可變彎度導(dǎo)向器的基礎(chǔ)葉型設(shè)計(jì)

王 前，胡 駿，王 爽

(1.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016)

(2.武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430084)

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DOI:10.3969/j.issn.2095-509X.2015.09.001

可變彎度導(dǎo)向器的基礎(chǔ)葉型設(shè)計(jì)

王 前1，胡 駿1，王 爽2

(1.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016)

(2.武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430084)

為了設(shè)計(jì)出適用于核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇級(jí)中可變彎度導(dǎo)向器的基礎(chǔ)葉型，采用數(shù)值計(jì)算方法詳細(xì)分析了葉型彎角、最大撓度相對(duì)位置、最大厚度相對(duì)位置以及稠度等參數(shù)對(duì)基礎(chǔ)葉型性能的影響。計(jì)算結(jié)果表明：葉型彎角和最大撓度相對(duì)位置對(duì)葉柵性能的影響相互關(guān)聯(lián)；在低亞聲速流動(dòng)條件下，最大厚度位置越靠近前緣，葉柵性能越好；最大撓度位置向后緣移動(dòng)，可有效實(shí)現(xiàn)載荷后移；稠度增大，葉柵的氣流轉(zhuǎn)折能力增大，最小損失也增大，不同的氣流轉(zhuǎn)折角對(duì)應(yīng)著不同的最佳稠度。

可變彎度導(dǎo)向器；基礎(chǔ)葉型；葉型參數(shù)；葉柵性能

從20世紀(jì)60年代開始，國外軍用發(fā)動(dòng)機(jī)相繼采用了可變彎度導(dǎo)向器，帶有核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇級(jí)的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)是第四代發(fā)動(dòng)機(jī)的典型代表之一，可變彎度導(dǎo)向器的設(shè)計(jì)是保證核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇級(jí)性能的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[1]?？勺儚澏葘?dǎo)向器是將基礎(chǔ)葉型從弦長的某處分開，前段固定，后段可旋轉(zhuǎn)。國內(nèi)外關(guān)于可變彎度導(dǎo)向器的研究都是在某一特定的基礎(chǔ)葉型上進(jìn)行的[2-3]，沒有對(duì)基礎(chǔ)葉型參數(shù)與導(dǎo)向器性能的關(guān)聯(lián)進(jìn)行研究，且大多側(cè)重于對(duì)可變彎度導(dǎo)向器擴(kuò)大壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍、調(diào)節(jié)流量能力的論證，所設(shè)計(jì)的可變彎度導(dǎo)向器在低損失范圍內(nèi)可以提供的出口氣流角調(diào)節(jié)范圍達(dá)不到核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇級(jí)的要求。關(guān)于核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇級(jí)可變彎度導(dǎo)向器基礎(chǔ)葉型的設(shè)計(jì)方法，未見公開文獻(xiàn)報(bào)道。

筆者試圖采用數(shù)值計(jì)算方法研究葉型彎角、最大撓度相對(duì)位置、最大厚度相對(duì)位置、葉柵稠度等參數(shù)對(duì)基礎(chǔ)葉型的性能及葉片表面壓力分布的影響，以便為核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇級(jí)可變彎度導(dǎo)向器的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)支持。

1 葉型構(gòu)造方法

葉型構(gòu)造的方法有2種：一種是直接給出葉盆、葉背上一些關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)或?qū)?shù)，通過插值生成型線；另一種是在中弧線上疊加厚度分布，采用包絡(luò)線的方式生成型線。前者經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)，且不好做方案比較。后者可以調(diào)節(jié)葉型參數(shù)，便于探討葉片氣動(dòng)性能與幾何參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)，因此本文采用后一種方法，采用拋物線形式的中弧線[4]，用三次多項(xiàng)式樣條函數(shù)定義厚度分布，通過編寫MATLAB程序，輸入弦長、厚度分布、葉型的前緣角和后緣角，即可輸出中弧線、吸力面、壓力面的坐標(biāo)。

2 葉型參數(shù)影響研究

2.1 計(jì)算模型及計(jì)算方法

2.2 葉型彎角、最大撓度相對(duì)位置對(duì)葉柵性能的影響

圖1 計(jì)算網(wǎng)格示意圖

表1 厚度分布參數(shù)

圖2 葉柵的正常特性

圖3 不同葉型彎角、不同最大撓度相對(duì)位置葉柵的提取特性

圖4 最大撓度相對(duì)位置對(duì)葉型表面壓力分布的影響

2.3 最大厚度相對(duì)位置對(duì)葉柵性能的影響

圖5 最大厚度位置和進(jìn)口馬赫數(shù)對(duì)葉柵提取特性的影響

2.4 稠度對(duì)葉柵性能的影響

圖6 不同稠度

3 結(jié)束語

文章采用數(shù)值計(jì)算方法，結(jié)合核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇級(jí)的進(jìn)口條件，對(duì)可變彎度導(dǎo)向器的基礎(chǔ)葉型進(jìn)行了參數(shù)化研究，為可變彎度導(dǎo)向器設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)支持。由于條件和成本限制，未能進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，因而更傾向于理論研究。同時(shí)研究結(jié)果也有一定的局限性，需要更多的數(shù)據(jù)儲(chǔ)備以及試驗(yàn)驗(yàn)證來完善可變彎度導(dǎo)向器的設(shè)計(jì)體系。

[1] 方昌德. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展研究[M]．北京：航空工業(yè)出版社, 2009.

[2] 劉占民，趙風(fēng)聲，牟尚軍，等.變彎度葉柵的試驗(yàn)研究[J]．熱能動(dòng)力工程，1991，6(3)：113-121.

[3] 楚武利，朱俊強(qiáng). 變幾何葉片對(duì)壓氣機(jī)特性影響的實(shí)驗(yàn)研究及分析[J]．應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2003，20(1)：78-80.

[4] 胡駿，吳鐵鷹，曹人靖. 航空葉片機(jī)原理[M]．北京：國防工業(yè)出版社, 2006.

Fundamental blade profile design for the variable camber vanes

WANG Qian1, HU Jun1, WANG Shuang2

(1.School of Energy and Motivation Engineering, Jiangsu Province Key Laboratory of Aerospace Power Systems,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Jiangsu Nanjing, 210016, China)

(2.Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd.,Hubei Wuhan, 430084, China)

In order to design the fundamental blade profiles which are suitable to variable camber vanes in the core driven fan stage, it studies the influences of the camber angle, the relative position of maximum deflection, the relative position of maximum thickness and the cascade solidity on the performances of fundamental cascade in numerical simulation method. The results show that the relationship between the camber angle and the relative position of maximum deflection are interrelated for the performances of fundamental cascade; the performance of the cascade is better when the maximum thickness position is closer to the leading edge at low subsonic flow conditions; moving the maximum deflection position toward to the trailing edge can effectively achieve the rear load shift; the cascade flow turning capacity and minimum loss is increased with the increasing of the cascade solidity and the different flow turning angles correspond to different optimum solidity.

variable camber vanes; fundamental blade profile; blade profile parameters; cascade performance

2015-08-04

南京航空航天大學(xué)青年科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(NS2014021)

王前(1991—)，女，安徽宿州人，南京航空航天大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)槿~輪機(jī)械氣體動(dòng)力學(xué)。

V231.3

A

2095-509X(2015)09-0001-03