轴流压气机叶型设计方法及轴流压气机叶型

摘要

本发明提供了一种轴流压气机叶型设计方法和轴流压气机叶型，所述轴流压气机叶型设计方法包括：设计叶型的前缘和所述叶型的尾缘；设计所述叶型的吸力面；设计所述叶型的压力面；保证所述连接点处的一阶导数连续；其中，所述连接点包括所述前缘与所述吸力面的连接点、所述前缘与所述压力面的连接点、所述吸力面与所述尾缘的连接点、所述压力面与所述尾缘的连接点。本发明提供的轴流压气机叶型设计方法，可以精确设计前缘为圆或椭圆的叶型；实现了叶型的局部修改，使得叶型设计空间进一步增加，增加了叶型设计的灵活性；所设计叶型表面曲率连续。此外可以采用本方法针对现有叶型进行拟合，分析其控制点的规律并建立几何数据库。

说明书

技术领域

本发明涉及轴流压气机技术领域，特别是涉及一种轴流压气机叶型设计方法及轴流压气机叶型。

背景技术

现有技术中，轴流压气机叶型的设计方式有弧线叠加厚度分布的设计方式。很多经典的叶型，例如美国的NACA65叶型、英国的C4叶型、前苏联的BC6叶型等，都是采用弧线叠加厚度分布的设计方式设计的。

在现有技术中，还可以基于已有叶型修改前缘吸力面侧和前缘压力面侧型线以及针对吸力面和压力面侧型线进行拟合。

采用现有技术中的设计方式设计出的轴流压气机叶型表面曲率，特别是压力面或吸力面与前缘连接点处的曲率，往往不连续。叶型表面曲率的不连续影响轴流压气机叶型的气动特性。

另外，轴流压气机叶型最大相对厚度的相对位置是影响叶型气动特性的重要参数，现有技术中的设计方法难以灵活调整叶型最大相对厚度的相对位置，因此，难以设计出最大相对厚度的最佳相对位置。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点和存在的问题，本发明的目的在于提供一种轴流压气机叶型设计方法及轴流压气机叶型，以提高轴流压气机叶型设计的灵活性以及提高叶型表面曲率的连续性。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供了一种轴流压气机叶型设计方法，包括：设计叶型的前缘和所述叶型的尾缘；设计所述叶型的吸力面；设计所述叶型的压力面；保证连接点处的一阶导数连续；其中，所述连接点包括所述前缘与所述吸力面的连接点、所述前缘与所述压力面的连接点、所述吸力面与所述尾缘的连接点、所述压力面与所述尾缘的连接点。

于本发明一实施例中，所述设计叶型的前缘和所述叶型的尾缘的步骤包括：计算所述前缘点坐标和所述尾缘点坐标；计算所述前缘半径和所述尾缘半径；计算所述前缘圆心坐标；计算所述前缘与所述吸力面的连接点；计算所述前缘与所述压力面的连接点；计算所述前缘点控制点；计算所述尾缘圆心坐标；计算所述吸力面与所述尾缘的连接点；计算所述压力面与所述尾缘的连接点。

于本发明一实施例中，所述吸力面包括若干个吸力面控制点；其中，处于所述吸力面和所述尾缘连接处的吸力面控制点为所述吸力面与所述尾缘的连接点，处于所述前缘和所述吸力面连接处的吸力面控制点为所述前缘与所述吸力面的连接点；所述设计所述叶型的吸力面的步骤包括：计算除所述吸力面与所述尾缘的连接点和所述前缘与所述吸力面的连接点之外的吸力面控制点。

于本发明一实施例中，所述吸力面控制点的个数为5～9个。

于本发明一实施例中，所述压力面包括若干个压力面控制点；其中，处于所述压力面和所述尾缘连接处的压力面控制点为所述压力面与所述尾缘的连接点，处于压力面与所述前缘连接处的压力面控制点为所述前缘与所述压力面的连接点；所述设计所述叶型的压力面的步骤包括：计算除所述压力面与所述尾缘的连接点和所述前缘与所述压力面的连接点之外的压力面控制点。

于本发明一实施例中，所述压力面控制点的个数为5～9个。

于本发明一实施例中，所述吸力面包括多个吸力面控制点，和/或所述压力面包括多个压力面控制点；所述轴流压气机叶型设计方法还包括：调整所述吸力面控制点的数目和/或所述压力面控制点的数目，以满足所述叶型的最大相对厚度以及所述最大相对厚度的相对位置要求。

