專利名稱：一種端區葉片前緣仿生處理方法
技術領域：
本發明涉及一種端區葉片前緣仿生處理方法，屬于能源動力領域。
技術背景
隨葉輪機械向著高負荷、高效率發展的趨勢，二次流損失在葉片通道總損失中所 占的比例越來越大，且又因其強烈依賴于葉柵幾何形狀等特點而備受關注，各種二次流控 制技術也迅速發展起來，其中葉片端壁區前緣改型技術在近幾年得到了比較大的關注。葉 片前緣改型技術通過改變端壁區葉片前緣的形狀，改變和控制前緣馬蹄渦的發展，進而影 響二次流的發展，國外對此進行了一定研究。現有技術的葉輪機原始常規葉片如圖1所示， 其端部與端壁接觸面處常規接觸，其前緣處理技術，均是采用帶狀或球狀等結構，類似結構 在一定程度上控制了馬蹄渦的發展。
近年來，仿生方法在航空航天領域又受到更廣泛關注，但將其應用葉片設計上的 研究并不多見，本發明將仿生學原理應用于葉片前緣處理，提出一種葉片前緣仿生處理方 法。發明內容
本發明目的是為適應高性能葉輪機械發展的要求，通過前緣仿生處理，提供一種 降低損失、改善葉輪機氣動性能的端區葉片前緣仿生處理方法。
本發明方法將仿生學與控制馬蹄渦、抑制附面層發展和降低損失的原理相結合， 把具有流線型身體的海洋動物(如海豚、鯨等)，尤其是將海豚頭部流線型可以有效地減 小前進時的阻力、降低損失的特點應用于葉輪機械葉片的前緣處理中。其具體實現方案如 下
步驟1，根據實際需求，采用常規方法進行葉輪機原始葉片設計由徑(展)向不 同位置處葉型沿設計者確定的積疊線積疊而成，其中葉型由中弧線疊加厚度形成，前緣是 與葉表相切的橢圓形，其中心在葉型中弧線上；
步驟2，在步驟1基礎上，采用理論估算或數值模擬方法確定來流端壁附面層厚度 S，并選定實施近端壁區向前探伸前緣的區域，即前緣處理結構范圍前緣處理結構高度h 滿足10 δ > h > 0. 5 δ ；前緣在根部前伸長度L滿足100 δ > L > 0. 1 δ ；
步驟3，根據步驟2得到的前緣處理結構范圍，去除原始葉片一端的端壁型線前緣 線，將通用的海豚頭部嘴形結構型線移至此前緣；保持葉型前緣的前伸長度L不變，根據原 始葉片去除前緣線后的葉型前緣展向寬度，按比例調整海豚嘴型線的展向尺寸，使其展向 兩個端點分別與去除前緣線后的葉型前緣兩端點完好接合，即生成處理后葉片一端的海豚 嘴端壁型線；
步驟4，將步驟3調整后的端壁海豚嘴型線按一定的比例因子α進行縮小；對于 不同高度處的葉型，該比例因子可以不同，且滿足α <1。將其移至原始葉片近端壁型 線前緣處，使其與去除前緣線后的葉型近端壁前緣兩端點完好接合，去除中間多余的近端壁前緣線段，可得處理后葉片的近端壁型線；
步驟5，采用與步驟4相同的方法可得到相鄰高度處的葉片型線，依次類推，在前 緣處理結構高度h處，海豚嘴型線縮小至0，葉片型線轉化為原始型線，前緣處理結構高度h 處即為前緣處理結構的最高點；
步驟2到步驟5得到的所有處理后的海豚嘴前緣型線構成了葉片前緣處理結構的 外包絡面；
步驟6，將步驟5生成的前緣處理結構外包絡面與原始葉片接觸處進行光滑過渡 曲線或曲面連接，完成對葉片一端的前緣處理；
步驟7，對步驟1得到的原始葉片的另一端，采用如步驟3-步驟6所述的方法進行 同樣處理，即得到了經前緣處理后的海豚型線葉輪機葉片形狀。
本發明步驟1至步驟7所述的方法不僅適用于葉輪機葉片，同樣適用于處在流動 中的兩固壁交匯區域。
有益效果
與現有技術相比，本發明優點在于
