Способ моделирования для вентиляторного узла авиационного двигателя
MODELLING METHOD FOR AIRCRAFT ENGINE FAN ASSEMBLY

Область техники
Настоящее изобретение относится к технической области проектирования авиационных двигателей, в частности, к способу моделирования для вентиляторного узла.
Уровень техники
Вентилятор является одним из основных компонентов авиационного двигателя и функционирует, чтобы сжимать воздух для повышения общей температуры и давления газа. Вентиляторный узел включает в себя ступицу, кожух и лопасти, причем ступица частично определяет аэродинамическую гладкую поверхность, и кожух частично определяет аэродинамическую гладкую поверхность. Лопасти расположены в окружном направлении с интервалами и позиционированы вокруг ступицы и кожуха. В общем, лопасти равномерно расположены на ступице, и ступица и кожух включают в себя осесимметричные окружные поверхности вращения, и лопасти вращаются для обеспечения сжатия воздуха. Обтекатель (кок) соединен с передним концом ступицы, и обтекатель направляет воздушный поток в вентилятор.
Эффективность вентилятора имеет существенное влияние на удельное потребление топлива двигателя. Чтобы снизить удельное потребление топлива авиационного двигателя для повышения экономичности, степень двухконтурности вентилятора увеличивается с каждым днем, степень повышения давления вентилятора снижается, тангенциальная скорость конца лопасти снижается, и относительный диаметр ступицы вентилятора (отношение корневого радиуса к концевому радиусу вентилятора) постепенно снижается. Относительный диаметр ступицы типового гражданского авиационного двигателя снижается до величины менее 0,3. Снижение относительного диаметра ступицы снижает тангенциальную скорость хвостовика (хвоста) лопасти вентилятора, и, таким образом, для обеспечения того, что хвостовик вентилятора выполняет работу, угол прогиба хвостовика вентилятора заметно увеличивается. Выпускной угол прогиба вентилятора типового гражданского авиационного двигателя скошен (в осевом направлении) вплоть до 20°. Большой угол прогиба хвостовика вызывает то, что поле обтекания в торцевой зоне вблизи ступицы становится, в частности, неплавным, и приводит к серьезному вторичному потоку в кожухе обычной осесимметричной торцевой стенки, приводя в результате к повышенным потерям и увеличенному риску срыва потока, тем самым снижая эффективность и запас по срыву потока вентилятора. В настоящее время, для вентиляторов широко используются технологии трехмерного моделирования лопасти, такие как с учетом перекоса, размаха и наклона. Однако, поскольку наибольшим является напряжение на корне, которое создает комплексные силы, применение этих технологий для хвостовика лопасти вентилятора ограничено механическими проблемами. Моделирование торцевой стенки обеспечивает хорошее управление вторичным потоком торцевой области и не влияет на механические рабочие характеристики ротора. Таким образом, моделирование торцевой стенки становится важным фактором для управления потоком торцевой области вентилятора. С другой стороны, с обтекателем, присоединенным впереди лопастей вентилятора, в дополнение к моделированию торцевой стенки при проектировании хвостовика вентилятора, поэтому также необходимо рассматривать комбинацию с моделированием обтекателя.
Типовым способом моделирования неосесимметричной торцевой стенки является численный способ оптимизации. Способ оптимизационного проектирования основан на форме геометрической криволинейной поверхности торцевой стенки, параметрически регулирует контрольные точки на криволинейной поверхности торцевой стенки и вводится в уравнение численной симуляции, которое решается для оптимизации. Этот способ может находить оптимальную криволинейную поверхность торцевой стенки, согласованную с полем обтекания с математической точки зрения, но имеет недостаток в том, что время оптимизации криволинейной поверхности и решения велико, и сгенерированная криволинейная поверхность зачастую является сложной, что не благоприятствует применениям в инженерных разработках. Более того, существующий способ моделирования торцевой стенки принимает во внимание только форму самой торцевой стенки и не учитывает комбинированное проектирование торцевой стенки и лопастей и обтекателя, так что воздушный поток, возможно, будет не плавным, приводя в результате к снижению эффективности и запаса по срыву потока.