于本发明一实施例中，所述保证连接点处的一阶导数连续的步骤包括：修改所述连接点处的一阶导数，以使所述连接点处的一阶导数连续。

本发明还提供了一个轴流压气机叶型，所述轴流压气机叶型由上文所述的轴流压气机叶型设计方法设计而成。

本发明提供的轴流压气机叶型设计方法及轴流压气机叶型，可以精确设计前缘为圆或椭圆的叶型；实现了叶型的局部修改，使得叶型设计空间进一步增加，增加了叶型设计的灵活性；所设计叶型表面曲率连续。此外可以采用本方法针对现有叶型进行拟合，分析其控制点的规律并建立几何数据库。

附图说明

图1为本发明实施例提供的轴流压气机叶型划分示意图；

图2为本发明实施例提供的前缘、前缘和吸力面之间的连接点、前缘和压力面之间的连接点的示意图；

图3为本发明实施例提供的尾缘、尾缘和吸力面之间的连接点、尾缘和压力面之间的连接点的示意图；

图4为本发明实施例提供的前缘示意图；

图5为本发明实施例提供的尾缘示意图；

图6位本发明实施例提供的吸力面控制点和压力面控制点示意图；

图7为本发明实施例提供的安装角、进口金属角、出口金属角的示意图；

图8为本发明实施例提供的叶型局部曲率分布示意图；

图9为本发明实施例提供的叶型局部曲率分布示意图；

图10为本发明实施例提供的轴流压气机叶型和NACA65叶型几何比较图；

图11为本发明实施例提供的轴流压气机叶型和NACA65叶型总压损失特性对比图。

元件标号说明

1吸力面

11 吸力面控制点

111所述前缘和所述吸力面的连接点

112所述压力面和所述尾缘的连接点

2前缘

21 前缘点控制点

22 前缘圆心

23 前缘半径

24 前缘楔角

3压力面

31 压力面控制点

311所述前缘和所述压力面的连接点

312所述压力面和所述尾缘的连接点

4尾缘

41 尾缘圆心

42 尾缘半径

5安装角

6进口金属角

7出口金属角

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

轴流压气机由于流量大、效率高等特点被广泛应用于重型燃气轮机等。气流的逆压梯度、强三维流动特性以及多级匹配等给轴流压气机的气动设计带来了严峻的挑战。轴流压气机的通流设计尤其是叶型设计是轴流压气机气动设计的核心和关键。

随着计算机性能的提高和计算流体力学的发展，可以定制轴流压气机叶型，相对于传统设计方法设计的叶型，定制的叶型的性能更加优异，主要体现为叶型效率更高、叶型的工作范围更宽。

如图1所示，在本发明实施例中，可以将轴流压气机叶型分为吸力面1、前缘2、压力面3、尾缘4等部分。

如图2所示，前缘2和吸力面1连接处的控制点为所述前缘与所述吸力面的连接点111，吸力面1和尾缘4连接处的控制点为所述吸力面与所述尾缘的连接点112。

如图3所示，前缘2和压力面3连接处的控制点为所述前缘与所述压力面的连接点311，压力面3和尾缘4连接处的控制点为所述压力面与所述尾缘的连接点312。

本发明实施例提供了一种轴流压气机叶型设计方法，对图1所示的叶型的各部分进行设计，该方法包括：设计叶型的前缘2和所述叶型的尾缘4；设计所述叶型的吸力面1；设计所述叶型的压力面3；保证连接点处的一阶导数连续；其中，所述连接点包括所述前缘与所述吸力面的连接点111、所述前缘与所述压力面的连接点311、所述吸力面与所述尾缘的连接点112、所述压力面与所述尾缘的连接点312。

在一个示例中，又如图2所示，前缘2包括前缘点控制点21。如图4所示，前缘2的圆心为前缘圆心22，前缘2的半径为前缘半径23。如图5所示，尾缘4的圆心为尾缘圆心41，尾缘4的半径为尾缘半径42。所述设计叶型的前缘2和所述叶型的尾缘4的步骤包括：计算所述前缘2点坐标和所述尾缘4点坐标；计算前缘半径23和尾缘半径42；计算前缘圆心22坐标；计算所述前缘与所述吸力面的连接点111；计算所述前缘与所述压力面的连接点311；计算所述前缘点控制点21；计算尾缘圆心41坐标；计算所述吸力面与所述尾缘的连接点112；计算所述压力面与所述尾缘的连接点312。

