一种非均布式波浪形前缘静叶及其造型方法

技术领域

本公开涉及静叶及其造型方法，尤其涉及一种非均布式波浪形前缘静叶及其造型方法。

背景技术

风扇噪声广泛存在于生活及生产各个领域，对于航空发动机、增压风机等具有转子、静子等多排叶片的旋转机械，由于前排周期性转子尾迹与后排静叶相互干涉而产生的转静干涉纯音噪声以及来流湍流-叶片干涉而引起的宽频噪声，是风扇噪声的主要声源。

现有得波浪形前缘静叶，未考虑到风扇和压气机实际内部流动状态，波浪形由叶根至叶尖布置方式单一，尽管能够降低风扇噪声，但是存在进一步的优化空间。

发明内容

为了解决上述技术问题的至少一个，本公开提供了一种非均布式波浪形前缘静叶及其造型方法。

本公开的技术方案是这样实现的：

一种非均布式波浪形前缘静叶的造型方法，包括：

基于原型静叶，根据积叠线重构方法，重构所述原型静叶中部的积叠线，基于中部重构后的所述积叠线，构建静叶中部，使得所述静叶中部具有均布的波浪形前缘；

根据积叠线重构方法，重构所述原型静叶尖部的积叠线，基于尖部重构后的所述积叠线，构建静叶尖部，使得所述静叶尖部具有第一曲线前缘；

根据积叠线重构方法，重构所述原型静叶根部的积叠线，基于根部重构后的所述积叠线，构建静叶根部，使得所述静叶根部具有第二曲线前缘。

进一步地，所述积叠线重构方法，包括：

以所述原型静叶的前缘点为圆心，以原型静叶弦长的设定比例的长度为半径，获取第一圆弧；使得所述第一圆弧与所述积叠线对应的叶型的一个内切圆相切；选取该内切圆的圆弧为新前缘；基于所述新前缘，重构积叠线。

进一步地，所述重构所述原型静叶中部的积叠线，基于中部重构后的所述积叠线，构建静叶中部，包括：

沿所述原型静叶的展向按5％原型静叶弦长的间隔，分别提取积叠线；

基于相邻的五条所述积叠线，构建单周期波浪静叶单元；

将数个所述单周期波浪静叶单元积叠获得所述静叶中部；其中，相邻的五条所述积叠线依次为：第一积叠线、第二积叠线、第三积叠线、第四积叠线和第五积叠线；

所述构建单周期波浪形静叶，包括：

重构所述第二积叠线和第四积叠线，并使得所述第二积叠线对应的叶型弦长与第四积叠线对应的叶型弦长相等，且小于所述第三积叠线对应的叶型弦长；

重构所述第一积叠线和第五积叠线，并使得所述第一积叠线对应的叶型弦长与第五积叠线对应的叶型弦长相等，且小于所述第二积叠线对应的叶型弦长；

基于所述第一积叠线、所述第二积叠线、所述第三积叠线、所述第四积叠线和所述第五积叠线按顺序放样，生成单周期波浪静叶单元。

进一步地，所述第一积叠线和所述第五积叠线对应的所述第一圆弧的半径均为10％原型静叶弦长；

所述第二积叠线和所述第四积叠线对应的所述第一圆弧的半径均为5％原型静叶弦长。

进一步地，所述重构所述原型静叶尖部的积叠线，基于尖部重构后的所述积叠线，构建静叶尖部，包括：

重构所述原型静叶90％叶高位置和95％叶高位置的积叠线，对应获得第六积叠线和第七积叠线，并且所述第七积叠线对应的叶型弦长＜所述第六积叠线对应的叶型弦长＜原型静叶的叶型弦长；

基于所述原型静叶的尖端的积叠线、第六积叠线、第七积叠线以及80％叶高位置的积叠线，按顺序放样，生成静叶尖部。

进一步地，所述第六积叠线相对应的所述第一圆弧的半径为5％原型静叶弦长；

所述第七积叠线相对应的所述第一圆弧的半径为10％原型静叶弦长。

进一步地，重构所述原型静叶根部的积叠线，基于根部重构后的所述积叠线，构建静叶根部，包括：

重构所述原型静叶5％叶高位置的积叠线，获取第八积叠线；并且，所述第八积叠线对应的叶型弦长＜原型静叶的叶型弦长；

基于所述原型静叶的根端的积叠线和所述第八积叠线、以及所述静叶中部与所述静叶根部连接位置的积叠线，按顺序放样，生成静叶根部；所述静叶中部与所述静叶根部连接位置位于所述原型静叶10％叶高位置。

