CN116221174A - 一种周向不均匀、展向拱型穿孔降噪叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种周向不均匀、展向拱型穿孔降噪叶片,包括叶片体,所述叶片体包括前缘、尾缘、压力面、吸力面,叶片体的前缘一侧设置一列拱型穿孔,由压力面顺着气流方向倾斜至吸力面,叶片体的后缘一侧设置三列拱型穿孔,由吸力面顺着气流方向倾斜至压力面。本发明周向叶片的不均匀穿孔设计使得每个叶片表面的流动情况不同,叶片尾迹强度也不同,不仅改变了不同叶片表面的声源相位,也改变了不同叶片和蜗舌的干涉声源相位,使得所有周向叶片表面和蜗舌声源在远场的声强叠加降低,直接降低远场的压气机噪声。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种叶片,具体地说是离心压气机的圆弧型叶片。
背景技术
离心压气机因其同转速和流量下,比功传输能力更高的优点广泛应用于工业和民用领域,但其气动噪声问题同样日渐突出。离心压气机叶片的尾迹周期性地冲击蜗壳,在叶片和蜗舌表面产生周期性和随机性的非定常力,不仅导致设备产生大幅振动,还会产生强烈的气动噪声。
叶片穿孔设计是降低叶片气动噪声的一种有效方式,叶片穿孔在叶片前缘或者尾缘布置多排穿孔,抑制叶片表面的流动分离,使得流动分离点向后移动,减弱尾迹湍流强度,从而降低噪声辐射强度。然而,这些穿孔在叶片展向(展向如图1所示)方向往往是直线排列的,然后实际叶片的展向压力等值线分布并不均匀,压力等值线在展向呈现出拱型,如图1所示。直线排列的穿孔设计没有考虑到叶片展向压力分布不均匀的问题,对叶片不同展向的分离流动的抑制不够精准。
此外,由于蜗壳的存在,每个叶片表面的压力分布并不一致,即周向压力不均匀,每个叶片的穿孔设计一致不能最大化地降低离心压气机的噪声。如图2所示,叶片1最靠近蜗舌11,其尾缘14离蜗壳12的距离最小,流体被挤压的空间最小,相应其叶片的高压区域越大。随着叶片编号的不断增大,叶片尾缘离蜗壳壁面距离的不断增大,通流区域的面积不断增大,流体的压力降低,高压区域明显变小。因此,编号越低的叶片在尾缘的涡旋分离区域越大,分离点越靠近叶片前缘13。所以,每个叶片一样的穿孔设计不是降低噪声的最优方案。
发明内容
本发明的目的在于提供能进一步降低气动噪声的一种周向不均匀、展向拱型穿孔降噪叶片。
本发明的目的是这样实现的:
本发明一种周向不均匀、展向拱型穿孔降噪叶片,其特征是:包括叶片体,所述叶片体包括前缘、尾缘、压力面、吸力面,叶片体的前缘一侧设置一列拱型穿孔,由压力面顺着气流方向倾斜至吸力面,叶片体的后缘一侧设置三列拱型穿孔,由吸力面顺着气流方向倾斜至压力面。
本发明还可以包括:
1、叶片体上的穿孔面积占叶片体的1%-2%。
2、叶片体前缘穿孔位置位于流动分离点之前,穿孔直径为2-4mm,从上端盖至下端盖的穿孔间距均匀分布。
3、叶片体第一排尾缘穿孔位置位于叶片压力面漩涡产生之前,三列穿孔间隔均匀,每列穿孔相距为叶片弦长C的8%-10%,穿孔直径为2-4mm,从上端盖至下端盖的穿孔间距均匀分布。
4、叶片体前缘穿孔偏转角和尾缘穿孔偏转角方向相反,且前缘穿孔偏转角小于尾缘穿孔偏转角,偏转角范围为30°-60°。
5、叶片穿孔周向型线表达式为:
式中,R为叶片体前缘离圆心的距离,C为叶片弦长,t为变量,取值0-1,a和b为可变参量,对于叶片体前缘穿孔周向型线,a取0.20-0.24,b取0.68-0.86;对于叶片体尾缘第一排穿孔周向型线,a取0.65-0.75,b取0.05-0.19。
6、叶片穿孔展向型线表达式为:
