改進(jìn)型壓氣機葉片及其實現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種壓氣機領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種降低損失的改進(jìn)型壓氣機葉片及其實現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代航空發(fā)動機要求壓氣機具有更高的氣動負(fù)荷和更少的級數(shù)。在壓氣機設(shè)計過程中，葉片氣動負(fù)荷的提高往往伴隨著壓氣機損失提高，而且壓氣機的二次流動現(xiàn)象(如葉頂泄漏流動)會造成局部區(qū)域的損失增大。過大的損失會大幅降低壓氣機性能，造成十分不利的后果。因此，降低損失是研制高性能燃?xì)廨啓C過程中的重要任務(wù)。
[0003]在壓氣機設(shè)計中降低損失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，被動控制技術(shù)設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，也容易在航空發(fā)動機上實現(xiàn)，因此被動控制技術(shù)得以在壓氣機設(shè)計中被廣泛應(yīng)用。在諸多被動控制技術(shù)中，葉片改型時一種有效的流動控制技術(shù)，包括彎掠葉片造型、局部幾何修改等方面，其易于實現(xiàn)，可靠性也較高，已被廣泛應(yīng)用于壓氣機設(shè)計。
[0004]葉片改型被動流動控制技術(shù)可以結(jié)合仿生學(xué)原理。海洋生物座頭鯨的鰭狀肢具有高度的機動性和良好的水動力特性，主要歸因于前緣的圓齒型結(jié)狀突起。結(jié)狀突起可以應(yīng)用于壓氣機動葉前緣頂部區(qū)域，從而形成一種新型的仿生動葉，能夠?qū)尤~頂部區(qū)域有葉頂泄漏流動造成的流動損失較大的情況，起到改善作用。
[0005]經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻(xiàn)CN104612758A，公開日為2015年5月13日，公開了一種低損失的低壓渦輪葉片，其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(jìn)行波浪形切割使前緣部分形成多個鋸齒，并對原有低壓渦輪葉片進(jìn)行3%軸向弦長的加長，以彌補切割后葉形做功能力的下降，該延長通過在葉片狐仙前緣點沿中弧線方向進(jìn)行，其提供低損失的低壓渦輪葉片是對原有的低壓渦輪葉片前緣進(jìn)行餓了改進(jìn)，目的是在原有抑制二維流動區(qū)分離的同時降低高Re狀態(tài)波浪形前緣造成的額外損失，提高這種被動控制方案的適用范圍，并使這種控制方案可以對端區(qū)三維分離進(jìn)行有效的控制。但該裝置僅在低壓渦輪環(huán)境中考慮了損失問題，無法解決壓氣機動葉環(huán)境下的情況，而且該裝置僅研究了圓形渦輪葉片的弦長沿葉高保持不變的情況，對不同葉高的葉片現(xiàn)場不一樣的情況未做闡述。
[0006]中國專利文獻(xiàn)CN202391808U，公開日為2012年8月22日，公開了一種低噪音軸流風(fēng)輪，包括設(shè)置在輪轂上的多個葉片，多個葉片以風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)中心軸線為中心等間距或者不等間距的分布于輪轂上，其特征在于葉片前緣中間段的形狀為平滑的波浪形空間曲線。但該裝置僅在軸流風(fēng)輪環(huán)境中考慮了噪音問題，沒有解決壓氣機動葉環(huán)境下的損失問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種改進(jìn)型壓氣機葉片及其實現(xiàn)方法，將仿生學(xué)原理和葉片改型被動流動控制技術(shù)相結(jié)合，通過在壓氣機動葉前緣頂部區(qū)域應(yīng)用仿生學(xué)結(jié)狀突起結(jié)構(gòu)，從而顯著降低流動損失，滿足葉輪機械高性能的發(fā)展要求。
[0008]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0009]本發(fā)明涉及一種改進(jìn)型壓氣機葉片，包括:前緣和尾緣，其中:前緣頂部設(shè)有波浪形結(jié)狀突起結(jié)構(gòu)，所述波浪形結(jié)狀突起結(jié)構(gòu)的曲線形式為三次樣條曲線，其各個波峰和波谷的幅值不同。
