[发明专利]一种涡扇发动机内外涵道型线设计方法

摘要

本发明公开了一种涡扇发动机内外涵道型线设计方法，发明将内外涵道型线分为内涵轮毂、分流机匣下壁面、分流机匣前缘、分流机匣上壁和外涵机匣5段来设计。采用了贝塞尔曲线拟合内涵轮毂、分流机匣下壁面和分流机匣前缘型线。使用了直线拟合了外涵轮毂和分流机匣上壁面型线。相对于基于通流理论的传统设计方法，本发明通过控制分流环前缘位置建立涵道比和几何型线的直接联系，使得涵道比控制更加直观，添加了基于涵道比的分流机匣前缘位置的径向修正，使得分流机匣前缘位置更加匹配于实际工况；增加了具有两处弯曲位置的内涵道的设计方案，实现了弯曲位置的直接调控，增强了弯曲位置调整的灵活性和方向性，缩短了设计周期。

主权项

一种涡扇发动机内外涵道型线设计方法。其特征在于：包含以下步骤：步骤1，设置几何设计参数和性能设计参数。设计内外涵道型线，首先需要满足几何设计参数要求，几何设计参数有：外涵机匣进口端点P1的轴向坐标z1、径向坐标r1和几何角θ1，内涵轮毂进口端点P2的轴向坐标z2、径向坐标r2和几何角θ2，分流机匣下壁面出口端点P3的轴向坐标z3、径向坐标r3和几何角θ3，内涵轮毂出口端点P4的轴向坐标z4、径向坐标r4和几何角θ4。其次需要满足性能设计参数要求，性能设计参数有：涵道比B，涵道比为外涵质量流量与内涵质量流量之比。步骤2，设置自由设计参数。自由设计参数有：内涵轮毂壁面型线第3、4个控制点的无量纲轴向坐标其中分流机匣下壁面初始型线第3、4个控制点的无量纲轴向坐标其中内切点的无量纲轴向位置坐标MNT，MNT∈[0,0.8]。外涵道仰角θB。步骤3，计算内外涵道分界点P5的轴向坐标z5、径向坐标r5和几何角θ5。通过分界点的位置和几何角建立了涵道比与内外涵道型线之间的联系。分界点分离了内外涵道，因此外涵环形流道的进口面积和内涵环形流道进口面积之比为涵道比B。其中，外涵环形流道的外径等于r1、内径等于r5，内涵环形流道的外径为r5、内径为r2。z5=z1+BB+1×(z2-z1)r5=r12+Br22B+1θ5=B×θ1+θ2B+1]]>步骤4,计算内涵流道型线控制点径向坐标和轴向坐标。内涵轮毂型线由3阶6点Bezier曲线法生成。通过调整第3、4个控制点的轴向位置实现了内涵轮毂型线弯曲位置的直接调整。内涵轮毂的6个控制点可以由内涵轮毂进口端点、出口端点和第3、4个控制点的无量纲轴向位置自由参数确定。每个控制点轴向坐标和径向坐标计算方法如下：1)内涵轮毂型线第1个控制点为内涵轮毂进口端点，轴向坐标为径向坐标为z1nc=z2r1nc=r2]]>2)内涵轮毂型线第2个控制点为内涵轮毂进口端点的几何角控制点，轴向坐标为径向坐标为z2nc=z2+0.2×(z4-z2)r2nc=r2+tanθ2×(z2nc-z2)]]>3)内涵轮毂型线第3个控制点为前半段弯曲位置控制点，轴向坐标为径向坐标为无量纲轴向坐标为z3nc=z4+M3nc×(z4-z2)r3nc=r2]]>4)内涵轮毂型线第4个控制点为后半段弯曲位置控制点，轴向坐标为径向坐标为无量纲轴向坐标为z4nc=z4+M4nc∈×(z4-z2)r4nc=r4]]>5)内涵轮毂型线第5个控制点为内涵轮毂出口端点几何角控制点，轴向坐标为径向坐标为z5nc=z4-0.2×(z4-z2)r5nc=r4+tanθ4×(z5nc-z4)]]>6)内涵轮毂型线第6个控制点为内涵轮毂出口端点，轴向坐标为径向坐标为z6nc=z4r6nc=r4]]>步骤5，计算分流机匣下壁面初始型线控制点径向坐标和轴向坐标。