y=A1+B1x+B2x2+B3x3+B4x4+B5x5+B6x6+B7x7
式中,A1和B1到B7为可变参量,对于叶片前缘穿孔拱型型线,A1取34.20±3.66,B1到B7分别取-3.07±0.88、0.38±0.07、-0.02±6.49e-3、2.90e-4±3.43e-5、-2.41e-6±2.63e-7、7.34e-9±7.72e-10和0;对于叶片尾缘穿孔拱型型线,A1取121.47±3.27,B1到B7分别取-1.78±1.15、0.33±0.13、-0.02±6.49e-3、4.43e-4±1.64e-4、-5.29e-6±2.20e-6、3.02e-8±1.50e-8和-6.57e-11±4.06e-11。
7、叶片体前缘靠近叶片下端面第一列穿孔位置离叶片前缘的距离L1为叶片弦长C的3%-7%;穿孔之间的间距l1取相应穿孔位置叶高h1的1/n,位于叶片边缘的穿孔距离叶片边缘距离为穿孔间距l1的1/2,穿孔数量n取6-12。
8、叶片体尾缘靠近叶片下端面第一列穿孔位置离叶片前缘的距离L2为叶片弦长C的60%-70%,三列穿孔间距D相同且为叶片弦长C的8%-10%;穿孔之间的间距l2、l3和l4取相应穿孔位置叶高h2、h3和h4的1/n,位于叶片边缘的穿孔距离叶片边缘距离为穿孔间距的1/2,穿孔数量n取6-12。
本发明的优势在于:首先,周向叶片的不均匀穿孔设计使得每个叶片表面的流动情况不同,叶片尾迹强度也不同,不仅改变了不同叶片表面的声源相位,也改变了不同叶片和蜗舌的干涉声源相位,使得所有周向叶片表面和蜗舌声源在远场的声强叠加降低,直接降低远场的压气机噪声。第二,叶片前缘和尾缘处的拱型穿孔设计可以匹配叶片实际压力展向分布,最大化抑制叶片表面的分离流动,包括叶片前缘吸力面和尾缘压力面的流动分离。前者的抑制可以打破叶片表面的小涡旋分离结构,降低叶片前缘压力脉动,从而降低声源强度。后者的强度降低可以破坏叶片表面大分离涡旋,降低叶片尾缘附近的射流-尾迹效应,从而降低叶片气动噪声。
附图说明
图1为叶片表面展向压力等值线分布示意图;
图2为叶片周向压力不均匀分布示意图;
图3为叶片穿孔周向型线示意图;
图4为叶片穿孔展向拱型型线示意图;
图5为叶片A-A截面穿孔位置示意图;
图6为叶片A-A截面穿孔偏转角示意图;
图7为叶片前缘穿孔间距示意图;
图8为叶片尾缘穿孔间距示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述:
结合图1-8,本发明是一种周向不均匀、展向拱型穿孔离心压气机叶片,其特征是:包括编号1-10的不同叶片、蜗壳12、叶片穿孔周向型线15-18和叶片展向拱型型线21-22。不同周向位置的叶片穿孔形式一致,仅弦长方向的穿孔位置由叶片穿孔周向型线15-18给定。图4-8详细描述了叶片10的穿孔形式,其特征是:包括叶片前缘13、叶片尾缘14、叶片吸力面19、叶片压力面20、叶片展向拱型型线21-22、叶片下端盖23、叶片前缘一排穿孔和叶片尾缘三排穿孔。
图2中编号1-10的叶片穿孔周向型线为螺旋线,叶片前缘13及尾缘14穿孔周向型线由同一参数方程中可变参量取不同数值得到。
以叶片10为基准,阐述单个叶片上的穿孔形式,其他编号的叶片穿孔位置分别由叶片前缘13和尾缘14穿孔周向型线确定,穿孔形式与叶片10一致。
叶片的穿孔面积占原始叶片的1%-2%。
叶片10前缘13穿孔位置位于流动分离点之前,穿孔直径为2-4mm,从上端盖至下端盖23的穿孔间距均匀分布。
叶片10第一排尾缘穿孔位置位于叶片压力面漩涡产生之前,三排穿孔间隔均匀,每排穿孔相距为叶片弦长C的8%-10%,穿孔直径为2-4mm,从上端盖至下端盖23的穿孔间距均匀分布。
