CN112855284B - 一种低压涡轮静子叶片波浪前缘的构造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低压涡轮静子叶片波浪前缘的构造方法，该波浪前缘叶片由沿径向具有不同弦长的截面堆叠形成，不同弦长的截面由已知基本叶型数据插值得到。插值过程中，波浪前缘的构造是通过对原始叶片厚度以一定的变化规律沿中弧线的变化实现的，插值系数由半径大小确定，并保证波浪前缘叶片的平均弦长和直前缘基准叶片的弦长一致，其每个截面弦长以正弦或余弦规律沿径向方向分布，最终将各个截面数据整合得到低压涡轮波浪前缘结构。

Description

一种低压涡轮静子叶片波浪前缘的构造方法
技术领域
本发明属于叶轮机械噪声控制领域，涉及一种发动机低压涡轮转静干涉噪声控制方法，特别涉及一种低压涡轮静子叶片波浪前缘的构造方法。
背景技术
在航空发动机领域，叶片仿生学波浪前缘降噪概念主要来自于人类对座头鲸鳍肢前缘结构的认识，而目前几乎所有的研究工作及理论都是针对二维翼型，波浪前缘降噪概念如果应用在真实三维发动机叶片上，其产生的机理和能实现的降噪效果研究甚至少。针对这一问题，首先需要解决的是带波浪前缘的三维叶片构型方法。
现有的带波浪前缘的三维叶片构型方法研究中，申请号为201911068586.4，发明名称为《一种具有波浪前缘和锯齿尾缘的叶片设计方法》的专利中，该专利的研究对象为常规的弯度很小甚至完全对称的叶片，采用的方法以不同半径截面的前缘点连线为基准线，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，再以波浪行前缘线为基准进行后续操作，由此方法可以得知，生成的波浪形前缘线为二维曲线，此外，该方法后期是以波浪形前缘点和对应的尾缘点为基准，生成截面叶片形状，据此方法描述和专利中的图片，此方法最后构造的叶片只能为简单的对称叶型。综上所述，这种方法是无法应用到弯度很大的涡轮静叶叶片上的。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为了解决现有设计方法无法应用到涡轮静叶叶片上的缺陷，本发明以低压涡轮静叶叶片为对象，基于低压涡轮三维基准叶型，提出一种低压涡轮波浪前缘结构构造方法，为后期开展波浪前缘对三维涡轮叶片降噪效果的数值研究和实验研究奠定基础。
本发明的技术方案是：一种降低低压涡轮噪声的静叶前缘构型方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：基于低压涡轮叶片基准翼型，从CFX-POST中导出一定数目沿径向具有不同半径的叶片截面几何坐标点数，保证相邻截面之间的半径差相等；
步骤2将步骤1得到的不同截面几何坐标点数据分别导入到ICEM-CFD中，并得到该截面的前缘点坐标和尾缘点坐标；
步骤3：获得每个截面的沿流向分布的压力面坐标分布和吸力面坐标分布，即保证第一个坐标靠近前缘点，最后一个坐标靠近尾缘点；
步骤4：求解压力面上每个点与吸力面上每个点之间的距离，以压力面上的点为对象，找出与之距离最小时对应的吸力面上的点，并记录该最小距离；
步骤5：以步骤4中两点最小距离作为该截面各个位置处的厚度，并找出最大厚度对应的压力面上第q(i＝1～1400)个点和吸力面第p(i＝1～1600)个点；求出与这两点所在直线的垂线的斜率K：在斜率K不同取值范围下，对求得的压力面的前q个点分别命名为P_WAVE和S_WAVE；
步骤6：求解P_WAVE和S_WAVE中每两点对应的中间点，保存在ARC中，作为该截面的一段中弧线；
步骤7：选定插值系数t，对相邻两个截面的P_WAVE和S_WAVE分别进行插值，得到中间某个截面的P_wave和S_wave，并根据中弧线坐标进行弦长变换；
步骤8：将插值得到的每个截面合并，得到该截面的完整数据。将所有截面的数据合并，即可得到波浪前缘低压涡轮叶片的完整数据。
本发明进一步的技术方案是：所述步骤5中，K分为K<＝0和K>0两种情况。