进一步地，所述第八积叠线相对应的所述第一圆弧的半径为5％原型静叶弦长。

一种静叶，包括由上往下积叠的静叶尖部、静叶中部、和静叶根部；所述静叶中部具有均匀分布的波浪形前缘；所述静叶尖部具有第一曲线前缘；所述静叶根部具有第二曲线前缘。

进一步地，所述静叶尖部包括：从所述静叶的80％叶高位置至所述静叶的叶尖端的部分；并且所示静叶的90％-95％叶高的前缘位于波峰至波中之间；所述静叶根部包括：从所述静叶的叶根端至所述静叶10％叶高位置的部分。

附图说明

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。

图1是本公开的非均布式波浪形前缘静叶结构示意图；

图2是本公开的造型方法的流程示意图；

图3是本公开的重构积叠线前示意图；

图4是本公开的重构积叠线后示意图；

图5是本公开的静叶中部示意图；

图6是本公开的静叶尖部示意图；

图7是本公开的静叶根部示意图；

图8是本公开的实验台拆分结构示意图；

图9-a是本公开的原型静叶与均匀分布波浪形前缘叶片一阶谐波脉动压力；

图9-b是本公开的原型静叶与均匀分布波浪形前缘叶片二阶谐波脉动压力叶片表面分布云图；

图10是本公开的展向两条观察线位置示意图；

图11-a是沿图10中观察线Line1观察原型静叶和均布波浪形前缘静叶的一阶谐波脉动压力分布情况示意图；

图11-b是沿图10中观察线Line2观察原型静叶和均布波浪形前缘静叶的一阶谐波脉动压力分布情况示意图；

图12是本公开的非均布式波浪形前缘静叶结构示意图；

图13是非均布式波浪形前缘静叶、基准静叶、均布式波浪形前缘静叶的表面极限流线和流向涡量对比图示意图；

图14-a是沿观察线Line1观察原型静叶和本公开的非均布波浪形前缘静叶的一阶谐波脉动压力分布情况示意图；

图14-b是沿观察线Line2观察原型静叶和本公开的非均布波浪形前缘静叶的一阶谐波脉动压力分布情况示意图；

图15-a是原型静叶设计结构与实物结构示意图；

图15-b是均布式波浪形前缘静叶设计结构与实物结构示意图；

图15-c是本公开得非均布式波浪形前缘静叶设计结构与实物结构示意图；

图16是前传噪声测量的传感器布置方案示意图；

图17是5600rpm时的总声压级指向性对比示意图；

图18-a是图16中测点9的频谱对比示意图；

图18-b是图16中测点10的频谱对比示意图；

图19是均布式波浪形前缘静叶和本公开的非均布式波浪形前缘静叶一阶谐波降噪量对比示意图；

图20是均布式波浪形前缘静叶和本公开的非均布式波浪形前缘静叶二阶谐波降噪量对比示意图；

图21是均布式波浪形前缘静叶和本公开的非均布式波浪形前缘静叶三阶谐波降噪量对比示意图；

图22是原型静叶、均布式波浪形前缘静叶、本公开的非均布式波浪形前缘静叶质量流量对比示意图；

图23是原型静叶、均布式波浪形前缘静叶、本公开的非均布式波浪形前缘静叶总压比对比示意图；

图24是原型静叶、均布式波浪形前缘静叶、本公开的非均布式波浪形前缘静叶输入功率对比示意图；

具体实施方式

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。

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。

参照图1，本实施例提供了一种非均布式波浪形前缘静叶，所述静叶包括由上往下积叠的静叶尖部、静叶中部、和静叶根部；所述静叶中部具有均匀分布的波浪形前缘；所述静叶尖部具有第一曲线前缘；所述静叶根部具有第二曲线前缘。

参照图2，所述静叶的造型方法，如下：

基于原型静叶，根据积叠线重构方法，重构所述原型静叶中部的积叠线，基于中部重构后的所述积叠线，构建静叶中部，使得所述静叶中部具有均布的波浪形前缘；

根据积叠线重构方法，重构所述原型静叶尖部的积叠线，基于尖部重构后的所述积叠线，构建静叶尖部，使得所述静叶尖部具有第一曲线前缘；

根据积叠线重构方法，重构所述原型静叶根部的积叠线，基于根部重构后的所述积叠线，构建静叶根部，使得所述静叶根部具有第二曲线前缘。

所述积叠线重构方法，包括：

参照图3和图4，以所述原型静叶的前缘点为圆心，以原型静叶弦长的设定比例的长度为半径，获取第一圆弧；使得所述第一圆弧与所述积叠线对应的叶型的一个内切圆相切；选取该内切圆的圆弧为新前缘；基于所述新前缘，重构积叠线。

