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一种带有仿生锯齿尾缘结构的跨音速压气机平面叶栅

阅读：854发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种带有仿生锯齿尾缘结构的跨音速压气机平面叶栅专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本公开提供了一种带有仿生锯齿尾缘结构的跨音速压气机平面叶栅。所述平面叶栅包括间隔排列的多个叶型；所述叶型设有连续光滑的锯齿尾缘结构，所述锯齿尾缘结构沿所述叶型的展向分布。本公开基于仿生学原理，利用仿生锯齿尾缘控制边界层流动分离、改变边界层内速度分布和涡系结构，实现扩稳、延缓失速、降噪的目的，从而提升部件性能。，下面是一种带有仿生锯齿尾缘结构的跨音速压气机平面叶栅专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种带有仿生锯齿尾缘结构的跨音速压气机平面叶栅，所述平面叶栅包括间隔排列的多个叶型；其特征在于：所述叶型设有连续光滑的锯齿尾缘结构，所述锯齿尾缘结构沿所述叶型的展向分布。
2.如权利要求1所述的一种带有仿生锯齿尾缘结构的跨音速压气机平面叶栅，其特征在于：所述叶型为跨音速压气机叶型。
3.如权利要求1所述的一种带有仿生锯齿尾缘结构的跨音速压气机平面叶栅，其特征在于：所述锯齿尾缘结构与叶型交接处光滑且曲率连续。
4.如权利要求1所述的一种带有仿生锯齿尾缘结构的跨音速压气机平面叶栅，其特征在于：所述锯齿尾缘结构为:将鸟翼尾缘结构根据几何相似和动力学相似原则模化获得的仿鸟翼尾缘结构。
5.如权利要求4所述的一种带有仿生锯齿尾缘结构的跨音速压气机平面叶栅，其特征在于：所述仿鸟翼尾缘结构为仿长耳鸮翼尾缘结构。
6.如权利要求4或5所述的一种带有仿生锯齿尾缘结构的跨音速压气机平面叶栅，其特征在于：所述仿鸟翼尾缘结构的锯齿齿形根据相似准则模化为三角形。
7.如权利要求6所述的一种带有仿生锯齿尾缘结构的跨音速压气机平面叶栅，其特征在于：所述锯齿为等边三角形，所述等边三角形的底边与所述叶型相连。
8.如权利要求7所述的一种带有仿生锯齿尾缘结构的跨音速压气机平面叶栅，其特征在于：所述等边三角形的高度h和底边长度s的关系为：s＝2h。
9.如权利要求8所述的一种带有仿生锯齿尾缘结构的跨音速压气机平面叶栅，其特征在于：所述等边三角形的高度h，以设计来流速U为工况参数，由公示Re＝hU/v计算得到；其中Re为鸟翼尾缘结构的雷诺数，v为设计使用环境中流体的运动粘性系数。
10.如权利要求9所述的一种带有仿生锯齿尾缘结构的跨音速压气机平面叶栅，其特征在于：设计来流速为0.9Ma时，所述等边三角形的高度h＝1.6mm。

说明书全文

一种带有仿生锯齿尾缘结构的跨音速压气机平面叶栅

技术领域

[0001] 本公开涉及平面叶栅，尤其涉及一种带有仿生锯齿尾缘结构的跨音速压气机平面叶栅。

背景技术

[0002] 风扇/压气机吸力面分离和转静子尾迹的控制对效率提升、噪声降低起着重要的作用。传统的叶型设计技术和流动控制技术相对进入瓶颈期，亟需新方法的引入来实现更进一步的性能提升。发明内容

[0003] 本公开基于仿生学原理，提供了一种带有仿生锯齿尾缘结构的跨音速压气机平面叶栅。利用仿生锯齿尾缘控制边界层流动分离、改变边界层内速度分布和涡系结构，实现扩稳、延缓失速、降噪的目的，从而提升部件性能。

[0004] 本公开的技术方案是这样实现的：

[0005] 一种带有仿生锯齿尾缘结构的跨音速压气机平面叶栅，所述平面叶栅包括间隔排列的多个叶型；所述叶型设有连续光滑的锯齿尾缘结构，所述锯齿尾缘结构沿所述叶型的展向分布。

[0006] 进一步地，所述叶型为跨音速压气机叶型。

[0007] 进一步地，所述锯齿尾缘结构与叶型交接处光滑且曲率连续。

[0008] 进一步地，所述锯齿尾缘结构为:将鸟翼尾缘结构根据几何相似和动力学相似原则模化获得的仿鸟翼尾缘结构。

[0009] 进一步地，所述仿鸟翼尾缘结构为仿长耳鸮翼尾缘结构。

[0010] 进一步地，：所述仿鸟翼尾缘结构的锯齿齿形根据相似准则模化为三角形。

[0011] 进一步地，所述锯齿为等边三角形，所述等边三角形的底边与所述叶型相连。

[0012] 进一步地，所述等边三角形的高度h和底边长度s的关系为：s＝2h。

[0013] 进一步地，所述等边三角形的高度h，以设计来流速U为工况参数，由公示Re＝hU/v计算得到；其中Re为鸟翼尾缘结构的雷诺数，v为设计使用环境中流体的运动粘性系数。