在一个示例中，如图6所示，所述吸力面1包括若干个吸力面控制点11；其中，处于所述吸力面1和所述尾缘4连接处的吸力面控制点为所述吸力面与所述尾缘的连接点112，处于所述前缘2和所述吸力面1连接处的吸力面控制点为所述前缘与所述吸力面的连接点111；所述设计所述叶型的吸力面1的步骤包括：计算除所述吸力面与所述尾缘的连接点112和所述前缘与所述吸力面的连接点111之外的吸力面控制点11。

在一个示例中，所述吸力面控制点11的个数为5～9个。

在一个示例中，如图6所示所述压力面3包括若干个压力面控制点31；其中，处于所述压力面3和所述尾缘4连接处的压力面控制点为所述压力面与所述尾缘的连接点312，处于压力面4与所述前缘2连接处的压力面控制点为所述前缘与所述压力面的连接点311；所述设计所述叶型的压力面3的步骤包括：计算除所述压力面与所述尾缘的连接点312和所述前缘与所述压力面的连接点311之外的压力面控制点。

在一个示例中，所述压力面控制点31的个数为5～9个。

在一个示例中，如6所示，所述吸力面1包括多个吸力面控制点11，和/或所述压力面3包括多个压力面控制点31；其中，所述多个吸力面控制点11包括所述前缘与所述吸力面的连接点111、所述吸力面与所述尾缘的连接点112，所述多个压力面控制点31包括所述前缘与所述压力面的连接点311、所述压力面与所述尾缘的连接点312；所述轴流压气机叶型设计方法还包括：调整所述吸力面控制点的数目11和/或所述压力面控制点的数目31，以满足所述叶型的最大相对厚度以及所述最大相对厚度的相对位置要求。

在一个示例中，所述保证连接点处的一阶导数连续的步骤包括：修改所述连接点处的一阶导数，以使所述连接点处的一阶导数连续。

本发明还提供了一个轴流压气机叶型，所述轴流压气机叶型由上文所述的轴流压气机叶型设计方法设计而成。

在一个具体实例中，对本发明实施例提供的轴流压气机叶型设计方法进行举例介绍。

具体设计参数包括如下。

前缘2点坐标：(xl,yl)

尾缘4点坐标：(xt,yt)

前缘圆心22坐标：(xlc,ylc)

尾缘圆心41坐标：(xtc,ytc)

弦长：chord

安装角5：stagger。安装角5具体可以如图7所示。

前缘楔角24：wedge。前缘楔角24具体可以如图4所示。

前缘半径23：rl

尾缘半径42：rt

前缘点控制点21相对偏移量：dl

进口金属角6：alpha1

出口金属角7：alpha2

控制点：CPxy。其中，控制点具体可以是指吸力面控制点11、压力面控制点31以及前缘点控制点21等。

吸力面控制点11个数：n1

压力面控制点31个数：n2

在该实例中，轴流压气机叶型设计方法包括以下步骤。

步骤1、计算前缘2点坐标和尾缘4点坐标：

xl＝0；yl＝0；xt＝chord×cos(stagger)；yt＝chord×sin(stagger)

步骤2、计算前缘半径23和尾缘半径42：

rl＝rl×chord；rt＝rt×chord

步骤3、计算前缘圆心22坐标：

xlc＝xl+rl×cos(alpha1)；ylc＝yl+rl×sin(alpha1)

步骤4、计算前缘与吸力面的连接点111：

CPxy(n1,1)＝xl+rl×cos(alpha1+wedge+pi/2)

CPxy(n1,2)＝yl+rl×sin(alpha1+wedge+pi/2)

步骤5、计算前缘与压力面的连接点311：

CPxy(n1+2,1)＝xl+rl×cos(alpha1-wedge+3×pi/2)

CPxy(n1+2,2)＝yl+rl×sin(alpha1-wedge+3×pi/2)

步骤6、计算前缘控制点21：

CPxy(n1+1,1)＝xl-rl×dl×cos(alpha1)

CPxy(n1+1,2)＝yl+rl×dl×sin(alpha1)

步骤7、计算尾缘圆心坐标41：

xtc＝xt-rt×cos(alpha2)；ytc＝yt-rt×sin(alpha2)

步骤8、计算吸力面与尾缘的连接点112：

CPxy(1,1)＝xtc+rt×cos(alpha2+pi/2)

CPxy(1,2)＝ytc+rt×dl×sin(alpha2+pi/2)

步骤9、计算压力面与尾缘的连接点312：

CPxy(n1+n2+1,1)＝xtc+rt×cos(alpha2-pi/2)

CPxy(n1+n2+1,2)＝ytc+rt×dl×sin(alpha2-pi/2)

