一種葉輪機端區葉片前緣邊條修型方法
2023-05-04 06:12:56
一種葉輪機端區葉片前緣邊條修型方法
【專利摘要】本發明涉及一種葉輪機端區葉片前緣邊條修型方法，屬於機械裝置及運輸【技術領域】。本發明採用在葉片近端壁區向前探伸尖銳前緣的方法實現修型，首先在原始葉片上選定實施近端壁區向前探伸前緣的區域，得到向前探伸後得到的前緣為空間曲線，然後對端區葉片進行邊條修型處理得到新葉片，最後採用計算流體力學工具的參數化研究方法，優化步驟3得到的新葉片。本發明效仿飛機邊條翼原理，結合葉輪機葉片近端壁區扭曲附面層造成局部大攻角運行的實際情況，提供了一種新的葉輪機葉片前緣修型技術，由此使端區流動處於合適攻角範圍，削弱或消除端壁區角區分離，從而有效改善葉輪機葉片繞流，提升葉輪機性能的作用。適用於航空、航天、航海及能源動力領域。
【專利說明】一種葉輪機端區葉片前緣邊條修型方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種葉輪機端區葉片前緣邊條修型方法，屬於機械裝置及運輸【技術領域】。
【背景技術】
[0002]端區附面層廣泛存在於葉輪機內部流動中。由於轉靜葉片相對旋轉，導致每排葉片幾乎均接受速度剖面扭曲端壁附面層，這意味著，在端區，葉片來流攻角通常很大，結合與葉表附面層相互作用，將導致葉片端區基元流動惡化和角區分離，繼而產生較大流動損失、裕度降低。國際上很多研究證明了這一點，例如，W.B.Robertsm基於NASA的12套中間級壓氣機設計及試驗數據，通過研究葉落后角展向分布表明在葉片端區存在明顯的角度差異。Kleint2]研究認為渦輪中端壁附面層扭曲會增強二次流和損失。Hoeger?指出在主流區2度進氣攻角下端壁附面層內氣流扭曲達15度，葉柵將完全失速，為此他提出了添加角區倒圓結構的修型方案，並認為施加前緣倒圓獲得了較好的附著流動、抑制了分離失速。因此，探索扭曲端壁附面層控制措施一直是研究者的追求目標。這方面外流的成功方法值得借鑑。例如飛機採用邊條翼使得大攻角機動飛行時飛機升力大幅度提高，其基本原理是，通過在機翼與機身前緣交匯處施加大幅前探具有尖銳前緣的機翼翼面，使得大攻角飛行時在尖銳前緣處產生較強的附著渦，該渦大幅增加了前緣吸力，並通過使氣流快速折轉提供了較大的渦升力，繼而大幅提高了飛機升力。葉輪機中，端區附面層扭曲天然地形成了高攻角工作狀況，如果能借鑑飛機邊條翼，將可能將端區低能流團卷席至主流，且通過前緣集中渦將流動方向快速扭轉到葉片方向，會大大降低損失，提高葉輪機性能。
[0003]基於上述思路，對採用常規方法設計的葉片，在近端壁區前緣進行所申請的特殊處理，使得其可以削弱甚至消除角區分離，改善葉輪機性能。
[0004][I] W.B.Roberts, G.K.Serovyj D.M.Sandercock.Modeling the3_D FlowEffects on Deviation Angle for Axial Compres-sor Middle Stages[J].Journal ofEngeneering for Gas Turbines and Power,1986，108 (I):131-137.[0005][2]Klein, A.，1966，「 Untersuchungen iiber den Einflu βder Zustrdmgrenzschicht auf die Sekundarstromungen in den Beschaufelungen vonAxialturbinen 『『，Forschung im In-genieurwesen, Bd.32 (1966) Nr.6, pp.175-188
