一種葉片尾緣的波形射流方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種葉片尾緣的波形射流方法，屬于機(jī)械裝置及運(yùn)輸【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明從氣動(dòng)手段入手，沿葉片展向各個(gè)位置開設(shè)相同的矩形縫，形成噴氣射流縫，以實(shí)現(xiàn)實(shí)體波瓣結(jié)構(gòu)的效果的機(jī)理；通過建模并對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算校核，最終定型尾緣射流方案，添加擾流片并控制各個(gè)擾流片開度大?。磾_流片與開縫的重合面積），加工成實(shí)際的葉片所設(shè)計(jì)波狀速度分布的擾動(dòng)可以起到降低風(fēng)扇、壓氣機(jī)噪音；降低渦輪噪音，使下游渦輪葉片進(jìn)口氣流溫度分布均勻的效果。該設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單、靈活、實(shí)用，特別適用于航空/地面燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域。
【專利說明】一種葉片尾緣的波形射流方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種葉片尾緣的波形射流方法，屬于機(jī)械裝置及運(yùn)輸【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]應(yīng)國防、經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展需要，對(duì)航空/地面燃?xì)廨啓C(jī)性能提出更高要求，這其中包括降低風(fēng)扇/壓氣機(jī)噪音、提高渦輪進(jìn)口溫度。為了實(shí)現(xiàn)此要求，研究者提出了尾緣開縫噴射氣流方法，并已取得成功。然而，尾緣射流后，葉片出口氣流不均勻度仍然較高，減弱了其降噪、降溫作用。
[0003]這方面，航空燃?xì)廨啓C(jī)波瓣噴管技術(shù)為進(jìn)一步降低葉片出口氣流不均勻度提供了借鑒思路。波瓣噴管于1970年代中期提出，該技術(shù)通過將噴管尾部邊緣設(shè)計(jì)成周向周期分布的若干波瓣形狀而增強(qiáng)噴管尾部射流與主流的摻混，減小主流與噴流速度差，降低溫度，從而達(dá)到使氣流均勻、降低噪聲、降低紅外福射的目的。例如,Bradbury、Ahuja等發(fā)現(xiàn):當(dāng)在噴管出口處安裝小突片后，能加強(qiáng)尾噴流與環(huán)境氣流的混合，使尾噴流的速度衰竭加快，尾噴流的核心區(qū)減短。P.K.Shumpert將波瓣強(qiáng)迫混合管與多種類型的混合器(如合流confluent、噴射injection、旋潤(rùn)發(fā)生器vortex generator)比較發(fā)現(xiàn),波瓣混合器可以在很短的混合距離內(nèi)使內(nèi)外涵趨于均勻混合，在混合管長(zhǎng)徑比等于2時(shí)，混合效率達(dá)到80%以上，優(yōu)于其它混合器。在1976-1982年間，通用電氣公司(GE)在研制E3發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣混合系統(tǒng)是對(duì)波瓣混合器的幾何形狀進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，研究表明穿透深度影響最大，適當(dāng)減小波瓣和中心錐的間距對(duì)摻混效率的提高極為有利。受到上述研究啟發(fā)，如果能在風(fēng)扇/壓氣機(jī)、渦輪等葉輪機(jī)內(nèi)采用該技術(shù)，也將會(huì)產(chǎn)生類似優(yōu)異效果。然而，由于葉片通常較薄，如果實(shí)體幾何采用波瓣式尾緣，將不可避免導(dǎo)致葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了降低風(fēng)扇、壓氣機(jī)噪音；降低渦輪噪音，使下游渦輪葉片進(jìn)口氣流溫度分布均勻，提供一種通過控制尾緣噴射氣流速度，使氣流在展向呈現(xiàn)不均勻分布從而改善出口氣流摻混的方法。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]步驟1，采用常規(guī)中弧線和厚度分布的方法設(shè)計(jì)原始葉型。其中，中弧線給定方式有單圓弧、雙圓弧、多圓弧、多項(xiàng)式等，厚度分布有NACA系列等。