本發明則根據海豚頭部流線型特點進行葉片前緣處理，即在端壁區前緣添加海豚 頭部尖區形狀結構，可很大限度地利用其低阻力、低損失的特點，獲得低損失、高性能葉片， 以有效改善葉輪機氣動性能，提高整機效率。本發明可廣泛適用于航空、航天、航海及工業 能源動力領域的葉輪機中。
圖1為未經處理的葉輪機原始葉片示意圖2為本發明中用于前緣處理的海豚型線示意圖，其中(a)為海豚型線整體示意 圖，(b)為海豚嘴型線的局部放大圖3為本發明的經前緣仿生處理的葉輪機葉片；
圖4為本發明的葉片前緣處理結構局部放大圖5為具體實施方式
中經過前緣處理后的用于數值模擬的葉片模型；
圖6為實施例的數值仿真結果。
標號說明
1-葉片端區前緣，2-前緣仿生處理后的葉片，3-流道。
具體實施方式
為了更好地說明本發明的目的和優點，下面結合附圖和實施例對發明內容作進一 步說明。
本實施例根據發明內容所述方法對一軸流壓氣機葉片(NACA65葉型)進行重 新設計，并用數值模擬的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 103379Pa，來流馬赫數0. 2，出口靜壓101325Pao
本實施例的具體實施過程如下
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 態，如圖1所示；
步驟2，在步驟1基礎上，本實施例采用數值模擬方法確定來流端壁進口附面層厚 度δ = 20mm，并選定實施前緣近端壁區1向前探伸前緣的區域，即前緣處理結構范圍前 緣處理結構高度h = δ = 20mm ；前緣在根部前伸長度L= δ = 20mm；
步驟3，根據步驟2得到的前緣處理結構范圍，去除原始葉片一端的端壁型線前緣 線，將圖2(b)所示的海豚頭部嘴形結構型線移至此前緣；保持葉型前緣的前伸長度L不變， 根據原始葉片去除前緣線后的葉型前緣展向寬度，調整海豚嘴型線的展向尺寸，使其展向 兩個端點分別與去除前緣線后的葉型前緣兩端點完好接合，即生成處理后葉片一端的海豚 嘴端壁型線；
步驟4，將步驟3調整后的端壁海豚嘴型線按原始葉片近端壁型線較端壁型線縮 小的比例因子α =0.9進行縮小，并將其移至原始葉片近端壁型線前緣處，使其與去除前 緣線后的葉型近端壁前緣兩端點完好接合，去除中間多余的近端壁前緣線段，可得處理后 葉片的近端壁型線；
步驟5，本實施例采用與步驟4相同的方法可得到相鄰高度處不同比例因子(α =0. 8,0. 7.....0. 1)的葉片型線，在前緣處理結構高度h處，海豚嘴型線縮小至0，葉片型線轉化為原始型線，前緣處理結構高度h處即為前緣處理結構的最高點，如圖4所示；
步驟2到步驟5得到的十條處理后的海豚嘴前緣型線構成了葉片前緣處理結構的 外包絡面；
步驟6，將步驟5生成的前緣處理結構外包絡面與原始葉片接觸處進行光滑過渡 曲線或曲面連接，完成對葉片一端的前緣處理，如圖3所示；
步驟7，對步驟1得到的原始葉片的另一端，采用如步驟3-步驟6所述的方法進行 同樣處理，即得到了經前緣處理后的海豚型線葉輪機葉片形狀。
根據本實施例的前緣仿生處理后的葉片2的設計方法建立用于數值模擬的葉片 模型，如圖5所示。
對圖5中前緣改型后的壓氣機葉輪進行三維CFD數值模擬，并與改型前的原始葉 片的三維CFD數值模擬結果進行對比，如圖6所示數值模擬結果表明，經過前緣仿生處理 后，葉柵出口截面端壁附近高損失較原始葉片明顯減小，致使總損失降低，葉柵氣動性能得 到了改善。