[0006][3]Martin Hoegerj Ralf Dietmar Baierj Ralf Muller.1mpact of a Fillet onDiffusing Vane Endwall Flow Structure[C].1SR0MAC2006-057
【發明內容】
[0007]本發明目的是為解決角區分離問題、適應端區附面層扭曲，提供一種葉輪機端區葉片前緣邊條修型方法，能抑制端區附面層發展，削弱甚至消除角區分離、降低總損失、改善葉輪機葉片繞流流動結構。
[0008]本發明釆用在葉片近端壁區向前探伸尖銳前緣的方法實現修型，具體包括如下步驟:
[0009]步驟1，根據實際設計要求，採用常規方法進行葉輪機葉片設計:葉型由中弧線疊加厚度形成，展向不同位置處的葉型沿設計者所確定的積疊線積疊成葉片，其中葉型前緣是與葉表相切的橢圓形，橢圓形中心在葉型中弧線前端點。
[0010]步驟2，根據步驟I設計的葉片，選定實施近端壁區向前探伸前緣的區域。具體方法為:
[0011]步驟2.1，根據附面層理論估算或數值模擬方法，確定來流端壁附面層全工況最大厚度S。實施近端壁區向前探伸前緣的區域範圍為:向前探伸的前緣高度h滿足h=0.5 δ?4δ ;沿葉型中弧線方向度量，葉型前緣在端壁前伸長度L滿足0.2h〈L〈10h。
[0012]步驟2.2，葉片在滿足步驟2.1確定的實施近端壁區向前探伸前緣的區域範圍內，沿展向各截面葉型的中弧線前端點處方向或者中弧線前端點處方向±5°範圍內向前探伸，向前探伸後得到的前緣為空間曲線，定義為「邊條緣線」。
[0013]所述邊條緣線在端壁中弧線前端點方向所在平面內的投影為一條光滑曲線，曲線形狀不超過長軸、短軸分別為h和L的1/4橢圓範圍。
[0014]步驟3，在步驟2確定邊條緣線基礎上，對端區葉片進行邊條修型處理。具體方法為:
[0015]步驟3.1，在步驟2選定的實施近端壁區向前探伸前緣區域內，從端壁至高度h之內選取多個展向位置(選取的位置數量越多，形成的葉表形狀越光滑)，對包括端壁、高度h處及中間選取的每個展向位置進行葉片向前探伸處理，每個位置的前伸量按對應的步驟
2.2所確定邊條緣線變化，其中端壁處前伸量為長度L，高度h處前伸量為0，中間展向位置依次減小。
[0016]步驟3.2，找到步驟3.1選取的每個展向位置(包括端壁和高度h處)截面與邊條緣線的交點，並找到各個展向位置葉型吸力面和壓力面與原始葉型前緣橢圓的切點，將所得各個交點與對應切點連接，獲得吸力面延伸線和壓力面延伸線。吸力面延伸線和原始吸力面型線構成向前探伸後的吸力面型線，壓力面延伸線和原始壓力面型線構成向前探伸後的壓力面型線。
[0017]對所得到的吸力面型線和壓力面型線在原始前緣位置進行光滑處理，其構成的外包絡面就形成了葉片前緣邊條修型後的新葉片。
[0018]步驟4，採用計算流體力學(CFD)工具的參數化研究方法，優化步驟3得到的新葉片，並確定實際加工的邊條緣線最終形狀。
[0019]本發明步驟1-步驟4所述的方法不僅適用於軸流、斜流或離心葉輪機的轉動葉片或者靜止葉片。
[0020]有益效果
[0021]本發明效仿飛機邊條翼原理，結合葉輪機葉片近端壁區扭曲附面層造成局部大攻角運行的實際情況，提供了一種新的葉輪機葉片前緣修型技術，由此使端區流動處於合適攻角範圍，削弱或消除端壁區角區分離，從而有效改善葉輪機葉片繞流，提升葉輪機性能的作用。適用於航空、航天、航海及能源動力領域。
【專利附圖】
【附圖說明】[0022]圖1為具體實施例中步驟I所述原始葉片；
[0023]圖2為本發明實施近端壁區向前探伸前緣的區域範圍和邊條緣線形狀，其中(a)為具體實施例中最終的邊條緣線形狀，(b)是本發明方法的邊條緣線形狀範圍示意圖；
[0024]圖3為本發明的修型葉片結構圖，其中(a)為修型葉片整體結構，(b)為修型葉片前緣附近結構的局部放大圖，(C)為(b)中所標示A向投影；