[0007]步驟2，建模并對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算校核。具體方法為:
[0008]步驟2.1，對(duì)步驟I設(shè)計(jì)的原始葉型建立三維數(shù)值模型，選定模型截面的尾緣圓弧中心位置開設(shè)矩形縫，然后沿葉片展向各個(gè)位置開設(shè)相同的矩形縫，形成噴氣射流縫。
[0009]所述矩形縫的寬與葉型中弧線垂直，矩形寬的中點(diǎn)位于尾緣的圓弧中心處，矩形的長(zhǎng)邊與葉型截面尾緣處的中弧線平行。矩形的最大寬度為圓弧半徑的一半，長(zhǎng)邊延伸到尾緣的外邊界。
[0010]步驟2.2，在葉片內(nèi)部任意選定η個(gè)位置點(diǎn)作為擬添加擾流片的位置點(diǎn)，擬添加擾流片的位置點(diǎn)位于噴氣射流縫出口處且延展向均勻分布。其中η的取值由設(shè)計(jì)所需添加的擾流片個(gè)數(shù)確定。
[0011]步驟2.3，將步驟2.2選定的η個(gè)擬添加擾流片的位置點(diǎn)依次分為s個(gè)組(2 < s< 100，初次模擬時(shí)s為任意取值)，除最后一組外的各組包含位置點(diǎn)個(gè)數(shù)相同。
[0012]通過設(shè)定每組位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)尾緣開縫的射流速度大小的方法來達(dá)到模擬擾流片控制流速的效果，具體方法為:設(shè)定每組位置點(diǎn)中各點(diǎn)對(duì)應(yīng)尾緣開縫的射流速度大小不同，且各組對(duì)應(yīng)的尾緣開縫的射流速度按周期分布，從而形成s個(gè)波長(zhǎng)相同的波形。一組位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)波形周期，沿展向的射流速度及波長(zhǎng)形成波瓣噴管外型(即尾緣噴氣射流呈現(xiàn)周期分布)的效果。
[0013]步驟2.4，調(diào)節(jié)步驟2.3設(shè)定的各個(gè)擬添加擾流片位置點(diǎn)的射流速度大小，從而改變波形的波幅大小，控制一個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)的波形形狀，使得波形最大速度Vmax和氣流混合后的平
均速度一有以下規(guī)定范圍，0_1<%^<1。
[0014]步驟2.5，固定模型的進(jìn)口，出口條件，在步驟2.3的分組及步驟2.4設(shè)定的各個(gè)擬添加擾流片位置點(diǎn)的射流速度情況下，計(jì)算渦輪氣動(dòng)性能結(jié)果，并將渦輪氣動(dòng)性能結(jié)果與設(shè)計(jì)要求給定的渦輪出口總壓損失條件相比較，若結(jié)果滿足總壓損失條件，則將步驟2.3選定的η個(gè)擬添加擾流片的位置點(diǎn)及其分組情況和對(duì)應(yīng)的波幅大小作為最終定型尾緣射流方案。若結(jié)果不滿足總壓損失條件，則改變波形的數(shù)量(即將η個(gè)位置點(diǎn)重新分組)和設(shè)定的射流速度，重新執(zhí)行步驟2.3至步驟2.5，直到渦輪氣動(dòng)性能結(jié)果結(jié)果滿足總壓損失條件為止。
[0015]因?yàn)檠卣瓜蛐纬傻牟ㄐ螖?shù)量S = 4，其中λ為每個(gè)波形的波長(zhǎng)，h為葉高，即波長(zhǎng)


λ
的最大長(zhǎng)度，因此波形數(shù)量與波長(zhǎng)成反比。
[0016]不同的分組對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng)，不同的射流速度對(duì)應(yīng)不同波幅。
