航空发动机高速旋转盘螺栓减阻设计方法及旋转盘与流程

本发明航空发动机技术领域，具体涉及一种航空发动机高速旋转盘螺栓减阻设计方法。

背景技术：

随着航空发动机旋转盘转速的增高，旋转盘上尤其是高半径位置处的螺栓风阻做功产生的温升越来越高，使得螺栓附近以及下游的转子盘腔区域气流和固体温度升高，甚至会使材料的强度性能恶化，不利于其持久寿命。现有技术中，用在航空发动机旋转盘上的螺栓一般是标准件，不加任何流线外型设计，螺栓直接暴露在盘腔气流之中，这样导致流阻非常大，风阻温升非常高。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种航空发动机高速旋转盘螺栓减阻设计方法及旋转盘来克服或至少减轻现有技术中的至少一个上述问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种航空发动机高速旋转盘螺栓减阻优化方法，所述旋转盘上周向设置有多个螺栓，在所述螺栓的外侧设置螺栓罩用于减小所述螺栓高速旋转带来的阻力，所述螺栓罩为由前缘、后缘以及侧边围成的中心对称结构，所述前缘与所述后缘为圆弧形，所述侧边的形状符合三次曲线形状，其中，所述侧边所在的三次曲线分别于所述前缘所在的圆弧与所述后缘所在的圆弧相切；所述优化方法包括：根据所述螺栓以及所述螺栓在所述旋转盘上的分布密度，确定基准圆以及所述前缘或所述后缘的圆弧所在圆的直径和位置；以所述基准圆的圆心为原点建立二维坐标系，确定三次曲线方程y＝ax³+bx²+cx+d，并对所述三次曲线方程求导y′＝3ax²+2bx+c；获取所述基准圆与所述二维坐标坐标系的坐标轴的交点，以及获取多个所述前缘或所述后缘的圆弧所在圆与所述三次曲线方程的切点，并将所述交点坐标与每个所述切点坐标代入所述三次曲线方程以及所述三次曲线方程的导数方程中，组成多个方程组；分别对多个所述方程组求解，得到多组所述三次曲线方程中的未知数a，b，c，d；将多组所述三次曲线方程中的未知数分别代入到所述三次曲线方程中，得到多个所述三次曲线方程，并在所述二维坐标系中画出多个所述三次曲线；根据所述前缘或所述后缘圆弧所在的圆与多个所述三次曲线，画出所述螺栓罩的多个外轮廓；获取不同的所述外轮廓的阻力系数，以及获取所述螺栓的阻力系数，通过对比不同的外轮廓的阻力系数与所述螺栓的阻力系数，得到所述螺栓罩的外轮廓设计优化方向。

在另一方面，本发明还提供一种旋转盘，所述旋转盘上周向设置有多个螺栓，所述螺栓的外侧设置有权利要求1所述的航空发动机高速旋转盘螺栓减阻优化方法所得到的螺栓罩。

本发明实施例提供的航空发动机高速旋转盘螺栓减阻优化方法所得到的螺栓罩能够解决高速旋转下的螺栓减阻问题，能够减小流阻、降低风阻温升，从而有效地减缓螺栓附近以及下游的转子盘腔区域气流和固体温度的升高，增加旋转盘的使用寿命。

附图说明

图1是本发明实施例提供的高速旋转盘的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的螺栓罩结构示意图；

图3是本发明实施例提供的螺栓及螺栓罩的尺寸示意图；

图4是本发明实施例提供的螺栓罩的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的前缘的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的流线1型的三次曲线与φ16的1/4圆的关系曲线图；

图7是本发明实施例提供的流线2型的三次曲线与φ16的1/4圆的关系曲线图；

图8是本发明实施例提供的流线1型速度场云图；

图9是本发明实施例提供的流线2型速度场云图；

图10是本发明实施例提供的传统螺栓速度场云图；

图11是本发明实施例提供的流线1型阻力系数记录曲线；

图12是本发明实施例提供的流线2型阻力系数记录曲线；

图13是本发明实施例提供的传统螺栓阻力系数记录曲线。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明的实施例提供一种航空发动机高速旋转盘螺栓减阻优化方法，用于在高速旋转盘上的螺栓周围设计一种螺栓罩，来降低螺栓处的风阻温升，从而减弱螺栓附近及下游的转子盘腔区域气流和固体温度升高，增加其使用寿命。

图1是本发明实施例提供的高速旋转盘的结构示意图，图2是本发明实施例提供的螺栓罩结构示意图，如图1和图2所示，旋转盘上周向设置有多个螺栓，在螺栓的外侧设置螺栓罩用于减小螺栓高速旋转带来的阻力，螺栓罩为由前缘、后缘以及侧边围成的中心对称结构，前缘与后缘均为圆弧形，侧边的形状符合三次曲线形状，其中，侧边所在的三次曲线分别与前缘所在的圆弧和后缘所在的圆弧相切。