Краткое описание изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечить способ моделирования для вентиляторного узла, чтобы снизить потери для торцевой стенки.
Настоящее изобретение обеспечивает способ моделирования для вентиляторного узла, вентиляторный узел включает в себя ступицу, кожух и множество лопастей, расположенных между ступицей и кожухом, причем способ моделирования включает в себя конструирование неосесимметричных криволинейных поверхностей торцевой стенки в каскадном канале, при этом конструирование неосесимметричных криволинейных поверхностей торцевой стенки в каскадном (ступенчатом) канале включает в себя следующие этапы:
определение, с использованием способа проектирования пути потока для двойного пути потока торцевой зоны лопасти, начального радиуса осесимметричной кривой и радиуса самой нижней точки углубленной кривой неосесимметричных криволинейных поверхностей; и
конструирование неосесимметричных криволинейных поверхностей торцевой стенки в каскадном канале в соответствии с начальным радиусом осесимметричной кривой и радиусом самой нижней точки углубленной кривой.
В некоторых вариантах осуществления, способ проектирования пути потока для двойного пути потока торцевой зоны лопасти включает в себя:
определение начального осесимметричного обычного пути потока между передней кромкой лопасти и задней кромкой лопасти, и определение начального радиуса осесимметричной кривой в соответствии с начальным осесимметричным обычным путем потока; и
в пределах диапазона расстояний не более чем 5% хвостовика лопасти в осевом положении от задней кромки хвостовика лопасти, обеспечение, чтобы путь потока углубленной кривой неосесимметричных криволинейных поверхностей совпадал с начальным осесимметричным обычным путем потока, и определение радиуса самой нижней точки углубленной кривой в соответствии с путем потока углубленной кривой.
В некотором варианте осуществления, конструирование неосесимметричных криволинейных поверхностей торцевой стенки в каскадном канале в соответствии с начальным радиусом осесимметричной кривой и радиусом самой нижней точки углубленной кривой включает в себя конструирование неосесимметричных криволинейных поверхностей торцевой стенки в каскадном канале с использованием способа моделирования многосегментной вогнутой кривой, причем способ моделирования многосегментной вогнутой кривой включает в себя конструирование многосегментной вогнутой кривой с использованием по меньшей мере трех контрольных точек.
В некоторых вариантах осуществления, канал течения образован между поверхностью давления (поверхностью нагнетания/корытом лопасти) и поверхностью разрежения (поверхностью всасывания/спинкой лопасти) двух смежных лопастей, способ моделирования многосегментной вогнутой торцевой стенки включает в себя:
вычисление тангенциального угла поверхности давления и тангенциального угла поверхности разрежения лопастей в том же самом осевом положении;
конструирование первого сегмента кривой, второго сегмента кривой и третьего сегмента кривой соответственно в трех угловых подинтервалах в пределах углового диапазона от поверхности разрежения к поверхности давления, причем два концевых радиуса первого сегмента кривой являются, соответственно, начальным радиусом осесимметричной кривой и радиусом самой нижней точки углубленной кривой; второй сегмент кривой является зоной равного радиуса, и ее радиусом является радиус самой нижней точки углубленной кривой; и два концевых радиуса третьего сегмента кривой являются соответственно радиусом самой нижней точки углубленной кривой и начальным радиусом осесимметричной кривой; и
конструирование первого сегмента кривой, второго сегмента кривой и третьего сегмента кривой соответственно с использованием формул контроля углового радиуса.
В некоторых вариантах осуществления, формула контроля углового радиуса для конструирования первого сегмента кривой имеет вид:
формула контроля углового радиуса для конструирования второго сегмента кривой имеет вид: ; и
формула контроля углового радиуса для конструирования третьего сегмента кривой имеет вид:
p
p
p
s
s
s
где A, B, C, A, B и C являются установленными значениями.
В некоторых вариантах осуществления, вогнутые кривые конструируются во множестве осевых положений, и вогнутые кривые в осевых положениях соединяются для формирования неосесимметричных криволинейных поверхностей торцевой стенки в каскадном канале.