步骤10、计算除所述前缘与所述吸力面的连接点111、所述吸力面与所述尾缘的连接点112之外的吸力面控制点11：

可以假设，吸力面控制点相对位置为xy1；两个端点分别为CPxy(1,1:2)和CPxy(n1,1:2)，即两个端点分别为所述吸力面与所述尾缘的连接点112、所述前缘与所述吸力面的连接点111；假设两个端点之间的距离为a、斜率为k；则第i(i＝2,…,n1-1)个吸力面控制点11的计算公式如下：

CPxy(i,1)＝CPxy(1,1)+xy1(i,1)×(CPxy(1,1)-CPxy(n1,1))

CPxy(i,2)＝CPxy(1,2)+xy1(i,2)×(CPxy(1,2)-CPxy(n1,2))

CPxy(i,1)＝CPxy(i,1)+a×xy1(i,2)×cos(atan(k)+pi/2)

CPxy(i,2)＝CPxy(i,2)+a×xy1(i,2)×sin(atan(k)+pi/2)

步骤11、计算除所述前缘与所述压力面的连接点311、所述压力面与所述尾缘的连接点312之外的其他压力面控制点31：

可以假设，压力面控制点相对位置为xy2；两个端点分别为CPxy(n1+2,1:2)和CPxy(n1+n2+1,1:2)，即两个端点分别为所述前缘与所述压力面的连接点311、所述压力面与所述尾缘的连接点312；计算压力面控制点31中第i(i＝n1+3,…,n1+n2)个控制点的计算公式可以参照步骤10。

步骤12、修改所述前缘与所述吸力面的连接点111，以确保所述前缘与所述吸力面的连接点111处的一阶导数连续。

步骤13、修改所述吸力面与所述尾缘的连接点112，以确保修改所述吸力面与所述尾缘的连接点112处的一阶导数连续。

步骤14、修改所述前缘与所述压力面的连接点311，以确保所述前缘与所述压力面的连接点311处的一阶导数连续。

步骤15、修改所述压力面与所述尾缘的连接点312，以确保所述压力面与所述尾缘的连接点312处的一阶导数连续。

步骤16、采用二次有理Bezier函数设计前缘2造型，二次有理Bezier函数的定义为：

其中，w_i为权重,P_i为控制点，i＝1,2,3；

步骤17、设计尾缘4为半圆。

步骤18、采用B样条函数设计吸力面1造型，吸力面控制点11为CPxy(1:n1,1:2)；其中，B样条函数的定义为：

步骤19、采用B样条函数设计压力面3造型，压力面控制点31为CPxy(n1+2:n1+n2+1,1:2)；其中，B样条函数的定义可以参照步骤18。

步骤20、调整控制点使满足最大相对厚度及其相对位置要求。吸力面控制点11(所述前缘与所述吸力面的连接点111和所述吸力面与所述尾缘的连接点112)一般为5-9个，压力面控制点31(所述前缘与所述压力面的连接点311和所述压力面与所述尾缘的连接点312)一般为5-9个。吸力面控制点11的数量和压力面控制点31的数量可以不一样，吸力面曲线通常更复杂，因此吸力面控制点21可以包括更多的控制点。为了减小设计自由度从而减小计算量，可以相应减小压力面控制点31数目。

本发明实施例还提供了一种轴流压气机叶型，该轴流压气机叶型采用上述方法设计而成。

图8示出了所述前缘与所述吸力面的连接点111和所述吸力面与所述尾缘的连接点112以及前缘2的曲率分布，可知，采用本发明实施例提供的轴流压气机叶型此三处的曲率连续。

图9示出了所述前缘与所述压力面的连接点311和所述压力面与所述尾缘的连接点312以及尾缘4的曲率分布，可知，采用本发明实施例提供的轴流压气机叶型此三处的曲率连续。

图10为采用本发明实施例提供的轴流压气机叶型和NACA65叶型几何比较图；其中，实线为采用本发明实施例提供的轴流压气机叶型，虚线为NACA65叶型。

图11为采用本发明实施例提供的轴流压气机叶型和NACA65叶型的总压损失特性对比图；其中，实线为采用本发明实施例提供的轴流压气机叶型，虚线为NACA65叶型。可知，采用本发明实施例提供的轴流压气机叶型有效工作范围至少提高了20％。

本发明提供实施例提供的轴流压气机叶型设计方法，可以精确设计前缘为圆或椭圆的叶型；实现了叶型的局部修改，使得叶型设计空间进一步增加，增加了叶型设计的灵活性；所设计叶型表面曲率连续。此外可以采用本方法针对现有叶型进行拟合，分析其控制点的规律并建立几何数据库。

综上所述，本发明能够有效克服现有技术中的缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。