机匣下壁面初始型线由3阶6点Bezier曲线法生成。通过调整第3、4个控制点的轴向位置实现了分流机匣下壁面初始型线弯曲位置的直接调整。机匣下壁面初始型线的6个控制点由分界点、机匣下壁面出口端点和第3、4个控制点无量纲轴向位置自由参数确定出。每个控制点轴向坐标和径向坐标计算方法如下：1)分流机匣下壁面初始型线第1个控制点为分界点，轴向坐标为径向坐标为z1xc=z5r1xc=r5]]>2)分流机匣下壁面初始型线第2个控制点为分界点的几何角控制点，轴向坐标为径向坐标为z2xc=z5+0.2×(z3-z5)r2xc=r5+tanθ5×(z2xc-z5)]]>3)分流机匣下壁面初始型线第3个控制点为前半段弯曲位置控制点，轴向坐标为径向坐标为无量纲轴向坐标为z3xc=z5+M3xc×(z3-z5)r3xc=r5]]>4)分流机匣下壁面初始型线第4个控制点为自由控制点，轴向坐标为径向坐标为无量纲轴向坐标为z4xc=z5+M4xc×(z3-z5)r4xc=r3]]>5)分流机匣下壁面初始型线第5个控制点为分流机匣出口端点几何角控制点，轴向坐标为和，径向坐标为z5xc=z3-0.2×(z3-z5)r5xc=r3+tanθ3×(z5xc-z3)]]>6)分流机匣下壁面初始型线第6个控制点为分流机匣下壁面出口端点，轴向坐标为径向坐标为z6xc=z3r6xc=r3]]>步骤6，计算内涵轮毂型线数据点坐标。基于内涵轮毂型线的6个控制点，求解Bezier曲线方程，可以得到内涵轮毂型线NN个数据点NN＝100。坐标分别为步骤7，计算分流机匣下壁面初始型线数据点坐标。基于分流机匣下壁面初始型线的6个控制点，求解Bezier曲线方程，可以得到分流机匣下壁面初始型线NX个数据点NX＝100。坐标分别为步骤8，计算内切点PNT位置坐标(zNT,rNT)。内切点为分流机匣前缘与分流机匣下壁面的连接点。通过调整内切点的轴向位置实现了分流机匣前缘轴向位置的移动。内切点的位置由内切点无量纲轴向位置、分流机匣下壁面初始型线的数据点确定出，内切点的位置坐标计算方法如下：1)计算内切点的轴向坐标zNT。内切点的轴向坐标zNT由内切点无量纲轴向坐标MNT、分流机匣下壁面初始型线的起始数据点和终止数据点计算出，其中MNT∈[0,1]。2)寻找内切点的左邻数据点和右邻数据点。比较内切点和分流机匣下壁面初始型线数据点的轴向坐标，找到离内切点最近的两个数据点下标，左邻数据点下标为iL和右邻数据点下标为iR。获得左邻数据点的轴向坐标zL、径向坐标rL，右邻数据点的轴向坐标zR，径向坐标rR。iL={i|max{(ziX-zNT)<0},i=1,2,...,NX}iR={i|min{(ziX-zNT)>0},i=1,2,...,NX}zL=ziLXrL=riLXzR=ziRXrR=riRX]]>3)计算内切点的径向坐标rNT。通过内切点的轴向坐标、左邻数据点和右邻数据点，采用用线性插值计算出内切点的径向坐标rNT和斜率SNT。SNT=zR-zLrR-rLrNT=rL+zR-zLrR-rL×(zNT-zR)]]>步骤9，截取分流机匣下壁面初始型线，得到分流机匣下壁面型线。