本发明属于叶轮机械内部流动控制，具体涉及一种基于吸、压力面参数的压气机叶片开槽设计方法。
背景技术：
1、现代高性能航空发动机正朝着高推重比、低耗油率和高可靠性的方向发展，在此背景下，压气机的单级负荷逐渐增加，叶片通道内的逆压梯度逐渐增大，气流易在叶片吸力面处发生附面层分离，导致流动损失的增加甚至压气机稳定性的不足。叶片开槽是一种被动流动控制措施，其基本原理是利用叶片压力面与吸力面之间的压差形成自适应射流，以提升靠近叶片吸力面的气流流动速度，从而达到抑制附面层分离、降低流动损失、提升压气机总性能的目的。由于叶片开槽技术具有结构简单，工程应用性强等特点，研究人员对其开展了较深的研究。
2、总结现有研究可以发现，叶片开槽技术的研究大多是围绕直叶栅进行的，而在真实压气机叶片中的应用仅占少数。但真实压气机叶片在几何形状和进口条件上与叶栅存在一定差距，特别是真实压气机叶片的几何形状一般采取弯扭设计，使得叶片开槽技术在真实压气机环境下的应用受到了一定限制。同时，由于真实压气机叶片的叶型随叶高的变化而变化，这增加了叶片开槽技术在真实压气机上的参数化难度。因此，为解决这一问题、提升叶片开槽技术在真实压气机上的工程应用性，本发明提出了一种基于吸、压力面参数的压气机叶片开槽设计及方法。
技术实现思路
1、要解决的技术问题：
2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种基于吸、压力面参数的压气机叶片开槽设计方法，降低了叶片开槽技术在真实压气机叶片上的参数化难度，同时还可将此方法应用于叶栅的研究中，具有较强的工程应用价值。本方法适用于优化研究和参数化研究，可以在整个叶片物理空间内寻求最优的槽道结构或建立参数化模型。另外，此方法可以构造出槽道进口上(下)壁面与槽道出口上(下)壁面不在同一高度的槽道结构，使自适应射流带有径向速度分量。结果表明：合理的槽道参数设定，可以在不降低设计点效率的前提下，提升小流量工况下的总性能。
3、本发明的技术方案是：一种基于吸、压力面参数的压气机叶片开槽设计方法，具体步骤如下：
4、提取叶片吸、压力面几何，并将其旋转投影到圆柱坐标系下的平面(r,0,z)上；
5、在归一化区间[0，1]内，根据实际问题对吸、压力面槽道参数进行取值；
6、在标准平面区域生成与每一个槽道参数对应的直线，并将其映射到叶片吸、压力面在平面(r,0,z)上的投影区域内；
7、将映射后的直线旋转投影到叶片吸、压力面几何上，映射后直线所围成的区域为槽道区域，在吸、压力面构成槽道进、出口轮廓，其余区域为叶片实体；
8、连接槽道进、出口轮廓，完成造型。
9、本发明的进一步技术方案是：所述吸、压力面几何旋转投影至圆柱坐标系下的平面(r,0,z)上进行坐标标记，在平面(r,0,z)内记录叶顶前缘投影点a的坐标(za,ra)、叶顶尾缘投影点b的坐标(zb,rb)、叶根前缘投影点c的坐标(zc,rc)和叶根尾缘投影点d的坐标(zd,rd)；记录曲线lab、曲线lcd、曲线lac和曲线lbd的控制点坐标，通过六次多项式拟合得出对应曲线的拟合方程r＝fab(z)、r＝fcd(z)、z＝fac(r)和z＝fbd(r)。
10、本发明的进一步技术方案是：所述吸力面槽道参数和压力面槽道参数需在归一化区间[0，1]上取值，包括4个吸力面槽道无量纲参数和4个压力面槽道无量纲参数，分别为：近机匣槽道出口上壁面径向位置近轮毂槽道出口下壁面径向位置近叶片前缘槽道出口左壁面轴向位置近叶片尾缘槽道出口右壁面轴向位置近机匣槽道进口上壁面径向位置近轮毂槽道进口下壁面径向位置近叶片前缘槽道进口左壁面轴向位置和近叶片尾缘槽道进口右壁面轴向位置
11、本发明的进一步技术方案是：对于吸力面槽道参数和压力面槽道参数的取值，在进行优化研究时，可采用拉丁超立方抽样或蒙特卡罗法随机抽样方法获取；在参数化研究中，可依据现有文献的设计经验对槽道参数及选择。
12、本发明的进一步技术方案是：此设计方法可以完成不带射流速度径向分量和带射流速度径向分量的造型；如需设计不带射流速度径向分量的槽道结构，只需令和将8个槽道参数简化至6个。
