基于座头鲸鳍状肢的压气机仿生学静叶及其实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种航空发动机领域的技术，具体是一种基于座头鲸鳍状肢的压气机仿生学静叶及其实现方法。
【背景技术】
[0002]航空发动机轴流高压压气机中，叶片附近发生的流动分离是一种很常见的现象。但是严重的流动分离会导致通道的堵塞和气动损失的剧增，甚至会引起压气机失速。
[0003]在压气机设计中控制流动分离的方法可分为主动控制和被动控制两大类，相比于主动控制技术，被动控制技术具有结构简单、易于实现的优点。在诸多被动控制技术中，叶片改型是一种有效的流动控制技术，包括:弯掠叶片造型、局部几何修改造型等，具有实现容易、可靠性高等优点，已被广泛的应用于众多发动机中。然而目前叶片改型仍然存在着动力不足的缺陷。
[0004]经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN104612758A，公开(公告)日2015.5.13，公开了一种低损失的低压涡轮叶片，其特点是，将原有低压涡轮叶片沿叶高方向划分成叶根端区、叶尖端区和二维流动区，同时在其前缘上进行波浪形切割而使前缘部位形成多个锯齿，并对原有低压涡轮叶片进行3%轴向弦长的加长，以弥补切割后叶型做功能力的下降，该延长通过在叶片中弧线前缘点烟中弧线切线方向进行。该技术仅考虑了低压涡轮环境中的损失问题，对压气机静叶环境下的情况未作阐述，而且该技术在叶片前缘的锯齿型结构会使波峰波谷处的曲率存在不连续的问题而带来额外的局部损失。
[0005]自然界中许多生物的组织和器官常常具有特殊的结构，借助对这些结构及其功能的分析，可以解决我们的很多技术问题。海洋生物学家们在座头鲸鳍状肢形态学方面的研究工作表明，座头鲸鳍状肢能产生高度的机动性和强大的水动力特性，该特性主要归因于前缘的圆齿型结状突起。
【发明内容】
[0006]本发明针对现有技术存在的上述不足，结合仿生学原理和叶片改型中的被动控制技术，提出了一种基于座头鲸鳍状肢的压气机仿生学静叶及其实现方法，能够实现有效的分离控制，提高航空发动机效率。
[0007]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0008]本发明涉及一种基于座头鲸鳍状肢的压气机仿生学静叶，包括依次积叠的三个叶型，其中:三个叶型的中弧线长为等差数列。
[0009]所述的三个叶型中，第一叶型和第三叶型的前缘部分的形状为周期变化的波浪型曲线，所述的等差数列的差值为该波浪形曲线的波幅。
[0010]所述的波浪型曲线的波幅A范围为1% L彡A彡3% L，波长W范围为5%c < W < 25% c，其中:L为原型静叶，即第二叶型的中弧线长；c为原型静叶的弦长。
[0011]所述的波浪形曲线具体为:具有三次样条函数构成的三次样条曲线，该三次样条曲线在区间[a，b]上给定一个分割a = χ0<χ1<...<χη !<xn= b，该区间上的函数F(x)满足:
[0012]1)在每一个小区间[Xi !, xj (i = 1,2,…，η)内F(χ)分别是三次多项式函数；
[0013]2)在节点F(x)处成立F(k) (x「0) = F(k) (χ,+0)，k = 0，1，2，即小区间上的三次多项式函数在节点Xl处二阶连续；
[0014]3)节点(X;，yj 满足条件 y;= F(x ;) (i = 0，1，2，…，η)。
[0015]所述的积叠优选为径向积叠，进一步优选为尾缘积叠。
[0016]本发明涉及上述压气机仿生学静叶的实现方法，包括以下步骤:
[0017]1)步骤一、对压气机原型静叶进行参数化建模，不同叶高截面的叶型采用中弧线加厚度分布的造型方式，保证前缘点和尾缘点都在中弧线上；
[0018]2)步骤二、对原型静叶全叶高前缘进行造型，使前缘部位形成周期变化的波浪型曲线，其中:周期变化的波浪型曲线波幅为Α，波长为W ;所述的周期变化的波浪型曲线为三次样条函数构成的三次样条曲线；
[0019]3)通过延长近前缘段的中弧线得到中弧线长为L+A的改型叶型，通过缩短近前缘段的中弧线得到中弧线长为L-A的改型叶型；根据改型叶型的中弧线长对改型叶型的前缘部位造型，使改型叶型的前缘部位形成周期变化的波浪型曲线，并且波幅和波长相对于中弧线长的比例与原型静叶波幅和波长相对于原型静叶中弧线长的比例相同；
[0020]4)按照不同的波长，把原型叶型以及两种改型叶型按尾缘积叠的方式进行径向积叠。
技术效果
[0021]与现有技术相比，本发明根据座头鲸鳍状肢前缘结状突起结构的特点，结合局部几何修改造型技术，在静叶前缘应用有一定波幅和波长的波浪型结状突起，利用波浪型结状突起低阻力的特性，控制静叶吸力面的流动分离，从而提高叶片气动性能。
【附图说明】
[0022]图1为本发明原型静叶叶片示意图；
[0023]图2为本发明中周期变化的波浪型曲线示意图；
[0024]图3为本发明仿生学静叶叶片示意图；
[0025]图4为本发明的垂直投影面示意图；
[0026]图中:径向方向X、中弧线方向S、节距方向Υ、轴向方向Ζ、前缘LE、尾缘ΤΕ。
【具体实施方式】
[0027]下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
[0028]本实施例压气机原型静叶部分设计参数为:原型静叶叶片弦长51mm，叶高51mm，安装角16.9°，展弦比1，中弧线长53.2mm。
