CN102032213A - 一种端区叶片前缘仿生处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种端区叶片前缘仿生处理方法，属于能源动力领域。本方法将仿生学与控制马蹄涡、抑制附面层发展和降低损失的原理相结合，把具有流线型身体的海洋动物(如海豚、鲸等)，尤其是将海豚头部流线型可以有效地减小前进时的阻力、降低损失的特点应用于叶轮机械叶片的前缘处理中；即在端壁区前缘添加海豚头部尖区形状结构，获得低损失、高性能叶片，以有效改善叶轮机气动性能，提高整机效率。本发明不仅可广泛适用于航空、航天、航海及工业能源动力领域的叶轮机中，同样适用于处在流动中的两固壁交汇区域。
Description
技术领域
本发明涉及一种端区叶片前缘仿生处理方法，属于能源动力领域。
背景技术
随叶轮机械向着高负荷、高效率发展的趋势，二次流损失在叶片通道总损失中所占的比例越来越大，且又因其强烈依赖于叶栅几何形状等特点而备受关注，各种二次流控制技术也迅速发展起来，其中叶片端壁区前缘改型技术在近几年得到了比较大的关注。叶片前缘改型技术通过改变端壁区叶片前缘的形状，改变和控制前缘马蹄涡的发展，进而影响二次流的发展，国外对此进行了一定研究。现有技术的叶轮机原始常规叶片如图1所示，其端部与端壁接触面处常规接触，其前缘处理技术，均是采用带状或球状等结构，类似结构在一定程度上控制了马蹄涡的发展。
近年来，仿生方法在航空航天领域又受到更广泛关注，但将其应用叶片设计上的研究并不多见，本发明将仿生学原理应用于叶片前缘处理，提出一种叶片前缘仿生处理方法。
发明内容
本发明目的是为适应高性能叶轮机械发展的要求，通过前缘仿生处理，提供一种降低损失、改善叶轮机气动性能的端区叶片前缘仿生处理方法。
本发明方法将仿生学与控制马蹄涡、抑制附面层发展和降低损失的原理相结合，把具有流线型身体的海洋动物(如海豚、鲸等)，尤其是将海豚头部流线型可以有效地减小前进时的阻力、降低损失的特点应用于叶轮机械叶片的前缘处理中。其具体实现方案如下：
步骤1，根据实际需求，采用常规方法进行叶轮机原始叶片设计：由径(展)向不同位置处叶型沿设计者确定的积叠线积叠而成，其中叶型由中弧线叠加厚度形成，前缘是与叶表相切的椭圆形，其中心在叶型中弧线上；
步骤2，在步骤1基础上，采用理论估算或数值模拟方法确定来流端壁附面层厚度δ，并选定实施近端壁区向前探伸前缘的区域，即前缘处理结构范围：前缘处理结构高度h满足10δ＞h＞0.5δ；前缘在根部前伸长度L满足100δ＞L＞0.1δ；
步骤3，根据步骤2得到的前缘处理结构范围，去除原始叶片一端的端壁型线前缘线，将通用的海豚头部嘴形结构型线移至此前缘；保持叶型前缘的前伸长度L不变，根据原始叶片去除前缘线后的叶型前缘展向宽度，按比例调整海豚嘴型线的展向尺寸，使其展向两个端点分别与去除前缘线后的叶型前缘两端点完好接合，即生成处理后叶片一端的海豚嘴端壁型线；
步骤4，将步骤3调整后的端壁海豚嘴型线按一定的比例因子α进行缩小；对于不同高度处的叶型，该比例因子可以不同，且满足0≤α＜1。将其移至原始叶片近端壁型线前缘处，使其与去除前缘线后的叶型近端壁前缘两端点完好接合，去除中间多余的近端壁前缘线段，可得处理后叶片的近端壁型线；
步骤5，采用与步骤4相同的方法可得到相邻高度处的叶片型线，依次类推，在前缘处理结构高度h处，海豚嘴型线缩小至0，叶片型线转化为原始型线，前缘处理结构高度h处即为前缘处理结构的最高点；
步骤2到步骤5得到的所有处理后的海豚嘴前缘型线构成了叶片前缘处理结构的外包络面；
步骤6，将步骤5生成的前缘处理结构外包络面与原始叶片接触处进行光滑过渡曲线或曲面连接，完成对叶片一端的前缘处理；
步骤7，对步骤1得到的原始叶片的另一端，采用如步骤3-步骤6所述的方法进行同样处理，即得到了经前缘处理后的海豚型线叶轮机叶片形状。
本发明步骤1至步骤7所述的方法不仅适用于叶轮机叶片，同样适用于处在流动中的两固壁交汇区域。
有益效果
与现有技术相比，本发明优点在于：
本发明则根据海豚头部流线型特点进行叶片前缘处理，即在端壁区前缘添加海豚头部尖区形状结构，可很大限度地利用其低阻力、低损失的特点，获得低损失、高性能叶片，以有效改善叶轮机气动性能，提高整机效率。本发明可广泛适用于航空、航天、航海及工业能源动力领域的叶轮机中。
附图说明
图1为未经处理的叶轮机原始叶片示意图；
图2为本发明中用于前缘处理的海豚型线示意图，其中(a)为海豚型线整体示意图，(b)为海豚嘴型线的局部放大图；
图3为本发明的经前缘仿生处理的叶轮机叶片；
图4为本发明的叶片前缘处理结构局部放大图；
图5为具体实施方式中经过前缘处理后的用于数值模拟的叶片模型；
图6为实施例的数值仿真结果。
标号说明：
1-叶片端区前缘，2-前缘仿生处理后的叶片，3-流道。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对发明内容作进一步说明。