参照图2和图5，作为本实施例的优选实施方式，所述重构所述原型静叶中部的积叠线，基于中部重构后的所述积叠线，构建静叶中部，包括：

沿所述原型静叶的展向按5％原型静叶弦长的间隔，分别提取积叠线；

基于相邻的五条所述积叠线，构建单周期波浪静叶单元；

将数个所述单周期波浪静叶单元积叠获得所述静叶中部；其中，相邻的五条所述积叠线依次为：第一积叠线、第二积叠线、第三积叠线、第四积叠线和第五积叠线；五条所述积叠线从上往下依次对应所述单周期波浪的第一波谷、第一波中、波峰、第二波中、第二波谷；

所述构建单周期波浪形静叶，包括：

重构所述第二积叠线和第四积叠线，并使得所述第二积叠线对应的叶型弦长与第四积叠线对应的叶型弦长相等，且小于所述第三积叠线对应的叶型弦长；

重构所述第一积叠线和第五积叠线，并使得所述第一积叠线对应的叶型弦长与第五积叠线对应的叶型弦长相等，且小于所述第二积叠线对应的叶型弦长；

基于所述第一积叠线、所述第二积叠线、所述第三积叠线、所述第四积叠线和所述第五积叠线按顺序放样，生成单周期波浪静叶单元。

其中，所述第一积叠线和所述第五积叠线对应的所述第一圆弧的半径均为10％原型静叶弦长；所述第二积叠线和所述第四积叠线对应的所述第一圆弧的半径均为5％原型静叶弦长。

参照图2和图6，作为本实施例的优选实施方式，所述重构所述原型静叶尖部的积叠线，基于尖部重构后的所述积叠线，构建静叶尖部，包括：

重构所述原型静叶90％叶高位置和95％叶高位置的积叠线，对应获得第六积叠线和第七积叠线，并且所述第七积叠线对应的叶型弦长＜所述第六积叠线对应的叶型弦长＜原型静叶的叶型弦长；

基于所述原型静叶的尖端的积叠线、第六积叠线、第七积叠线以及80％叶高位置的积叠线，按顺序放样，生成静叶尖部。

其中，所述第六积叠线相对应的所述第一圆弧的半径为5％原型静叶弦长；所述第七积叠线相对应的所述第一圆弧的半径为10％原型静叶弦长。所述第一曲线前缘，包括基于本实施方式构建的静叶尖部的前缘。

参照图2和图7，作为本实施例的优选实施方式，重构所述原型静叶根部的积叠线，基于根部重构后的所述积叠线，构建静叶根部，包括：

重构所述原型静叶5％叶高位置的积叠线，获取第八积叠线；并且，所述第八积叠线对应的叶型弦长＜原型静叶的叶型弦长；

基于所述原型静叶的根端的积叠线和所述第八积叠线、以及所述静叶中部与所述静叶根部连接位置的积叠线，按顺序放样，生成静叶根部；所述静叶中部与所述静叶根部连接位置位于所述原型静叶10％叶高位置。其中，所述第八积叠线相对应的所述第一圆弧的半径为5％原型静叶弦长。所述第二曲线前缘，包括基于本实施方式构建的静叶根部的前缘。

参照图8，为验证基于本公开所述造型方法的非均布式波浪形前缘静叶的降噪性能，本施例通过在真实风扇模型基础上通过数值模拟的方式对叶片表面脉动压力进行仿真验证。该风扇模型共有16片动叶和13片静叶，额定转速为5600Rpm，出口流量为2.4kg/s。在该工况条件下进行数值计算和分析。

主要通过对比基于同一原型静叶的具有均布式波浪前缘静叶，和本公开的非均布式波浪形前缘静叶，其中，选择，均布式波浪前缘静叶以及本公开的非均布式波浪形前缘静叶的静叶中部的齿高H为平均静叶弦长的10％，齿宽W为平均静叶弦长的20％。

对基准模型以及均匀分布式波浪形静叶模型进行数值计算，并分别进行了网格无关性验证。对于基准叶片，在网格量达到450万后，效率保持在85.1％，压比保持在1.008不变；而对于波浪形叶片，在网格量达到850万后，效率保持在84.95％，压比保持在1.008不变。波浪形前缘静叶对风扇的效率的影响在0.2％以内。

需要额外说明的是，转静干涉噪声主要是由于周期性动叶尾迹与静叶干涉而产生，而衡量远场声辐射噪声可以通过评估静叶表面脉动压力的幅值而得到。因此本公开采用对叶片表面的谐波脉动压力幅值来进行分析。