[0025]圖4為具體實施例中得到的新葉片；
[0026]圖5為具體實施例中數值仿真的出口截面總壓恢復係數等值雲圖對比，其中(a)為原型葉片得到的結果，(b)為修型後葉片得到的結果；
[0027]圖6為具體實施例中數值仿真的流向各位置處橫向截面內流線圖對比，其中(a)為原型葉片得到的結果，(b)為修型後葉片得到的結果；
[0028]圖7為具體實施例中的變種形式，即邊條修型部分與主葉片分開，分成前葉片和後葉片；
[0029]標號說明:
[0030]1-原始葉片端壁前緣，2-邊條緣線，2max-邊條緣線的最外選取邊界，3-原始葉片橢圓前緣中心點連線，4-邊條緣線2與端壁截面的交點,5-中弧線,6-邊條緣線2在端壁截面的交點，7-原始葉片吸力面，8-原始葉片壓力面，9-葉片前伸區表面形線，10-前葉片，
11-後葉片，a-原始葉片橢圓前緣的長軸，b-原始葉片橢圓前緣的短軸，h-邊條葉片修型區域高度，L-邊條葉片修型區域長度，β -中弧線前端點切線的方向角。
【具體實施方式】
[0031]為了更好地說明本發明的目的、步驟和效果，下面結合附圖和實施例對本
【發明內容】
作進一步說明。
[0032]本實施例根據
【發明內容】
所述方法對一軸流壓氣機葉片進行重新設計，並用數值方法驗證其作用效果。本實施例有關氣動參數如下:進口總壓101325Pa，來流馬赫數為0.29，主流區48.185°。
[0033]步驟1，根據原始葉型數據、葉柵的幾何參數和氣動參數給出原始壓氣機葉片形狀，如圖1所示；
[0034]步驟2，在步驟I基礎上，對原始葉片端壁前緣I選定實施向前探伸區域。本實施例採用數值模擬方法確定來流端壁附面層厚度S=12mm，邊條緣線2落於圖2(b)所示橢圓陰影區內，其中橢圓長短軸分別為L、h，h=0.5?4 δ，0.2h〈L〈10h，在實施向前探伸區域範圍內，沿展向各截面葉型的中弧線前端點處方向或者中弧線前端點處方向±5°範圍內向前探伸，向前探伸後得到的前緣為邊條緣線。
[0035]步驟3，在步驟2基礎上，針對對前伸區域進行修型處理，獲得結果如圖3(a)所示，圖3(b)是圖3(a)前緣邊條延伸區放大圖，圖3(c)是圖3(b)的A向投影視圖。具體實施過程:在步驟2的區域內，從端壁至高度h處確定10個徑(展)向位置，對端壁、前緣高度h處以及中間8個徑(展)向位置進行前伸處理，在每個截面的前伸過程中，以端壁截面為例，由該截面原始葉片橢圓前緣中心線3在該截面交點4出發，沿該點處中弧線5方向β=48.185° (可偏折±5°以內)延伸至邊條緣線2位置，獲得交點6，由此點6向前緣附近吸力面7和壓力面8分別做切線或直接連接原始葉型前緣處切點，獲得吸力面延伸線和壓力面延伸線9，吸力面延伸線和原始吸力面型線構成該截面處的新的吸力面型線，壓力面延伸線和原始壓力面型線構成該截面處的新的壓力面型線。對新型面線在原始前緣位置附近進行處理以避免不光滑。
[0036]步驟4，完成步驟3所述的10個徑(展)向位置的前伸處理後，對這10個徑(展)向位置處的葉型進行曲線或曲面的光滑連接，其構成的外包絡面就形成了葉片前緣改型後的新葉片，如圖4所示。
[0037]步驟5，對步驟4得到的新葉片進行CFD數值優化，確定最終邊條緣線如圖2 (b)所示,其中L=2.33* δ =28mm ；h=l.23* δ =14.8mm ;優化後的葉片可明顯改進端區流動。
[0038]根據本實施例設計的葉片形狀製作該經前緣修型葉片過程中，需考慮實際葉片幾何尺寸、加工工藝、強度等因素，尤其出於工藝考慮，邊條緣線並非理性零厚度的，此時可按工藝允許最小厚度加工，如0.2毫米。
