CN114688084A - 一种降低离心压气机气动噪声的反置下翼面叶片前缘开缝构型 - Google Patents

一种降低离心压气机气动噪声的反置下翼面叶片前缘开缝构型 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种离心压气机反置下翼面的叶片前缘开缝构型。本发明对离心压气机叶片前缘开缝构型进行优化，该开缝叶片的横截面为翼型，其中上翼面叶片为长叶片，安装方式为正置，下翼面叶片为短叶片，安装方式为反置。具有的主要参数包括上翼面叶片的翼型和弦长，下翼面叶片的翼型和弦长，上、下翼面叶片之间的夹角。下翼面叶片反置时，对于下翼面叶片的翼型，其来流迎角从正置时的负迎角变为反置时的正迎角，在正迎角条件下，翼型叶片在吸力侧前缘的流动分离现象较小，相比于正置下翼面叶片构型，整个离心压气机内部流场的流动湍流度得到抑制。因此，本发明可以提高离心压气机的运行效率同时降低离心压气机的气动噪声。

Description

一种降低离心压气机气动噪声的反置下翼面叶片前缘开缝 构型
技术领域
本发明属于风机设备领域，涉及离心压气机，具体涉及一种降低离心压气机气动噪声的反置下翼面叶片前缘开缝结构。
背景技术
离心压气机作为工业生产中的重要动力源之一，同时也是重要的气动噪声源之一。为了改善离心压气机的气动噪声问题，研究机构和工业界提出了多种降噪措施，例如：扭曲叶片造型、非均匀叶片分布设计、锯齿形尾缘设计以及叶片开缝构型等。
在航空工业中，前缘缝翼的设计方法可以延缓翼型上的流动分离、推迟失速，从而得到较高的升力。对于翼型叶片的离心压气机，借鉴前缘缝翼设计方法的叶片的开缝设计是将原始叶片断开成前后两个长短不一的叶片，并将短叶片向长叶片吸力面偏转形成上下错开的两个叶片，从而在上、下叶片的缝隙处形成静压较高、径向流速较快的气流，有助于抑制上叶片吸力面边界层的分离现象，并对压气机的气动性能和气动噪声产生有益影响。
现有的离心压气机叶片开缝构型包括前缘开缝和尾缘开缝两种。研究表明，尾缘开缝在压气机流量较大时能够有效提升压气机性能，但是流量较小时不能。在适当的设计范围内，前缘开缝构型可以在抑制叶片流动分离的同时增加全压增，从而提高压气机的全压效率，同时由于对流动分离的抑制，使得压气机的气动噪声降低。
目前，翼型叶片离心压气机叶片前缘开缝构型的设计参数主要有下翼面叶片长度、安装角度以及开缝大小等。虽然下翼面叶片的存在可以抑制上翼面叶片负迎角条件下吸力面的流动分离，但是下翼面叶片前缘自身的流动分离仍然无法被抑制，而该现象会导致压气机效率的降低以及气动噪声的增大。因此，翼型叶片离心压气机叶片前缘开缝设计需要一种能够进一步降低下翼面叶片前缘流动分离现象的叶片构型，从而减少整体流场中的流动掺混，达到提升压气机效率、降低气动噪声的目的。
发明内容
本发明提供一种离心压气机叶片前缘开缝的构型设计，该构型可以降低开缝叶片中下翼面叶片前缘的流动分离现象，从而达到提升压气机效率以及降低压气机气动噪声的效果。
本发明采用以下技术方案：
一种降低离心压气机气动噪声的反置下翼面叶片前缘开缝构型，其特征在于包括下翼面叶片和上翼面叶片两段叶片，所述下翼面叶片为翼型叶片，所述上翼面叶片为翼型叶片，所述下翼面叶片的安装方式为反置，所述上翼面叶片的安装方式为正置，所述下翼面叶片的旋转半径小，所述上翼面叶片的旋转半径大，在所述下翼面叶片的压力侧与所述上翼面叶片的吸力侧具有缝隙。具体构型如图1所示。
在上述反置下翼面叶片前缘开缝构型中，所述下翼面叶片的剖面几何形状为翼型，所述上翼面叶片的剖面几何形状为翼型。
在上述反置下翼面叶片前缘开缝构型中，所述下翼面叶片的进口直径为D 1，所述上翼面叶片的出口直径为D 2。