本实施例根据发明内容所述方法对一轴流压气机叶片(NACA65叶型)进行重新设计，并用数值模拟的方法验证其作用效果。本实施例有关气动参数如下：进口总压103379Pa，来流马赫数0.2，出口静压101325Pa。
本实施例的具体实施过程如下：
步骤1，根据原始叶型数据、叶栅的几何参数和气动参数给出原始压气机叶片形态，如图1所示；
步骤2，在步骤1基础上，本实施例采用数值模拟方法确定来流端壁进口附面层厚度δ＝20mm，并选定实施前缘近端壁区1向前探伸前缘的区域，即前缘处理结构范围：前缘处理结构高度h＝δ＝20mm；前缘在根部前伸长度L＝δ＝20mm；
步骤3，根据步骤2得到的前缘处理结构范围，去除原始叶片一端的端壁型线前缘线，将图2(b)所示的海豚头部嘴形结构型线移至此前缘；保持叶型前缘的前伸长度L不变，根据原始叶片去除前缘线后的叶型前缘展向宽度，调整海豚嘴型线的展向尺寸，使其展向两个端点分别与去除前缘线后的叶型前缘两端点完好接合，即生成处理后叶片一端的海豚嘴端壁型线；
步骤4，将步骤3调整后的端壁海豚嘴型线按原始叶片近端壁型线较端壁型线缩小的比例因子α＝0.9进行缩小，并将其移至原始叶片近端壁型线前缘处，使其与去除前缘线后的叶型近端壁前缘两端点完好接合，去除中间多余的近端壁前缘线段，可得处理后叶片的近端壁型线；
步骤5，本实施例采用与步骤4相同的方法可得到相邻高度处不同比例因子(α＝0.8、0.7、...、0.1)的叶片型线，在前缘处理结构高度h处，海豚嘴型线缩小至0，叶片型线转化为原始型线，前缘处理结构高度h处即为前缘处理结构的最高点，如图4所示；
步骤2到步骤5得到的十条处理后的海豚嘴前缘型线构成了叶片前缘处理结构的外包络面；
步骤6，将步骤5生成的前缘处理结构外包络面与原始叶片接触处进行光滑过渡曲线或曲面连接，完成对叶片一端的前缘处理，如图3所示；
步骤7，对步骤1得到的原始叶片的另一端，采用如步骤3-步骤6所述的方法进行同样处理，即得到了经前缘处理后的海豚型线叶轮机叶片形状。
根据本实施例的前缘仿生处理后的叶片2的设计方法建立用于数值模拟的叶片模型，如图5所示。
对图5中前缘改型后的压气机叶轮进行三维CFD数值模拟，并与改型前的原始叶片的三维CFD数值模拟结果进行对比，如图6所示数值模拟结果表明，经过前缘仿生处理后，叶栅出口截面端壁附近高损失较原始叶片明显减小，致使总损失降低，叶栅气动性能得到了改善。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种端区叶片前缘仿生处理方法，其特征在于：将仿生学与控制马蹄涡、抑制附面层发展和降低损失的原理相结合，把具有流线型身体的海洋动物，尤其是将海豚头部流线型可以有效地减小前进时的阻力、降低损失的特点应用于叶轮机械叶片的前缘处理中；其具体实现方案如下：
步骤1，根据实际需求，采用常规方法进行叶轮机原始叶片设计：
步骤2，在步骤1基础上，采用理论估算或数值模拟方法确定来流端壁附面层厚度δ，并选定实施近端壁区向前探伸前缘的前缘处理结构范围：前缘处理结构高度h满足10δ＞h＞0.5δ；前缘在根部前伸长度L满足100δ＞L＞0.1δ；
步骤3，根据步骤2得到的前缘处理结构范围，去除原始叶片一端的端壁型线前缘线，将通用的海豚头部嘴形结构型线移至此前缘；保持叶型前缘的前伸长度L不变，根据原始叶片去除前缘线后的叶型前缘展向宽度，按比例调整海豚嘴型线的展向尺寸，使其展向两个端点分别与去除前缘线后的叶型前缘两端点完好接合，生成处理后叶片一端的海豚嘴端壁型线；
步骤4，将步骤3调整后的端壁海豚嘴型线按一定的比例因子α进行缩小，并将其移至原始叶片近端壁型线前缘处，使其与去除前缘线后的叶型近端壁前缘两端点完好接合，去除中间多余的近端壁前缘线段，可得处理后叶片的近端壁型线；
步骤5，采用与步骤4相同的方法可得到相邻高度处的叶片型线，依次类推，在前缘处理结构高度h处，海豚嘴型线缩小至0，叶片型线转化为原始型线，前缘处理结构高度h处即为前缘处理结构的最高点；
步骤2到步骤5得到的所有处理后的海豚嘴前缘型线构成了叶片前缘处理结构的外包络面；
步骤6，将步骤5生成的前缘处理结构外包络面与原始叶片接触处进行光滑过渡曲线或曲面连接，完成对叶片一端的前缘处理；
步骤7，对步骤1得到的原始叶片的另一端，采用如步骤3-步骤6所述的方法进行同样处理，即得到了经前缘处理后的海豚型线叶轮机叶片形状。
2.根据权利要求1所述的一种端区叶片前缘仿生处理方法，其特征在于：步骤4所述的比例因子对于不同高度处的叶型可以不同，且满足0≤α＜1。
3.根据权利要求1所述的一种端区叶片前缘仿生处理方法，其特征在于：步骤1至步骤7所述的方法不仅适用于叶轮机叶片，同样适用于处在流动中的两固壁交汇区域。
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