本发明进一步的技术方案是：当K<＝0时，压力面上以第q个点为分界点，几何坐标数据分别保存。吸力面上以第p个点为分界点，几何坐标数据分别保存。便于后述说明，这里，将压力面的前q个点数据文件命名为P_WAVE，第q+1～1400个点数据文件命名为P_LINE；对于吸力面的前p个点(p一般大于q)，要从这p个点这找出与压力面前q个点对应最小厚度的点坐标，共q个，保存在S_WAVE中，而后面所有坐标保存在S_LINE中。
本发明进一步的技术方案是：当K>0时，寻找K＝0或K略小于0所对应的压力面上的第m个点和吸力面上第n个点。同理，将压力面前m个点数据文件命名为P_WAVE，第m+1～1400个点数据文件命名为P_LINE；对于吸力面的前n个点(n一般大于m)，要从这n个点这找出与压力面前m个点对应最小厚度的点坐标，共m个，保存在S_WAVE中，而后面所有坐标保存在S_LINE中。
本发明进一步的技术方案是：所述步骤7中，包括以下子步骤：
子步骤7.1：选定插值系数t，对相邻两个截面的P_WAVE和S_WAVE分别进行插值，得到中间某个截面的P_wave和S_wave，并根据中弧线坐标进行弦长变换，包括以下内容：
1)
插值系数t＝(span-R1)/(R2-R1)
其中，span为被插值截面半径，R1,R2分别为相邻插值截面的半径。
2)
波浪前缘的构造是通过对原始叶片厚度沿中弧线的变化实现的，其厚度沿中弧线的变化规律如下：
Figure BDA0002903902000000031
其中，Cnew：波浪前缘叶片沿中弧线的坐标分布；
Cold：基准叶片沿中弧线的坐标分布；
Cmax：叶片最大厚度位置对应的中弧线坐标；
C(r)：波浪前缘叶片在半径r处的弦长；
Figure BDA0002903902000000041
基准叶片的弦长；
Dnew：波浪前缘叶片沿中弧线的厚度分布；
Dold：基准叶片沿中弧线的坐标分布；
3)
插值过程中，其弦长沿径向方向r的分布如下：
Figure BDA0002903902000000042
其中，
Figure BDA0002903902000000043
涡轮基准翼型弦长；
C(r)：波浪前缘涡轮半径r处的弦长；
A：波浪前缘幅值；
W：波浪前缘周期。
子步骤7.2：同理对相邻两个截面的P_LINE和S_LINE分别进行插值，插值系数与(1)
相同，但是弦长不发生变化，便于说明，结果保存为P_line和S_line中。
发明效果
本发明的技术效果在于：本发明和现有技术相比，存在的有益效果如下：
(1)基于步骤1，该方法是以原始基准翼型为对象，从而保证了除前缘部分以外，生成的波浪前缘叶片与基准翼型的叶型弯扭程度相同，从而保证了在后期研究波浪前缘对噪声的影响时，控制了波浪前缘这单一变量，而不用考虑受叶片其他部分形状变化的影响。
(2)基于步骤4和步骤5，该方法控制了叶片前缘结构变化前后沿中弧线坐标的厚度分布一致，为此为不变量进行步骤7的弦长变换。
(3)基于步骤6，该方法生成的中弧线为步骤7弦长变换的坐标基准，即保证对中弧线进行缩放或者放大后，中弧线上同一个坐标对应的叶片厚度不变。
(4)基于步骤7，对叶片数据进行插值，对中弧线坐标进行弦长变换，即浪前缘的构造是通过对原始叶片厚度沿中弧线的变化实现的。插值系数t＝(span-R1)/(R2-R1)，厚度沿中弧线的变化规律为：
Figure BDA0002903902000000051
插值过程中，其弦长沿径向方向r的分布为：
Figure BDA0002903902000000052
(5)基于以上步骤，完成了生成涡轮叶片波浪前缘的过程，在生成波浪前缘结构的过程中，有效的控制了包括平均弦长在内的叶片其余结构和参数不发生变化。
附图说明
图1：“一种降低低压涡轮噪声的静叶前缘构型方法”流程示意图；
图2：CFX-POST导出截面示意图；
图3：某截面前缘部分中弧线生成示意图。
图4：一个波浪周期内的弦长变化及插值结果示意图；
图5：某低压涡轮叶片波浪前缘示意图(左：正视图；右：俯视图)；
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参见图1-图5，本发明为解决该问题提出的技术方案为：该波浪前缘叶片由沿径向具有不同弦长的截面堆叠形成，并保证波浪前缘叶片的平均弦长和直前缘基准叶片的弦长一致，主要流程图如图1所示，主要包括以下步骤：
