压气机叶片的造型方法及压气机叶片与流程

本公开涉及航空航天设备领域，尤其涉及一种压气机叶片的造型方法及压气机叶片。

背景技术：

1、压气机是航空发动机的重要核心部件，其性能水平对航空发动机的整机水平具有重要影响。对于民用大涵道比涡扇发动机，压气机在长时间内保持高效率的稳定工作可以提高整台发动机的经济性和可靠性。叶型设计是压气机气动设计过程中最为关键的环节之一。叶型的好坏直接影响着压气机的损失特性和稳定工作范围。当前的压气机叶型设计通常是基于中弧线叠加厚度分布形成压气机基元叶型，通过控制中弧线和厚度分布的形式间接控制压气机吸力面的形状。该方法无法在造型过程中直接对吸力面的型线形状进行直接控制。另一方面，由于压气机的分离通常都是发生在叶片的吸力面，对吸力面叶型的精准控制有助于改善吸力面的气体流动状况，进而提升压气机的稳定工作范围。此外，近些年来，随着压气机总压比的不断提升，压气机的单级负荷水平不断提高。在高压压气机前面级叶片设计过程中，吸力面表面容易出现超音激波区域。与亚音流动相比，超音时吸力面型线形状对叶片表面的流动影响更加剧烈。通过改变叶片前缘形状和吸力面的叶型能够实现对叶片表面激波位置和强度的控制，改善超音来流工况下的压气机性能。此外，压气机位于发动机的前端，通常在长时间运转后，压气机叶片的尾缘易发生磨损，从而造成流动损失，降低压气机的效率。若磨损严重，会改变该磨损叶片出口的气流角分布，使得下一排叶片的工作点偏离设计目标，严重时会造成压气机的失速，影响整机的稳定安全运营。因此，在压气机叶片的设计之初，将其长久稳定运行进行考虑显得极其重要。

技术实现思路

1、本公开的一些实施例提出一种压气机叶片的造型方法及压气机叶片，用于提高压气机的气动性能，实现叶片吸力面马赫数精准控制，同时缓解叶片尾缘易磨损度的问题。

2、在本公开的一个方面，提供一种压气机叶片的造型方法，所述压气机叶片包括在叶高方向上设置的多个叶高截面，对于所述多个叶高截面中的每个叶高截面，其特征在于，包括步骤s10：确定叶高截面的基元叶型的吸力面型线，所述步骤s10包括以下步骤：

3、s11：给定吸力面型线的前缘金属角βin、尾缘金属角βout和吸力面型线在轴向的投影长度l，其中，βout<βin，建立直角坐标系oxy，x轴方向平行于轴向，吸力面型线的前端点s在x轴的坐标为0，吸力面型线的尾端点c在x轴的坐标为l；

4、s12：给定吸力面型线的最大转角点a，最大转角点a在x轴的坐标大于90％l小于l，给定最大转角点a的金属角为βa，βa<βout；

5、s13：使吸力面型线的金属角从前端点s至最大转角点a按照逐渐减小的规律变化，且从最大转角点a至尾端点c按照逐渐增大的规律变化，以确定吸力面型线。

6、在一些实施例中，所述多个叶高截面包括叶根截面和叶尖截面，对于所述叶根截面和所述叶尖截面的基元叶型，在所述步骤s13中，使吸力面型线的金属角从前端点s至最大转角点a按照逐渐减小的规律变化，包括：使吸力面型线的金属角从前端点s至最大转角点a按照逐渐减小的线性变换规律变化，且从最大转角点a至尾端点c按照逐渐增大的线性变换规律变化。

7、在一些实施例中，所述多个叶高截面包括叶根截面和叶尖截面，对于所述叶根截面和所述叶尖截面的基元叶型，在所述步骤s12中，给定最大转角点a在x轴的坐标大于等于96％l小于等于98％l。

8、在一些实施例中，所述多个叶高截面包括叶根截面和叶尖截面，对于所述叶根截面和所述叶尖截面的基元叶型，(βin-βa)/(βin-βout)的取值范围为1.01至1.05。

