CN115013072A - 一种仿生开式转子 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种仿生开式转子，在其开式转子叶片上分布有波状结构，波状结构包括多个第一单波结构和多个第二单波结构，第一单波结构的波状高度大于第二单波结构的波状高度。波状结构在开式叶片上的分布由叶根到叶尖密度增大。开式转子的开式叶片结构能够改善复杂来流条件下的开式转子性能，达到扩大开式转子工况的目的。

Description

一种仿生开式转子
技术领域
本公开涉及转子领域，尤其涉及一种仿生开式转子。
背景技术
开式转子发动机(Open Rotor Engine)，早期曾被称作桨扇发动机(PropfanEngine)或无涵道发动机(Unducted Fan Engine)，是一种用燃气通过动力涡轮输出轴功率来传动桨扇的燃气涡轮发动机。开式转子发动机的气动性能优势非常明显，近年来波音和空客都认为开式转子发动机可以作为新一代先进民用飞机的可选动力之一，积极配合各大发动机生产商研究开式转子技术。但现有的开式转子发动机中的开式转子，在起飞环境中，特别是在侧风环境中，存在着阻力大，开式转子性能差的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中的至少一个问题，本发明提出一种仿生开式转子，提高开式转子性能。
由此，提供一种仿生开式转子，在其开式转子叶片上分布有波状结构，所述波状结构包括多个第一单波结构和多个第二单波结构，所述第一单波结构的波状高度大于所述第二单波结构的波状高度。
优选的，每两个所述第一单波结构之间至少包括一个第二单波结构。
优选的，所述第一单波结构有2-10处。
优选的，所述第一单波结构有3-5处。
优选的，所述第一单波结构有4处。
优选的，所述波状结构最大处优选出现在叶高0.5-0.7处。
优选的，所述波状结构最大处出现在叶高在0.55-0.65处。
优选的，所述波状结构在开式叶片上的分布由叶根到叶尖密度增大。
优选的，所述波状结构自叶高0.26-0.33处开始存在。
优选的，所述波状结构自叶高0.28-0.29处开始存在。
在不冲突的情况下，以上技术特征互组合使用。
最后所应说明的是，以上技术方案仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之中。
现有技术相比，本发明技术方案的优点在于：
通常进行开式转子设计时，起飞工况为均匀轴向来流。实际情况中，机场的起飞跑道固定。但是大气条件变化莫测，起飞时风速和风向很难与设计工况一致。本发明借鉴了“座头鲸波状鳍”的几何特征，进行仿生开式转子的设计。结果表明，在侧风条件下，仿生开式转子的性能要优于原型，最高效率提升约0.5。本发明成果后续可向航空及工业能源动力领域的叶轮机械叶片设计方向转移。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是本公开实施例提供的仿生开式转子的一种示意图；
图2是本公开实施例提供的座头鲸及波状鳍示意图；
图3是侧风条件下开式转子原型与仿生开式转子的性能对比图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
参见图1，一种仿生开式转子,在其开式转子叶片1上分布有波状结构11，所述波状结构包括多个第一单波结构111和多个第二单波结构112，所述第一单波结构111的波状高度大于所述第二单波结构112的波状高度。
本实施方式中，多个第一单波结构和多个第二单波结构配合可以形成上述波状结构，其中，第一单波结构大于第二单波结构，也就是说第一单波结构是波状结构中较大者，第二单波结构是波状结构中的较小者。存在大小不同的单波结构，可以使得仿生开式转子在侧风环境下均具有良好的推进表现。
其中，作为一个可选实施方式，每两个第一单波结构之间至少包括一个或多个第二单波结构。利用较大的第一单波结构之间插入较小的第二单波结构，配合开式转子本身中转子叶片本身的布置特点。使得开式转子在旋转过程中，具有良好的动力学特点，使其在侧风环境下均具有良好的推进表现。
示例性的，仿生开式转子包括转轴2，开式转子叶片1设置在转轴2上，开式转子叶片包括主叶片101和辅叶片102，其中，主叶片位于101辅叶片102前方，波状结构11设置于主叶片101的前缘处。主叶片101的倾斜方向与辅叶片102的倾斜方向不同。
示例性的，靠近仿生开式转子旋转轴的第一单波结构大于远离开式转子旋转轴的第一单波结构，靠近仿生开式转子旋转轴的第二单波结构大于远离开式转子旋转轴的第二单波结构。
示例性的，第一单波结构有2-10处。例如，第一单波结构有2处，第一单波结构有4处，第一单波结构有3-5处。第一单波结构有2处时，2处第一单波结构之间可设置2～3处第二单波结构，高于第一单波结构所处叶高处可再设置多个第二单波结构。
示例性的，第二单波结构有2-10处。例如，第二单波结构有4处，第二单波结构有6处，第二单波结构有8处。
在一个可选的实施方式中，第一单波结构由球形结节凸起结构形成，该机构可以提升提高升力、降低阻力、延缓失速的作用。
在一个可选的实施方式中，所述波状结构在开式叶片上的分布由叶根到叶尖密度增大。密度增大的结构配合第一单波结构以及第二单波结构，可以使得开式叶片具有更好的流动力学表现，提升推进效率。