1.基于低压涡轮叶片基准翼型，从CFX-POST中导出一定数目沿径向具有不同半径的叶片截面几何坐标点数，保证相邻截面之间的半径差相等，如图2示意。
2.将步骤1得到的不同截面几何坐标点数据分别导入到ICEM-CFD中，对其进行加密处理，并得到该截面的前缘点坐标和尾缘点坐标。加密后的几何坐标点数目没有明确规定，可通过最终波浪前缘生成效果决定。本实施例中，数量取600。
3.获得每个截面的沿流向分布的压力面坐标分布和吸力面坐标分布，即保证第一个坐标靠近前缘点，最后一个坐标靠近尾缘点。
4.求解压力面上每个点与吸力面上每个点之间的距离，以压力面上的点为对象，找出与之距离最小时对应的吸力面上的点，并记录该最小距离。
5.以步骤4中两点最小距离作为该截面各个位置处的厚度，并找出最大厚度对应的压力面上第q(i＝1～1400)个点和吸力面第p(i＝1～1600)个点。求出与这两点所在直线的垂线的斜率K：
(1)K<＝0：压力面上以第q个点为分界点，几何坐标数据分别保存。吸力面上以第p个点为分界点，几何坐标数据分别保存。便于后述说明，这里，将压力面的前q个点数据文件命名为P_WAVE，第q+1～1400个点数据文件命名为P_LINE；对于吸力面的前p个点(p一般大于q)，要从这p个点这找出与压力面前q个点对应最小厚度的点坐标，共q个，保存在S_WAVE中，而后面所有坐标保存在S_LINE中。
(2)K>0：寻找K＝0或K略小于0所对应的压力面上的第m个点和吸力面上第n个点。同理，将压力面前m个点数据文件命名为P_WAVE，第m+1～1400个点数据文件命名为P_LINE；对于吸力面的前n个点(n一般大于m)，要从这n个点这找出与压力面前m个点对应最小厚度的点坐标，共m个，保存在S_WAVE中，而后面所有坐标保存在S_LINE中。
6.求解P_WAVE和S_WAVE中每两点对应的中间点，保存在ARC中，作为该截面的一段中弧线。
7.(1)选定插值系数t，对相邻两个截面的P_WAVE和S_WAVE分别进行插值，得到中间某个截面的P_wave和S_wave，并根据中弧线坐标进行弦长变换。
3)
插值系数t＝(span-R1)/(R2-R1)
其中，span为被插值截面半径，R1,R2分别为相邻插值截面的半径。
4)
波浪前缘的构造是通过对原始叶片厚度沿中弧线的变化实现的，其厚度沿中弧线的变化规律如下：
Figure BDA0002903902000000071
其中，Cnew：波浪前缘叶片沿中弧线的坐标分布；
Cold：基准叶片沿中弧线的坐标分布；
Cmax：叶片最大厚度位置对应的中弧线坐标；
C(r)：波浪前缘叶片在半径r处的弦长；
Figure BDA0002903902000000072
基准叶片的弦长；
Dnew：波浪前缘叶片沿中弧线的厚度分布；
Dold：基准叶片沿中弧线的坐标分布；
3)
插值过程中，其弦长沿径向方向r的分布如下：
Figure BDA0002903902000000073
其中，
Figure BDA0002903902000000074
涡轮基准翼型弦长；
C(r)：波浪前缘涡轮半径r处的弦长；
A：波浪前缘幅值；
W：波浪前缘周期。
(3)同理，对相邻两个截面的P_LINE和S_LINE分别进行插值，插值系数与(1)相同，但是弦长不发生变化，便于说明，结果保存为P_line和S_line中。
8.将插值得到的每个截面的P_wave，S_wave，P_line，S_line合并，得到该截面的完整数据。将所有截面的数据合并，即可得到波浪前缘低压涡轮叶片的完整数据。
下面结合具体实例，对本发明进行进一步解释说明。
1.基于低压涡轮叶片基准翼型，从CFX-POST中导出一定数目沿径向具有不同半径的叶片截面几何坐标点数，保证相邻截面之间的半径差相等，该截面数与最终得到的波浪前缘周期有关。为便于说明，举例选取截面数为10，后面步骤均已该截面数为例进行说明，此外，假设所在坐标系，x+为流向，y+为吸力面到压力面方向，z+为径向，如图2所示。
2.基于步骤1，将步骤1得到的不同截面几何坐标点数据分别导入到ICEM-CFD中，对其进行加密处理，并得到该截面的前缘点坐标和尾缘点坐标。加密后的几何坐标点数目没有明确规定，可通过最终波浪前缘生成效果决定。例如，若在步骤1中，某个截面的几何坐标数为141个，加密后几何坐标数可增加到3000个。