叶片10前缘13穿孔偏转角和尾缘14穿孔偏转角方向相反,且前缘13穿孔偏转角小于尾缘14穿孔偏转角。
叶片展向拱型型线21、22为多项式曲线,叶片前缘及尾缘穿孔展向拱型型线21、22由不同一参数方程确定,尾缘14三排穿孔展向分布由同一参数方程控制,不同叶片的穿孔位置由周向型线确定。
叶片前缘13穿孔位置由叶片前缘穿孔周向型线15确定,叶片尾缘14穿孔位置由叶片尾缘穿孔周向型线16-18确定,叶片穿孔周向型线表达式为:
式中,R为离心压气机叶片前缘13离圆心的距离,C为叶片弦长,t为系统变量,取值0-1,a和b为可变参量。对于叶片前缘穿孔周向型线15,a取0.20-0.24,b取0.68-0.86;对于叶片尾缘14第一排穿孔周向型线16,a取0.65-0.75,b取0.05-0.19。
叶片前缘13穿孔展向排布由叶片前缘穿孔拱型型线21确定,叶片尾缘14穿孔展向排布由叶片尾缘穿孔拱型型线22确定,如图4所示。以叶片弦长所在平面为基准,叶片前缘13和叶片下端面23的交点为原点,叶片穿孔展向型线表达式为:
y=A1+B1x+B2x2+B3x3+B4x4+B5x5+B6x6+B7x7
式中,A1和B1到B7为可变参量。对于叶片前缘穿孔拱型型线21,A1取34.20±3.66,B1到B7分别取-3.07±0.88、0.38±0.07、-0.02±6.49e-3、2.90e-4±3.43e-5、-2.41e-6±2.63e-7、7.34e-9±7.72e-10和0;对于叶片尾缘穿孔拱型型线22,A1取121.47±3.27,B1到B7分别取-1.78±1.15、0.33±0.13、-0.02±6.49e-3、4.43e-4±1.64e-4、-5.29e-6±2.20e-6、3.02e-8±1.50e-8和-6.57e-11±4.06e-11。
叶片前缘和尾缘穿孔位置和直径需规范化,穿孔孔径过大,叶片工作面气流大量流向非工作面,压气机的气动特性得不到保障。而孔径过小,通过孔的气流不足以起到抑制流动分离,因此本发明的穿孔面积为原始叶片面积的1%-2%,叶片前缘穿孔直径与尾缘穿孔一致,为2-4mm。
结合图2和图6,在叶片前缘13附近,叶片吸力面19存在小分离流动,且叶片压力面20的静压大于叶片吸力面19静压。而在叶片尾缘14附近,叶片压力面存在大分离涡旋,且叶片压力面20的静压小于叶片吸力面19静压。叶片穿孔的原则是从高压区域顺着内部主流方向穿透至低压区域,针对后向离心压气机的运行特点,叶片前缘设计一排穿孔来抑制叶片前缘小分离流动,方向为叶片压力面20至吸力面19。叶片尾缘则设计三排穿孔来打破叶片尾缘大分离涡旋。方向为叶片吸力面19至压力面20。因而叶片尾缘穿孔偏转角与前缘穿孔偏转角相反,叶片前缘穿孔偏转角α小于尾缘穿孔偏转角β,且偏转角范围为30°-60°。
结合图1、2、5和7,叶片10前缘靠近叶片下端面23第一排穿孔位置离叶片前缘的距离L1为叶片弦长C的3%-7%,其他展向位置由叶片前缘穿孔拱型型线21确定,保证展向方向所有穿孔位置位于流动分离点之前,以最大化抑制叶片前缘吸力面的流动分离,迫使流动分离点沿轴向向后移动。这不仅可以降低因流动分离产生的流动损失,还可以把叶片前缘大涡旋破碎,降低压力脉动幅值,进而降低叶片前缘声源强度。穿孔之间的间距l1取相应穿孔位置叶高h1的1/n,位于叶片边缘的穿孔距离叶片边缘距离为穿孔间距l1的1/2。穿孔数量n取6-12,但要保证穿孔面积为原始叶片面积的1%-2%。