13、本发明的进一步技术方案是：所述槽道参数应满足以下约束条件：
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18、
19、
20、
21、
22、其中：公式(1)(2)表示槽道的上壁面始终高于槽道的下壁面；公式(3)(4)表示槽道右壁面始终位于槽道左壁面的下游，且槽道宽度不大于轴向弦长的30％。已有研究表明槽道过宽会导致压气机设计点效率损失较大，因此控制槽道宽度不大于轴向弦长的30％；公式(5)(6)表示当槽道进口上/下壁面与槽道出口上/下壁面不在同一径向高度时，为保证网格的正交性满足计算要求，控制两者的差值不高于叶高的15％；为防止槽道射流方向与主流方向相反，从而产生较大的掺混损失，公式(7)(8)表示槽道进口的左/右壁面始终位于槽道出口的左/右壁面的下游。
23、本发明的进一步技术方案是：根据参数和在标准平面区域内生成直线以上四条直线所围成区域为槽道出口区域，其余部分为叶片实体；根据参数和在标准平面区域内生成直线和以上四条直线所围成区域为槽道进口区域，其余部分为叶片实体。
24、本发明的进一步技术方案是：所述每一个槽道参数对应的直线延伸至标准平面区域边缘得到点a*、b*、c*、d*、e*、f*、g*和h*，将各点投影到圆柱坐标系的平面(r,0,z)上，在曲线lab、曲线lcd、曲线lac、曲线lbd上分别得到对应点a、b、c、d、e、f、g和h，坐标分别为(ri,0,zi)，其中i=a，b，...，h。
25、本发明的进一步技术方案是：所述点a、b、c、d、e、f、g和h的在平面(r,0,z)上的坐标计算公式如下：
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28、
29、
30、
31、
32、
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34、本发明的进一步技术方案是：所述槽道进、出口轮廓的获取方法为：将点a和c、b和d、e和g、f和h用直线相连得到封闭曲线∮1234；所获得的封闭曲线∮1234为槽道结构与吸力面/压力面的交线在平面(r,0,z)上的投影，封闭曲线∮1234内部对应槽道出口/进口范围，封闭曲线∮1234外部对应未开槽处理的实体叶片表面；将槽道进、出口轮廓的连接后几何完成造型，连接所使用的线型为直线、圆弧、摆线、c样条曲线或b样条曲线。
35、本发明的进一步技术方案是：所述吸、压力面槽道参数确定后，对应槽道几何的特征参数计算公式如下：
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38、
39、
40、
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42、φ＝ass/aps (23)
43、其中，h为叶片平均叶高，ca为平均轴向弦长；δrps为槽道进口径向高度、δzps为进口槽宽、δrss为槽道出口径向高度、δzss为出口槽宽、θaxial为轴向射流角度、θradial为径向射流角度、φ为槽道收缩率。
44、有益效果
45、本发明的有益效果在于：本发明仅通过8个归一化参数即可快速在采取弯扭设计的真实压气机叶片上完成槽道造型，首次将叶片开槽的系统化造型方法拓展到真实压气机叶片上，降低了叶片开槽在真实压气机叶片上的参数化难度，具有较强的工程应用性。
46、其中，在归一化区间[0,1]内获得吸、压力面参数，解决了叶片开槽技术在采取弯扭设计的压气机叶片上的参数化困难问题；选择8个吸、压力面参数进行构型，有利于每一个结构中槽道特征参数的确定。可以根据以上8个吸、压力面参数快速确定槽道进口径向高度δrps，进口槽宽δzps、槽道出口径向高度δrss、出口槽宽δzss、轴向射流角度θaxial、径向射流角度θradial、槽道收缩率φ等槽道特征参数，为后续流场分析和数据挖掘提供便利。
