專利名稱：一種抑制分離的葉片前緣改型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)翼和葉輪機(jī)，特別涉及適用于航空、航天、航海及工業(yè)能源動力領(lǐng)域 葉輪機(jī)的一種抑制分離的葉片前緣改型方法，屬于機(jī)械裝置及運(yùn)輸技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
二次流現(xiàn)象廣泛存在于葉輪機(jī)內(nèi)部流動中，它不僅會產(chǎn)生較大的流動損失導(dǎo)致裕 度降低，在渦輪中還會嚴(yán)重影響冷卻效果。因此，探索二次流控制措施一直是研究者的追求 目標(biāo)。近年來，隨著關(guān)于端壁處前緣分離(即前緣馬蹄渦)影響研究的深入，越來越發(fā)現(xiàn)馬 蹄渦在二次流形成及發(fā)展中的重要作用；同時(shí)，設(shè)計(jì)者也發(fā)現(xiàn)靠近端壁區(qū)前緣掠在削弱二 次流、提高效率方面存在特殊作用。二面角原理的出現(xiàn)[季路成，程榮輝，邵衛(wèi)衛(wèi)，陳江，最 大負(fù)荷設(shè)計(jì)之角區(qū)分離預(yù)測與控制，工程熱物理學(xué)報(bào)，VOL. 28，No. 02，2007]，使得關(guān)于前 緣馬蹄渦的認(rèn)識有了新的發(fā)展它可以被看作夾角為180度的兩個交匯附面層在遇到前緣 (障礙物)時(shí)突然轉(zhuǎn)入交角和為180度的兩個交匯區(qū)內(nèi)而發(fā)生分離(因?yàn)榻唤茄亓飨驕p小 以及梯度很大)?；谠撜J(rèn)識，只要使等效的附面層交匯角區(qū)夾角由180度變?yōu)?0度左右 的過程盡可能平緩(小梯度)，就有可能抑制或消除前緣馬蹄渦，從而改善后面流場。
基于上述思路，對采用常規(guī)方法設(shè)計(jì)的葉片，在近端壁區(qū)進(jìn)行申請的特殊處理，使 得其可以削弱甚至消除前緣馬蹄渦，改善機(jī)翼和葉輪機(jī)性能。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于削弱甚至消除前緣馬蹄渦(分離)，提供一種可以降低總損失、改 善機(jī)翼和葉輪機(jī)葉片繞流流動結(jié)構(gòu)的前緣改型方法。
本發(fā)明采用在葉片近端壁區(qū)向前探伸前緣的方法實(shí)現(xiàn)改型，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下
步驟1，根據(jù)實(shí)際需求，采用常規(guī)方法進(jìn)行葉輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)由徑(展)向不同位 置處的葉型沿設(shè)計(jì)者所確定的積疊線積疊而成，其中葉型由中弧線疊加厚度形成，葉型前 緣是與葉表相切的橢圓形，其中心在葉型中弧線上；
步驟2，在步驟1基礎(chǔ)上，選定實(shí)施近端壁區(qū)向前探伸前緣的區(qū)域。
具體方法為采用理論估算或數(shù)值模擬方法確定來流端壁附面層厚度δ，結(jié)合前 緣橢圓短軸總長2b，確定實(shí)施近端壁區(qū)向前探伸前緣的區(qū)域范圍為向前探伸的前緣高度 h滿足h > b且h > 0. 5 δ ；前緣在根部前伸長度L滿足L > 0. Ib且L > 0. 1 δ ；
步驟3，在步驟2基礎(chǔ)上，對前伸形狀進(jìn)行改型處理。
具體方法為在步驟2的區(qū)域內(nèi)，從端壁至前緣高度h處確定多個徑(展)向位置 (所確定的位置總數(shù)越多越好)，對端壁、前緣高度h處以及中間每個徑(展)向位置進(jìn)行 前伸處理，其前伸量由根部前伸長度L逐漸減小為0。改型處理后的前緣中心連線表現(xiàn)為朝 向葉片后部的光滑凸曲線；
在上述改型處理的過程中，要求保證在前伸處理每個徑(展)向位置葉型時(shí)，葉型 進(jìn)出口構(gòu)造角以及葉型安裝角保持不變；3
步驟4，實(shí)施完成步驟3所述的所有徑(展)向位置的前伸處理后，對所有徑(展) 向位置處的葉型進(jìn)行曲線或曲面的光滑連接，其構(gòu)成的外包絡(luò)面就形成了葉片前緣改型后 的新葉片，該葉片可抑制分離。