在一个可选的实施方式中，所述波状结构最大处出现在叶高0.5-0.7处。波状结构最大处可以是第一单波结构中的最大单波结构。示例性的，所述波状结构最大处出现在叶高0.55-0.65处。示例性的，所述波状结构最大处出现在0.572处。
在一个可选的实施方式中，所述波状结构自叶高0.26-0.33处开始存在。也就是说叶高0.26之前不设置波状结构，第一单波结构和第二单波结构均位于波状结构自叶高0.26之后，且至少一个第一单波结构或第二单波结构位于叶高0.26-0.33处。该结构设置可以使仿生开式转子降低空气阻力。示例性的，所述波状结构自叶高0.28-0.29处开始存在。示例性的，所述波状结构自叶高0.286处开始存在，叶根处为骨骼关节。
本公开的仿生开式转子，基于“座头鲸波状鳍”结构作为仿生生物样本设计而成，参见图2，图2中的座头鲸波状鳍201包含如果图所示的波形结构。仿生结构在自然界中的优异流动特性都存在一定的环境条件，其向开式转子上映射应遵循流体力学中的相似准则，即雷诺数相似。开式转子发动机一经出现以其优异的性能受到航空界的关注，被誉为下一代航空动力选择之一，开式转子的对转结构使得流动及其复杂。座头鲸在海水中机动捕食过程中波状鳍起了非常重要的作用。通过开式转子叶片与“座头鲸波状鳍”结构对比见，能够明显看出，二者从几何外形上十分相似，这为本公开提供几何上的依据。针对其他应用场景，学者都将“座头鲸波状鳍”模化为正弦分布，这样的优点是便于参数化建模，缺点也比较明显。“座头鲸波状鳍”从大概0.286叶高开式存在波状结构，叶根处为骨骼关节，；波状结构大小不一致，其中波状高度较大的共有四处，最大处约在0.572处叶高；从叶根到叶尖，相对越来越密。本公开可根据“座头鲸波状鳍”的形状，将“波状”分布与鱼鳍的展向位置相对应。首先截取一些标志性的点，即波峰和波谷；然后出去波峰波谷外的点应用样条插值得出；同时分析“波状”位置与弦长的关系。将上一步中得到的“波状”结构几何参数与开式转子叶片对应，得到“座头鲸波状鳍”仿生开式转子叶片。通过三维建模生成带有“座头鲸波状鳍”结构特征的开式转子，分析其对开式转子性能影响。
经试验，开式转子原型，起飞工况，前进速度为68.0m/s，开式转子原型推进效率为62.68％，而本公开的仿生开式转子推进效率为62.83％，推进效率略有提升。
经试验，在侧风条件下，仿生开式转子起飞工况推进效率明显高于原型，最大提升0.5个百分点。
具体如下：根据起飞状态及环境风力的不同，开式转子的侧风环境不同，开式转子会受到不同的侧风风力和侧风风速。其中，按如下表格所示的风力及其对应的风速，进行开式转子流场计算。
Figure BDA0003692626940000051
最终试验得到，给定不同的外部流场边界条件，Vx＝-20-20m/s，给定侧风，无波状结构的开式转子原型与本公开的仿生开式转子推进效率对比如图3所示，系列1为开式转子原型的推进效率，系列2为仿生开式转子的推进效率，纵坐标为效率，横坐标为侧风速度，可以看出在侧风条件下，仿生开式转子起飞工况推进效率效率明显高于原型，最大提升0.5个百分点。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种仿生开式转子，其特征在于，在其开式转子叶片上分布有波状结构，所述波状结构包括多个第一单波结构和多个第二单波结构，所述第一单波结构的波状高度大于所述第二单波结构的波状高度。
2.如权利要求1所述的仿生开式转子，其特征在于，每两个所述第一单波结构之间至少包括一个所述第二单波结构。
3.如权利要求1或2所述的仿生开式转子，其特征在于，所述第一单波结构有2-10处。
4.如权利要求1或2所述的仿生开式转子，其特征在于，所述第一单波结构有3-5处。
5.如权利要求1或2所述的仿生开式转子，其特征在于，所述第一单波结构有4处。
6.如权利要求1或2所述的仿生开式转子，其特征在于，所述波状结构最大处出现在叶高0.5-0.7处。
7.如权利要求1或2所述的仿生开式转子，其特征在于，所述波状结构最大处出现在叶高0.55-0.65处。
8.如权利要求1或2所述的仿生开式转子，其特征在于，所述波状结构在开式叶片上的分布由叶根到叶尖密度增大。
9.如权利要求1或2所述的仿生开式转子，其特征在于，所述波状结构自叶高0.26-0.33处开始存在。
10.如权利要求1或2所述的仿生开式转子，其特征在于，所述波状结构自叶高0.28-0.29处开始存在。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009035689A1 (de) * 2009-07-30 2011-02-03 Eads Deutschland Gmbh Fluiddynamisch wirksamer Rotor
AU2015362077A1 (en) * 2014-12-11 2017-07-13 Edward Howard SPICER A blade for a vertical axis turbine, a turbine comprising the blade and a method of operation of the turbine
US20180057141A1 (en) * 2016-08-31 2018-03-01 David E. Shormann Biomimetic airfoil bodies and methods of designing and making same

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