В некоторых вариантах осуществления, вентиляторный узел дополнительно включает в себя обтекатель, и способ моделирования дополнительно включает в себя конструирование криволинейной поверхности конуса отклонения обтекателя после конструирования неосесимметричных криволинейных поверхностей торцевой стенки в каскадном канале.
В некоторых вариантах осуществления, конструирование криволинейной поверхности конуса отклонения обтекателя включает в себя:
вычисление окружного положения точки передней кромки каждой неосесимметричной криволинейной поверхности торцевой стенки в каскадном канале;
в осевом направлении, продолжение вперед от точки передней кромки до точки соединения с криволинейной поверхностью конуса отклонения обтекателя, постепенное уменьшение разности радиусов между неосесимметричной криволинейной поверхностью торцевой стенки и поверхностью меридианного потока обтекателя до нуля в точке соединения, и вычисление окружного положения точки передней кромки с использованием формулы треугольника скорости; и
определение перехода между неосесимметричной криволинейной поверхностью торцевой стенки и осесимметричной начальной криволинейной поверхностью обтекателя для получения криволинейной поверхности конуса отклонения обтекателя.
В некоторых вариантах осуществления, способ моделирования дополнительно включает в себя соединение каждой неосесимметричной криволинейной поверхности торцевой стенки в каскадном канале, криволинейной поверхности конуса отклонения обтекателя и лопастей для формирования интегральной криволинейной поверхности.
В некоторых вариантах осуществления, после того как интегральная криволинейная поверхность получена, выполняется численный анализ симуляции, чтобы сделать вывод, является ли поле обтекания целостным.
На основе технического решения, обеспеченного в настоящем изобретении, способ моделирования включает в себя конструирование неосесимметричных криволинейных поверхностей торцевой стенки в каскадном канале. Конструирование неосесимметричных криволинейных поверхностей торцевой стенки в каскадном канале включает в себя следующие этапы: определение, с использованием способа проектирования пути потока для двойного пути потока торцевой зоны лопасти, начального радиуса осесимметричной кривой и радиуса самой нижней точки углубленной кривой неосесимметричных криволинейных поверхностей; и конструирование неосесимметричных криволинейных поверхностей торцевой стенки в каскадном канале в соответствии с начальным радиусом осесимметричной кривой и радиусом самой нижней точки углубленной кривой. Способ моделирования настоящего изобретения конструирует неосесимметричные криволинейные поверхности торцевой стенки в каскадном канале с использованием способа проектирования пути потока для двойного пути потока торцевой зоны лопасти, чтобы реализовать управление направлениями обтекания посредством неосесимметричных криволинейных поверхностей, тем самым снижая потери торцевой стенки.
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняется в следующем детальном описании примерных вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи.
Краткое описание чертежей
Чертежи, описанные здесь, используются для обеспечения дополнительного понимания настоящего изобретения и составляют часть настоящей заявки. Иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения и их описание используются для пояснения, а не для излишнего ограничения настоящего изобретения. На чертежах:
Фиг. 1 представляет собой структурное представление вентиляторного узла;
Фиг. 2 представляет собой блок-схему этапов способа моделирования для вентиляторного узла в варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 3 представляет собой принципиальную диаграмму способа проектирования двойного пути потока в способе моделирования варианта осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 4 представляет собой схематичное представление конструирования трех-сегментной вогнутой кривой в способе моделирования варианта осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 5 представляет собой структурную диаграмму вогнутой криволинейной поверхности в варианте осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 6 представляет собой схематичную диаграмму правила перехода угол-радиус; и
Фиг. 7 представляет собой интегральное схематичное представление формы конуса отклонения обтекателя и вогнутой криволинейной поверхности в варианте осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
Технические решения в вариантах осуществления будут описаны ниже ясно и полностью во взаимосвязи с прилагаемыми чертежами в вариантах осуществления настоящего изобретения. Очевидно, описанные варианты осуществления являются только частью, а не всеми вариантами осуществления настоящего изобретения. Следующее описание по меньшей мере одного варианта осуществления является в действительности только иллюстративным и никоим образом не служит каким-либо ограничением настоящего изобретения и его применения или использования. На основе вариантов осуществления настоящего изобретения, все другие варианты осуществления, полученные специалистом в данной области техники без творческой деятельности, должны соответствовать объему защиты настоящего изобретения.
