CN114934914A - 一种对称叶片及其端面仿生结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于流体机械技术领域，具体是一种对称叶片及其端面仿生结构。所述对称叶片的端面上设置多个半球形凹坑，且所述球形凹坑和端面边缘不相交，在垂直于弦长方向上的相邻凹坑在沿弦长方向交替排列。具有所述端面仿生结构的片能够有效抑制泄漏流中分离涡、泄漏涡的形成，增加间隙区的流向速度并减小法向速度，降低泄漏损失，提高叶片的工作性能。

Description

一种对称叶片及其端面仿生结构
技术领域
本发明属于流体机械技术领域，具体是一种对称叶片及其端面仿生结构。
背景技术
轴流式旋转机械，如压气机、汽轮机、泵喷推进器的转子叶片与端壁之间的间隙诱导叶顶泄漏流产生，造成流道阻塞，增加叶片振动，引起流动损失，严重降低了旋转机械的工作效率。在现有技术中，授权公告号CN102943774B的发明专利公开了“一种复合翼型风机叶片的设计方法”，利用了空气动力学及流体力学设计。在克服叶顶泄露流及叶顶泄漏涡的问题方面，公开号CN103671254A专利文献“一种减弱轴流泵叶顶泄漏流和泄漏涡的叶片结构”，通过在轴流泵叶片叶顶加工成迷宫式的结构，使得流体经过叶顶间隙时的能量损失增加，减少了泄漏量，从而减弱了叶顶泄漏流和泄漏涡，提高了轴流泵的水力效率和运行稳定性。这种结构存在结构复杂，加工装配过程难度较大，成本过高等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有减弱或抑制叶顶泄漏流中多尺度涡的叶片端面仿生结构，通过叶片端部结构改进，使得叶顶泄漏流中难以形成规则的分离涡和泄漏涡，达到减弱涡强度的效果，从而减少流道阻塞和流动损失，提高旋转机械的工作性能。
为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：
一种对称叶片端面仿生结构，其特征在于，所述对称叶片的端面上设置多个半球形凹坑，且所述球形凹坑和端面边缘不相交，在垂直于弦长方向上的相邻凹坑在沿弦长方向交替排列。
进一步地，所述半球形凹坑的直径D是最大叶片厚度H的1/5。
进一步地，多个所述半球形凹坑的半径相等。
进一步地，多个所述半球形凹坑在对称叶片的端面上对称分布。
进一步地，垂直弦长方向有1个半球形凹坑，则球心在弦长方向上；若垂直弦长方向有2个半球形凹坑，则两个凹坑关于弦长方向对称；若垂直弦长方向有3个半球形凹坑，则中间凹坑球心在弦长方向上，其余两个关于弦长方向对称。
进一步地，叶片最厚处的弦长垂直方向排布3个半球形凹坑，沿弦长方向向前和向后排布半球形凹坑。
进一步地，垂直于弦长方向的相邻半球形凹坑的球心连线沿弦长方向的间距为1.25D，其中D为半球形凹坑的直径。
具有所述端面仿生结构的对称叶片可以有效抑制泄漏流中分离涡、泄漏涡的形成，增加间隙区的流向速度并减小法向速度，降低泄漏损失，提高叶片的工作性能。
附图说明
图1为本发明所述对称叶片端面仿生结构的示意图。
图2为所述半球形凹坑的排布图。
图3为所述端面仿生结构的对称叶片叶顶泄漏流中压力和涡结构分布图。
图4为所述端面仿生结构的对称叶片叶顶泄漏流中的速度等值面图。