本發(fā)明步驟1-步驟4所述的方法不僅適用于葉輪機(jī)葉片，同樣適用于飛機(jī)機(jī)翼和旋翼。
有益效果
本發(fā)明利用二面角原理，結(jié)合機(jī)翼、葉輪機(jī)葉片近端壁區(qū)實(shí)際情況，提供了一種新 的機(jī)翼、葉輪機(jī)葉片前緣改型技術(shù)，由此削弱或消除端壁區(qū)前緣分離(馬蹄渦)，從而可以 有效改善機(jī)翼和葉輪機(jī)葉片繞流，起到控制二次流動、降低損失的作用。


圖1為本發(fā)明的改型葉片及其前緣的外緣結(jié)構(gòu)圖，其中(a)為葉片整體結(jié)構(gòu)，(b) 為外緣結(jié)構(gòu)的局部放大圖2為本發(fā)明葉片前緣的外緣結(jié)構(gòu)俯視投影圖3為具體實(shí)施方式
中未經(jīng)前緣處理的葉輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)圖4為具體實(shí)施方式
中經(jīng)過前緣改型的葉片結(jié)構(gòu)圖5為實(shí)施例的數(shù)值仿真結(jié)果。
標(biāo)號說明
1-前伸結(jié)構(gòu)的前緣中心線，2-前緣前伸結(jié)構(gòu)端壁型線，3-前緣前伸結(jié)構(gòu)的第一近 端壁型線，4-前緣前伸結(jié)構(gòu)的第二近端壁型線，5-原始葉片前緣型線，6-原始葉片端區(qū)前緣。
具體實(shí)施方式
為了更好地說明本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步說明。
本實(shí)施例根據(jù)發(fā)明內(nèi)容所述方法對一軸流壓氣機(jī)葉片(NACA65葉型)進(jìn)行重新設(shè) 計(jì)，并用數(shù)值方法驗(yàn)證其作用效果。本實(shí)施例有關(guān)氣動參數(shù)如下進(jìn)口總壓103379Pa，來流 馬赫數(shù)為0. 2，出口靜壓101325Pao
步驟1，根據(jù)原始葉型數(shù)據(jù)、葉柵的幾何參數(shù)和氣動參數(shù)給出原始壓氣機(jī)葉片形 狀，如圖3所示；
步驟2，在步驟1基礎(chǔ)上，選定實(shí)施向前探伸原始葉片端區(qū)前緣6的區(qū)域。本實(shí)施 例采用數(shù)值模擬方法確定來流端壁附面層厚度S = 20mm，確定向前探伸前緣的區(qū)域?yàn)長 =δ = 20mm ；h = δ = 20mm ；如圖 1 (b)所示；
步驟3，在步驟2基礎(chǔ)上，對前伸形狀進(jìn)行改型處理，如圖2所示。
在步驟2的區(qū)域內(nèi)，從端壁至前緣高度h處確定10個徑(展)向位置，對端壁、前 緣高度h處以及中間8個徑(展)向位置進(jìn)行前伸處理，前緣前伸結(jié)構(gòu)端壁型線2前伸量 為L = 20mm，前緣前伸結(jié)構(gòu)的第一近端壁截面型線3的前伸量為17. 8mm，前緣前伸結(jié)構(gòu)的 第二近端壁截面型線4的前伸量為15. 6mm,逐步減小為前緣高度h處為0，最后一條即為原 始前緣型線5。改型處理后的前緣中心線1表現(xiàn)為朝向葉片后部的光滑凸曲線；
在上述前伸處理每個徑(展)向位置葉型時(shí)，葉型進(jìn)出口構(gòu)造角以及葉型安裝角 保持不變；
步驟4，實(shí)施完成步驟3所述的10個徑(展)向位置的前伸處理后，對這10個徑 (展)向位置處的葉型進(jìn)行曲線或曲面的光滑連接，其構(gòu)成的外包絡(luò)面就形成了葉片前緣 改型后的新葉片，如圖4所示。
另外，根據(jù)本實(shí)施例設(shè)計(jì)的葉片形狀制作該經(jīng)前緣處理后葉片過程中，需考慮實(shí) 際葉片幾何尺寸、加工難度、強(qiáng)度等因素；然后采用常規(guī)方法加工出葉片，并用多個該葉片 組成壓氣機(jī)葉輪。
對本實(shí)施例中制作的前緣改型后的壓氣機(jī)葉輪以及現(xiàn)有技術(shù)的原始葉片制作的 壓氣機(jī)葉輪分別進(jìn)行三維CFD數(shù)值模擬，如圖5所得數(shù)值模擬結(jié)果，經(jīng)前緣改型后，馬蹄渦 的發(fā)展得到了有效控制，抑制了分離，從而使葉柵總損失降低。
