专利名称：一种叶片前缘豚头型处理方法
技术领域：
本发明涉及一种叶片前缘豚头型处理方法，属于机械装置及运输技术领域。
背景技术：
叶型对机翼或叶轮机气动性能有很大影响，是提高机翼或叶轮机性能的关键。经历几十年发展，在给定中弧线和叠加厚度分布的模式下，叶型已经从早期的单圆弧、双圆弧、多圆弧发展到任意多项式、定制中弧，从早期的NACA叶型厚度分布到多项式厚度分布、 厚度定制等，甚至直接优化、反设计，可以说从宏观层面能想到的突破口都想到了，机翼和叶轮机性能得到了极大提升。近些年来，研究者们开始着眼细节，并且发现细节因素也同样会产生大影响，前缘形状就是这样一个领域更具普遍意义的椭圆前缘正在取代常规的圆形前缘，不仅降低了叶型总损失，还具有好的耐风蚀性能。更好的性能一直是各国研究者孜改以求的目标。在上述基础上，研究者还期望找到新前缘形状以使叶型具有更宽的工作范围。仿生学为此提供了一种新思路。海豚身体轮廓曲线是数千万年进化结果，是适于海豚在水中游动的最佳曲线，尤其头部曲线使海豚适应各种机动动作。如果机翼或叶轮机叶型前缘采用类似形状，将会提升其性能。
发明内容
本发明目的是为改善机翼或叶轮机叶型绕流，而提供一种低损失、宽裕度的叶片前缘豚头型处理方法。为了达到上述目的，本发明方法采用仿海豚头部型线设计，在保证原有叶型吸力面侧前缘椭圆弧不变的情况下，对压力侧椭圆弧进行修改，得到与原有叶型吸力面侧前缘椭圆弧和原有叶型压力侧线光滑过渡的仿豚头型压力面侧前缘曲线。其具体实现过程如下步骤1，根据实际需求，采用常规中弧线和厚度分布的方法确定出原始叶型；其中，中弧线给定方式有单/双/多圆弧、多项式或定制，厚度分布有NACA系列或定制，前缘为椭圆形(1 <长轴a/短轴b < 5)；步骤2，确定原始叶型前缘做豚头修形的曲线区域。该曲线区域为原始叶型线和原始叶型线上两条切线所确定的中间部分前缘型线，其中一条切线的切点在前缘顶点，即叶片中弧线与前缘型线的交点，另一条切线的切点就是原始叶型椭圆前缘与叶型压力面曲线相切点；步骤3，去掉步骤2所确定的区域内的原始叶片前缘压力侧线，用任意曲率半径的凸曲线光滑连接步骤2中两切点，并在切点处与原始叶型线光滑过渡连接。由该凸曲线与豚头修形区域以外的原始叶型线共同构成的、其头部与豚头相像的叶型，即为本方法所处理得到的豚头型叶型。至此完成对叶片前缘的豚头型处理。本发明步骤1至步骤3所述的方法不仅适用于叶轮机叶片，同样适用于飞机的机翼和旋翼。有益效果本发明从仿生学的角度，将海豚头部流线型的低阻力、低损失特点应用于叶片设计中，这种豚头型处理叶型前缘在传统圆形前缘的基础上向压力面方向做了局部调整，这种调整使叶型损失更小，并且能经受更大的气流攻角变化范围；提供了一种在稳定裕度不变甚至提高的前提下，降低叶型损失、改善气动性能、提高整机效率的叶片前缘豚头型处理方法。本发明特别适用于航空、航天、航海及工业能源动力领域的叶轮机及机翼设计。
图1为本发明的豚头型处理后的叶型示意图，其中(a)为整体效果图，(b)为叶片前缘豚头型处理的局部放大图；图2为具体实施例中的数值仿真结果，其中(a)为豚头型处理前的数值仿真结果， (b)为豚头处理后的数值仿真结果。标号说明1-叶片前缘吸力侧线；2-前缘顶点切线；3-叶片前缘压力侧线；4-第一豚头型处理后的压力侧线；5-前缘压力面端点切线。6-第二豚头型处理后的压力侧线。