图中，1.对称叶片,2.端面,3.半球形凹坑。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明所述对称叶片端面仿生结构如图1所示，所述对称叶片1可以为任意对称型号，图1所示的翼型为一个具体实施例示意图。所述对称叶片的端面上设置多个半球形凹坑，且所述球形凹坑和端面边缘不相交，即所述半球形凹坑的开口全部在端面上，且开口为完整的圆形。所述半球形凹坑的直径D是对称叶片的最大叶片厚度H的1/5，多个所述半球形凹坑的半径相等；所述球形凹坑沿弦长方向排列间距为1.25D，如图2所示。对称叶片的最厚处的弦长垂直方向排布3个半球形凹坑，沿弦长方向向前和向后排布半球形凹坑。多个所述半球形凹坑在对称叶片的端面上对称分布，若垂直弦长方向有1个半球形凹坑，则球心在弦长方向上；若垂直弦长方向有2个半球形凹坑，则两个凹坑关于弦长方向对称；若垂直弦长方向有3个半球形凹坑，则中间凹坑球心在弦长方向上，其余两个关于弦长方向对称。且在垂直于弦长方向上的相邻凹坑在沿弦长方向交替排列。
具有上述结构的叶片叶顶泄漏流中压力和涡结构分布以及速度等值面分布如图3和图4所示，由图3可以看到不采用所述结构的叶片时叶顶泄漏流中存在典型的分离涡、二次涡和泄漏涡，分离涡从端面前缘处开始形成，而二次涡和分离涡均在前缘下游位置形成。分离涡与泄漏涡在翼型尾缘处发生融合，然后向下游演化，尾迹中涡中心压力较低。当采用上述结构叶片后，泄漏区分离涡发射破碎，吸力面侧难以形成规则的泄漏涡，并且叶片尾缘处分离涡和泄漏涡的融合被抑制。不难看出控制后尾迹中涡强度减小，且涡中心的负压值降低，叶片工作环境得到大幅度改善。
由图4可以看到，不采用所述结构的叶片的叶顶泄漏流场中流向速度较小，主要是法向速度，且法向速度主要存在于叶片尾部区域，这是由于泄漏涡的产生使得流道发生阻塞，使得流向速度降低。同时，随着分离涡向下游演化，其强度逐渐增加，并在尾缘处于泄漏涡发生融合，使得法向速度增加。当采用上述结构叶片后，泄漏流中分离涡、泄漏涡的形成被抑制，流向速度增加而法向速度减小。可以看到，叶片尾缘处以及尾迹中的法向速度和展向速度明显减小，这表明泄漏涡和分离涡的融合受到抑制，使得尾迹中的流向涡强度在控制后明显降低。
所述实例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种对称叶片端面仿生结构，其特征在于，所述对称叶片的端面上设置多个半球形凹坑，且所述球形凹坑和端面边缘不相交，在垂直于弦长方向上的相邻凹坑在沿弦长方向交替排列。
2.根据权利要求1所述的对称叶片端面仿生结构，其特征在于：所述半球形凹坑的直径D是最大叶片厚度H的1/5。
3.根据权利要求1所述的对称叶片端面仿生结构，其特征在于：多个所述半球形凹坑的半径相等。
4.根据权利要求1所述的对称叶片端面仿生结构，其特征在于：多个所述半球形凹坑在对称叶片的端面上对称分布。
5.根据权利要求4所述的对称叶片端面仿生结构，其特征在于：垂直弦长方向有1个半球形凹坑，则球心在弦长方向上；若垂直弦长方向有2个半球形凹坑，则两个凹坑关于弦长方向对称；若垂直弦长方向有3个半球形凹坑，则中间凹坑球心在弦长方向上，其余两个关于弦长方向对称。
6.根据权利要求4所述的对称叶片端面仿生结构，其特征在于：叶片最厚处的弦长垂直方向排布3个半球形凹坑，沿弦长方向向前和向后排布半球形凹坑。
7.根据权利要求1所述的对称叶片端面仿生结构，其特征在于：垂直于弦长方向的相邻半球形凹坑的球心连线沿弦长方向的间距为1.25D，其中D为半球形凹坑的直径。
8.具有权利要求1-7中任一项所述端面仿生结构的对称叶片。
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