CN114547808A - 一种低速模拟叶型前缘确定方法 - Google Patents

一种低速模拟叶型前缘确定方法 Download PDF

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刘宝杰
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Abstract

本发明提供了一种低速模拟叶型前缘确定方法，包括如下步骤：建立高速叶型与低速叶型之间的叶型曲率半径对应关系；选取高速叶型任意若干位置作为控制点，根据高速叶型与低速叶型之间的叶型曲率半径对应关系确定低速叶型对应控制点的曲率半径；根据低速叶型控制点的曲率半径拟合确定初步的低速叶型前缘的曲率半径；根据初步的低速叶型前缘的曲率半径和低速叶型的参数确定低速模拟的叶型；根据低速模拟的叶型确定低速叶型前缘DSpike峰，判断低速叶型前缘DSpike峰与高速叶型前缘DSpike峰是否满足相似条件，若满足相似条件，则得到了低速叶型前缘的曲率半径。本发明可快速确定低速叶型前缘的形状、曲率半径等参数。

Description

一种低速模拟叶型前缘确定方法
技术领域
本发明涉及叶轮机械技术领域，特别涉及一种低速模拟叶型前缘确定方法。
背景技术
低速模拟试验技术是利用低速流动模拟高速流动的试验技术。与高速压气机相比，低速模型压气机降低了转速、放大了尺寸，具有低成本、低风险、流场易于测量等优势，成为压气机关键技术开发与验证的关键平台。低速模拟试验技术中的关键问题是低速模型压气机参数的确定。根据低速模拟的模化思路，GE公司的Wisler首先构建了低速模化的方法，提出了高低速压气机转换的相似准则，然后，将高速压气机叶片分解成若干基元，针对基元叶型进行低速模拟。目前的低速模拟中，大多通过数值模拟软件，基于设计人员经验调整包括中弧线，最大厚度，前缘形状等设计参数。前缘对叶型损失有重要影响，前缘绕流的不同，会带来高低速叶型的损失差异，尤其是大攻角状态，前缘绕流是否相同决定了损失随攻角发展变化规律是否一致。
目前的确定方法得到的前缘忽略了叶型前缘在高速和低速时绕流的局部差异，使得高低速叶型损失随攻角的变化规律不同。在叶型设计中，常用Dspike来衡量前缘绕流的吸力峰强度，图1给出了Dspike的定义。现有技术的设计方法中，前缘形状与高速原型保持一致。图2和图3分别给出了现有设计方法中低速模拟叶型和高速叶型的损失特性以及叶表无量纲速度的对比，可以看出低速模拟叶型的损失随攻角的变化更为缓慢，在大攻角时有较大差异，设计状态的Dspike也弱于高速叶型。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种低速模拟叶型前缘确定方法，利用高速叶型和低速叶型前缘绕流的关系，得出低速叶型前缘大小、形状或者曲率等关键参数，从而代替目前的人工反复迭代，达到快速确定前缘的效果。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种低速模拟叶型前缘确定方法，包括如下步骤：
S01：根据高速叶型确定高速叶型任意位置处弦长ch、高速叶型任意位置处密度ρh、高速叶型任意位置处曲率半径rh和高速叶型进口处密度ρh1；
S02：建立高速叶型与低速叶型之间的叶型曲率半径对应关系为：
Figure BDA0003541478540000021
其中：
ch为高速叶型任意位置处弦长；
ρh为高速叶型任意位置处密度；
rh为高速叶型任意位置处曲率半径；
ρh1为高速叶型进口处密度；
cl为低速叶型任意位置处弦长；
ρ1为低速叶型任意位置处密度；
ri为低速叶型任意位置处曲率半径；
ρl1为低速叶型进口处密度；
S03：选取高速叶型任意若干位置作为控制点，根据高速叶型与低速叶型之间的叶型曲率半径对应关系确定低速叶型对应控制点的曲率半径；
S04：根据低速叶型控制点的曲率半径拟合确定初步的低速叶型前缘的曲率半径；根据初步的低速叶型前缘的曲率半径和低速叶型的参数确定低速模拟的叶型；
S05：根据低速模拟的叶型确定低速叶型前缘DSpike峰，判断低速叶型前缘DSpike峰与高速叶型前缘DSpike峰是否满足相似条件，若不满足相似条件，则在S03中增加控制点的数量，重复S03-S05直至满足相似条件；若满足相似条件，则得到了低速叶型前缘的曲率半径，从而得到低速叶型的前缘。
进一步，所述相似条件为低速叶型前缘DSpike峰与高速叶型前缘DSpike峰相对误差在±0.02以内。
进一步，在所述S03步骤中选取高速叶型前缘滞止点、吸力面Spike位置、压力面Spike位置和前尾缘与叶身交界点作为控制点。