Если конкретно не указано иначе, относительная компоновка компонентов и этапов, числовые выражения и числовые значения, изложенные в этих вариантах осуществления, не ограничивают объем настоящего изобретения. Более того, должно быть понятно, что для простоты описания размеры различных частей, показанных на чертежах, изображены не в соответствии с действительными пропорциональными отношениями. Технологии, способы и устройства, известные специалисту в данной области техники, могут не рассматриваться подробно, но в соответствующих случаях, технологии, способы и устройство должны восприниматься как часть спецификации как общепризнано. Во всех примерах, показанных и рассмотренных здесь, любое конкретное значение должно интерпретироваться как только примерное, а не как ограничение. Поэтому, другие примеры иллюстративного варианта осуществления могут иметь отличающиеся значения. Следует отметить, что аналогичные ссылочные позиции и буквы обозначают аналогичные элементы на следующих чертежах, поэтому, когда некоторый элемент определен на одном чертеже, нет необходимости дополнительно обсуждать его на последующих чертежах.
Для простоты описания, пространственно относительные термины, такие как «выше …», «по …», «на верхней поверхности …» и «верхний» могут использоваться здесь для описания пространственного позиционного отношения между одним устройством или признаком и другими устройствами или признаками, как показано на чертежах. Следует понимать, что пространственно относительный термин предназначен включать в себя различные ориентации при использовании или работе, отличные от ориентации устройства, описанного на чертеже. Например, если устройство на чертеже перевернуто, то устройство, описанное как «выше других устройств или структур» или «над другими устройствами или структурами», будет расположено «ниже других устройств или структур» или «под другими устройствами или структурами». Таким образом, примерный термин «выше …» может включать в себя ориентации как «выше …», так и «ниже …». Устройство может быть также позиционировано другими различными способами (быть повернуто на 90 градусов или в других ориентациях), и относительное пространственное описание, используемое здесь, поясняется соответственно.
Фиг. 1 показывает структурное представление вентиляторного узла. Вентиляторный узел включает в себя кожух 1, лопасти 2, ступицу 3 и обтекатель 4. Обтекатель 4 и ступица 3 состыкованы для формирования плавного пути потока. Кожух 1, обтекатель 4 и ступица 3 ограничивают границу потока воздушного потока. Лопасти 2, ступица 3 и обтекатель 4 вращаются вместе вокруг оси X, и лопасти 2 сжимают входящий поток.
Способ моделирования для вентиляторного узла варианта осуществления настоящего изобретения включает в себя конструирование неосесимметричных криволинейных поверхностей торцевой стенки в каскадном канале. Конструирование неосесимметричных криволинейных поверхностей торцевой стенки в каскадном канале включает в себя следующие этапы:
определение, с использованием способа проектирования пути потока для двойного пути потока торцевой зоны лопасти, начального радиуса осесимметричной кривой и радиуса самой нижней точки углубленной кривой неосесимметричных криволинейных поверхностей; и
конструирование неосесимметричных криволинейных поверхностей торцевой стенки в каскадном канале в соответствии с начальным радиусом осесимметричной кривой и радиусом самой нижней точки углубленной кривой.
Способ моделирования варианта осуществления настоящего изобретения конструирует неосесимметричные криволинейные поверхности торцевой стенки в каскадном канале с использованием способа проектирования пути потока для двойного пути потока торцевой зоны лопасти, чтобы реализовать управление направлениями потока посредством неосесимметричных криволинейных поверхностей, тем самым уменьшая потери торцевой стенки.