最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參 照實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方 案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明 的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種抑制分離的葉片前緣改型方法，其特征在于具體實(shí)現(xiàn)步驟如下步驟1，根據(jù)實(shí)際需求，采用常規(guī)方法進(jìn)行葉輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)；步驟2，在步驟1基礎(chǔ)上，選定實(shí)施近端壁區(qū)向前探伸前緣的區(qū)域；具體方法為采用理論估算或數(shù)值模擬方法確定來流端壁附面層厚度S，結(jié)合前緣橢 圓短軸總長2b，確定實(shí)施近端壁區(qū)向前探伸前緣的區(qū)域范圍為向前探伸的前緣高度h滿 足h>b且h>0. 5δ ；前緣在根部前伸長度L滿足L > 0. Ib且L > 0. 1 δ ；步驟3，在步驟2基礎(chǔ)上，對前伸形狀進(jìn)行改型處理；具體方法為在步驟2的區(qū)域內(nèi)，從端壁至前緣高度h處確定多個徑向位置，對端壁、前 緣高度h處以及中間每個徑向位置進(jìn)行前伸處理，其前伸量由根部前伸長度L逐漸減小為 0 ；步驟4，實(shí)施完成步驟3所述的所有徑向位置的前伸處理后，對所有徑向位置處的葉型 進(jìn)行曲線或曲面的光滑連接，其構(gòu)成的外包絡(luò)面就形成了葉片前緣改型后的新葉片，該葉 片可抑制分離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抑制分離的葉片前緣改型方法，其特征在于步驟3所 述的多個徑向位置的總數(shù)越多越好。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抑制分離的葉片前緣改型方法，其特征在于步驟3所 述的改型處理后的前緣中心連線為朝向葉片后部的光滑凸曲線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抑制分離的葉片前緣改型方法，其特征在于在步驟3 所述的改型處理過程中，在前伸處理每個徑向位置葉型時(shí)，葉型進(jìn)出口構(gòu)造角以及葉型安 裝角保持不變。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抑制分離的葉片前緣改型方法，其特征在于步驟1-步 驟4所述的方法適用于葉輪機(jī)葉片，還適用于飛機(jī)機(jī)翼和旋翼。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種抑制分離的葉片前緣改型方法，屬于機(jī)械裝置及運(yùn)輸技術(shù)領(lǐng)域。根據(jù)原始葉型選定實(shí)施近端壁區(qū)向前探伸前緣的區(qū)域，并對前伸形狀進(jìn)行改型處理，完成所有徑(展)向位置的前伸處理后，對所有徑(展)向位置處的葉型進(jìn)行曲線或曲面的光滑連接，其構(gòu)成的外包絡(luò)面就形成了葉片前緣改型后的新葉片，該葉片可抑制分離。本發(fā)明利用二面角原理，結(jié)合機(jī)翼、葉輪機(jī)葉片近端壁區(qū)實(shí)際情況，提供了一種新的機(jī)翼、葉輪機(jī)葉片前緣改型技術(shù)，由此削弱或消除端壁區(qū)前緣分離(馬蹄渦)，從而可以有效改善機(jī)翼和葉輪機(jī)葉片繞流，起到控制二次流動、降低損失的作用，不僅適用于葉輪機(jī)葉片，同樣適用于飛機(jī)機(jī)翼和旋翼。
文檔編號F04D29/38GK102032214SQ201010623578
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者劉艷明, 孫拓, 季路成 申請人:北京理工大學(xué)