47、本发明首次提出了带有径向射流速度分量的槽道结构及设计方法。当与与不相等时，槽道上壁面(靠机匣)、槽道下壁面(靠轮毂)不再水平，这使得射流速度具有一定的径向分量，以探究带有径向速度分量的自适应射流对压气机内部流场的影响。
48、本发明解决了叶片开槽技术在真实压气机叶片上的工程应用问题，并且仍然适用于叶栅研究。本发明具有设计方法简单、便于加工制造、速度快等特点。在优化研究中，结合宏指令程序可以快速生成计算网格，速度约为35～45个/分钟。
49、在使用此设计方法进行的优化研究中，图8和图9为较优方案的压气机总压比和效率曲线。可见，由此造型方法得到的叶片开槽结构，在未对设计点效率产生较大影响的前提下，将小流量工况下的压气机效率提升了1.27％。
1.一种基于吸、压力面参数的压气机叶片开槽设计方法，其特征在于具体步骤如下：
2.根据权利要求1所述一种基于吸、压力面参数的压气机叶片开槽设计方法，其特征在于：所述吸、压力面几何旋转投影至圆柱坐标系下的平面(r,0,z)上进行坐标标记，在平面(r,0,z)内记录叶顶前缘投影点a的坐标(za,ra)、叶顶尾缘投影点b的坐标(zb,rb)、叶根前缘投影点c的坐标(zc,rc)和叶根尾缘投影点d的坐标(zd,rd)；记录曲线lab、曲线lcd、曲线lac和曲线lbd的控制点坐标，通过六次多项式拟合得出对应曲线的拟合方程r＝fab(z)、r＝fcd(z)、z＝fac(r)和z＝fbd(r)。
3.根据权利要求2所述一种基于吸、压力面参数的压气机叶片开槽设计方法，其特征在于：所述吸力面槽道参数和压力面槽道参数需在归一化区间[0，1]上取值，包括4个吸力面槽道无量纲参数和4个压力面槽道无量纲参数，分别为：近机匣槽道出口上壁面径向位置近轮毂槽道出口下壁面径向位置近叶片前缘槽道出口左壁面轴向位置近叶片尾缘槽道出口右壁面轴向位置近机匣槽道进口上壁面径向位置近轮毂槽道进口下壁面径向位置近叶片前缘槽道进口左壁面轴向位置和近叶片尾缘槽道进口右壁面轴向位置
4.根据权利要求3所述一种基于吸、压力面参数的压气机叶片开槽设计方法，其特征在于：当所述槽道结构为不带射流速度径向分量的槽道结构，则令和将8个槽道参数简化至6个。
5.根据权利要求3所述一种基于吸、压力面参数的压气机叶片开槽设计方法，其特征在于：所述槽道参数应满足以下约束条件：
6.根据权利要求5所述一种基于吸、压力面参数的压气机叶片开槽设计方法，其特征在于：根据参数和在标准平面区域内生成直线以上四条直线所围成区域为槽道出口区域，其余部分为叶片实体；根据参数和在标准平面区域内生成直线和以上四条直线所围成区域为槽道进口区域，其余部分为叶片实体。
7.根据权利要求6所述一种基于吸、压力面参数的压气机叶片开槽设计方法，其特征在于：所述每一个槽道参数对应的直线延伸至标准平面区域边缘得到点a*、b*、c*、d*、e*、f*、g*和h*，将各点投影到圆柱坐标系的平面(r,0,z)上，在曲线lab、曲线lcd、曲线lac、曲线lbd上分别得到对应点a、b、c、d、e、f、g和h，坐标分别为(ri,0,zi)，其中i=a，b，...，h。
8.根据权利要求7所述一种基于吸、压力面参数的压气机叶片开槽设计方法，其特征在于：所述点a、b、c、d、e、f、g和h的在平面(r,0,z)上的坐标计算公式如下：
9.根据权利要求8所述一种基于吸、压力面参数的压气机叶片开槽设计方法，其特征在于：所述槽道进、出口轮廓的获取方法为：将点a和c、b和d、e和g、f和h用直线相连得到封闭曲线所获得的封闭曲线为槽道结构与吸力面/压力面的交线在平面(r,0,z)上的投影，封闭曲线内部对应槽道出口/进口范围，封闭曲线外部对应未开槽处理的实体叶片表面；将槽道进、出口轮廓的连接后几何完成造型，连接所使用的线型为直线、圆弧、摆线、c样条曲线或b样条曲线。
10.根据权利要求9所述一种基于吸、压力面参数的压气机叶片开槽设计方法，其特征在于：所述吸、压力面槽道参数确定后，对应槽道几何的特征参数计算公式如下：