Конкретно, как показано на фиг. 3, способ проектирования пути потока для двойного пути потока торцевой зоны лопасти этого варианта осуществления включает в себя:
A
определение начального осесимметричного обычного пути P1 потока между передней кромкой B лопасти и задней кромкой C лопасти и определение начального радиуса r осесимметричной кривой, то есть расстояния от любой точки на начальном осесимметричном обычном пути P1 потока до оси X, в соответствии с начальным осесимметричным обычным путем P1 потока; и
в пределах диапазона расстояний не более чем 5% хвостовика лопасти в осевом положении от задней кромки C хвостовика лопасти, обеспечение, чтобы путь Р2 потока углубленной кривой неосесимметричных криволинейных поверхностей совпадал с начальным осесимметричным обычным путем P1 потока, чтобы получить путь потока углубленной кривой, и определение радиуса самой нижней точки углубленной кривой в соответствии с путем потока углубленной кривой.
Конкретно, в этом варианте осуществления, как показано на фиг. 3, начальный осесимметричный обычный путь P1 потока совпадает с путем Р2 потока углубленной кривой в точке C в этом варианте осуществления.
A
C
В этом варианте осуществления, как показано на фиг. 4 и 5, конструирование неосесимметричных криволинейных поверхностей торцевой стенки в каскадном канале в соответствии с начальным радиусом r осесимметричной кривой и радиусом r самой нижней точки углубленной кривой включает в себя конструирование неосесимметричных криволинейных поверхностей торцевой стенки в каскадном канале с использованием способа моделирования многосегментной вогнутой кривой, способ моделирования многосегментной вогнутой кривой включает в себя конструирование многосегментной вогнутой кривой с использованием по меньшей мере трех контрольных точек. Конструирование неосесимметричных криволинейных поверхностей торцевой стенки в каскадном канале с использованием вышеупомянутого способа моделирования многосегментной вогнутой кривой может обеспечивать параметрическое формирование углубленной криволинейной поверхности, что является удобным для конструктора, чтобы регулировать форму неосесимметричных криволинейных поверхностей в каскадном канале и реализовывать интегрированное формирование хвостовика лопасти и углубленной криволинейной поверхности. Более того, вышеупомянутый способ прост для применения и реализации в инженерных разработках.
Конкретно, как показано на фиг. 4 и 5, канал течения образован между поверхностью PS давления и поверхностью SS разрежения двух смежных лопастей, способ моделирования многосегментной вогнутой торцевой стенки включает в себя:
вычисление тангенциального угла  поверхности PS давления и тангенциального угла  поверхности SS разрежения лопастей в одном и том же осевом положении D;
A
C
C
C
A
конструирование первого сегмента кривой, второго сегмента кривой и третьего сегмента кривой соответственно в трех угловых под-интервалах в пределах углового диапазона от поверхности PS давления до поверхности SS разрежения, и соединение первого сегмента кривой, второго сегмента кривой и третьего сегмента кривой последовательно для формирования вогнутой кривой Q, причем два концевых радиуса первого сегмента кривой представляют собой соответственно начальный радиус r осесимметричной кривой и радиус r самой нижней точки углубленной кривой; второй сегмент кривой является зоной равного радиуса, и его радиусом является радиус r самой нижней точки углубленной кривой; и два концевых радиуса третьего сегмента кривой представляют собой соответственно радиус r самой нижней точки углубленной кривой и начальный радиус r осесимметричной кривой; и
конструирование первого сегмента кривой, второго сегмента кривой и третьего сегмента кривой соответственно с использованием формулы угла и радиуса.
Конкретно, формула угла и радиуса для первого сегмента кривой в этом варианте осуществления представляет собой:
формула угла и радиуса для второго сегмента кривой представляет собой:
формула угла и радиуса для третьего сегмента кривой представляет собой:
причем Ap, Bp, Cp, As, Bs и Cs определяются правилом перехода угол-радиус, заданного и регулируемого разработчиком, и типовое правило перехода угол-радиус показано на фиг. 6.
В других вариантах осуществления, количество контрольных точек может быть увеличено или уменьшено при необходимости, но требуются по меньшей мере три контрольные точки. Так как одно и то же безразмерное правило перехода используется вдоль участка по хорде, оно может обеспечивать плавность перехода по хорде, тем самым обеспечивая плавность криволинейной поверхности.