最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。盡管參 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范圍，其均應涵蓋在本發明 的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種端區葉片前緣仿生處理方法，其特征在于將仿生學與控制馬蹄渦、抑制附面 層發展和降低損失的原理相結合，把具有流線型身體的海洋動物，尤其是將海豚頭部流線 型可以有效地減小前進時的阻力、降低損失的特點應用于葉輪機械葉片的前緣處理中；其 具體實現方案如下步驟1，根據實際需求，采用常規方法進行葉輪機原始葉片設計 步驟2，在步驟1基礎上，采用理論估算或數值模擬方法確定來流端壁附面層厚度δ， 并選定實施近端壁區向前探伸前緣的前緣處理結構范圍前緣處理結構高度h滿足10 δ > h > 0. 5 δ ；前緣在根部前伸長度L滿足100 δ > L > 0. 1 δ ；步驟3，根據步驟2得到的前緣處理結構范圍，去除原始葉片一端的端壁型線前緣線， 將通用的海豚頭部嘴形結構型線移至此前緣；保持葉型前緣的前伸長度L不變，根據原始 葉片去除前緣線后的葉型前緣展向寬度，按比例調整海豚嘴型線的展向尺寸，使其展向兩 個端點分別與去除前緣線后的葉型前緣兩端點完好接合，生成處理后葉片一端的海豚嘴端 壁型線；步驟4，將步驟3調整后的端壁海豚嘴型線按一定的比例因子α進行縮小，并將其移至 原始葉片近端壁型線前緣處，使其與去除前緣線后的葉型近端壁前緣兩端點完好接合，去 除中間多余的近端壁前緣線段，可得處理后葉片的近端壁型線；步驟5，采用與步驟4相同的方法可得到相鄰高度處的葉片型線，依次類推，在前緣處 理結構高度h處，海豚嘴型線縮小至0，葉片型線轉化為原始型線，前緣處理結構高度h處即 為前緣處理結構的最高點；步驟2到步驟5得到的所有處理后的海豚嘴前緣型線構成了葉片前緣處理結構的外包 絡面；步驟6，將步驟5生成的前緣處理結構外包絡面與原始葉片接觸處進行光滑過渡曲線 或曲面連接，完成對葉片一端的前緣處理；步驟7，對步驟1得到的原始葉片的另一端，采用如步驟3-步驟6所述的方法進行同樣 處理，即得到了經前緣處理后的海豚型線葉輪機葉片形狀。
2.根據權利要求1所述的一種端區葉片前緣仿生處理方法，其特征在于步驟4所述 的比例因子對于不同高度處的葉型可以不同，且滿足α <1。
3.根據權利要求1所述的一種端區葉片前緣仿生處理方法，其特征在于步驟1至步 驟7所述的方法不僅適用于葉輪機葉片，同樣適用于處在流動中的兩固壁交匯區域。
全文摘要
本發明涉及一種端區葉片前緣仿生處理方法，屬于能源動力領域。本方法將仿生學與控制馬蹄渦、抑制附面層發展和降低損失的原理相結合，把具有流線型身體的海洋動物(如海豚、鯨等)，尤其是將海豚頭部流線型可以有效地減小前進時的阻力、降低損失的特點應用于葉輪機械葉片的前緣處理中；即在端壁區前緣添加海豚頭部尖區形狀結構，獲得低損失、高性能葉片，以有效改善葉輪機氣動性能，提高整機效率。本發明不僅可廣泛適用于航空、航天、航海及工業能源動力領域的葉輪機中，同樣適用于處在流動中的兩固壁交匯區域。
文檔編號F04D29/38GK102032213SQ20101062357
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月30日 優先權日2010年12月30日
發明者劉艷明, 孫拓, 季路成 申請人:北京理工大學