一种叶片尾缘的波形射流方法
【专利摘要】本发明涉及一种叶片尾缘的波形射流方法，属于机械装置及运输【技术领域】。本发明从气动手段入手，沿叶片展向各个位置开设相同的矩形缝，形成喷气射流缝，以实现实体波瓣结构的效果的机理；通过建模并对模型进行数值计算校核，最终定型尾缘射流方案，添加扰流片并控制各个扰流片开度大小（即扰流片与开缝的重合面积），加工成实际的叶片所设计波状速度分布的扰动可以起到降低风扇、压气机噪音；降低涡轮噪音，使下游涡轮叶片进口气流温度分布均匀的效果。该设计方法简单、灵活、实用，特别适用于航空/地面燃气轮机领域。
【专利说明】一种叶片尾缘的波形射流方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种叶片尾缘的波形射流方法，属于机械装置及运输【技术领域】。
【背景技术】
[0002]应国防、经济建设发展需要，对航空/地面燃气轮机性能提出更高要求，这其中包括降低风扇/压气机噪音、提高涡轮进口温度。为了实现此要求，研究者提出了尾缘开缝喷射气流方法，并已取得成功。然而，尾缘射流后，叶片出口气流不均匀度仍然较高，减弱了其降噪、降温作用。
[0003]这方面，航空燃气轮机波瓣喷管技术为进一步降低叶片出口气流不均匀度提供了借鉴思路。波瓣喷管于1970年代中期提出，该技术通过将喷管尾部边缘设计成周向周期分布的若干波瓣形状而增强喷管尾部射流与主流的掺混，减小主流与喷流速度差，降低温度，从而达到使气流均勻、降低噪声、降低红外福射的目的。例如,Bradbury、Ahuja等发现:当在喷管出口处安装小突片后，能加强尾喷流与环境气流的混合，使尾喷流的速度衰竭加快，尾喷流的核心区减短。P.K.Shumpert将波瓣强迫混合管与多种类型的混合器(如合流confluent、喷射injection、旋润发生器vortex generator)比较发现,波瓣混合器可以在很短的混合距离内使内外涵趋于均匀混合，在混合管长径比等于2时，混合效率达到80%以上，优于其它混合器。在1976-1982年间，通用电气公司(GE)在研制E3发动机的排气混合系统是对波瓣混合器的几何形状进行了系统的实验研究，研究表明穿透深度影响最大，适当减小波瓣和中心锥的间距对掺混效率的提高极为有利。受到上述研究启发，如果能在风扇/压气机、涡轮等叶轮机内采用该技术，也将会产生类似优异效果。然而，由于叶片通常较薄，如果实体几何采用波瓣式尾缘，将不可避免导致叶片结构强度不足。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了降低风扇、压气机噪音；降低涡轮噪音，使下游涡轮叶片进口气流温度分布均匀，提供一种通过控制尾缘喷射气流速度，使气流在展向呈现不均匀分布从而改善出口气流掺混的方法。
[0005]为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]步骤1，采用常规中弧线和厚度分布的方法设计原始叶型。其中，中弧线给定方式有单圆弧、双圆弧、多圆弧、多项式等，厚度分布有NACA系列等。
[0007]步骤2，建模并对模型进行数值计算校核。具体方法为:
[0008]步骤2.1，对步骤I设计的原始叶型建立三维数值模型，选定模型截面的尾缘圆弧中心位置开设矩形缝，然后沿叶片展向各个位置开设相同的矩形缝，形成喷气射流缝。
[0009]所述矩形缝的宽与叶型中弧线垂直，矩形宽的中点位于尾缘的圆弧中心处，矩形的长边与叶型截面尾缘处的中弧线平行。矩形的最大宽度为圆弧半径的一半，长边延伸到尾缘的外边界。
[0010]步骤2.2，在叶片内部任意选定η个位置点作为拟添加扰流片的位置点，拟添加扰流片的位置点位于喷气射流缝出口处且延展向均匀分布。其中η的取值由设计所需添加的扰流片个数确定。
[0011]步骤2.3，将步骤2.2选定的η个拟添加扰流片的位置点依次分为s个组(2 < s< 100，初次模拟时s为任意取值)，除最后一组外的各组包含位置点个数相同。
[0012]通过设定每组位置点对应尾缘开缝的射流速度大小的方法来达到模拟扰流片控制流速的效果，具体方法为:设定每组位置点中各点对应尾缘开缝的射流速度大小不同，且各组对应的尾缘开缝的射流速度按周期分布，从而形成s个波长相同的波形。一组位置点对应一个波形周期，沿展向的射流速度及波长形成波瓣喷管外型(即尾缘喷气射流呈现周期分布)的效果。
[0013]步骤2.4，调节步骤2.3设定的各个拟添加扰流片位置点的射流速度大小，从而改变波形的波幅大小，控制一个波长内的波形形状，使得波形最大速度Vmax和气流混合后的平