在上述反置下翼面叶片前缘开缝构型中，所述下翼面叶片的弦长为c 1，所述上翼面叶片的弦长为c 2，下翼面叶片的弦长c 1约为上翼面叶片的弦长c 2的30%~50%。
在上述反置下翼面叶片前缘开缝构型中，所述下翼面叶片的进、出口偏转角度为β 1，所述上翼面叶片的进、出口偏转角度为β 2。
在上述反置下翼面前缘开缝叶片构型中，所述下翼面叶片与所述上翼面叶片具有缝隙，所述缝隙的大小由所述下翼面叶片的弦线和所述上翼面叶片的弦线的夹角θ确定，夹角θ的取值区间为[8°~12°]。
在上述反置下翼面叶片前缘开缝构型中，所述下翼面叶片采用反置安装方式，所述下翼面叶片采用正置安装方式，其不同点在于正置安装方式以翼型的凸起侧为压力面，反置安装方式以翼型的凹陷侧为压力面。
与现有离心压气机叶片前缘开缝构型相比，本发明提出了一种将前缘下翼面叶片反置的构型。该构型利用翼型在正迎角来流条件下具有更高的升阻比，且翼型的凸起面由于流速更高而更不容易发生分离的原理，可以改善下翼面叶片前缘附近流场状态，抑制由下翼面叶片前缘的流动分离现象所导致的离心压气机内流场湍流强度增加的问题，从而达到提升离心压气机效率和降低气动噪声的效果。
附图说明
图1为本发明提出的离心压气机反置下翼叶片面前缘开缝构型示意图。
图2为本发明实施例中离心压气机的结构图。
图3为本发明实施例中反置下翼面叶片前缘开缝的空气流动示意图。
图4作为对比的离心压气机正置下翼面叶片前缘开缝构型示意图。
图5为本发明实施例中反置下翼面构型和正置下翼面构型的离心压气机全压效率对比图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清晰，下面结合附图及具体实施例作进一步说明。
如图2所示，本发明的实施例为一种包含若干组叶片前缘开缝构型的离心压气机，各组叶片围绕中心呈环形阵列排列，每组叶片由一个反置下翼面叶片2和一个正置上翼面叶片1组成，每组叶片的具体几何构型参照图1所示。在本实施例中，主要参数有开缝叶片组数Z，叶片转速n，下翼面叶片进口直径D 1，上翼面叶片出口直径D 2，下翼面叶片弦长c 1，上翼面叶片弦长c 2，下翼面叶片进、出口偏转角β 1，上翼面叶片进、出口偏转角β 2，下翼面叶片与上翼面叶片夹角θ，以及蜗壳的外部型线R(φ)=D 3/2*e αφ 。
在本实施例中，离心压气机气流的进口为图2所示的圆形气流进口，气流出口为图2所示气流出口。压气机工作时，所有叶片围绕中心点作逆时针方向等速旋转，空气在旋转叶片的驱动下从气流进口被吸入，经过旋转加速，从气流出口处离开压气机。
本发明旨在对叶片前缘开缝构型进行气动噪声优化，在上、下两段叶片的结构基础之上，提出将下翼面翼型叶片反置的构型。如图3所示，在该构型中，上翼面叶片正置状态，来流迎角为负，在负迎角条件下，上翼面叶片在吸力侧前缘处容易发生流动分离。通过设置下翼面叶片，可以在上翼面叶片前缘与下翼面叶片压力侧之间形成具有一定宽度的缝隙，在该缝隙处气流速度较高，使得流动在上翼面吸力侧的分离点向后移动，减少流动分离区大小，从而降低空气流过上翼面后的湍流能量。除上、下翼面开缝构型外，本发明将下翼面叶片设计为反置状态。在反置状态下，下翼面翼型叶片的来流迎角为正，在正迎角条件下气流流过下翼面凸起侧表面时流动速度较高，因此可以抑制在下翼面叶片吸力侧发生的流动分离现象，从而降低气流中的湍流强度，达到降低气动噪声的目的。
实施例
在本发明实施例中，对主要参数设置如表1所列的反置下翼面叶片构型离心压气机的全压效率和气动噪声性能进行验证，重点通过与正置下翼面叶片前缘开缝构型离心压气机的全压效率和气动噪声性能进行对比，验证本发明提出的构型能达到提升压气机性能同时降低压气机气动噪声的效果。
