基于座頭鯨鰭狀肢的壓氣機仿生學靜葉及其實現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種航空發(fā)動機領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種基于座頭鯨鰭狀肢的壓氣機仿生學靜葉及其實現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]航空發(fā)動機軸流高壓壓氣機中，葉片附近發(fā)生的流動分離是一種很常見的現(xiàn)象。但是嚴重的流動分離會導致通道的堵塞和氣動損失的劇增，甚至會引起壓氣機失速。
[0003]在壓氣機設(shè)計中控制流動分離的方法可分為主動控制和被動控制兩大類，相比于主動控制技術(shù)，被動控制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)的優(yōu)點。在諸多被動控制技術(shù)中，葉片改型是一種有效的流動控制技術(shù)，包括:彎掠葉片造型、局部幾何修改造型等，具有實現(xiàn)容易、可靠性高等優(yōu)點，已被廣泛的應(yīng)用于眾多發(fā)動機中。然而目前葉片改型仍然存在著動力不足的缺陷。
[0004]經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻號CN104612758A，公開(公告)日2015.5.13，公開了一種低損失的低壓渦輪葉片，其特點是，將原有低壓渦輪葉片沿葉高方向劃分成葉根端區(qū)、葉尖端區(qū)和二維流動區(qū)，同時在其前緣上進行波浪形切割而使前緣部位形成多個鋸齒，并對原有低壓渦輪葉片進行3%軸向弦長的加長，以彌補切割后葉型做功能力的下降，該延長通過在葉片中弧線前緣點煙中弧線切線方向進行。該技術(shù)僅考慮了低壓渦輪環(huán)境中的損失問題，對壓氣機靜葉環(huán)境下的情況未作闡述，而且該技術(shù)在葉片前緣的鋸齒型結(jié)構(gòu)會使波峰波谷處的曲率存在不連續(xù)的問題而帶來額外的局部損失。
[0005]自然界中許多生物的組織和器官常常具有特殊的結(jié)構(gòu)，借助對這些結(jié)構(gòu)及其功能的分析，可以解決我們的很多技術(shù)問題。海洋生物學家們在座頭鯨鰭狀肢形態(tài)學方面的研究工作表明，座頭鯨鰭狀肢能產(chǎn)生高度的機動性和強大的水動力特性，該特性主要歸因于前緣的圓齒型結(jié)狀突起。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，結(jié)合仿生學原理和葉片改型中的被動控制技術(shù)，提出了一種基于座頭鯨鰭狀肢的壓氣機仿生學靜葉及其實現(xiàn)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)有效的分離控制，提高航空發(fā)動機效率。
[0007]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0008]本發(fā)明涉及一種基于座頭鯨鰭狀肢的壓氣機仿生學靜葉，包括依次積疊的三個葉型，其中:三個葉型的中弧線長為等差數(shù)列。
[0009]所述的三個葉型中，第一葉型和第三葉型的前緣部分的形狀為周期變化的波浪型曲線，所述的等差數(shù)列的差值為該波浪形曲線的波幅。
[0010]所述的波浪型曲線的波幅A范圍為1% L彡A彡3% L，波長W范圍為5%c < W < 25% c，其中:L為原型靜葉，即第二葉型的中弧線長；c為原型靜葉的弦長。
[0011]所述的波浪形曲線具體為:具有三次樣條函數(shù)構(gòu)成的三次樣條曲線，該三次樣條曲線在區(qū)間[a，b]上給定一個分割a = χ0<χ1<...<χη !<xn= b，該區(qū)間上的函數(shù)F(x)滿足:
[0012]1)在每一個小區(qū)間[Xi !, xj (i = 1,2,…，η)內(nèi)F(χ)分別是三次多項式函數(shù)；
[0013]2)在節(jié)點F(x)處成立F(k) (x「0) = F(k) (χ,+0)，k = 0，1，2，即小區(qū)間上的三次多項式函數(shù)在節(jié)點Xl處二階連續(xù)；