均速度一有以下规定范围，0_1<%^<1。
[0014]步骤2.5，固定模型的进口，出口条件，在步骤2.3的分组及步骤2.4设定的各个拟添加扰流片位置点的射流速度情况下，计算涡轮气动性能结果，并将涡轮气动性能结果与设计要求给定的涡轮出口总压损失条件相比较，若结果满足总压损失条件，则将步骤2.3选定的η个拟添加扰流片的位置点及其分组情况和对应的波幅大小作为最终定型尾缘射流方案。若结果不满足总压损失条件，则改变波形的数量(即将η个位置点重新分组)和设定的射流速度，重新执行步骤2.3至步骤2.5，直到涡轮气动性能结果结果满足总压损失条件为止。
[0015]因为沿展向形成的波形数量S = 4，其中λ为每个波形的波长，h为叶高，即波长
λ
的最大长度，因此波形数量与波长成反比。
[0016]不同的分组对应不同的波长，不同的射流速度对应不同波幅。
[0017]步骤3，根据步骤2得到的最终定型尾缘射流方案，添加扰流片并控制各个扰流片开度大小(即扰流片与开缝的重合面积)，加工成实际的叶片。
[0018]不同开度大小的扰流片对应的喷气射流缝出口流出气流的射流速度不同；扰流片表面与开缝宽边平行时，则没有气流从开缝中流出；扰流片表面与开缝宽边垂直时，则气流速度为最大值。
[0019]本发明步骤I至步骤3所述的方法适用于风扇和压气机的涡轮叶片尾缘开缝喷射气流设计。
[0020]有益效果
[0021]本发明从气动手段入手，采用尾缘直接波形喷射以实现实体波瓣结构的效果的机理；所设计波状速度分布的扰动可以起到降低风扇、压气机噪音；降低涡轮噪音，使下游涡轮叶片进口气流温度分布均匀的效果。该设计方法简单、灵活、实用，特别适用于航空/地面燃气轮机领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为现有技术的原始二维叶型；[0023]图2为本发明的具有波状射流的二维叶型；其中(a)为叶型整体结构，(b)为尾缘局部放大图。
[0024]图3为【具体实施方式】中的尾缘射流示意图；图中的字母和数字含义为:1代表扰流片，Vmax为波幅(即最大射流速度)，λ为波长；
[0025]图4为【具体实施方式】中的尾缘射流参数图；
[0026]图5为实施例的数值仿真结果，波形的数量为5个。其中(a)为均匀射流仿真结果，(b)为具有波状射流的仿真结果。
【具体实施方式】
[0027]为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本
【发明内容】
作进
一步说明。
[0028]本例根据
【发明内容】
所述方法对一轴流涡轮叶片叶型进行重新设计，并用数值方法验证其作用效果。本实施例有关气动参数如下:进口总压111325Pa，出口静压90000Pa。设计要求总压损失不能低于90%，故初步设计要求形成5个波形，即周期数为5个周期，即至少需要5组扰流片，每组有10个扰流片设置点。
[0029]步骤1，根据某原始叶型数据及常规方法给出涡轮叶型，如图1所示。并通过数值仿真确定其气动性能。本例中选用Goldman润轮叶型。
[0030]步骤2，建模并对模型进行数值计算校核。具体方法为:
[0031]步骤2.1，对步骤I设计的原始叶型建立三维数值模型，选定模型截面的尾缘圆弧中心位置开设矩形缝，该矩形缝的宽边长度为该叶型尾缘圆弧半径的一半，长边延伸到尾缘的外边界。然后沿叶片展向各个位置开设相同的矩形缝，形成喷气射流缝。所述矩形缝的宽与叶型中弧线垂直，矩形宽的中点位于尾缘的圆弧中心处，矩形的长边与叶型截面尾缘处的中弧线平行。如图2所示。
[0032]步骤2.2，在叶片内部任意选定50个位置点作为拟添加扰流片的位置点，拟添加扰流片的位置点位于喷气射流缝出口处且延展向均匀分布。
[0033]步骤2.3，将步骤2.2选定的50个拟添加扰流片的位置点依次分为5个组，每个组内有10个拟添加扰流片的位置点。
[0034]通过设定每组位置点对应尾缘开缝的射流速度大小的方法来达到模拟扰流片控制流速的效果，具体方法为:设定每组位置点中各点对应尾缘开缝的射流速度大小不同，且各组对应的尾缘开缝的射流速度按周期分布，从而形成5个波长相同的波形。一组位置点对应一个波形周期，沿展向的射流速度及波长形成波瓣喷管外型(即尾缘喷气射流呈现周期分布)的效果。
[0035]步骤2.4，调节步骤2.3设定的各个拟添加扰流片位置点的射流速度大小，从而改变波形的波幅大小，控制一个波长内的波形形状，使得波形最大速度Vmax和气流混合后
的平均速度P有以下规定范围，0.1<><1。在本例中，设定矩形缝的边界条件为压力出