[0017]步驟3，根據(jù)步驟2得到的最終定型尾緣射流方案，添加擾流片并控制各個(gè)擾流片開度大小(即擾流片與開縫的重合面積)，加工成實(shí)際的葉片。
[0018]不同開度大小的擾流片對(duì)應(yīng)的噴氣射流縫出口流出氣流的射流速度不同；擾流片表面與開縫寬邊平行時(shí)，則沒有氣流從開縫中流出；擾流片表面與開縫寬邊垂直時(shí)，則氣流速度為最大值。
[0019]本發(fā)明步驟I至步驟3所述的方法適用于風(fēng)扇和壓氣機(jī)的渦輪葉片尾緣開縫噴射氣流設(shè)計(jì)。
[0020]有益效果
[0021]本發(fā)明從氣動(dòng)手段入手，采用尾緣直接波形噴射以實(shí)現(xiàn)實(shí)體波瓣結(jié)構(gòu)的效果的機(jī)理；所設(shè)計(jì)波狀速度分布的擾動(dòng)可以起到降低風(fēng)扇、壓氣機(jī)噪音；降低渦輪噪音，使下游渦輪葉片進(jìn)口氣流溫度分布均勻的效果。該設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單、靈活、實(shí)用，特別適用于航空/地面燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為現(xiàn)有技術(shù)的原始二維葉型；[0023]圖2為本發(fā)明的具有波狀射流的二維葉型；其中(a)為葉型整體結(jié)構(gòu)，(b)為尾緣局部放大圖。
[0024]圖3為【具體實(shí)施方式】中的尾緣射流示意圖；圖中的字母和數(shù)字含義為:1代表擾流片，Vmax為波幅(即最大射流速度)，λ為波長(zhǎng)；
[0025]圖4為【具體實(shí)施方式】中的尾緣射流參數(shù)圖；
[0026]圖5為實(shí)施例的數(shù)值仿真結(jié)果，波形的數(shù)量為5個(gè)。其中(a)為均勻射流仿真結(jié)果，(b)為具有波狀射流的仿真結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0027]為了更好地說明本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本
【發(fā)明內(nèi)容】
作進(jìn)
一步說明。
[0028]本例根據(jù)
【發(fā)明內(nèi)容】
所述方法對(duì)一軸流渦輪葉片葉型進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并用數(shù)值方法驗(yàn)證其作用效果。本實(shí)施例有關(guān)氣動(dòng)參數(shù)如下:進(jìn)口總壓111325Pa，出口靜壓90000Pa。設(shè)計(jì)要求總壓損失不能低于90%，故初步設(shè)計(jì)要求形成5個(gè)波形，即周期數(shù)為5個(gè)周期，即至少需要5組擾流片，每組有10個(gè)擾流片設(shè)置點(diǎn)。
[0029]步驟1，根據(jù)某原始葉型數(shù)據(jù)及常規(guī)方法給出渦輪葉型，如圖1所示。并通過數(shù)值仿真確定其氣動(dòng)性能。本例中選用Goldman潤(rùn)輪葉型。
[0030]步驟2，建模并對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算校核。具體方法為:
[0031]步驟2.1，對(duì)步驟I設(shè)計(jì)的原始葉型建立三維數(shù)值模型，選定模型截面的尾緣圓弧中心位置開設(shè)矩形縫，該矩形縫的寬邊長(zhǎng)度為該葉型尾緣圓弧半徑的一半，長(zhǎng)邊延伸到尾緣的外邊界。然后沿葉片展向各個(gè)位置開設(shè)相同的矩形縫，形成噴氣射流縫。所述矩形縫的寬與葉型中弧線垂直，矩形寬的中點(diǎn)位于尾緣的圓弧中心處，矩形的長(zhǎng)邊與葉型截面尾緣處的中弧線平行。如圖2所示。
[0032]步驟2.2，在葉片內(nèi)部任意選定50個(gè)位置點(diǎn)作為擬添加擾流片的位置點(diǎn)，擬添加擾流片的位置點(diǎn)位于噴氣射流縫出口處且延展向均勻分布。