结合图1、2、5和8,叶片10尾缘靠近叶片下端面23第一排穿孔位置离叶片前缘的距离L2为叶片弦长C的60%-70%,三排穿孔间距D相同且为叶片弦长C的8%-10%,其他展向位置由叶片尾缘穿孔拱型型线22确定,保证尾缘穿孔位置位于压力面漩涡产生之前,以抑制叶片尾缘压力面的大范围漩涡。尾缘穿孔可以把叶片吸力面的高压气流直接导向压力面,除了可以抑制叶片非工作面尾缘的大分离流动外,还能降低尾迹-蜗壳干涉效应,并降低尾迹湍流强度,进而减小动叶尾迹和蜗壳的干涉。这一方面降低了叶片尾缘附近的声源强度,还降低了离心压气机最重要声源区域—蜗舌11附近的声源强度。穿孔之间的间距l2、l3和l4取相应穿孔位置叶高h2、h3和h4的1/n,位于叶片边缘的穿孔距离叶片边缘距离为穿孔间距的1/2。穿孔数量n取6-12,但要保证穿孔面积为原始叶片面积的1%-2%。
Claims (9)
1.一种周向不均匀、展向拱型穿孔降噪叶片,其特征是:包括叶片体,所述叶片体包括前缘、尾缘、压力面、吸力面,叶片体的前缘一侧设置一列拱型穿孔,由压力面顺着气流方向倾斜至吸力面,叶片体的后缘一侧设置三列拱型穿孔,由吸力面顺着气流方向倾斜至压力面。
2.根据权利要求1所述的一种周向不均匀、展向拱型穿孔降噪叶片,其特征是:叶片体上的穿孔面积占叶片体的1%-2%。
3.根据权利要求1所述的一种周向不均匀、展向拱型穿孔降噪叶片,其特征是:叶片体前缘穿孔位置位于流动分离点之前,穿孔直径为2-4mm,从上端盖至下端盖的穿孔间距均匀分布。
4.根据权利要求1所述的一种周向不均匀、展向拱型穿孔降噪叶片,其特征是:叶片体第一排尾缘穿孔位置位于叶片压力面漩涡产生之前,三列穿孔间隔均匀,每列穿孔相距为叶片弦长C的8%-10%,穿孔直径为2-4mm,从上端盖至下端盖的穿孔间距均匀分布。
5.根据权利要求1所述的一种周向不均匀、展向拱型穿孔降噪叶片,其特征是:叶片体前缘穿孔偏转角和尾缘穿孔偏转角方向相反,且前缘穿孔偏转角小于尾缘穿孔偏转角,偏转角范围为30°-60°。
7.根据权利要求1所述的一种周向不均匀、展向拱型穿孔降噪叶片,其特征是:叶片穿孔展向型线表达式为:
y=A1+B1x+B2x2+B3x3+B4x4+B5x5+B6x6+B7x7
式中,A1和B1到B7为可变参量,对于叶片前缘穿孔拱型型线,A1取34.20±3.66,B1到B7分别取-3.07±0.88、0.38±0.07、-0.02±6.49e-3、2.90e-4±3.43e-5、-2.41e-6±2.63e-7、7.34e-9±7.72e-10和0;对于叶片尾缘穿孔拱型型线,A1取121.47±3.27,B1到B7分别取-1.78±1.15、0.33±0.13、-0.02±6.49e-3、4.43e-4±1.64e-4、-5.29e-6±2.20e-6、3.02e-8±1.50e-8和-6.57e-11±4.06e-11。
8.根据权利要求1所述的一种周向不均匀、展向拱型穿孔降噪叶片,其特征是:叶片体前缘靠近叶片下端面第一列穿孔位置离叶片前缘的距离L1为叶片弦长C的3%-7%;穿孔之间的间距l1取相应穿孔位置叶高h1的1/n,位于叶片边缘的穿孔距离叶片边缘距离为穿孔间距l1的1/2,穿孔数量n取6-12。
9.根据权利要求1所述的一种周向不均匀、展向拱型穿孔降噪叶片,其特征是:叶片体尾缘靠近叶片下端面第一列穿孔位置离叶片前缘的距离L2为叶片弦长C的60%-70%,三列穿孔间距D相同且为叶片弦长C的8%-10%;穿孔之间的间距l2、l3和l4取相应穿孔位置叶高h2、h3和h4的1/n,位于叶片边缘的穿孔距离叶片边缘距离为穿孔间距的1/2,穿孔数量n取6-12。
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