口条件，甸一组拟添加扰流片的位置点的10个点的最大压力为92000Pa，最小压力值为90000Pa ;—个周期内的其余各点的数值关系呈正弦分布。
[0036]步骤2.5，进口条件为压力入口，总压为111325Pa，出口条件为压力出口，静压为90000Pa。在步骤2.3的分组及步骤2.4设定的各个拟添加扰流片位置点的射流速度情况下，计算涡轮气动性能结果，并将涡轮气动性能结果与设计要求给定的涡轮出口总压损失条件相比较。结果满足总压损失条件，所以将步骤2.3选定的50个拟添加扰流片的位置点及其分组情况和对应的波幅大小做为最终定型尾缘射流方案。
[0037]步骤3，根据步骤2得到的最终定型尾缘射流方案，添加扰流片并控制各个扰流片开度大小(即扰流片与开缝的重合面积)，加工成实际的叶片。
[0038]对本实施例进行三维CFD数值模拟结果如图5所示，从中可以得到，尾缘喷气速度展向不均匀分布后，可以降低叶片出口气流不均匀度，降低出口总压损失。数值模拟结果表明尾缘喷气波状分布造成的扰动可起到降低下游叶片入口的不均匀度和降低出口总压损失的作用。
[0039]以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施案例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种叶片尾缘的波形射流方法，其特征在于:包括如下步骤: 步骤1，采用常规中弧线和厚度分布的方法设计原始叶型； 步骤2，建模并对模型进行数值计算校核；具体方法为: 步骤2.1，对步骤I设计的原始叶型建立三维数值模型，选定模型截面的尾缘圆弧中心位置开设矩形缝，然后沿叶片展向各个位置开设相同的矩形缝，形成喷气射流缝； 所述矩形缝的宽与叶型中弧线垂直，矩形宽的中点位于尾缘的圆弧中心处，矩形的长边与叶型截面尾缘处的中弧线平行；矩形的最大宽度为圆弧半径的一半，长边延伸到尾缘的外边界； 步骤2.2，在叶片内部任意选定η个位置点作为拟添加扰流片的位置点，拟添加扰流片的位置点位于喷气射流缝出口处且延展向均匀分布；其中η的取值由设计所需添加的扰流片个数确定； 步骤2.3，将步骤2.2选定的η个拟添加扰流片的位置点依次分为s个组，2 < s < 100，初次模拟时s为任意取值，除最后一组外的各组包含位置点个数相同； 通过设定每组位置点对应尾缘开缝的射流速度大小的方法来达到模拟扰流片控制流速的效果，具体方法为:设定每组位置点中各点对应尾缘开缝的射流速度大小不同，且各组对应的尾缘开缝 的射流速度按周期分布，从而形成s个波长相同的波形；一组位置点对应一个波形周期，沿展向的射流速度及波长形成波瓣喷管外型的效果； 步骤2.4，调节步骤2.3设定的各个拟添加扰流片位置点的射流速度大小，改变波形的波幅大小，控制一个波长内的波形形状，使得波形最大速度Vniax和气流混合后的平均速度F有以下规定范围，ο_ι< <ι; 步骤2.5，固定模型的进口，出口条件，在步骤2.3的分组及步骤2.4设定的各个拟添加扰流片位置点的射流速度情况下，计算涡轮气动性能结果，并将涡轮气动性能结果与设计要求给定的涡轮出口总压损失条件相比较，若结果满足总压损失条件，则将步骤2.3选定的η个拟添加扰流片的位置点及其分组情况和对应的波幅大小作为最终定型尾缘射流方案；若结果不满足总压损失条件，则改变波形的数量将η个位置点重新分组和设定的射流速度，重新执行步骤2.3至步骤2.5，直到涡轮气动性能结果结果满足总压损失条件为止； 步骤3，根据步骤2得到的最终定型尾缘射流方案，添加扰流片并控制各个扰流片开度大小，加工成实际的叶片。
2.根据权利要求1所述的一种叶片尾缘的波形射流方法，其特征在于:波长的最大长度为叶高，波形数量与波长成反比。
3.根据权利要求1所述的一种叶片尾缘的波形射流方法，其特征在于:不同的分组对应不同的波长，不同的射流速度对应不同波幅。
4.根据权利要求1所述的一种叶片尾缘的波形射流方法，其特征在于:不同开度大小的扰流片对应的喷气射流缝出口流出气流的射流速度不同；扰流片表面与开缝宽边平行时，则没有气流从开缝中流出；扰流片表面与开缝宽边垂直时，则气流速度为最大值。
5.根据权利要求1所述的一种叶片尾缘的波形射流方法，其特征在于:步骤I至步骤3所述的方法适用于风扇和压气机的涡轮叶片尾缘开缝喷射气流设计。
【文档编号】F01D5/14GK103982462SQ201410150792
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月15日 优先权日:2014年5月15日
【发明者】季路成, 郭鹏, 马伟涛 申请人:北京理工大学