[0039]對本實施例中製作的前緣修型後的葉片與原始葉片分別進行三維CFD數值模擬，圖5是出口截面總壓係數等值雲圖對比，圖6是流向各位置處橫向截面內流線圖，可以看出，經前緣修型後，角區分離得到較好控制，總壓損失大幅降低。
[0040]本發明的葉片前緣邊條修型方法，也可以將邊條修型的向前探伸前緣部分與主葉片分開，如圖7，形成前葉片和後葉片。
[0041]最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。儘管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
【權利要求】
1.一種葉輪機端區葉片前緣邊條修型方法，其特徵在於:包括如下步驟: 步驟1，根據實際設計要求，採用常規方法進行葉輪機葉片設計； 步驟2，根據步驟I設計的葉片，選定實施近端壁區向前探伸前緣的區域；具體方法為: 步驟2.1，根據附面層理論估算或數值模擬方法，確定來流端壁附面層全工況最大厚度δ ;實施近端壁區向前探伸前緣的區域範圍為:向前探伸的前緣高度h滿足h=0.5 δ?4 δ ;沿葉型中弧線方向度量，葉型前緣在端壁前伸長度L滿足0.2h〈L〈10h ； 步驟2.2，葉片在滿足步驟2.1確定的實施近端壁區向前探伸前緣的區域範圍內，沿展向各截面葉型的中弧線前端點處方向或者中弧線前端點處方向±5°範圍內向前探伸，向前探伸後得到的前緣為空間曲線，定義為「邊條緣線」； 所述邊條緣線在端壁中弧線前端點方向所在平面內的投影為一條光滑曲線，曲線形狀不超過長軸、短軸分別為h和L的1/4橢圓範圍；步驟3，在步驟2確定邊條緣線基礎上，對端區葉片進行邊條修型處理；具體方法為:步驟3.1，在步驟2選定的實施近端壁區向前探伸前緣區域內，從端壁至高度h之內選取多個展向位置，對包括端壁、高度h處及中間選取的每個展向位置進行葉片向前探伸處理，每個位置的前伸量按對應的步驟2.2所確定邊條緣線變化，其中端壁處前伸量為長度L，高度h處前伸量為O，中間展向位置依次減小； 步驟3.2，找到步驟3.1選取的包括端壁和高度h處在內的每個展向位置截面與邊條緣線的交點，並找到各個展向位置葉型吸力面和壓力面與原始葉型前緣橢圓的切點，將所得各個交點與對應切點連接，獲得吸力面延伸線和壓力面延伸線；吸力面延伸線和原始吸力面型線構成向前探伸後的吸力面型線，壓力面延伸線和原始壓力面型線構成向前探伸後的壓力面型線； 對所得到的吸力面型線和壓力面型線在原始前緣位置進行光滑處理後，構成的外包絡面就形成了葉片前緣邊條修型後的新葉片； 步驟4，採用計算流體力學工具的參數化研究方法，優化步驟3得到的新葉片，並確定實際加工的邊條緣線最終形狀。
2.根據權利要求1所述的一種葉輪機端區葉片前緣邊條修型方法，其特徵在於:所述步驟I的葉片設計方法為:葉型由中弧線疊加厚度形成，展向不同位置處的葉型沿設計者所確定的積疊線積疊成葉片，其中葉型前緣是與葉表相切的橢圓形，橢圓形中心在葉型中弧線前端點。
3.根據權利要求1所述的一種葉輪機端區葉片前緣邊條修型方法，其特徵在於:所述步驟3中，從端壁至高度h之內選取展向位置數量越多，形成的葉表形狀越光滑。
4.根據權利要求1所述的一種葉輪機端區葉片前緣邊條修型方法，其特徵在於:步驟1-步驟4所述方法適用於軸流、斜流或離心葉輪機的轉動葉片或者靜止葉片。
5.根據權利要求1所述的一種葉輪機端區葉片前緣邊條修型方法，其特徵在於:將邊條修型的向前探伸前緣部分與主葉片分開，形成前葉片和後葉片。
【文檔編號】F01D5/14GK103790639SQ201310739898
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年12月26日 優先權日:2013年12月26日
【發明者】季路成, 伊衛林, 唐方明, 馬偉濤 申請人:北京理工大學