Как показано на фиг. 5, вогнутые кривые Q конструируются во множестве осевых положений, и вогнутые кривые Q в осевых положениях соединяются для формирования вогнутых криволинейных поверхностей торцевой стенки, то есть, неосесимметричных криволинейных поверхностей торцевой стенки F в каскадном канале.
Как показано на фиг. 1, вентиляторный узел этого варианта осуществления дополнительно включает в себя обтекатель 4. Способ моделирования дополнительно включает в себя конструирование криволинейной поверхности конуса отклонения обтекателя после конструирования неосесимметричных криволинейных поверхностей торцевой стенки в каскадном канале.
Как показано на фиг. 7, конструирование криволинейной поверхности конуса отклонения обтекателя в этом варианте осуществления включает в себя:
вычисление окружного положения точки В передней кромки неосесимметричных криволинейных поверхностей торцевой стенки в каскадном канале ;
в осевом направлении, продолжение вперед от точки В передней кромки до точки А соединения с криволинейной поверхностью конуса отклонения обтекателя, постепенное уменьшение разности радиусов между неосесимметричной криволинейной поверхностью торцевой стенки и поверхностью меридианного потока обтекателя до нуля в точке А соединения, и вычисление окружного положения  точки A соединения с использованием формулы треугольника скорости и поворота на угол  вдоль относительного направления потока флюида на основе окружного положения  точки B;
После определения окружных положений точки A соединения и точки B передней кромки, установка контрольных точек вдоль осевого направления для управления вариациями тангенциального угла конуса отклонения, так что конус отклонения постепенно расширяется в направлении от передней кромки хвостовика (хвостовика) вентилятора до точки пересечения вдоль направления мысленного угла передней кромки; и аналогично, определение перехода между неосесимметричной криволинейной поверхностью торцевой стенки и осесимметричной начальной криволинейной поверхностью обтекателя, чтобы получить криволинейную поверхность Н конуса отклонения обтекателя. В этом варианте осуществления, криволинейная поверхность Н конуса отклонения обтекателя конструируется так, что обтекатель и углубленная криволинейная торцевая стенка плавно стыкуются, направляя при этом воздушный поток к торцевой стенке.
После конструирования каждой неосесимметричной криволинейной поверхности F торцевой стенки в каскадном канале и криволинейной поверхности H конуса отклонения обтекателя, описанных выше, способ моделирования этого варианта осуществления дополнительно включает в себя соединение каждой неосесимметричной криволинейной поверхности торцевой стенки F в каскадном канале, криволинейной поверхности H конуса отклонения обтекателя и лопастей для формирования интегральной криволинейной поверхности. В этом варианте осуществления, торцевая стенка, торцевая зона лопасти и обтекатель интегрально формируются, чтобы реализовать конструкцию криволинейной формы, в которой неосесимметричная торцевая стенка в каскадном канале и лопасти и обтекатель интегрированы, и дополнительно улучшить плавность течения воздушного потока, улучшая при этом эффективность и запас по срыву потока.
Как показано на фиг. 2, после того, как интегральная криволинейная поверхность получена, выполняется численный анализ симуляции, чтобы сделать вывод, является ли поле обтекания целостным. Если поле обтекания является целостным, выполняется конструирование вышеупомянутых кривых; а если поле обтекания не является целостным, форма криволинейных поверхностей снова регулируется с использованием способа с вышеописанными этапами, пока не будет достигнута цель получения целостного поля обтекания.
Наконец, следует отметить, что вышеописанные варианты осуществления используются только для описания, а не ограничения технических решений настоящего изобретения. Хотя настоящее изобретение описано подробно со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалисты в данной области техники должны понимать, что они все еще могут осуществлять модификации конкретных реализаций в настоящем изобретении или выполнять эквивалентные замены для части их технических признаков; и такие модификации и эквивалентные замены должны охватываться техническими решениями, предложенными для защиты в настоящем изобретении, если они не отклоняются от принципа технических решений настоящего изобретения.