进一步，根据低速叶型控制点的曲率半径通过椭圆的形式拟合确定初步的低速叶型前缘的曲率半径。
一种低速模拟叶型，利用低速模拟叶型前缘确定方法设计的低速模拟叶型。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的低速模拟叶型前缘确定方法，通过高速叶型和低速叶型的曲率半径约束关系，给出了低速叶型前缘任一位置处曲率半径的确定公式，可以快速确定低速叶型前缘的形状、曲率半径等参数，从而代替目前的人工反复迭代，达到快速确定前缘的效果。
2.本发明所述的低速模拟叶型前缘确定方法，通过低速叶型前缘DSpike峰与高速叶型前缘DSpike峰作为判断条件，对低速叶型的前缘进行微调，可以使高低速叶型损失发展规律基本一致，在大攻角时的总压损失值基本相同。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，显而易见地还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中Dspike定义示意图。
图2为现有设计方法高低速叶型的叶型攻角-损失特性对比图。
图3为现有设计方法高低速叶型的前缘Dspike对比图。
图4为本发明所述的低速模拟叶型前缘确定方法流程图。
图5为本发明实施例高低速叶型的前缘形状对比图。
图6为本发明实施例高低速叶型的叶型攻角-损失特性对比图。
图7为本发明实施例高低速叶型的叶表无量纲速度对比。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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。
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”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图4所示，本发明所述的低速模拟叶型前缘确定方法，包括如下步骤：
S01：根据高速叶型确定高速叶型任意位置处弦长ch、高速叶型任意位置处密度ρh、高速叶型任意位置处曲率半径rh和高速叶型进口处密度ρh1；
S02：建立高速叶型与低速叶型之间的叶型曲率半径对应关系，推导计算过程如下：
假设第一阶段的任意位置可以看作是绕前缘的圆周运动，那么控制方程可以表示为：
Figure BDA0003541478540000041
其中：u表示速度，r表示曲率半径，ρ表示密度，p表示叶表压力。
引入弦长和叶尖切线速度对半径和动压头进行无量纲：
Figure BDA0003541478540000042
式中c1表示进口弦长，u1表示进口速度，ρ1为进口处密度。
在当前的低速模拟中，设计结果要求基于进口速度的叶表无量纲速度相等，因此有：
Figure BDA0003541478540000043
公式中的下标h表示高速叶型，l表示低速叶型，下标1表示叶型进口，uh表示高速叶型任意位置处速度,ul表示低速叶型任意位置速度，uh1表示高速叶型进口位置处速度,ul1表示低速叶型进口位置速度；
同时，高低速叶型前缘基于进口的叶表压力分布应当保持一致，因而，基于无量纲弧长的压力梯度应保持一致，因此有：
Figure BDA0003541478540000044
联立公式(2)(3)(4)可以得到：
Figure BDA0003541478540000045
其中：
ch为高速叶型任意位置处弦长；
ρh为高速叶型任意位置处密度；
rh为高速叶型任意位置处曲率半径；
ρh1为高速叶型进口处密度；
cl为低速叶型任意位置处弦长；
ρl为低速叶型任意位置处密度；
rl为低速叶型任意位置处曲率半径；
ρl1为低速叶型进口处密度；
S03：选取高速叶型任意若干位置作为控制点，根据高速叶型与低速叶型之间的叶型曲率半径对应关系确定低速叶型对应控制点的曲率半径；为了简化流程，在实际操作中，优先选取高速叶型前缘滞止点、吸力面Spike位置、压力面Spike位置和前尾缘与叶身交界点作为控制点。
S04：根据低速叶型控制点的曲率半径通过椭圆的形式拟合确定初步的低速叶型前缘的曲率半径；根据初步的低速叶型前缘的曲率半径和低速叶型的参数确定低速模拟的叶型；
S05：根据低速模拟的叶型确定低速叶型前缘DSpike峰，判断低速叶型前缘DSpike峰与高速叶型前缘DSpike峰相对误差是否在±0.02以内，若超过±0.02范围，则在S03中增加一个除高速叶型前缘滞止点、吸力面Spike位置、压力面Spike位置和前尾缘与叶身交界点4个控制点外的其他点作为控制点，重复S03-S05直至达到相对误差在±0.02以内；若达到相对误差在±0.02以内，则得到了低速叶型前缘的曲率半径。
