22，此过程也利于降低槽道激波前的马赫数，利于提高基元叶型的效率。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。