CN114139306A - 一种仿生椭圆型波浪前缘叶片及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种仿生椭圆型波浪前缘叶片及设计方法，属于叶轮机械噪声控制技术领域；所述叶片由具有不同弦长的叶片型线沿展向堆叠形成，构成的叶片前缘结构为凸椭圆型波浪或凹椭圆型波浪，且椭圆型波浪前缘叶片的平均前缘线与基准叶片的前缘线一致。仿生椭圆型波浪前缘叶片的设计是以基准翼型为对象，提出椭圆型波浪前缘结构是基于椭圆基本方程中的a确定幅值的，而周期由展向高度和椭圆基本方程中的b确定。a和b的大小可根据设计需求选择。在椭圆结构生成过程中，该方法保证叶型弦长以一定规律沿展向变化，以保证椭圆型波浪前缘叶片的平均弦长和基准叶片弦长保持一致。本发明有效的控制了叶片弦长等其它参数不发生变化。

Description

一种仿生椭圆型波浪前缘叶片及设计方法

技术领域

本发明属于叶轮机械噪声控制技术领域，具体涉及一种仿生椭圆型波浪前缘叶片及设计方法。

背景技术

近年来，仿生学波浪前缘结构一直是气动噪声控制方法研究的热点。尽管仿生学波浪前缘降噪研究工作取得了很大进展，但人们对仿生学结构的降噪规律及其背后的降噪物理机制还认识不足，并没有掌握波浪前缘结构的降噪设计规律。此外，目前大多数研究工作均是针对周期和波长不同组合形式的正弦型波浪前缘结构展开的，其型线结构单一。因此，为了进一步扩展仿生波浪前缘结构的降噪研究，本发明采用了椭圆型波浪前缘叶片设计方法。

在已申请专利中，涉及叶片波浪前缘的专利有《一种低压涡轮静子叶片波浪前缘的构造方法》(申请号：CN202110064795.2)、《一种具有波浪前缘和锯齿尾缘的叶片设计方法》(申请号：CN201911068586.4)。上述两个专利均采用正弦型波浪前缘结构，传统的正弦型波浪前缘在波谷处压力脉动较大，限制了波浪前缘的降噪效果，本发明采用的椭圆型波浪前缘构型能够进一步提升仿生学波浪前缘的降噪性能。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种仿生椭圆型波浪前缘叶片及设计方法，该叶片由具有不同弦长的叶片型线沿展向堆叠而成，构成凸椭圆型波浪前缘或凹椭圆型波浪前缘的叶片，能够有效提升降噪效果。

本发明的技术方案是：一种仿生椭圆型波浪前缘叶片，其特征在于：所述叶片由具有不同弦长的叶片型线沿展向堆叠形成，构成的叶片前缘结构为凸椭圆型波浪或凹椭圆型波浪，且椭圆型波浪前缘叶片的平均前缘线与基准叶片的前缘线一致。

一种仿生椭圆型波浪前缘叶片的设计方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤一：确定基准叶片的基准点O、基准叶型弦长c，最大厚度d及对应的坐标位置P；所述基准点为二维基准叶型的前缘点；

步骤二：依据标注椭圆方程确定a和b值，a和b为椭圆的1/2长轴和1/2短轴；

步骤三：确定凸椭圆型波浪前缘结构或凹椭圆型波浪前缘结构：

(1)凸椭圆型波浪前缘结构：

1)取步骤二x轴上方的椭圆部分作为波浪前缘部分，y>0；在一个波浪周期内，弦长沿展向的变化规律为：

其中：θ为椭圆上半部分某点与x轴正方向之间的夹角；一个周期内不同弦长的叶型数量m由所取θ的数量决定；

2)当c(z)>c时，将基准点O到最大厚度位置P之间的叶型坐标成比例扩大；当c(z)<c时，将基准点O到最大厚度位置P之间的叶型坐标成比例缩小；P到尾缘点之间的坐标不进行变换；叶型坐标变换公式如下：

