[发明专利]叶轮叶片减阻微织构的设计方法

说明书

本发明公开了一种叶片表面减阻微织构的设计方法，属于叶片减阻领域。根据叶轮叶片模型，建立流场域；对流场域进行数值模拟仿真，得到叶片高度方向中间截面的流线图，据此确定翼型压力面、边界层分离区域和翼型吸力面的回流区域作为微织构放置区域；在微织构放置区域紧贴叶片翼型布置微织构截面，并使其在叶片表面上沿着叶片高度方向扫掠成肋条或沟槽；对建有肋条或沟槽微织构的叶片模型采用有限元仿真优化微织构的放置位置和截面形状，获得减阻最好的微织构的放置位置和截面形状，以此构造叶片表面减阻微织构。优化的叶片表面减阻微织构减阻达到5%到10%，减少了能量消耗，节约了燃油资源，减阻微织构的设计方法可推广应用到其它领域。

技术领域

本发明涉及一种叶轮叶片减阻微织构的设计方法，涉及到的叶片主要是风力叶片，来流速度在50m/s到100m/s之间，属于叶片减阻领域。

背景技术

透平机械在航空、航天、能源、交通、化工和石油等领域具有广泛的应用。叶片是航空发动机、燃气轮机、风机等透平机械的关键零件，其气动减阻性能直接影响这类产品的工作性能。为了提高叶片的气动减阻性能，国内外专家学者对叶片的优化设计方面作了大量的研究工作，从叶片结构优化、叶片表面织构设计等方面进行了大量的探索，试图从设计源头改善透平机械的气动减阻性能。在各种减阻技术中，利用微纳制造技术制备的仿生微结构表面有突出的减阻效果，这种具有仿生微纳织构的设计可应用于航空发动机叶片等需要减阻的领域中，通过特殊的表面织构获得减阻等特殊功能和性能，提高产品的功能和性能。目前，微织构减阻技术大多应用在机翼等在流体中高速运动物体的表面上，而在发动机叶片上很少应用，这是因为目前的叶片减阻微织构的设计主要是根据研究经验在叶片整个表面布置一些规律排布的三角形沟槽或肋条，或通过在叶片表面额外附着一层具有不同微小结构的胶膜，然后通过实验筛选出具有减阻效果的一种结构。但当流场状态改变后，原有的减阻效果很可能会消失。因此这些设计方法缺乏对不同流场状态下的普适性，这不仅浪费了大量的资源和时间，而且缺乏针对性和灵活性。

发明内容

本发明目的是克服现有技术缺陷，提出一种简单可行，可根据不同叶片的实际工作环境，在叶片上设计出一种具有减阻性能的微织构的设计方法，提高了减阻微织构设计的效率和灵活性。

为达到以上设计目的，本发明涉及到的设计步骤如下：

步骤1)：根据叶轮叶片模型，建立流场域。流场域的特征为：流场域的宽度W为叶轮相邻叶片周向距离的两倍；流场域高度H为叶片高度的1～1.1倍；流场轨迹曲线1是通过拟合叶底和叶顶的两条翼型中线，求平分线，再将此平分线前后各延长2～3倍叶底弦长得到的。以上特征能够使设计的流场域的流场状态更加逼近真实的流场状态。

步骤2)：对步骤1)所得的流场域进行网格划分并数值模拟叶片受到的气流阻力。

步骤3)：根据步骤2)中的数值模拟结果，在叶片高度方向中间位置建立中间截面，得到此截面的流体速度流线图。据此确定在翼型压力面，边界层分离区域和翼型吸力面的回流区域三块区域布置微织构截面。