在本实施例中作为对比的普通正置下翼面前缘开缝构型如图4所示，正置下翼面叶片保持与上翼面叶片相同的安置方向，除下翼面叶片安置方向不同以外，进行对比的反置下翼面叶片构型和正置下翼面叶片构型的其他参数均相同，如表1所列。
表1 反置下翼免叶片构型的离心压气机主要参数。
Figure RE-173214DEST_PATH_IMAGE001
在本实施例中，叶片开缝构型离心压气机的全压效率和气动噪声性能通过计算流体力学模拟的方式得出。
表2对比了本实施例中反置下翼面叶片构型和正置下翼面叶片构型流场中的平均湍动能强度和平均湍流耗散率。从表2中可以看出，在本实施例中，反置下翼面叶片前缘开缝构型的流场中平均湍动能强度和平均湍流耗散率均更低。说明本发明提出的反置下翼面叶片前缘开缝构型能够有效抑制流动中的流动分离现象。
表2：平均湍动能强度和平均湍流耗散率对比。
Figure RE-762458DEST_PATH_IMAGE002
图5对比了本发明实施例中反置下翼面叶片构型和正置下翼面叶片构型的离心压气机全压效率随质量流量的变化。从图中可以看出在质量流量Q的范围为0.43 kg/s至1.35 kg/s之间时，本发明实施例中反置下翼面构型的叶片前缘开缝离心压气机的全压效率较正置下翼面构型的叶片前缘开缝离心压气机的全压效率更高。
表3对比了本发明实施例中反置下翼面叶片构型和正置下翼面叶片构型的离心压气机的气动噪声特性。气动噪声特性的测量点为压气机出口附近处测点，如图2中“气动噪声测点”所示。从表3中可以看出，本发明提出的反置下翼面叶片构型在1阶至4阶叶片通过频率上（f=525Hz、1050Hz、1575Hz和2100Hz）的声压级幅值均小于正置下翼面叶片构型，且本发明提出的反置下翼面叶片构型的总声压级也低于正置下翼面叶片构型。说明本发明实施例中反置下翼面构型的叶片前缘开缝离心压气机具有更低的气动噪声。
表3：各阶叶片通过频率声压级以及总声压级的对比。
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE003
综上，本发明实施例提供离心压气机反置下翼面叶片的前缘开缝构型，通过提出该构型，可以抑制下翼面叶片吸力面前缘的流动分离现象，通过对实施例的计算流体力学模拟，验证了本发明提出的反置下翼面叶片构型相比于正置下翼面叶片构型具有更低的平均湍动能强度、更高的全压效率和更低的气动噪声。
以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案和特点，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种降低离心压气机气动噪声的叶片前缘开缝构型，开缝叶片包括下翼面叶片和上翼面叶片，其特征是下翼面叶片长度较短，上翼面叶片长度较长，下翼面叶片安装方式为反置，上翼面叶片安装方式为正置，下翼面叶片压力侧与上翼面叶片吸力侧之间存在缝隙。
2.根据权利要求1所述的一种降低离心压气机气动噪声的叶片前缘开缝构型，其特征在于，所述下翼面叶片和上翼面叶片的叶片横截面形状为翼型。
3.根据权利要求1所述的一种降低离心压气机气动噪声的叶片前缘开缝构型，其特征在于，下翼面叶片安装方式为反置，即对于下翼面叶片的翼型，其来流迎角为正迎角。
4.根据权利要求1所述的一种降低离心压气机气动噪声的叶片前缘开缝构型，其特征在于，上翼面叶片安装方式为正置，即对于上翼面叶片的翼型，其来流迎角为负迎角。
5.根据权利要求1所述的一种降低离心压气机气动噪声的叶片前缘开缝构型，其特征在于，上翼面叶片的吸力侧和下翼面叶片的压力侧之间形成一个气流可以通过的缝隙。
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