CN110701100A - 一种具有波浪前缘和锯齿尾缘的叶片设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有波浪前缘和锯齿尾缘的叶片设计方法，主要包括以下步骤：S1、确定基准线；S2、生成波浪形前缘线；S3、波浪前缘的叶片成型；S4、生成锯齿形尾缘线；S5、叶片生成。本发明通过对基础叶片前、尾缘的变形设计，改变了现有叶片的型线和叶片表面压力波间的相位差，达到了降低叶片绕流噪声效果。本发明通过对叶片的前、尾缘分别采用正弦线和锯齿线的设计方法及参数化设计，使流动诱导噪声得改善，达到降低噪声的目的。

Description

一种具有波浪前缘和锯齿尾缘的叶片设计方法
技术领域
本发明涉及一种叶片设计方法，尤其是一种具有波浪前缘和锯齿尾缘的叶片设计方法。
背景技术
噪声是三大污染源之一，不仅影响工作环境，而且对装置产生破坏。长期生活在噪声环境中不仅会影响人的听觉神经，还会引发其他疾病；另外，对于比重较大的介质而言，声波在其内部传播不易衰减，容易诱导结构发生振动，引起结构疲劳。
叶片是流体机械中重要的元件，也是流动诱导噪声中主要的噪声源。如图1所示，现有的基础叶片主要由多个叶片型线5积叠而成，主要结构包括叶根4，叶顶3，叶片前缘1和叶片尾缘2，L为展长，叶根4的长度C为叶片弦长。为了降低流体叶片绕流产生噪声，研究人员提出了叶片穿孔，尾缘锯齿及吸声材料等降噪技术。与普通叶片相比，尾缘锯齿形叶片可以有效改善大攻角下的叶片辐射噪声，但在小攻角时，噪声抑制效果变弱，有时甚至增大。
发明内容
本发明的目的是提供可生成在小攻角时达到降低噪声效果的具有波浪前缘和锯齿尾缘的叶片设计方法。
本发明解决现有技术问题所采用的技术方案：一种具有波浪前缘和锯齿尾缘的叶片设计方法，包括由多个形状相同的叶片型线积叠而成的基础叶片，包括以下步骤：
S1、确定基准线：在基础叶片上确定基准线，所述基准线包括前缘基准线和尾缘基准线，前缘基准线为多个叶片型线的前端顶点的连线，尾缘基准线为多个叶片型线的末端终点的连线；
S2、生成波浪形前缘线：沿前缘基准线在叶片前缘上生成正弦线作为波浪形前缘线，所述正弦线的凹点和凸点分别记为前缘凹点和前缘凸点，波浪形前缘线的生成方法为：在叶根的前缘处设置波浪形前缘线的第一个前缘凹点，并以第一个前缘凹点为坐标原点，以叶片前缘指向叶片尾缘的水平线作为X轴，以叶根前缘指向叶顶前缘的垂直线作为Y轴建立平面直角坐标系，确定波浪形前缘线的方程：
λ＝L/n,n∈N+
其中，x为组成波浪形前缘线的点(x，y)的横坐标值，y为组成波浪形前缘线的点(x，y)的纵坐标值；A为波浪前缘幅值，即相邻的前缘凸点和前缘凹点沿X轴方向的距离；L为叶片的展长；λ为相邻的两个前缘凸点或前缘凹点沿Y轴方向的距离；n为前缘凸点的个数；
S3、波浪前缘的叶片成型：通过波浪形前缘线上各点位置沿X轴方向找到尾缘基准线上所对应的基础叶片的尾缘点，生成具有波浪前缘的叶片型线，并使所生成的叶片型线与基础叶片的叶片型线在下游部分保持叶型重合，所生成的叶片型线在上游部分沿正弦线的凸起方向弦向放大，使放大后的叶片型线的前缘凹点处于前缘基准线上，前缘凸点向前远离前缘基准线；再以具有波浪前缘的叶片型线为截面，以波浪形前缘线为引导线完成波浪前缘的叶片成型，得到具有波浪前缘的叶片；所述下游部分为从叶片的最大厚度处至叶片尾缘的部分，上游部分为从叶片的最大厚度处至叶片前缘的部分；