[0014] 进一步地，设计来流速为0.9Ma时，所述等边三角形的高度h＝1.6mm。附图说明

[0015] 附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

[0016] 图1为本公开的带有仿生锯齿尾缘结构的叶型结构示意图；

[0017] 图2为本公开的仿生锯齿尾缘结构局部放大示意图；

[0018] 图3为实施例二种建立的数值模拟模型；

[0019] 图4为原型叶栅和本公开的带有锯齿尾结构的叶栅在不同冲角下的总压损失系数对比图；

[0020] 图5为原型叶栅不同时刻流场图；

[0021] 图6为本公开的带有锯齿尾结构的叶栅不同时刻流场图；

[0022] 图7为原型叶栅和本公开的带有锯齿尾结构的叶栅的噪声频谱比较图。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

[0024] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

[0025] 实施例一：

[0026] 参照图1和图2，本实施例提供了一种带有仿生锯齿尾缘结构的跨音速压气机平面叶栅，所述平面叶栅包括间隔排列的多个叶型；所述叶型设有连续光滑的锯齿尾缘结构，所述锯齿尾缘结构沿所述叶型的展向分布。所述锯齿尾缘结构与叶型交接处光滑且曲率连续。

[0027] 本实施例通过锯齿尾缘结构打碎吸力面分离涡，将大尺度湍流分解为小尺度，加速尾迹区掺混，改善流场结构，达到减小流动损失、降低噪声的效果。

[0028] 由于当前先进高性能压气机前几级多设计为跨音级，本发明主要针对跨音速压气机叶栅进行研究。因此，本实施例中，主要针对跨音速压气机叶栅进行研究，所述叶型为跨音速压气机叶型。

[0029] 研究发现，在鸟类如长耳鸮翼的尾缘有相应锯齿形结构，辅之以附羽和绒毛，使得长耳鸮能够实现安静飞行，哪怕是在寂静的深夜也能悄无声息的捕杀猎物。因此，本实施例通过仿生技术将鸟翼尾缘应用于跨音速压气机的平面叶栅。所述锯齿尾缘结构为：将鸟翼尾缘结构根据几何相似和动力学相似原则模化获得的仿鸟翼尾缘结构；优选为仿长耳鸮翼尾缘结构。

[0030] 参照图2，本实施例所述仿鸟翼尾缘结构的锯齿齿形根据相似准则模化为三角形。并进行简化处理，简化为顶角为直角的等边三角形，此时，所述等边三角形的高度h和底边长度s的关系为：s＝2h。所述等边三角形的底边与所述叶型相连。

[0031] 通过相似准则确定不同设计点工况下的结构尺寸，模化的锯齿尾缘结构应与鸟翼尾缘结构的动力学相似，即有相同的雷诺数；此时，所述等边三角形的高度h，以设计来流速U为工况参数，依据动力相似原则，由公示Re＝hU/v计算得到；其中Re为鸟翼尾缘结构的雷诺数v为设计使用环境中流体的运动粘性系数。

[0032] 本实施例中，模化锯齿尾缘结构可适用于不同设计来流速U，且满足动力学相似和几何相似。

[0033] 通过多轮次流场和声场计算，得到对于平面叶栅进口流速0.9Ma条件下，对应的h＝1.6mm，s＝3.2mm的锯齿尾缘能够起到较好的流动和噪声的控制效果。

[0034] 实施例二：

[0035] 本是例在实施例一的基础上，选取NASA公开发表的跨音速压气机ROTOR37的5％叶高截面为叶型，构建平面叶栅，在此基础上加载的仿生锯齿尾缘结构，并通过多轮次的数值模拟进行优化设计和验证。

[0036] 本实施例有关气动参数如下：进口总压148905.2Pa，进口静压101325Pa，进口冲角为-3°～3°，进口马赫数0.9。通过几何相似、雷诺数相似给出h和s的范围。再通过多轮次数值模拟选取h＝1.6mm，s＝3.2mm。

[0037] 根据本实施例的仿生锯齿尾缘处理叶栅建立数值模拟模型，该模拟模型如图3所示，其中叶栅流道沿栅距方向设定为周期边界，叶高两侧设定为固壁边界，叶栅流道进口给定总温、总压和速度方向，出口给定参考流量和速度方向。

[0038] 通过对带有仿生锯齿尾缘结构的叶栅进行三维CFD模拟，并与原型叶栅数值模拟结果进行比对，分析结果可得两者的总压损失系数分布，分析结果如图4所示。从图4可知，在攻角范围为0～3度时，仿生锯齿尾缘结构的叶栅总压损失系数与原型叶栅相比较低；同时提取典型位置(吸力面分离区)局部流场进行分析，分析结果如图5和图6所示，锯齿尾缘结构的叶栅与原型叶栅相比较低，叶栅尾迹得到改善。

[0039] 本实施例中，为了验证锯齿尾缘对叶栅噪声的影响，在叶栅尾缘后方0.5倍弦长处设定噪声观测点，噪声频谱对比如图7所示。统计可得，仿生锯齿尾缘结构的叶栅比普通叶栅的在噪声均值降低了3-5dB。

[0040] 本公开将仿生结构流动控制原理应用于跨音速压气机叶栅，以相似准则为桥梁，进行锯齿形尾缘的优化设计，能够起到抑制流动分离、改善叶栅尾迹、减小噪声的作用。

[0041] 本公开拓宽了仿生结构的适用性范围，将由原低速领域扩展到跨音速领域，为后续仿生叶栅设计提供支撑，为仿生学技术在航空发动机上的应用提供支持。本发明成果后续可向航空及工业能源动力领域的叶轮机械叶片设计方向转移。

[0042] 本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

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