其中，x_max：最大厚度位置P点的x坐标；

x_old：基准叶型的x坐标；

x_new：波浪前缘叶型的x坐标；

y_old：基准叶型的y坐标；

y_new：波浪前缘叶型的y坐标；

(2)凹椭圆型波浪前缘结构

1)取步骤二x轴下方的椭圆部分作为波浪前缘部分，y<0；在一个波浪周期内，弦长沿展向的变化规律为：

其中：θ为椭圆下半部分某点与x轴正方向之间的夹角；一个周期内不同弦长的叶型数量m由所取θ的数量决定；

2)当c(z)>c时，将基准点O到最大厚度位置P之间的叶型坐标成比例扩大；当c(z)<c时，将基准点O到最大厚度位置P之间的叶型坐标成比例缩小；P到尾缘点之间的坐标不进行变换；叶型坐标变换公式如下：

其中，x_max：最大厚度位置P点的x坐标；

x_old：基准叶型的x坐标；

x_new：波浪前缘叶型的x坐标；

y_old：基准叶型的y坐标；

y_new：波浪前缘叶型的y坐标；

步骤四：将上述得到的不同弦长的叶型沿展向堆叠得到一个周期的椭圆型波浪前缘结构，然后将其沿展向堆叠得到N个周期的椭圆型波浪前缘叶片。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤二中，确定椭圆标准方程中的a和b；设定

焦点在x轴上，椭圆标准方程为：

有益效果

本发明的有益效果在于：

(1)基于步骤1，该方法是以基准翼型为对象，从而保证了除前缘部分以外，生成的椭圆型波浪前缘叶片与基准翼型的叶型保持一直，从而保证了后期研究椭圆型波浪前缘对噪声的影响时，控制了椭圆结构这单一变量，而不用考虑叶片其它几何参数的影响。

(2)基于步骤2和步骤3，该方法提出的椭圆型波浪前缘结构是基于椭圆基本方程中的a确定幅值的，而周期由展向高度和椭圆基本方程中的b确定。a和b的大小可根据设计需求选择。

(3)基于步骤3，该方法需要确定最大厚度位置，然后对前缘基准点和最大周度位置之间的叶型部分以一定规律进行坐标缩放，以生成椭圆型结构，而剩余叶型坐标与基准叶型保持一致，不需要做任何改动。

(4)基于步骤3，在椭圆结构生成过程中，该方法保证叶型弦长以一定规律沿展向变化，以保证椭圆型波浪前缘叶片的平均弦长和基准叶片弦长保持一致。

(5)基于步骤3，该方法一个椭圆周期内的叶型数由θ决定，这样可以保证在椭圆曲率较大的地方叶片生成效果足够顺滑。

基于以上步骤，完成了椭圆型波浪前缘叶片的生成，有效的控制了叶片弦长等其它参数不发生变化。

本发明采用的凹椭圆型波浪前缘在波峰位置具有更尖锐的前缘，能够对流场起到更好的调控作用和降噪效果；凸椭圆波浪前缘构型相邻两个锯齿在波谷处相切，使得波谷处面积较小，而根据前期的研究经验，正弦型波浪前缘在波谷处存在较强声源，通过减小波谷面积则可以有效提升降噪效果3分贝以上。

附图说明

图1：基准叶片及叶型示意图；(a)基准叶片正视图；(b)基准叶型；

图2：椭圆示意图；(a)椭圆基本参数；(b)凸椭圆型及叶型数；(c)凹椭圆型及叶型数；

图3：椭圆型波浪前缘一个周期内叶片示意图；(a)凸椭圆型；(b)凹椭圆型；

图4：椭圆型波浪前缘变换结果对比俯视图；

图5：椭圆型波浪前缘叶片生成示意图；(a)凸椭圆型波浪前缘叶片；(b)凹椭圆型波浪前缘叶片。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