S4、生成锯齿形尾缘线：沿尾缘基准线在叶片尾缘上生成锯齿线作为尾缘线，所述锯齿线的凸点和凹点分别记为尾缘凸点和尾缘凹点，锯齿线的生成方法为：在叶根的尾缘处设置锯齿形尾缘线的第一个尾缘凸点，并以该尾缘凸点为坐标原点，以前缘指向尾缘的水平线作为X′轴，以叶根尾缘指向叶顶尾缘的垂直线作为Y′轴建立平面直角坐标系，确定锯齿形尾缘线的方程：
Figure BDA0002260201530000031
y′∈[(i-1)d/2,id/2],i＝(1,2,3...,2L/d)
d＝L/m,m∈N+
其中，x′为组成锯齿形尾缘线的点(x′，y′)的横坐标值，y′为组成锯齿形尾缘线的点(x′，y′)的纵坐标值；H为齿高，即相邻的尾缘凸点和尾缘凹点沿X′轴方向的距离，d为相邻两个尾缘凸点或尾缘凹点沿Y′轴方向的距离，L为叶片的展长，m为尾缘凸点的个数；
S5、叶片生成：垂直于前缘基准线和尾缘基准线所在平面沿锯齿形尾缘线切开所述具有波浪前缘的叶片，即得到具有波浪前缘和锯齿尾缘的叶片。
波浪前缘幅值A为叶片弦长的5～20％。
齿高H为叶片弦长的4～20％。
叶片的展长L与叶片弦长C的比值范围为0.5～3。
本发明的有益效果在于：本发明通过对基础叶片前、尾缘的变形设计，改变了现有叶片的型线和叶片表面压力波间的相位差，达到了降低叶片绕流噪声效果。本发明通过对叶片的前、尾缘分别采用正弦线和锯齿线的设计方法及参数化设计，使流动诱导噪声得改善，达到降低噪声目的。
附图说明
图1为基础叶片结构示意图。
图2为基础叶片的叶片型线前缘放大图。
图3为基础叶片的叶片型线尾缘放大图。
图4为本发明的叶片的结构示意图。
图5为本发明中波浪前缘的叶片的成型图。
图6为本发明生成的叶片型线生成状态图。
图7为本发明得到的叶片结构图。
图8为本发明得到的叶片与传统叶片的噪声对比结果图。
图中：1-叶片前缘、2-叶片尾缘、3-叶顶、4-叶根、5-基础叶片的叶片型线、6-前缘基准线、7-尾缘基准线、8-波浪形前缘线、9-锯齿形尾缘线、10-前缘凸点、11-前缘凹点、12-第一个前缘凹点、13-尾缘凸点、14-尾缘凹点、15-第一个尾缘凸点、16-本发明的叶片型线、17-叶片型线的最大厚度、18-叶片型线的下游部分、19-叶片型线的上游部分。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行说明：
一种具有波浪前缘和锯齿尾缘的叶片设计方法，包括由多个形状相同的叶片型线5积叠而成的基础叶片(如图1所示)，图2-3示出了基础叶片的叶片型线5的前缘和尾缘的放大图。本发明优选叶片的展长L与叶片弦长C的比值范围为0.5～3。在基础叶片的型线基础上，按照以下步骤设计本发明的叶片：
S1、确定基准线：在基础叶片上确定前缘基准线6和尾缘基准线7，即如图2-3所示，前缘基准线6为多个叶片型线5的前端顶点的连线，尾缘基准线7为多个叶片型线5的末端终点的连线。