实施例
选取某高压压气机的一个高速叶型，参数见表1，高速叶型前缘为圆形前缘，前缘半径与弦长之比为1.0％。
表1高速叶型和低速模拟叶型参数对比
Figure BDA0003541478540000051
Figure BDA0003541478540000061
图3为现有设计方法得到的低速叶型与高速叶型对比。高速叶型的Dspike为0.388，低速叶型的Dspike为0.2，二者又较大差别。而Dspike会对叶型损失产生显著影响，因而图2所示的高速叶型和低速模拟基准叶型的损失特性产生了显著差别。
本发明所述的低速模拟叶型前缘确定方法，包括如下步骤：
S01：利用数值模拟软件计算了高速叶型的特性线和基准攻角的叶表无量纲速度分布，从而确定高速叶型任意位置处弦长ch、高速叶型任意位置处密度ρh、高速叶型任意位置处曲率半径rh和高速叶型进口处密度ρh1；
S02：建立高速叶型与低速叶型之间的叶型曲率半径对应关系；
S03：选取高速叶型前缘滞止点、吸力面Spike位置、压力面Spike位置和前尾缘与叶身交界点作为控制点，根据高速叶型与低速叶型之间的叶型曲率半径对应关系确定低速叶型对应控制点的曲率半径；
S04：利用椭圆对该曲线进行拟合以确定初步的低速叶型前缘的曲率半径，最终得到的低速叶型近似为长轴半径为1.95％弦长，长短轴之比2.17的椭圆形前缘，前缘的对比如图5所示。根据初步的低速叶型前缘的曲率半径和低速叶型的参数确定低速模拟的叶型；
S05：利用数值模拟软件计算得到低速叶型的攻角-损失特性和基准攻角的叶表无量纲速度分布，与高速叶型进行对比如图6和图7所示，图中可以看出高低速叶型损失发展规律基本一致，在大攻角时的总压损失值基本相同；根据低速模拟的叶型确定低速叶型前缘DSpike峰为0.379，而高速叶型的Dspike峰为0.388，二者相差0.009，满足前缘Dspike的误差要求。高低速叶型的叶表速度分布也较为一致，因此，本发明提出的方法相比于原方法效果有了明显的改善。
一种低速模拟叶型，利用本发明所述的低速模拟叶型前缘确定方法设计的低速模拟叶型。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种低速模拟叶型前缘确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01：根据高速叶型确定高速叶型任意位置处弦长ch、高速叶型任意位置处密度ρh、高速叶型任意位置处曲率半径rh和高速叶型进口处密度ρh1；
S02：建立高速叶型与低速叶型之间的叶型曲率半径对应关系为：
Figure FDA0003541478530000011
其中：
ch为高速叶型任意位置处弦长；
ρh为高速叶型任意位置处密度；
rh为高速叶型任意位置处曲率半径；
ρh1为高速叶型进口处密度；
cl为低速叶型任意位置处弦长；
ρl为低速叶型任意位置处密度；
rl为低速叶型任意位置处曲率半径；
ρl1为低速叶型进口处密度；
S03：选取高速叶型任意若干位置作为控制点，根据高速叶型与低速叶型之间的叶型曲率半径对应关系确定低速叶型对应控制点的曲率半径；
S04：根据低速叶型控制点的曲率半径拟合确定初步的低速叶型前缘的曲率半径；根据初步的低速叶型前缘的曲率半径和低速叶型的参数确定低速模拟的叶型；
S05：根据低速模拟的叶型确定低速叶型前缘DSpike峰，判断低速叶型前缘DSpike峰与高速叶型前缘DSpike峰是否满足相似条件，若不满足相似条件，则在S03中增加控制点的数量，重复S03-S05直至满足相似条件；若满足相似条件，则得到了低速叶型前缘的曲率半径，从而得到低速叶型的前缘。
2.根据权利要求1所述的低速模拟叶型前缘确定方法，其特征在于，所述相似条件为低速叶型前缘DSpike峰与高速叶型前缘DSpike峰相对误差在±0.02以内。
3.根据权利要求1所述的低速模拟叶型前缘确定方法，其特征在于，在所述S03步骤中选取高速叶型前缘滞止点、吸力面Spike位置、压力面Spike位置和前尾缘与叶身交界点作为控制点。
4.根据权利要求3所述的低速模拟叶型前缘确定方法，其特征在于，根据低速叶型控制点的曲率半径通过椭圆的形式拟合确定初步的低速叶型前缘的曲率半径。
5.一种低速模拟叶型，其特征在于，利用权利要求1-4任一项所述的低速模拟叶型前缘确定方法设计的低速模拟叶型。
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