选取分流机匣初始型线右邻数据点到终止数据点作为最终的分流机匣下壁面型线数据点。数据点的个数为N＝NX‑iR+1。坐标分别为步骤10，计算外切点PWT位置坐标(zWT,rWT)。外切点为分流机匣前缘与分流机匣上壁面的连接点。外切点和内切点轴向位置相同，关于过分界点的轴向水平直线对称。zWT=zNTrWT=rNT+2×(r5-rNT)]]>步骤11，计算分流机匣前缘型线控制点坐标。分流机匣前缘型线由3阶5点Bezier曲线法生成。通过内切点、外切点和分界点可以确定分流机匣前缘5个控制点。1)分流机匣前缘第1个控制点为内切点，轴向坐标为径向坐标为z1fc=zNTr1fc=rNT]]>2)分流机匣前缘第2个控制点为分流机匣前缘内切点斜率控制点，轴向坐标为径向坐标为z2fc=z5+0.75×(zNT-z5)r2fc=rNT+(z2fc-zNT)×SNT]]>3)分流机匣前缘第3个控制点为前缘点，轴向坐标为径向坐标为在分流机匣前缘控制点轴向位置处，外涵环形流道径向截面面积和内涵环形流道径向截面面积比等于涵道比B。因为内涵流道流通能力弱于外涵流通能力，放大内涵流道径向截面面积，分流机匣前缘点径向位置等于分界点径向位置。z3fc=z5+0.5×(zNT-z5)r3fc=r5]]>4)分流机匣前缘第4个控制点为外切点斜率控制点，轴向坐标为径向坐标为z4fc=z5+0.75×(zNT-z5)r4fc=rWT]]>5)分流机匣前缘第5个控制点为自由控制点，轴向坐标为径向坐标为z5fc=zWTr5fc=rWT]]>步骤12，计算分流机匣前缘型线数据点坐标。通过分流机匣前缘型线的5个控制点，求解Bezier曲线方程，可以得到分流机匣前缘型线NF个数据点NF＝100。坐标分别为步骤13，计算分流机匣上壁面型线起始、终止端点位置。分流机匣上壁面采用一条线段来拟合。线段起始点的轴向坐标为zSS，径向坐标为rSS。终止端点的轴向坐标为zSE，径向坐标为rSE。zSS=zWTrSS=rWT]]>zSE=z3rSE=rWT+tanθB×(zSE-zWT)]]>步骤14，计算分流机匣上壁面型线数据点位置坐标。通过分流机匣上壁面型线的起始和终止端点，可以线性插值得到分流机匣上壁面型线NS个数据点NS＝50。坐标分别为ziS=zSS+iNS(zSE-zSS),i=1,2,...,NSriS=rSS=rSE,i=1,2,...,NS]]>步骤15，计算外涵机匣型线起始和终止端点位置。外涵机匣壁面型线采用一条线段拟合。水平线段起始端点PBS的轴先坐标为zBS，径向坐标为rBS。终止端点PBE的轴向坐标为zBE，径向坐标为rBE。zBS=z1rBS=r1]]>zBE=z3rBE=r1+tanθB×(zBE-z1)]]>步骤16，计算外涵机匣壁面型线数据点位置坐标。外涵机匣壁面采用一条线段来拟合。通过外涵机匣型线的起始和终止端点，可以线性插值得到外涵机匣型线NB个数据点NB＝100。坐标分别为ziB=zBS+iNB(zBE-zBS),i=1,2,...,NBriB=rBS=rBE,i=1,2,...,NB]]>步骤17，循环步骤2到步骤16，得到不同自由设计参数取值对应的内外涵道型线，形成几何型线样本空间。步骤18，进行二维CFD数值计算，求解几何型线样本空间内任意二维型线构成的内外涵道流场，在计算的总压损失系数域内选取最小值，得到对应的最佳型线值，完成内外涵道二维型线设计。