航空发动机高速旋转盘螺栓螺栓罩优化方法包括以下步骤：

s101，根据螺栓以及螺栓在旋转盘上的分布密度，确定基准圆以及前缘或后缘的圆弧所在圆的直径和位置。

根据螺栓的尺寸大小以及螺栓在旋转盘上的分布密度，在螺栓的外侧预留出直径大于螺栓外轮廓的圆形孔，以便于安装螺栓时有足够的安装位置，将该圆形孔作为基准圆；前缘、后缘均设置在基准圆的外侧，并且沿旋转盘的切线方向分布，前缘、后缘分布的位置以不影响相邻两螺栓的安装为前提。

s102，以基准圆的圆心为原点建立二维坐标系，确定三次曲线方程y＝ax³+bx²+cx+d，并对三次曲线方程求导y′＝3ax²+2bx+c。

s103，获取基准圆与二维坐标坐标系的坐标轴的交点，以及获取多个前缘或后缘的圆弧所在圆与三次曲线方程的切点，并将交点坐标与每个切点坐标代入三次曲线方程以及三次曲线方程的导数方程中，组成多个方程组。

s104，分别对多个方程组求解，得到多组三次曲线方程中的未知数a，b，c，d。

s105，将多组三次曲线方程中的未知数分别代入到三次曲线方程中，得到多个三次曲线方程，并在二维坐标系中画出多个三次曲线。

s106，根据前缘或后缘圆弧所在的圆与多个三次曲线，画出螺栓罩的多个外轮廓。

s107，获取不同的外轮廓的阻力系数，以及获取螺栓的阻力系数，通过对比不同的外轮廓的阻力系数与螺栓的阻力系数，得到螺栓罩的外轮廓设计优化方向。

需要说明的是，螺栓罩的外轮廓设计优化方向为：在其他参数不变的情况下，减小前缘圆弧的范围能够使得三次曲线更加饱满，从而能够更加有效地减小阻力。

本实施例中，以m6螺栓为例(轮廓两点最大距离为11mm)，由于需要打一个便于安装的圆形孔并且还要考虑到螺栓罩的加工裕度，如图3所示，在11mm的基础上再加5mm即作一个直径为16mm的圆。由于螺栓和螺栓螺栓罩均是中心对称结构，因此将螺栓和螺栓螺栓罩的几何中心定为坐标原点。

如图4所示，螺栓罩外型采用中心对称的二维结构叶形，螺栓罩外型由前、后缘的小圆弧和三次曲线组成，其中，三次曲线函数设为y＝ax³+bx²+cx+d，与φ16的圆相切于点1(0，8)，前缘小圆的局部放大图如图5所示：小圆半径为φ0.8，三次曲线与小圆相切于点2，点2的坐标视想要保留圆弧范围(圆弧前缘点距离切点点2的水平距离作为流线优化的变量，它的改变直接影响到流线形状)。

出于螺栓罩的强度设计考虑，其不可以过大过宽。在该φ16圆形的基础上将其设置在24mm宽是比较合适的，即前缘点的坐标为(-12，0)。

若给定点1、点2的坐标值，并由相切关系列出斜率(方程导数)的等式，联立方程组，三次曲线的4个未知数(a、b、c、d)即可求解出，根据中心对称即可补全完整的轮廓线型。小圆弧前缘点距离切点、点2的水平距离分别取0.1和0.05(分别记为流线1型、流线2型)，求解方程组画出三次曲线与φ16的1/4圆的关系如图6、7所示。

取发动机典型工况转速为10000r/min、螺栓安装半径为0.22m、处于502k温度和296219pa环境工况下的高速旋转盘为cfd仿真算例，计算得出来流速度，划分二维流场网格完成2种流线外形和1种传统螺栓外型条件下的仿真计算(基于密度、压力远场条件、s-a湍流模型)，得出速度云图如图8、图9和图10所示,记录阻力系数(迭代至1500步左右该值趋于稳定)如图11、图12和图13所示。通过阻力系数记录可知，第一种流线外型的阻力系数为0.09左右，第二种流线外型的阻力系数为0.06左右，而传统的螺栓外型的阻力系数为0.13左右。由此可知，螺栓罩的流线外型设计可有效减小阻力。

在另一方面，本发明还提供了一种旋转盘，该旋转盘上周向设置有多个螺栓，螺栓的外侧设置有上述优化方法所得到的螺栓罩。相比于没有螺栓罩的旋转盘，本发明实施例提供的旋转盘解决了高速旋转下的螺栓减阻问题，能够减缓流阻、降低风阻温升，从而有效地减缓螺栓附近以及下游的转子盘腔区域气流和固体温度的升高，增加旋转盘的使用寿命。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。