3.基于步骤2，获得每个截面的沿流向分布的压力面坐标分布和吸力面坐标分布，即保证第一个坐标靠近前缘点，最后一个坐标靠近尾缘点。
4.基于步骤3，求解压力面上每个点与吸力面每个点之间的距离，以压力面上的点为对象，找出与之距离最小时对应的吸力面上的点，并记录该最小距离。
5.基于步骤4，以步骤4中两点最小距离作为该截面各个位置处的厚度，并找出最大厚度对应的压力面上第q(i＝1～1400)个点和吸力面第p(i＝1～1600)个点。求出与这两点所在直线的垂线的斜率K：
(4)K<＝0：压力面上以第q个点为分界点，几何坐标数据分别保存。同理，吸力面上以第p个点为分界点，几何坐标数据分别保存。便于后述说明，这里，将压力面的前q个点数据文件命名为P_WAVE，第q+1～1400个点数据文件命名为P_LINE；对于吸力面的前p个点(p一般大于q)，要从这p个点这找出与压力面前q个点对应最小厚度的点坐标，共q个，保存在S_WAVE中，而后面所有坐标保存在S_LINE中。
(5)K>0：寻找K＝0或K略小于0所对应的压力面上的第m个点和吸力面上第n个点。同理，将压力面前m个点数据文件命名为P_WAVE，第m+1～1400个点数据文件命名为P_LINE；对于吸力面的前n个点(n一般大于m)，要从这n个点这找出与压力面前m个点对应最小厚度的点坐标，共m个，保存在S_WAVE中，而后面所有坐标保存在S_LINE中。
6.基于步骤5，求解P_WAVE和S_WAVE中每两点对应的中间点，保存在ARC中，作为该截面的一段中弧线。如图3所示，为某个截面的P_WAVE，S_WAVE及生成的中弧线导入到ICEM-CFX的结果。
7.生成波浪前缘时，保证进行缩放的点坐标所对应的厚度不发生变化，弦长进行相应缩放或扩大，如图4所示，基本弦长＝(波峰弦长+波谷弦长)/2。具体实施原理如下：
(1)基于步骤6，选定插值系数t，对相邻两个截面的P_WAVE和S_WAVE分别进行插值，得到中间某个截面的P_wave和S_wave，并根据中弧线坐标进行弦长变换。例如，对于前述10个基准截面，每相邻两个截面间插值一次，在整个径向上，插值得到15个插值截面，总共25个截面数据。过程中，这10个截面处的弦长仍然和基准翼型相同，而这15个截面即为波浪结构部分，即弦长会根据中弧线坐标进行变换。
1)插值系数t＝(span-R1)/(R2-R1)
其中，span为被插值截面半径，R1,R2分别为相邻插值截面的半径。
2)波浪前缘的构造是通过对原始叶片厚度沿中弧线的变化实现的，其厚度沿中弧线的变化规律如下：
Figure BDA0002903902000000101
其中，Cnew：波浪前缘叶片沿中弧线的坐标分布；
Cold：基准叶片沿中弧线的坐标分布；
Cmax：叶片最大厚度位置对应的中弧线坐标；
C(r)：波浪前缘叶片在半径r处的弦长；
Figure BDA0002903902000000102
基准叶片的弦长；
Dnew：波浪前缘叶片沿中弧线的厚度分布；
Dold：基准叶片沿中弧线的坐标分布；
3)插值过程中，其弦长沿径向方向r的分布如下：
Figure BDA0002903902000000103
其中，
Figure BDA0002903902000000104
涡轮基准翼型弦长；
C(r)：波浪前缘涡轮半径r处的弦长；
A：波浪前缘幅值；
W：波浪前缘周期。
(2)同理，对相邻两个截面的P_LINE和S_LINE分别进行插值，插值系数与(1)相同，但是弦长不发生变化，便于说明，结果保存为P_line和S_line中。
8，基于步骤7，将插值得到的每个截面的P_wave，S_wave，P_line，S_line合并，得到该截面的完整数据。将每个截面的数据合并在一起，即可得到波浪前缘低压涡轮叶片的完整数据。如图5所示，为某低压涡轮叶片所得的波浪前缘构型导入到CFX中的示意图。

Claims (5)