[0033]步驟2.3，將步驟2.2選定的50個(gè)擬添加擾流片的位置點(diǎn)依次分為5個(gè)組，每個(gè)組內(nèi)有10個(gè)擬添加擾流片的位置點(diǎn)。
[0034]通過設(shè)定每組位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)尾緣開縫的射流速度大小的方法來達(dá)到模擬擾流片控制流速的效果，具體方法為:設(shè)定每組位置點(diǎn)中各點(diǎn)對(duì)應(yīng)尾緣開縫的射流速度大小不同，且各組對(duì)應(yīng)的尾緣開縫的射流速度按周期分布，從而形成5個(gè)波長(zhǎng)相同的波形。一組位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)波形周期，沿展向的射流速度及波長(zhǎng)形成波瓣噴管外型(即尾緣噴氣射流呈現(xiàn)周期分布)的效果。
[0035]步驟2.4，調(diào)節(jié)步驟2.3設(shè)定的各個(gè)擬添加擾流片位置點(diǎn)的射流速度大小，從而改變波形的波幅大小，控制一個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)的波形形狀，使得波形最大速度Vmax和氣流混合后
的平均速度P有以下規(guī)定范圍，0.1<><1。在本例中，設(shè)定矩形縫的邊界條件為壓力出
口條件，甸一組擬添加擾流片的位置點(diǎn)的10個(gè)點(diǎn)的最大壓力為92000Pa，最小壓力值為90000Pa ;—個(gè)周期內(nèi)的其余各點(diǎn)的數(shù)值關(guān)系呈正弦分布。
[0036]步驟2.5，進(jìn)口條件為壓力入口，總壓為111325Pa，出口條件為壓力出口，靜壓為90000Pa。在步驟2.3的分組及步驟2.4設(shè)定的各個(gè)擬添加擾流片位置點(diǎn)的射流速度情況下，計(jì)算渦輪氣動(dòng)性能結(jié)果，并將渦輪氣動(dòng)性能結(jié)果與設(shè)計(jì)要求給定的渦輪出口總壓損失條件相比較。結(jié)果滿足總壓損失條件，所以將步驟2.3選定的50個(gè)擬添加擾流片的位置點(diǎn)及其分組情況和對(duì)應(yīng)的波幅大小做為最終定型尾緣射流方案。
[0037]步驟3，根據(jù)步驟2得到的最終定型尾緣射流方案，添加擾流片并控制各個(gè)擾流片開度大小(即擾流片與開縫的重合面積)，加工成實(shí)際的葉片。
[0038]對(duì)本實(shí)施例進(jìn)行三維CFD數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示，從中可以得到，尾緣噴氣速度展向不均勻分布后，可以降低葉片出口氣流不均勻度，降低出口總壓損失。數(shù)值模擬結(jié)果表明尾緣噴氣波狀分布造成的擾動(dòng)可起到降低下游葉片入口的不均勻度和降低出口總壓損失的作用。
[0039]以上所述的具體描述，對(duì)發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施案例，用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種葉片尾緣的波形射流方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟1，采用常規(guī)中弧線和厚度分布的方法設(shè)計(jì)原始葉型； 步驟2，建模并對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算校核；具體方法為: 步驟2.1，對(duì)步驟I設(shè)計(jì)的原始葉型建立三維數(shù)值模型，選定模型截面的尾緣圓弧中心位置開設(shè)矩形縫，然后沿葉片展向各個(gè)位置開設(shè)相同的矩形縫，形成噴氣射流縫； 所述矩形縫的寬與葉型中弧線垂直，矩形寬的中點(diǎn)位于尾緣的圓弧中心處，矩形的長(zhǎng)邊與葉型截面尾緣處的中弧線平行；矩形的最大寬度為圓弧半徑的一半，長(zhǎng)邊延伸到尾緣的外邊界； 