[发明专利]一种用于控制气流分离的叶片吸力面凹槽设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及叶轮机械领域，具体为一种用于控制气流分离的叶片吸力面凹槽设计方法。

背景技术

当今社会，叶轮机械日益在国防科技领域中发挥着重要的作用，它是航空、航天、航海、能源、化工等领域的重要部件。叶片是叶轮机械的重要组成部分，叶轮机械主要通过叶片来实现对外界介质地做功。因此，叶片的做功能力决定了叶轮机械的效率。提高叶片的做功能力符合当今社会节能减排的主题，对于缓解能源危机、实行可持续发展战略具有重大意义。

随着压气机、涡轮做功能力的不断提高以及对发动机稳定工作欲度要求的不断提升，叶片吸力面气流受到逆压梯度和大攻角进气条件的共同作用，其附面层气流具有较强的分离趋势。因而，近些年来，围绕着叶片附面层流动控制，人们进行了大量的研究。其中在叶片表面附面层转捩控制中，提到了球窝、凹槽等壁面凹陷处理技术。

合理的型面凹槽设计可以降低叶型吸力面上气流的分离程度、减小气流的能量损失，改善叶栅通道内的流动阻塞状况，扩大基元叶型的可用攻角范围，从而达到扩大叶片稳定工作范围，提高叶片效率和压比的目的。由于在航空发动机或者其他叶轮机械中，叶片所占的重量比重较大。型面凹槽的存在客观上实现了对叶轮机械的减重，对于提高航空发动机的推重比、降低燃油消耗率有重要意义。在文献Robarge T W，Stark A M，Min S K，et al.Design consideration for using indented surface treatment to control boundary layer separation[R].AIAA-2004-425，2004中，Robarge等人归纳总结了壁面凹陷的最佳几何参数范围，凹陷处理的最佳深度以及最佳深宽比，并且对NACA0015叶型表面施加了二维形式的展向凹槽处理，验证了基于表面凹槽处理的被动控制策略的控制效果以及相关设计参数的最优化。但是Robarge等人提出的壁面凹陷处理位于叶型吸力面层流分离点之前，通过壁面凹槽改变附面层的转捩点，进而缩短了层流附面层从分离到再附着之间的区域，达到减小附面层分离区的目的。随着叶型攻角变大，当整个吸力面几乎全部为湍流流动时，这种处理技术就没有任何抑制附面层分离的效果了。

发明内容

要解决的技术问题

为解决现有技术中存在的问题，克服现有叶片壁面凹槽处理的局限性，本发明提出了一种用于控制气流分离的叶片吸力面凹槽设计方法。

技术方案

本发明的技术方案为：

所述一种用于控制气流分离的叶片吸力面凹槽设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：确定凹槽起始点初始位置、凹槽在叶片吸力面型线上的初始投影长度和描述凹槽曲线的初始函数方程；所述凹槽起始点初始位置处于分离区发展阶段在叶片吸力面上的投影范围内，所述分离区发展阶段在叶片吸力面上的投影范围为吸力面上附面层分离点后的一段区域，该段区域的型线长度不超过原始叶片吸力面型线长度的40％；所述凹槽在原始叶片吸力面型线上的初始投影长度不超过原始叶片吸力面型线长度的20％；初始凹槽曲线由任意函数形式的单段或多段的曲线或折线组成，且要求凹槽曲线只在两端端点处与叶片吸力面型线光滑连接，连接处一阶导数连续；

步骤2：采用遗传算法对凹槽进行优化，以凹槽起始点位置，凹槽在叶片吸力面型线上的投影长度和描述凹槽曲线的函数方程作为优化变量，凹槽起始点位置的变化范围为分离区发展阶段在叶片吸力面上的投影范围，凹槽在叶片吸力面型线上的投影长度的变化范围为原始叶片吸力面型线长度的20％，描述凹槽曲线的函数方程的边界条件为凹槽曲线只在两端端点处与叶片吸力面型线光滑连接，连接处一阶导数连续；计算叶栅通道的流场特性，以叶栅通道的静压升、总压恢复系数、总压系数和气流转折角四个参数中的一个以上参数作为遗传算法中适应度函数的变量，以使适应度函数达到最大值的优化变量组合作为凹槽的造型参数。

有益效果

本发明通过在叶片基元叶型的吸力面上进行型面凹槽处理，可以明显的改善叶栅通道内的流动情况，减小甚至消除通道内的气流分离区，提高通道的效率和总压恢复系数，降低通道的损失系数，改善基元叶型的大攻角特性，扩大基元叶型的可用攻角范围。同时，与原始叶型相比，凹槽设计可以减轻叶片的重量。也间接的提高了发动机推重比，降低了燃油消耗率。

附图说明

图1是一种原始基元叶型图；

图2是一种凹槽处理后的基元叶型图；

图3是吸力面型面凹槽的局部放大图；