[0014]3)節(jié)點(X;，yj 滿足條件 y;= F(x ;) (i = 0，1，2，…，η)。
[0015]所述的積疊優(yōu)選為徑向積疊，進一步優(yōu)選為尾緣積疊。
[0016]本發(fā)明涉及上述壓氣機仿生學靜葉的實現(xiàn)方法，包括以下步驟:
[0017]1)步驟一、對壓氣機原型靜葉進行參數(shù)化建模，不同葉高截面的葉型采用中弧線加厚度分布的造型方式，保證前緣點和尾緣點都在中弧線上；
[0018]2)步驟二、對原型靜葉全葉高前緣進行造型，使前緣部位形成周期變化的波浪型曲線，其中:周期變化的波浪型曲線波幅為Α，波長為W ;所述的周期變化的波浪型曲線為三次樣條函數(shù)構(gòu)成的三次樣條曲線；
[0019]3)通過延長近前緣段的中弧線得到中弧線長為L+A的改型葉型，通過縮短近前緣段的中弧線得到中弧線長為L-A的改型葉型；根據(jù)改型葉型的中弧線長對改型葉型的前緣部位造型，使改型葉型的前緣部位形成周期變化的波浪型曲線，并且波幅和波長相對于中弧線長的比例與原型靜葉波幅和波長相對于原型靜葉中弧線長的比例相同；
[0020]4)按照不同的波長，把原型葉型以及兩種改型葉型按尾緣積疊的方式進行徑向積疊。
技術(shù)效果
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明根據(jù)座頭鯨鰭狀肢前緣結(jié)狀突起結(jié)構(gòu)的特點，結(jié)合局部幾何修改造型技術(shù)，在靜葉前緣應(yīng)用有一定波幅和波長的波浪型結(jié)狀突起，利用波浪型結(jié)狀突起低阻力的特性，控制靜葉吸力面的流動分離，從而提高葉片氣動性能。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明原型靜葉葉片示意圖；
[0023]圖2為本發(fā)明中周期變化的波浪型曲線示意圖；
[0024]圖3為本發(fā)明仿生學靜葉葉片示意圖；
[0025]圖4為本發(fā)明的垂直投影面示意圖；
[0026]圖中:徑向方向X、中弧線方向S、節(jié)距方向Υ、軸向方向Ζ、前緣LE、尾緣ΤΕ。
【具體實施方式】
[0027]下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
實施例1
[0028]本實施例壓氣機原型靜葉部分設(shè)計參數(shù)為:原型靜葉葉片弦長51mm，葉高51mm，安裝角16.9°，展弦比1，中弧線長53.2mm。
[0029]本實施例通過以下步驟實現(xiàn):
[0030]1)如圖1所示，對壓氣機原型靜葉進行參數(shù)化建模:如圖4所示，不同葉高截面的葉型采用中弧線加厚度分布的造型方式，保證前緣點和尾緣點都在中弧線上，其中:原型靜葉弦長c = 51_、中弧線長L = 53.2mm,全葉高H = 51mm ；
[0031]2)如圖2所示，對原型靜葉全葉高前緣進行造型，使前緣部位形成周期變化的波浪型曲線，其中:周期變化的波浪型曲線波幅優(yōu)選為3% L，波長為W優(yōu)選為20% c，即波幅為1.596mm、波長為10.2mm ;所述的周期變化的波浪型曲線為三次樣條函數(shù)構(gòu)成的三次樣條曲線，保證了曲線二階連續(xù)；
[0032]3)通過延長近前緣段的中弧線得到中弧線長為103% L的改型葉型，通過縮短近前緣段的中弧線得到中弧線長為97% L的改型葉型，即兩種改型葉型的中弧線長分別為57.796mm和51.604_ ;根據(jù)改型葉型的中弧線長對改型葉型的前緣部位造型，使改型葉型的前緣部位形成周期變化的波浪型曲線，中弧線長為57.796mm的改型葉型波幅為1.734臟、波長為10.2mm，中弧線長為51.604mm的改型葉型波幅為1.548mm、波長為10.2mm ；
[0033]4)按照不同的波長，把原型葉型以及兩種改型葉型按尾緣積疊的方式進行徑向積置。
[0034]如圖3所示，根據(jù)上述方法獲得的壓氣機仿生學靜葉。
[0035]所述的三次樣條曲線在區(qū)間[a，b]上給定一個分割a = χ0<χ1<...<χη !<xn= b，該區(qū)間上的函數(shù)F(x)滿足下列條件:
[0036](1)在每一個小區(qū)間[Xi !, xj (i = 1,2,…，η)內(nèi)F(χ)分別是三次多項式函數(shù)；