步驟2.2，在葉片內(nèi)部任意選定η個(gè)位置點(diǎn)作為擬添加擾流片的位置點(diǎn)，擬添加擾流片的位置點(diǎn)位于噴氣射流縫出口處且延展向均勻分布；其中η的取值由設(shè)計(jì)所需添加的擾流片個(gè)數(shù)確定； 步驟2.3，將步驟2.2選定的η個(gè)擬添加擾流片的位置點(diǎn)依次分為s個(gè)組，2 < s < 100，初次模擬時(shí)s為任意取值，除最后一組外的各組包含位置點(diǎn)個(gè)數(shù)相同； 通過設(shè)定每組位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)尾緣開縫的射流速度大小的方法來達(dá)到模擬擾流片控制流速的效果，具體方法為:設(shè)定每組位置點(diǎn)中各點(diǎn)對(duì)應(yīng)尾緣開縫的射流速度大小不同，且各組對(duì)應(yīng)的尾緣開縫 的射流速度按周期分布，從而形成s個(gè)波長(zhǎng)相同的波形；一組位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)波形周期，沿展向的射流速度及波長(zhǎng)形成波瓣噴管外型的效果； 步驟2.4，調(diào)節(jié)步驟2.3設(shè)定的各個(gè)擬添加擾流片位置點(diǎn)的射流速度大小，改變波形的波幅大小，控制一個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)的波形形狀，使得波形最大速度Vniax和氣流混合后的平均速度F有以下規(guī)定范圍，ο_ι< <ι; 步驟2.5，固定模型的進(jìn)口，出口條件，在步驟2.3的分組及步驟2.4設(shè)定的各個(gè)擬添加擾流片位置點(diǎn)的射流速度情況下，計(jì)算渦輪氣動(dòng)性能結(jié)果，并將渦輪氣動(dòng)性能結(jié)果與設(shè)計(jì)要求給定的渦輪出口總壓損失條件相比較，若結(jié)果滿足總壓損失條件，則將步驟2.3選定的η個(gè)擬添加擾流片的位置點(diǎn)及其分組情況和對(duì)應(yīng)的波幅大小作為最終定型尾緣射流方案；若結(jié)果不滿足總壓損失條件，則改變波形的數(shù)量將η個(gè)位置點(diǎn)重新分組和設(shè)定的射流速度，重新執(zhí)行步驟2.3至步驟2.5，直到渦輪氣動(dòng)性能結(jié)果結(jié)果滿足總壓損失條件為止； 步驟3，根據(jù)步驟2得到的最終定型尾緣射流方案，添加擾流片并控制各個(gè)擾流片開度大小，加工成實(shí)際的葉片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種葉片尾緣的波形射流方法，其特征在于:波長(zhǎng)的最大長(zhǎng)度為葉高，波形數(shù)量與波長(zhǎng)成反比。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種葉片尾緣的波形射流方法，其特征在于:不同的分組對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng)，不同的射流速度對(duì)應(yīng)不同波幅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種葉片尾緣的波形射流方法，其特征在于:不同開度大小的擾流片對(duì)應(yīng)的噴氣射流縫出口流出氣流的射流速度不同；擾流片表面與開縫寬邊平行時(shí)，則沒有氣流從開縫中流出；擾流片表面與開縫寬邊垂直時(shí)，則氣流速度為最大值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種葉片尾緣的波形射流方法，其特征在于:步驟I至步驟3所述的方法適用于風(fēng)扇和壓氣機(jī)的渦輪葉片尾緣開縫噴射氣流設(shè)計(jì)。
【文檔編號(hào)】F01D5/14GK103982462SQ201410150792
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月15日
【發(fā)明者】季路成, 郭鵬, 馬偉濤 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)