專利名稱：一種具有波狀表面的葉型設(shè)計方法
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)計方法，屬于機械裝置及運輸技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景
為提高葉輪機械性能，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。針對外流機翼和內(nèi)流葉輪機葉 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，達到了使柱體減阻和減振的目的。另一 方面，有鱗魚類游進阻力很小，其身體表面由于覆蓋鱗片而事實上已經(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)，對機翼和葉輪機葉型也采用波狀表面處理，以達到 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，從而提升機翼、葉輪機葉片繼 而飛機及其渦輪噴氣動力、地面與艦船能源動力、流體機械等性能。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為降低飛機機翼、葉輪機葉片流動阻力，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)計方法。
為了達到上述目的，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、多項式等，厚度分布有NACA系列等；并通過數(shù)值仿真或?qū)嶒灧椒?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)計的原始葉型線上，波谷則根據(jù)實際葉片厚度和 結(jié)構(gòu)強度確定，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)計的波紋段進行校核，優(yōu)選波狀段處理的位 置、弦向?qū)挾?、波形、波幅和波長，并最終以試驗驗證定型。
本發(fā)明步驟1至步驟3所述的方法不僅適用于葉輪機葉片，同樣適用于飛機的機 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理，在葉片表面進行波狀處 理實現(xiàn)被動流動控制；所設(shè)計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)計方法簡單、靈活、實用，特別適用于航空、航天、航海及工業(yè) 能源動力領(lǐng)域的葉輪機及機翼設(shè)計。


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。
具體實施方式
為了更好地說明本發(fā)明的目的和優(yōu)點，下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明內(nèi)容作進一步說明。
本實施例根據(jù)發(fā)明內(nèi)容所述方法對一軸流壓氣機葉片葉型(NACA65葉型)進行重 新設(shè)計，并用數(shù)值方法驗證其作用效果。本實施例有關(guān)氣動參數(shù)如下進口總壓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點的距離的常數(shù)，并根據(jù)實際葉 片厚度和結(jié)構(gòu)強度的要求，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行二維數(shù)值模擬優(yōu)化，以驗證設(shè)計結(jié)果。
優(yōu)化長λ、波幅a、波狀軸向?qū)挾萣等參數(shù)范圍時需考慮實際葉片幾何尺寸、加工 難度、強度等因素，并按上述優(yōu)化參數(shù)進行波狀表面去除加工處理，得到具有波狀表面的葉 輪機葉片。
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點的距離的多階次連續(xù)的多項式函數(shù)。
對本實施例具有波狀表面葉型的壓氣機葉輪和原始葉型的壓氣機葉輪分別進行 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)方案和有益效果進行了進一步詳細說 明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例，用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本 發(fā)明的保護范圍，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、改進等，均應(yīng) 包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有波狀表面的葉型設(shè)計方法，其特征在于具體實現(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)計原始葉型；并通過數(shù)值仿真或?qū)嶒灧?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)計的波紋段進行校核，優(yōu)選波狀段處理的位置、 弦向?qū)挾?、波形、波幅和波長，并最終以試驗驗證定型。
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)計的原始葉型線上，波谷則根據(jù)實際葉片厚度和結(jié)構(gòu)強度確 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葉片，同樣適用于飛機的機翼和旋翼，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)計方法，屬于機械裝置及運輸技術(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理，在葉片表面進行波狀處理實現(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的長度共同組成進行波狀處理的波狀段弦向?qū)挾龋徊钐幚淼牟ㄐ慰蔀槿我庑问降墓饣ㄐ?，波狀處理的波峰在原始葉型線上，波谷則根據(jù)實際葉片厚度和結(jié)構(gòu)強度確定。所設(shè)計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)計方法簡單、靈活、實用，特別適用于航空、航天、航海及工業(yè)能源動力領(lǐng)域的葉輪機及機翼設(shè)計。
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)