專利名稱：一種具有波狀表面的葉型設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有波狀表面的葉型設(shè)計(jì)方法，屬于機(jī)械裝置及運(yùn)輸技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景
為提高葉輪機(jī)械性能，需有效控制葉表附面層發(fā)展，抑制、推遲或消除分離。通過 局部流動改變而控制全局流動性能是研究者們的努力方向。針對外流機(jī)翼和內(nèi)流葉輪機(jī)葉 型，改變粗糙度、吹吸氣等已經(jīng)取得了重要成功。但是，對高性能的追求永無止境，人們一直 在尋找無需外部能量而更有效更符合工程實(shí)際的采用被動控制措施的新型葉型。近來，研 究人員通過給圓柱表面增加展向的波狀幾何擾動，達(dá)到了使柱體減阻和減振的目的。另一 方面，有鱗魚類游進(jìn)阻力很小，其身體表面由于覆蓋鱗片而事實(shí)上已經(jīng)形成幅值很小的波 浪形表面。
受到上述研究以及魚鱗啟發(fā)，對機(jī)翼和葉輪機(jī)葉型也采用波狀表面處理，以達(dá)到 增大附面層內(nèi)流體動能、延遲附面層發(fā)展、抑制分離的效果，從而提升機(jī)翼、葉輪機(jī)葉片繼 而飛機(jī)及其渦輪噴氣動力、地面與艦船能源動力、流體機(jī)械等性能。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為降低飛機(jī)機(jī)翼、葉輪機(jī)葉片流動阻力，減小損失、改善流動狀況而 提供一種具有波狀表面的葉型設(shè)計(jì)方法。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
步驟1，采用常規(guī)中弧線和厚度分布的方法設(shè)計(jì)原始葉型。其中中弧線給定方式有 單圓弧、雙圓弧、多圓弧、多項(xiàng)式等，厚度分布有NACA系列等；并通過數(shù)值仿真或?qū)嶒?yàn)方法 綜合全部工況確定葉片吸力面的葉表易分離區(qū)域起始位置S和分離區(qū)弦向長度b ；
步驟2，依據(jù)步驟1確定的易分離區(qū)起始位置S和分離區(qū)弦向長度b，分別向分 離區(qū)前后延伸C1和C2的長度，C1和C2滿足0 < C1且0彡c2。葉表分離區(qū)弦向長度b及 其前后延伸的長度共同組成進(jìn)行波狀處理的波狀段弦向?qū)挾萀(L = b+ci+c2)；且L/B滿足 0. 01 ( L/B彡1，其中B為葉片軸向弦長。
所述波狀處理的波形可以是任意形式的光滑波形，其波幅a、波長λ分別表現(xiàn)為 離開分離起始位置S點(diǎn)的距離的函數(shù)，此函數(shù)可以是常數(shù)，也可以是任意連續(xù)函數(shù)，如任意 階次連續(xù)多項(xiàng)式、三角函數(shù)等。因此，整個波紋段表現(xiàn)為同一波紋結(jié)構(gòu)或變波紋結(jié)構(gòu)。
所述波狀處理的波峰在步驟1設(shè)計(jì)的原始葉型線上，波谷則根據(jù)實(shí)際葉片厚度和 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度確定，其具體體現(xiàn)為波幅a的取值；波長λ和波幅a分別滿足0< λ <L/4和 a ( D/2，其中D為葉型的當(dāng)?shù)睾穸取?br> 步驟3，采用數(shù)值優(yōu)化方法對步驟2設(shè)計(jì)的波紋段進(jìn)行校核，優(yōu)選波狀段處理的位 置、弦向?qū)挾?、波形、波幅和波長，并最終以試驗(yàn)驗(yàn)證定型。
本發(fā)明步驟1至步驟3所述的方法不僅適用于葉輪機(jī)葉片，同樣適用于飛機(jī)的機(jī) 翼和旋翼，以及處于流場當(dāng)中的固體表面。
有益效果
本發(fā)明采用波狀壁面構(gòu)成三維擾動影響流動狀況的機(jī)理，在葉片表面進(jìn)行波狀處 理實(shí)現(xiàn)被動流動控制；所設(shè)計(jì)的波狀表面葉型引起的擾動可以起到有效減阻和降低損失的 作用，改善了葉柵二次流動，設(shè)計(jì)方法簡單、靈活、實(shí)用，特別適用于航空、航天、航海及工業(yè) 能源動力領(lǐng)域的葉輪機(jī)及機(jī)翼設(shè)計(jì)。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的原始葉型；
圖2為本發(fā)明的具有波紋表面的葉型；其中(a)為葉型整體結(jié)構(gòu)，(b)為尾緣局部 放大圖3為具體實(shí)施方式
中的變波紋結(jié)構(gòu)的葉型，其中(a)為葉型整體結(jié)構(gòu)，(b)為波 紋段局部放大圖4為實(shí)施例的數(shù)值仿真結(jié)果，其中(a)為原始葉型仿真結(jié)果，(b)為具有波狀表 面葉型的仿真結(jié)果。
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)葉片葉型(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， 出 口靜壓 101325Pa。
步驟1，根據(jù)NACA65原始葉型數(shù)據(jù)及常規(guī)方法給出壓氣機(jī)葉型，如圖1所示，并 通過數(shù)值仿真確定吸力面角區(qū)分離區(qū)域的起始位置S，仿真結(jié)果知S在距尾緣30% B(B = 150mm為軸向弦長)的位置，即分離區(qū)弦向長度b = 45mm；
步驟2，在步驟1的基礎(chǔ)上，取向分離區(qū)前后延伸的長度C1 = C2 = 15mm，故波紋段 弦向?qū)挾萀 = b+ci+c2 = 75mm，如圖2(a)所示；本實(shí)施例的波紋采用均一波長和振幅的正 弦波形，即波幅a、波長λ分別表現(xiàn)為離開分離起始位置S點(diǎn)的距離的常數(shù)，并根據(jù)實(shí)際葉 片厚度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，取波狀振幅a = 0. 6mm，波長λ = 5mm，如圖2(b)所示；