以下结合附图1—5，对本发明进行详细说明：

本发明一种椭圆型波浪前缘叶片，由不同弦长形状相似的叶片型线沿展向堆叠而成。在前缘变换前后，保证波浪前缘的平均前缘线与基准叶片相同。叶片设计方法主要步骤如下：

1.确定叶型基准点O、基准叶型弦长c，最大厚度d及对应的坐标位置P。该基准点为二维基准叶型的前缘点。以如图1所示的对称叶片和叶型为例，基准叶片为直前缘对称叶片，基准叶型弦长c＝150mm，最大厚度d＝18mm。

2.如图2所示，以焦点在x轴上为例，为统一说明，规定椭圆在y轴上的长度以a表示，x轴上的长度以b表示，以图2(a)所示。此外，为了对比生成效果，案例中取了两种情况：a＝30mm，b＝7.5mm和a＝30mm，b＝15mm。椭圆标准方程为：

3.基于步骤1和2，确定波浪前缘结构：凸椭圆型，凹椭圆型：

(1)凸椭圆型波浪前缘结构

1)取x轴上方的椭圆部分(y>0)作为波浪前缘部分，如图2(b)所示。在一个波浪周期内，叶型弦长沿展向的变化规律为：

其中：θ为椭圆上半部分某点与x轴正方向之间的夹角。

一个周期内不同弦长的叶型数量m由所取θ的数量决定，如图2(b)所示，本案例一个周期内取19个叶型数，θ间隔10°，即m＝19，理论上该值越大，叶片前缘生成效果越光滑，该值由设计人员需求决定。图2(b)还给出了波峰、基准、波谷叶型所在位置。

由上述公式可知，θ＝90°时，叶型前缘点为椭圆型波浪前缘叶片的波峰；θ＝0°或θ＝180°时，叶型前缘点为椭圆型波浪前缘叶片的波谷；当θ＝30°或θ＝150°时，叶型前缘点与基准叶片的前缘点相同，不用进行坐标的缩放。其它角度处的叶型为波峰到波谷的过渡叶型，以保证波浪前缘结构足够光滑。

2)当c(z)>c时，将基准点O到最大厚度位置P之间的叶型坐标成比例扩大，当c(z)<c时，将基准点O到最大厚度位置P之间的叶型坐标成比例缩小，前缘部分变换结果如图4所示，而P到叶型尾缘点之间的坐标不进行变换。叶型坐标变换公式如下：

其中，x_max：最大厚度位置P点的x坐标；

x_old：基准叶型的x坐标；

x_new：波浪前缘叶型的x坐标；

y_old：基准叶型的y坐标；

y_new：波浪前缘叶型的y坐标。

一个周期内凸椭圆波浪前缘叶片形状示意图如图3(a)所示，图中还给出了波峰、基准、波谷叶型所在位置。

(2)凹椭圆型波浪前缘结构

1)取x轴下方的椭圆部分(y<0)作为波浪前缘部分，如图2(c)所示。在一个波浪周期内，叶型弦长沿展向的变化规律为：

其中：θ为椭圆下半部分某点与x轴正方向之间的夹角。

一个周期内不同弦长的叶型数量m由所取θ的数量决定，如图2(c)所示，本案例一个周期内取19个叶型数，θ间隔10°，即m＝19，理论上该值越大，叶片前缘生成效果越光滑，该值由设计人员需求决定。图2(c)还给出了波峰、基准、波谷叶型所在位置。

由上述公式可知，θ＝270°时，叶型前缘点为椭圆型波浪前缘叶片的波谷；θ＝180°或θ＝360°时，叶型前缘点为椭圆型波浪前缘叶片的波峰；当θ＝210°或θ＝330°时，叶型前缘点与基准叶片的前缘点相同，不用进行前缘坐标的缩放。其它角度处的叶型为波峰到波谷的过渡叶型，以保证波浪前缘结构足够光滑。