[0010]所述的三次樣條曲線，通過以下方式得到: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)，即三次樣條曲線滿足下列條件:在每個小區(qū)間[Xi 1，Xi] (i = 1, 2,..., η)內(nèi)F(x)分別是三次多項式函數(shù)；在節(jié)點Xi (i = 1, 2,..., η)處，F(xiàn)(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)；節(jié)點(Xi, id 滿足條件 yi= F(X i) (i = 1，2，...，η)。
[0011]所述的前緣高為Η，波浪形結(jié)狀突起結(jié)構(gòu)設(shè)置于前緣頂部0.76Η?Η范圍內(nèi)。
[0012]所述的波浪形結(jié)狀突起結(jié)構(gòu)的曲線上波峰或波谷處的波幅為Α，該位置所對應(yīng)的基準(zhǔn)中弧線長為L，其中0〈Α ^ 0.05L。
[0013]所述的波浪形結(jié)狀突起結(jié)構(gòu)的曲線波長為W，其中0〈W彡0.1H。
[0014]本發(fā)明涉及上述改進(jìn)型壓氣機葉片的實現(xiàn)方法，包括以下步驟:
[0015]1)對原型動葉進(jìn)行參數(shù)化建模，確定葉片徑向積疊的方式為尾緣積疊，即保證仿生動葉的尾緣的曲線與原型動葉保持不變；
[0016]2)以原型動葉的中弧線作為基準(zhǔn)中弧線，根據(jù)中弧線定義:與葉型的壓力面弧線和吸力面弧線相切的公切圓圓心軌跡，得到原型動葉不同葉高截面葉型的基準(zhǔn)中弧線，計算得到基準(zhǔn)中弧線長為L，L的大小隨前緣葉高Η的變化而變化；
[0017]3)在動葉頂部區(qū)域的前緣位置引入波浪形結(jié)狀突起結(jié)構(gòu)，即在指定的葉高范圍內(nèi)，選取前緣上所有波浪型結(jié)狀突起結(jié)構(gòu)的波峰點、波谷點和弦長不變點作為節(jié)點，采用三次樣條曲線將這些點相連，保證動葉在該葉高范圍內(nèi)的前緣點連線二階連續(xù)，即其曲率是連續(xù)的；
[0018]4)所述波浪形結(jié)狀突起的曲線由波幅Α和波長W決定，波幅大小以基準(zhǔn)中弧線L的百分比來衡量，波長大小以原型動葉前緣基準(zhǔn)線和兩條端壁型線交點的徑向距離，即前緣葉高Η的百分比來衡量；
[0019]5)根據(jù)步驟4)中的波幅，延長波峰處近前緣段的基準(zhǔn)中弧線得到中弧線長為(L+A)的改型葉型，縮短波谷處近前緣段的基準(zhǔn)中弧線得到中弧線長為(L-A)的改型葉型；
[0020]6)根據(jù)步驟4)中的波長，確定各個波峰處和波谷處所在葉高位置的基準(zhǔn)中弧線長，通過延長波峰處近前緣段的基準(zhǔn)中弧線以及縮短波谷處近前緣段的基準(zhǔn)中弧線的方式得到改型葉型，按步驟1)中確定的積疊方式對不同葉高的葉型進(jìn)行徑向積疊，得到仿生動葉。
[0021]所述的步驟5)中，不同的波峰和波谷位置的基準(zhǔn)中弧線長L不相同。
技術(shù)效果
[0022]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)狀突起的結(jié)構(gòu)特點，在動葉前緣頂部區(qū)域設(shè)置一定波幅和波長的波浪形結(jié)狀突起結(jié)構(gòu)，利用其低阻特性，減少了葉片頂部區(qū)域的流動損失。
【附圖說明】
[0023]圖1為原型動葉不意圖；
[0024]圖2為仿生動葉不意圖；
[0025]圖3為仿生動葉子午面不意圖；
[0026]圖4為仿生動葉徑向波峰處截面示意圖；
[0027]圖中:1前緣；2尾緣；3葉頂；4葉根；5波浪形結(jié)狀突起結(jié)構(gòu)；6機匣；7車轂；8基準(zhǔn)中弧線。
【具體實施方式】
[0028]下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。
實施例1
[0029]本實施例通過以下方式實現(xiàn)改進(jìn)型壓氣機葉片:
[0030]1)對如圖1所示的原型動葉進(jìn)行參數(shù)化建模，所述原型動葉包括:前緣1、尾緣2、葉頂3和葉根4，確定葉片徑向積疊的方式為尾緣積疊，即保證仿生動葉的尾緣2的曲線與原型動葉保持不變；
[0031]2)根據(jù)中弧線定義:與葉型的壓力面弧線和吸力面弧線相切