[0037](2)在節(jié)點F(x)處成立F(k) (x「0) = F(k) (Xl+0)，k = 0，1,2,即小區(qū)間上的三次多項式函數(shù)在節(jié)點Xl處二階連續(xù)；
[0038](3)節(jié)點(X;，yj 滿足條件 y;= F(x ;) (i = 0，1，2，…，η)。
[0039]就+8°攻角的來流情況而言，本發(fā)明的壓氣機仿生靜葉與原型靜葉相比:葉片的吸力面分離流動區(qū)域縮小，總壓損失系數(shù)減少了 4%。
【主權(quán)項】
1.一種基于座頭鯨鰭狀肢的壓氣機仿生學靜葉，其特征在于，包括依次積疊的三個葉型，其中:三個葉型的中弧線長為等差數(shù)列； 所述的三個葉型中，第一葉型和第三葉型的前緣部分的形狀為周期變化的波浪型曲線，所述的等差數(shù)列的差值為該波浪形曲線的波幅。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓氣機仿生學靜葉，其特征是，所述的波浪型曲線的波幅A范圍為1% L彡A彡3% L，波長W范圍為5% c ^ff ^ 25% c，其中:L為原型靜葉，即第二葉型的中弧線長；c為原型靜葉的弦長。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓氣機仿生學靜葉，其特征是，所述的波浪形曲線具體為:具有三次樣條函數(shù)構(gòu)成的三次樣條曲線，該三次樣條曲線在區(qū)間[a，b]上給定一個分割a = x0<x!<...<xn !<xn= b，該區(qū)間上的函數(shù)F(x)滿足: 1)在每一個小區(qū)間[Xi1.Xi] (i = 1，2，...，η)內(nèi)F(x)分別是三次多項式函數(shù)； 2)在節(jié)點F(x)處成立F(k)(x「0) = F(k) (Xl+0)，k = 0，1，2，即小區(qū)間上的三次多項式函數(shù)在節(jié)點Xi處二階連續(xù)； 3)節(jié)點(XpYi)滿足條件 y;= F(x ;) (i = 0，1，2，...，η)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓氣機仿生學靜葉，其特征是，所述的積疊為徑向積疊。5.一種實現(xiàn)上述任一權(quán)利要求所述壓氣機仿生學靜葉方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)步驟一、對壓氣機原型靜葉進行參數(shù)化建模，不同葉高截面的葉型采用中弧線加厚度分布的造型方式，保證前緣點和尾緣點都在中弧線上； 2)步驟二、對原型靜葉全葉高前緣進行造型，使前緣部位形成周期變化的波浪型曲線，其中:周期變化的波浪型曲線波幅為Α，波長為W;所述的周期變化的波浪型曲線為三次樣條函數(shù)構(gòu)成的三次樣條曲線； 3)通過延長近前緣段的中弧線得到中弧線長為L+A的改型葉型，通過縮短近前緣段的中弧線得到中弧線長為L-A的改型葉型；根據(jù)改型葉型的中弧線長對改型葉型的前緣部位造型，使改型葉型的前緣部位形成周期變化的波浪型曲線，并且波幅和波長相對于中弧線長的比例與原型靜葉波幅和波長相對于原型靜葉中弧線長的比例相同； 4)按照不同的波長，把原型葉型以及兩種改型葉型按尾緣積疊的方式進行徑向積疊。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，所述的原型靜葉弦長c與全葉高Η相等。
【專利摘要】一種航空發(fā)動機技術(shù)領(lǐng)域的基于座頭鯨鰭狀肢的壓氣機仿生學靜葉及其實現(xiàn)方法，該仿生學靜葉包括依次積疊的三個葉型，其中：三個葉型的中弧線長為等差數(shù)列；第一葉型和第三葉型的前緣部分的形狀為周期變化的波浪型曲線，所述的等差數(shù)列的差值為該波浪形曲線的波幅。本發(fā)明利用局部幾何修改造型技術(shù)，在靜葉前緣應(yīng)用有降低阻力的一定波幅和波長的波浪型曲線，控制靜葉吸力面的流動分離，從而提高葉片氣動性能。
【IPC分類】F04D29/54, G06F19/00
【公開號】CN105298924
【申請?zhí)枴緾N201510697538
【發(fā)明人】鄭覃, 朱銘敏, 羌曉青, 滕金芳
【申請人】上海交通大學
【公開日】2016年2月3日
【申請日】2015年10月23日