2)当c(z)>c时，将基准点O到最大厚度位置P之间的叶型坐标成比例扩大，当c(z)<c时，将基准点O到最大厚度位置P之间的叶型坐标成比例缩小，前缘部分变换结果如图4所示，叶型截面形状与凸椭圆型相同。P到尾缘点之间的坐标不进行变换。叶型坐标变换公式如下：

其中，x_max：最大厚度位置P点的x坐标；

x_old：基准叶型的x坐标；

x_new：波浪前缘叶型的x坐标；

y_old：基准叶型的y坐标；

y_new：波浪前缘叶型的y坐标。

一个周期内凹椭圆波浪前缘叶片形状示意图如图3(b)所示，图中还给出了波峰、基准、波谷叶型所在位置。

4.基于步骤3，将上述得到的不同弦长的叶型沿展向堆叠得到一个周期的椭圆型波浪前缘结构，结果如图3所示。然后将其沿展向整体堆叠得到N个周期的椭圆型波浪前缘叶片，结果如图5所示。需要说明的是，根据设计人员实际需要，可以生成具有不同周期和不同振幅的椭圆型波浪前缘叶片。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种仿生椭圆型波浪前缘叶片，其特征在于：所述叶片由具有不同弦长的叶片型线沿展向堆叠形成，构成的叶片前缘结构为凸椭圆型波浪或凹椭圆型波浪，且椭圆型波浪前缘叶片的平均前缘线与基准叶片的前缘线一致。

2.一种权利要求1所述仿生椭圆型波浪前缘叶片的设计方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤一：确定基准叶片的基准点O、基准叶型弦长c，最大厚度d及对应的坐标位置P；所述基准点为二维基准叶型的前缘点；

步骤二：依据标注椭圆方程确定a和b值，a和b为椭圆的1/2长轴和1/2短轴；

步骤三：确定凸椭圆型波浪前缘结构或凹椭圆型波浪前缘结构：

(1)凸椭圆型波浪前缘结构：

1)取步骤二x轴上方的椭圆部分作为波浪前缘部分，y>0；在一个波浪周期内，弦长沿展向的变化规律为：

其中：θ为椭圆上半部分某点与x轴正方向之间的夹角；一个周期内不同弦长的叶型数量m由所取θ的数量决定；

2)当c(z)>c时，将基准点O到最大厚度位置P之间的叶型坐标成比例扩大；当c(z)<c时，将基准点O到最大厚度位置P之间的叶型坐标成比例缩小；P到尾缘点之间的坐标不进行变换；叶型坐标变换公式如下：

其中，x_max：最大厚度位置P点的x坐标；

x_old：基准叶型的x坐标；

x_new：波浪前缘叶型的x坐标；

y_old：基准叶型的y坐标；

y_new：波浪前缘叶型的y坐标；

(2)凹椭圆型波浪前缘结构

1)取步骤二x轴下方的椭圆部分作为波浪前缘部分，y<0；在一个波浪周期内，弦长沿展向的变化规律为：

其中：θ为椭圆下半部分某点与x轴正方向之间的夹角；一个周期内不同弦长的叶型数量m由所取θ的数量决定；

2)当c(z)>c时，将基准点O到最大厚度位置P之间的叶型坐标成比例扩大；当c(z)<c时，将基准点O到最大厚度位置P之间的叶型坐标成比例缩小；P到尾缘点之间的坐标不进行变换；叶型坐标变换公式如下：

其中，x_max：最大厚度位置P点的x坐标；

x_old：基准叶型的x坐标；

x_new：波浪前缘叶型的x坐标；

y_old：基准叶型的y坐标；

y_new：波浪前缘叶型的y坐标；

步骤四：将上述得到的不同弦长的叶型沿展向堆叠得到一个周期的椭圆型波浪前缘结构，然后将其沿展向堆叠得到N个周期的椭圆型波浪前缘叶片。

3.根据权利要求2所述仿生椭圆型波浪前缘叶片的设计方法，其特征在于：所述步骤二中，确定椭圆标准方程中的a和b；设定焦点在x轴上，椭圆标准方程为：

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