[0029]本实施例通过以下步骤实现:
[0030]1)如图1所示，对压气机原型静叶进行参数化建模:如图4所示，不同叶高截面的叶型采用中弧线加厚度分布的造型方式，保证前缘点和尾缘点都在中弧线上，其中:原型静叶弦长c = 51_、中弧线长L = 53.2mm,全叶高H = 51mm ；
[0031]2)如图2所示，对原型静叶全叶高前缘进行造型，使前缘部位形成周期变化的波浪型曲线，其中:周期变化的波浪型曲线波幅优选为3% L，波长为W优选为20% c，即波幅为1.596mm、波长为10.2mm ;所述的周期变化的波浪型曲线为三次样条函数构成的三次样条曲线，保证了曲线二阶连续；
[0032]3)通过延长近前缘段的中弧线得到中弧线长为103% L的改型叶型，通过缩短近前缘段的中弧线得到中弧线长为97% L的改型叶型，即两种改型叶型的中弧线长分别为57.796mm和51.604_ ;根据改型叶型的中弧线长对改型叶型的前缘部位造型，使改型叶型的前缘部位形成周期变化的波浪型曲线，中弧线长为57.796mm的改型叶型波幅为1.734臟、波长为10.2mm，中弧线长为51.604mm的改型叶型波幅为1.548mm、波长为10.2mm ；
[0033]4)按照不同的波长，把原型叶型以及两种改型叶型按尾缘积叠的方式进行径向积置。
[0034]如图3所示，根据上述方法获得的压气机仿生学静叶。
[0035]所述的三次样条曲线在区间[a，b]上给定一个分割a = χ0<χ1<...<χη !<xn= b，该区间上的函数F(x)满足下列条件:
[0036](1)在每一个小区间[Xi !, xj (i = 1,2,…，η)内F(χ)分别是三次多项式函数；
[0037](2)在节点F(x)处成立F(k) (x「0) = F(k) (Xl+0)，k = 0，1,2,即小区间上的三次多项式函数在节点Xl处二阶连续；
[0038](3)节点(X;，yj 满足条件 y;= F(x ;) (i = 0，1，2，…，η)。
[0039]就+8°攻角的来流情况而言，本发明的压气机仿生静叶与原型静叶相比:叶片的吸力面分离流动区域缩小，总压损失系数减少了 4%。
【主权项】
1.一种基于座头鲸鳍状肢的压气机仿生学静叶，其特征在于，包括依次积叠的三个叶型，其中:三个叶型的中弧线长为等差数列； 所述的三个叶型中，第一叶型和第三叶型的前缘部分的形状为周期变化的波浪型曲线，所述的等差数列的差值为该波浪形曲线的波幅。2.根据权利要求1所述的压气机仿生学静叶，其特征是，所述的波浪型曲线的波幅A范围为1% L彡A彡3% L，波长W范围为5% c ^ff ^ 25% c，其中:L为原型静叶，即第二叶型的中弧线长；c为原型静叶的弦长。3.根据权利要求1或2所述的压气机仿生学静叶，其特征是，所述的波浪形曲线具体为:具有三次样条函数构成的三次样条曲线，该三次样条曲线在区间[a，b]上给定一个分割a = x0<x!<...<xn !<xn= b，该区间上的函数F(x)满足: 1)在每一个小区间[Xi1.Xi] (i = 1，2，...，η)内F(x)分别是三次多项式函数； 2)在节点F(x)处成立F(k)(x「0) = F(k) (Xl+0)，k = 0，1，2，即小区间上的三次多项式函数在节点Xi处二阶连续； 3)节点(XpYi)满足条件 y;= F(x ;) (i = 0，1，2，...，η)。4.根据权利要求1所述的压气机仿生学静叶，其特征是，所述的积叠为径向积叠。5.一种实现上述任一权利要求所述压气机仿生学静叶方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)步骤一、对压气机原型静叶进行参数化建模，不同叶高截面的叶型采用中弧线加厚度分布的造型方式，保证前缘点和尾缘点都在中弧线上； 2)步骤二、对原型静叶全叶高前缘进行造型，使前缘部位形成周期变化的波浪型曲线，其中:周期变化的波浪型曲线波幅为Α，波长为W;所述的周期变化的波浪型曲线为三次样条函数构成的三次样条曲线； 3)通过延长近前缘段的中弧线得到中弧线长为L+A的改型叶型，通过缩短近前缘段的中弧线得到中弧线长为L-A的改型叶型；根据改型叶型的中弧线长对改型叶型的前缘部位造型，使改型叶型的前缘部位形成周期变化的波浪型曲线，并且波幅和波长相对于中弧线长的比例与原型静叶波幅和波长相对于原型静叶中弧线长的比例相同； 4)按照不同的波长，把原型叶型以及两种改型叶型按尾缘积叠的方式进行径向积叠。6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的原型静叶弦长c与全叶高Η相等。
【专利摘要】一种航空发动机技术领域的基于座头鲸鳍状肢的压气机仿生学静叶及其实现方法，该仿生学静叶包括依次积叠的三个叶型，其中：三个叶型的中弧线长为等差数列；第一叶型和第三叶型的前缘部分的形状为周期变化的波浪型曲线，所述的等差数列的差值为该波浪形曲线的波幅。本发明利用局部几何修改造型技术，在静叶前缘应用有降低阻力的一定波幅和波长的波浪型曲线，控制静叶吸力面的流动分离，从而提高叶片气动性能。
【IPC分类】F04D29/54, G06F19/00
【公开号】CN105298924
【申请号】CN201510697538
【发明人】郑覃, 朱铭敏, 羌晓青, 滕金芳
【申请人】上海交通大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年10月23日