9、在一些实施例中，所述多个叶高截面包括叶中截面，对于所述叶中截面的基元叶型，在所述步骤s13中，使吸力面型线的金属角从前端点s至最大转角点a按照逐渐减小的规律变化，且从最大转角点a至尾端点c按照逐渐增大的规律变化，包括：使吸力面型线的金属角从前端点s至最大转角点a按照先快速减小后缓慢减小的规律变化，且从最大转角点a至尾端点c按照逐渐增大的线性变换规律变化。

10、在一些实施例中，给定吸力面型线的第一设定点d，第一设定点d在x轴的坐标为20％l，给定第一设定点的金属角为βd，βa<βd<βin，使吸力面型线的金属角从前端点s至第一设定点d按照第一减小速度逐渐减小，从第一设定点d至最大转角点a按照第二减小速度逐渐减小，其中，所述第一减小速度大于所述第二减小速度。

11、在一些实施例中，给定吸力面型线的第二设定点e，第二设定点e在x轴的坐标为60％l，给定第二设定点e的金属角为βe，其中，(βin-βd)/(βin-βout)大于等于30％，(βin-βe)/(βin-βout)大于等于80％。

12、在一些实施例中，所述多个叶高截面包括叶中截面，对于所述叶中截面的基元叶型，在所述步骤s12中，最大转角点a在x轴的坐标大于等于95％l小于等于98％l。

13、在一些实施例中，所述多个叶高截面包括叶中截面，对于所述叶中截面的基元叶型，(βin-βa)/(βin-βout)的取值范围为1.03至1.07。

14、在一些实施例中，压气机叶片的造型方法还包括步骤s20：确定叶高截面的基元叶型的压力面型线，所述步骤s20包括以下步骤：

15、s21：给定压力面型线相对于吸力面型线沿y轴的偏移量δi，且给定偏移量δi沿x轴的分布规律；

16、s22：将吸力面型线上的每个点在y轴上的坐标syi减去对应的偏移量δi即可得到压力面型线上的对应点在y轴上的坐标pyi，以确定压力面型线。

17、在一些实施例中，压气机叶片的造型方法还包括步骤s30：采用二阶贝塞尔曲线连接吸力面型线的前端点与压力面型线的前端点，以及连接吸力面型线的尾端点与压力面型线的尾端点，以形成叶高截面的基元叶型。

18、在一些实施例中，所述采用二阶贝塞尔曲线连接吸力面型线的前端点与压力面型线的前端点，形成前缘型线，获得前缘型线的方法包括以下步骤：

19、设定吸力面型线的前端点s的坐标记为(x，y)，根据偏移量获得压力面型线的前端点p的坐标；

20、给定前缘型线的前缘点o，前缘点o的坐标为(x-δx,y-δy)，前缘型线的前缘点o与吸力面型线的前端点s的连线为so型线，前缘型线的前缘点o与压力面型线的前端点p的连线为op型线；

21、对于so型线，o点的斜率与y轴平行，s点的斜率与吸力面型线在s点的斜率相等，通过二阶贝塞尔曲线来确定os之间的弧线段，以确定so型线；

22、对于op型线，o点的斜率与y轴平行，p点的斜率与压力面型线在p点的斜率相等，通过二阶贝塞尔曲线来确定op之间的弧线段，以确定op型线。

23、在一些实施例中，压气机叶片的造型方法还包括步骤s40：提供压气机的积叠轴分布方式，将多个叶高截面的基元叶型按照所述积叠轴分布方式积叠，并沿积叠轴进行扫掠以形成压气机叶片。

24、在一些实施例中，所述压气机叶片包括转子叶片，所述积叠轴分布方式包括重心积叠方式；和/或，所述压气机叶片包括静子叶片，所述积叠轴分布方式包括前缘积叠方式。

25、在本公开的另一个方面，提供一种压气机叶片，包括采用上述的压气机叶片的造型方法设置形成的压气机叶片。

26、基于上述技术方案，本公开至少具有以下有益效果：

27、在一些实施例中，通过调整叶片前缘形状和压气机叶片的吸力面的金属角的分布规律，能够精准控制超音工况下压气机吸力面表面的激波位置和强度，改善压气机叶片表面流动状况，扩宽压气机的稳定工作范围，此外，通过将压气机叶片的尾缘回弯，有助于在服役过程中减小尾缘磨损引起的气动损失，使压气机保持高效率的稳定工作状态。