1.一种低压涡轮静子叶片波浪前缘的构造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：基于低压涡轮叶片基准翼型，从CFX-POST中导出一定数目沿径向具有不同半径的叶片截面几何坐标点数，保证相邻截面之间的半径差相等；
步骤2将步骤1得到的不同截面几何坐标点数据分别导入到ICEM-CFD中，并得到该截面的前缘点坐标和尾缘点坐标；
步骤3：获得每个截面的沿流向分布的压力面坐标分布和吸力面坐标分布，即保证第一个坐标靠近前缘点，最后一个坐标靠近尾缘点；
步骤4：求解压力面上每个点与吸力面上每个点之间的距离，以压力面上的点为对象，找出与之距离最小时对应的吸力面上的点，并记录该最小距离；
步骤5：以步骤4中两点最小距离作为该截面各个位置处的厚度，并找出最大厚度对应的压力面上第q(i＝1～1400)个点和吸力面第p(i＝1～1600)个点；求出与这两点所在直线的垂线的斜率K：在斜率K不同取值范围下，对求得的压力面的前q个点分别命名为P_WAVE和S_WAVE；
步骤6：求解P_WAVE和S_WAVE中每两点对应的中间点，保存在ARC中，作为该截面的一段中弧线；
步骤7：选定插值系数t，对相邻两个截面的P_WAVE和S_WAVE分别进行插值，得到中间某个截面的P_wave和S_wave，并根据中弧线坐标进行弦长变换；
步骤8：将插值得到的每个截面合并，得到该截面的完整数据；将所有截面的数据合并，即可得到波浪前缘低压涡轮叶片的完整数据。
2.如权利要求1所述的一种低压涡轮静子叶片波浪前缘的构造方法，其特征在于，所述步骤5中，K分为K<＝0和K>0两种情况。
3.如权利要求1所述的一种低压涡轮静子叶片波浪前缘的构造方法，其特征在于，当K<＝0时，压力面上以第q个点为分界点，几何坐标数据分别保存；吸力面上以第p个点为分界点，几何坐标数据分别保存；将压力面的前q个点数据文件命名为P_WAVE，第q+1～1400个点数据文件命名为P_LINE；对于吸力面的前p个点(p一般大于q)，要从这p个点这找出与压力面前q个点对应最小厚度的点坐标，共q个，保存在S_WAVE中，而后面所有坐标保存在S_LINE中。
4.如权利要求1所述的一种低压涡轮静子叶片波浪前缘的构造方法，其特征在于，当K>0时，寻找K＝0或K略小于0所对应的压力面上的第m个点和吸力面上第n个点；将压力面前m个点数据文件命名为P_WAVE，第m+1～1400个点数据文件命名为P_LINE；对于吸力面的前n个点，从n个点中找出与压力面前m个点对应最小厚度的点坐标，共m个，保存在S_WAVE中，后面所有坐标保存在S_LINE中。
5.如权利要求1所述的一种低压涡轮静子叶片波浪前缘的构造方法，其特征在于，所述步骤7中，包括以下子步骤：
子步骤7.1：选定插值系数t，对相邻两个截面的P_WAVE和S_WAVE分别进行插值，得到中间某个截面的P_wave和S_wave，并根据中弧线坐标进行弦长变换，包括以下内容：
1)
插值系数t＝(span-R1)/(R2-R1)
其中，span为被插值截面半径，R1,R2分别为相邻插值截面的半径；
2)
波浪前缘的构造是通过对原始叶片厚度沿中弧线的变化实现的，其厚度沿中弧线的变化规律如下：
Figure FDA0002903901990000021
其中，Cnew：波浪前缘叶片沿中弧线的坐标分布；
Cold：基准叶片沿中弧线的坐标分布；
Cmax：叶片最大厚度位置对应的中弧线坐标；
C(r)：波浪前缘叶片在半径r处的弦长；
Figure FDA0002903901990000031
基准叶片的弦长；
Dnew：波浪前缘叶片沿中弧线的厚度分布；
Dold：基准叶片沿中弧线的坐标分布；
3)
插值过程中，其弦长沿径向方向r的分布如下：
Figure FDA0002903901990000032
其中，
Figure FDA0002903901990000033
涡轮基准翼型弦长；
C(r)：波浪前缘涡轮半径r处的弦长；
A：波浪前缘幅值；
W：波浪前缘周期；
子步骤7.2：同理对相邻两个截面的P_LINE和S_LINE分别进行插值，插值系数与(1)相同，但弦长不发生变化，结果保存为P_line和S_line中。
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