步驟3，對所得具有波狀表面葉型進(jìn)行二維數(shù)值模擬優(yōu)化，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。
優(yōu)化長λ、波幅a、波狀軸向?qū)挾萣等參數(shù)范圍時需考慮實(shí)際葉片幾何尺寸、加工 難度、強(qiáng)度等因素，并按上述優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行波狀表面去除加工處理，得到具有波狀表面的葉 輪機(jī)葉片。
本發(fā)明的葉型也可采用變波紋結(jié)構(gòu)波紋段(如圖3所示)，此時波幅a、波長λ分 別表現(xiàn)為離開分離起始位置S點(diǎn)的距離的多階次連續(xù)的多項(xiàng)式函數(shù)。
對本實(shí)施例具有波狀表面葉型的壓氣機(jī)葉輪和原始葉型的壓氣機(jī)葉輪分別進(jìn)行 二維CFD數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖4所示，從中可以得到，葉片表面波紋狀處理后，吸力面角 區(qū)分離得到了抑制，從而損失降低，葉柵氣動性能得到了改善。數(shù)值模擬結(jié)果表明經(jīng)過波狀 表面處理的葉型可起到減阻和減小流體誘導(dǎo)振動的作用，可有效實(shí)現(xiàn)被動控制，降低二次 流損失。4
以上所述的具體描述，對發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說 明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本 發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng) 包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有波狀表面的葉型設(shè)計(jì)方法，其特征在于具體實(shí)現(xiàn)步驟如下步驟1，采用常規(guī)中弧線和厚度分布的方法設(shè)計(jì)原始葉型；并通過數(shù)值仿真或?qū)嶒?yàn)方 法綜合全部工況確定原始葉型的葉片吸力面的葉表易分離區(qū)域起始位置S和分離區(qū)弦向 長度b;步驟2，依據(jù)步驟1確定的易分離區(qū)起始位置S和分離區(qū)弦向長度b，分別向分離區(qū)前 后延伸C1和C2的長度，C1和C2滿足0 < C1且0 < c2。葉表分離區(qū)弦向長度b及其前后延 伸的長度共同組成進(jìn)行波狀處理的波狀段弦向?qū)挾萀，L = b+ci+c2 ；且L/B滿足0. 01 ^ L/ BS 1，其中B為葉片軸向弦長；步驟3，采用數(shù)值優(yōu)化方法對步驟2設(shè)計(jì)的波紋段進(jìn)行校核，優(yōu)選波狀段處理的位置、 弦向?qū)挾?、波形、波幅和波長，并最終以試驗(yàn)驗(yàn)證定型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有波狀表面的葉型設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟2所 述波狀處理的波形可以是任意形式的光滑波形，其波幅a、波長λ分別表現(xiàn)為離開分離起 始位置S點(diǎn)的距離的函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有波狀表面的葉型設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟2所 述波狀處理的波峰在步驟1設(shè)計(jì)的原始葉型線上，波谷則根據(jù)實(shí)際葉片厚度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度確 定，其具體體現(xiàn)為波幅a的取值；波長λ和波幅a分別滿足0 < λ < L/4和a < D/2，其 中D為葉型的當(dāng)?shù)睾穸取?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有波狀表面的葉型設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述的距 離的函數(shù)可以是常數(shù)，也可以是任意連續(xù)函數(shù)，整個波紋段表現(xiàn)為同一波紋結(jié)構(gòu)或變波紋 結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種具有波狀表面的葉型設(shè)計(jì)方法，其特征在 于步驟1至步驟3所述的方法不僅適用于葉輪機(jī)葉片，同樣適用于飛機(jī)的機(jī)翼和旋翼，以 及處于流場當(dāng)中的固體表面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有波狀表面的葉型設(shè)計(jì)方法，屬于機(jī)械裝置及運(yùn)輸技術(shù)領(lǐng)域。本方法采用波狀壁面構(gòu)成三維擾動影響流動狀況的機(jī)理，在葉片表面進(jìn)行波狀處理實(shí)現(xiàn)被動流動控制；根據(jù)葉片吸力面的葉表易分離區(qū)域起始位置S和分離區(qū)弦向長度b，向分離區(qū)前后延伸c1和c2的長度共同組成進(jìn)行波狀處理的波狀段弦向?qū)挾?；波狀處理的波形可為任意形式的光滑波形，波狀處理的波峰在原始葉型線上，波谷則根據(jù)實(shí)際葉片厚度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度確定。所設(shè)計(jì)的波狀表面葉型引起的擾動可以起到有效減阻和降低損失的作用，改善了葉柵二次流動，設(shè)計(jì)方法簡單、靈活、實(shí)用，特別適用于航空、航天、航海及工業(yè)能源動力領(lǐng)域的葉輪機(jī)及機(jī)翼設(shè)計(jì)。
文檔編號F04D29/38GK102032215SQ20101062360
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)明者伊衛(wèi)林, 劉艷明, 季路成 申請人:北京理工大學(xué)