S2、生成波浪形前缘线8：沿前缘基准线6在叶片前缘1上生成如图4-5所示的正弦线作为波浪形前缘线8，正弦线的凹点和凸点分别记为前缘凹点11和前缘凸点10，波浪形前缘线8具体生成方法为：在叶根4的前缘处设置波浪形前缘线8的第一个前缘凹点12，并以该前缘凹点12为坐标原点，以叶片前缘1指向叶片尾缘2的水平线作为X轴，以叶根4前缘指向叶顶3前缘的垂直线作为Y轴建立平面直角坐标系，确定波浪形前缘线8的方程：
Figure BDA0002260201530000051
λ＝L/n,n∈N+
其中，x为组成波浪形前缘线8的点(x，y)的横坐标值，y为组成波浪形前缘线8的点(x，y)的纵坐标值；A为波浪前缘幅值，即相邻的前缘凸点10和前缘凹点11沿X轴方向的距离。优选波浪前缘幅值A为叶片弦长的5～20％；L为叶片的展长；λ为相邻的两个前缘凸点10或前缘凹点11沿Y轴方向的距离；n为前缘凸点10的个数。
S3、波浪前缘的叶片成型：通过波浪形前缘线8上各点位置沿X轴方向找到尾缘基准线7上所对应的基础叶片的尾缘点，生成如图5所示的具有波浪前缘的叶片型线16。并使生成的叶片型线16与基础叶片的叶片型线5在下游部分18保持叶型重合(如图6所示)，所生成的叶片型线16在上游部分19沿正弦线的凸起方向弦向放大，使放大后的叶片型线16的前缘凹点11处于前缘基准线6上，前缘凸点10向前远离前缘基准线6；再以具有波浪前缘的叶片型线16为截面，以波浪形前缘线8为引导线完成波浪前缘的叶片成型，即得到具有波浪前缘的叶片(如图5所示)；其中，如图6所示下游部分18为从叶片的最大厚度处17至叶片尾缘的部分，上游部分19为从叶片的最大厚度处17至叶片前缘的部分；
S4、生成锯齿形尾缘线9：在波浪前缘叶片成型的基础上，沿尾缘基准线7在叶片尾缘2上生成如图7所示的锯齿线作为尾缘线，锯齿线的凸点和凹点分别记为尾缘凸点13和尾缘凹点14，锯齿线的生成方法为：在叶根4的尾缘处设置锯齿形尾缘线9的第一个尾缘凸点15，并以该尾缘凸点15为坐标原点，以叶片前缘1指向叶片尾缘2的水平线作为X′轴，以叶根4尾缘指向叶顶3尾缘的垂直线作为Y′轴建立平面直角坐标系，确定锯齿形尾缘线9的方程：
Figure BDA0002260201530000061
y′∈[(i-1)d/2,id/2],i＝(1,2,3...,2L/d)
d＝L/m,m∈N+
其中，x′为组成锯齿形尾缘线9的点(x′，y′)的横坐标值，y′为组成锯齿形尾缘线9的点(x′，y′)的纵坐标值；H为齿高，即相邻的尾缘凸点13和尾缘凹点14沿X′轴方向的距离，优选齿高H为叶片弦长的4～20％，d为相邻两个尾缘凸点13或尾缘凹点14沿Y′轴方向的距离，L为叶片的展长；m为尾缘凸点13的个数。
优选尾缘凹点14处的夹角为θ，其中θ＝2arctan(d/2H)。
S5、叶片生成：垂直于前缘基准线6和尾缘基准线7所在平面沿锯齿形尾缘线9切开步骤S3得到的具有波浪前缘的叶片，即得到如图7所示的具有波浪前缘和锯齿尾缘的叶片。
本发明专利针对基础叶片进行前尾缘结构改型，使得叶片可以达到降噪效果，图8为本发明专利设计的叶片与基础叶片的噪声对比结果图，沿着叶片弦向方向一周取36个点进行对比，通过对比发现，本发明所提出的具有波浪前缘和锯齿尾缘的叶片能够明显降低叶片的绕流噪声。