具体实施例方式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。本实施例根据发明内容所述方法对一轴流压气机叶片叶型(NACA65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103379Pa， 出口静压 101325Pa。本实施例对叶型前缘进行豚头型改进处理的具体过程如下步骤1，根据叶轮机设计参数要求，确定出原始NACA65叶片叶型及其数据，如图 1 (a)所示；步骤2，确定原始叶型的叶片前缘豚头型处理区域。该区域由原始叶型曲线和原始叶型曲线上两条切线围成，其中一条切线为前缘顶点切线2，另一条切线为前缘压力面端点切线5，如图1(b)所示；步骤3，去掉步骤2所确定的区域内的原始叶片前缘压力面侧线3，用一条凸曲线光滑连接步骤2中两切点，并在切点处与原始叶型相切，即如图1(b)中第一豚头型处理后的压力侧线4所示。由第一豚头型处理后的压力侧线4与原叶型前缘吸力侧线1共同构成处理后的叶型前缘，与该区域外原始叶型构成的叶型即为豚头型处理后叶型。对本实施例中采用叶片前缘豚头型处理方法前后的压气机叶轮进行二维CFD数值模拟，仿真结果如图2所示，从中可以得到，叶片前缘经豚头型处理后，吸力面角区分离得到了抑制，从而损失降低，叶栅气动性能得到了改善。所得结果表明经过豚头型处理的叶型可起到减阻和减小流体诱导振动的作用，可有效实现被动控制，降低二次流损失。当所述的凸曲线曲率半径与本实施例的曲率半径不一样的时候，凸曲线的形式还可以变为如图1(b)中第二前缘豚头型处理后的压力面侧线6所示。
本发明对叶型进行豚头型设计，可很大限度地利用其前缘半径小的特点，得到低阻力、低损失、良好稳定性的豚头型处理叶型，以有效改善叶轮机气动性能，提高整机效率。最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本发明的豚头型处理曲线并不只有一种而是可以有多种，只要是在规定范围内的曲线均属于本发明的范畴。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种叶片前缘豚头型处理方法，其特征在于其具体实现过程如下步骤1，根据实际需求，采用常规中弧线和厚度分布的方法确定出原始叶型；步骤2，确定步骤1的原始叶型前缘做豚头修形的曲线区域；该曲线区域为原始叶型线和原始叶型线上两条切线所确定的中间部分前缘型线，其中一条切线的切点在前缘顶点， 即叶片中弧线与前缘型线的交点，另一条切线的切点就是原始叶型椭圆前缘与叶型压力面曲线相切点；步骤3，去掉步骤2所确定的区域内的原始叶片前缘压力侧线，用任意曲率半径的凸曲线光滑连接步骤2中两切点，并在切点处与原始叶型线光滑过渡连接；由该凸曲线与豚头修形区域以外的原始叶型线共同构成的、其头部与豚头相像的叶型，即为本方法所处理得到的豚头型叶型；至此完成对叶片前缘的豚头型处理。
2.根据权利要求1所述的一种叶片前缘豚头型处理方法，其特征在于步骤1至步骤3 所述的方法适用于叶轮机叶片，还适用于飞机的机翼和旋翼。
全文摘要
本发明涉及一种叶片前缘豚头型处理方法，属于机械装置及运输技术领域。去掉原始叶型前缘做豚头修形的曲线区域内的原前缘压力侧线，用任意曲率半径的凸曲线光滑连接前缘顶点以及原始叶型椭圆前缘与叶型压力面曲线相切点，并在两切点处与原始叶型线光滑过渡连接；由该凸曲线与豚头修形区域以外的原始叶型线共同构成的、其头部与豚头相像的叶型，即为本方法所处理得到的豚头型叶型。本发明处理后的叶型前缘能经受更大的气流攻角变化范围；提供了一种在稳定裕度不变甚至提高的前提下，降低叶型损失、改善气动性能、提高整机效率的叶片前缘豚头型处理方法，特别适用于航空、航天、航海及工业能源动力领域的叶轮机及机翼设计。
文档编号G06F17/50GK102163244SQ20101062360
公开日2011年8月24日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者伊卫林, 关朝斌, 刘艳明, 季路成 申请人:北京理工大学