以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种具有波浪前缘和锯齿尾缘的叶片设计方法，包括由多个形状相同的叶片型线积叠而成的基础叶片，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定基准线：在基础叶片上确定基准线，所述基准线包括前缘基准线和尾缘基准线，前缘基准线为多个叶片型线的前端顶点的连线，尾缘基准线为多个叶片型线的末端终点的连线；
S2、生成波浪形前缘线：沿前缘基准线在叶片前缘上生成正弦线作为波浪形前缘线，所述正弦线的凹点和凸点分别记为前缘凹点和前缘凸点，波浪形前缘线的生成方法为：在叶根的前缘处设置波浪形前缘线的第一个前缘凹点，并以第一个前缘凹点为坐标原点，以叶片前缘指向叶片尾缘的水平线作为X轴，以叶根前缘指向叶顶前缘的垂直线作为Y轴建立平面直角坐标系，确定波浪形前缘线的方程：
Figure FDA0002260201520000011
λ＝L/n,n∈N+
其中，x为组成波浪形前缘线的点(x，y)的横坐标值，y为组成波浪形前缘线的点(x，y)的纵坐标值；A为波浪前缘幅值，即相邻的前缘凸点和前缘凹点沿X轴方向的距离；L为叶片的展长；λ为相邻的两个前缘凸点或前缘凹点沿Y轴方向的距离；n为前缘凸点的个数；
S3、波浪前缘的叶片成型：通过波浪形前缘线上各点位置沿X轴方向找到尾缘基准线上所对应的基础叶片的尾缘点，生成具有波浪前缘的叶片型线，并使所生成的叶片型线与基础叶片的叶片型线在下游部分保持叶型重合，所生成的叶片型线在上游部分沿正弦线的凸起方向弦向放大，使放大后的叶片型线的前缘凹点处于前缘基准线上，前缘凸点向前远离前缘基准线；再以具有波浪前缘的叶片型线为截面，以波浪形前缘线为引导线完成波浪前缘的叶片成型，得到具有波浪前缘的叶片；所述下游部分为从叶片的最大厚度处至叶片尾缘的部分，上游部分为从叶片的最大厚度处至叶片前缘的部分；
S4、生成锯齿形尾缘线：沿尾缘基准线在叶片尾缘上生成锯齿线作为尾缘线，所述锯齿线的凸点和凹点分别记为尾缘凸点和尾缘凹点，锯齿线的生成方法为：在叶根的尾缘处设置锯齿形尾缘线的第一个尾缘凸点，并以该尾缘凸点为坐标原点，以前缘指向尾缘的水平线作为X′轴，以叶根尾缘指向叶顶尾缘的垂直线作为Y′轴建立平面直角坐标系，确定锯齿形尾缘线的方程：
y′∈[(i-1)d/2,id/2],i＝(1,2,3...,2L/d)
d＝L/m,m∈N+
其中，x′为组成锯齿形尾缘线的点(x′，y′)的横坐标值，y′为组成锯齿形尾缘线的点(x′，y′)的纵坐标值；H为齿高，即相邻的尾缘凸点和尾缘凹点沿X′轴方向的距离，d为相邻两个尾缘凸点或尾缘凹点沿Y′轴方向的距离，L为叶片的展长，m为尾缘凸点的个数；
S5、叶片生成：垂直于前缘基准线和尾缘基准线所在平面沿锯齿形尾缘线切开所述具有波浪前缘的叶片，即得到具有波浪前缘和锯齿尾缘的叶片。
2.根据权利要求1所述的一种具有波浪前缘和锯齿尾缘的叶片设计方法，其特征在于，波浪前缘幅值A为叶片弦长的5～20％。
3.根据权利要求1所述的一种具有波浪前缘和锯齿尾缘的叶片设计方法，其特征在于，齿高H为叶片弦长的4～20％。
4.根据权利要求1所述的一种具有波浪前缘和锯齿尾缘的叶片设计方法，其特征在于，叶片的展长L与叶片弦长C的比值范围为0.5～3。
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