参照图9，可以看到，由于转子尾迹与静叶前缘周期性干涉作用导致的脉动压升主要集中在原型静叶(基准静叶)的前缘部位，这也是降低声源项的主要目标区域。对于均布式波浪前缘静叶，脉动压力主要集中在前缘的波谷区域，而波峰以及波中位置的脉动幅值较低，这也是波浪形前缘静叶降低转静干涉噪声的主要原因，称为“声源截止效应”。

参照图10，沿叶片展向从叶根至叶尖分别取两条观察线，其中Line1为静叶的几何前缘线，Line2向吸力面侧偏离几何前缘线2％静叶弦长距离，沿这两条线对比基准静叶和均布波浪形前缘静叶的一阶谐波脉动压力分布。对比结果如图11-a和图11-b所示。

对于基准静叶脉动压力分布表现为叶尖和叶根区域较大，叶中区域偏小的马鞍形。对于波浪形前缘静叶，由于波峰和波中区域的“声源截止效应”，脉动压力幅值沿展向呈锯齿状，且在叶中位置相比于基准静叶有较大幅值的降低，而在叶尖以及叶根区域，波谷位置的脉动压力幅值相比基准静叶有所放大，这在一定程度上降低了总降噪量。

这表明，实际风扇转静干涉具有较强的三维特性，不同于二维叶型来流湍流—叶片干涉研究以及来流阵风—叶片干涉研究，需要额外考虑动叶尾迹的非均匀性以及由于风扇轮毂、机匣造成的端壁区的复杂流动。

采用均布式波浪形前缘后，在叶根至20％叶高及80％叶高至叶尖区域范围内，一阶谐波脉动压力在波谷位置的幅值大于基准静叶，这主要是由于静叶端壁区复杂流动，包括二次流动、通道涡、角区分离涡等引起的流道阻塞等现象引起。另外，对于原型静叶，在靠近叶根至5％叶高以及90％叶高至叶尖区域范围内，存在一个脉动压力峰值，由上述关于波浪形前缘静叶波中及波峰区域降低脉动谐波压力的物理现象，因此，本公开通过优化使得所述静叶尖部具有第一曲线前缘；所述静叶根部具有第二曲线前缘。

参照图12，所述静叶尖部包括：从所述静叶的80％叶高位置至所述静叶的叶尖端的部分，并且所示静叶的90％-95％叶高的前缘位于波峰至波中之间；所述静叶根部包括：从所述静叶的叶根端至所述静叶10％叶高位置的部分，这样能够将尖峰脉动的区域设计在波峰或者波中区域，且尽量避免其处于波谷范围内。

本公开的非均布式波浪形前缘静叶计算结果分析：

参照图13，与均布式波浪形前缘静叶相比，本公开的非均布式波浪形前缘静叶在靠近叶尖尾缘附近的分离涡已经消失，且叶尖区域分离范围明显向上部及尾缘方向收缩，整体分离范围变窄，而叶根区域没有明显变化，这说明由端壁引起的角区分离现象趋于缓和，端壁区流动得到优化。

非均布式波浪形前缘静叶由叶根至叶尖沿展向的一阶谐波脉动压力分布如图14-a和图14-b所示，可以看到，在采用非均布式波浪形前缘静叶后，相比与基准静叶，在静叶叶尖以及叶根位置的波谷声源处都有大幅度的下降。这说明采用本公开方法对均布式波浪形前缘进行优化后，可以对风扇转静干涉噪声进一步降低，且基于对叶片表面极限流线的分布也可以看出，本公开的非均布式波浪形前缘静叶相比与均布式波浪形前缘静叶流动特性也得到优化。

为了进一步对本公开的非均布式波浪形前缘静叶降低风扇转静干涉噪的实际效果进行验证，本公开以基准静叶(即原型静叶)，以及均布式波浪形前缘静叶(H10W20)和非均布式波浪形前缘静叶(H10W20_Optimized)进行前传噪声、管道进口流量、总压比以及风扇输入功率的测量；

待实验的三种静叶结构设计和实物参照图15-a、15-b、15-c，提供了；前传噪声测量的传感器布置方案参照图16所示。其中前传噪声测量麦克风布置在以风扇进口截面中心为圆心的1/4圆周上，麦克风距离地面高度为1.2m，传声器测量截面距离风扇进口截面圆心2m，布点位置在与管道中心线夹角成0°～90°范围内，本试验远场共布置10支麦克风，两相邻麦克风轴线与风扇进口截面中心夹角为10°。

5600rpm时的总声压级指向性对比如图17所示；测点9和测点10的频谱对比如图18-a和图18-b所示。可以看到，均布式波浪形前缘静叶相对于基准静叶总声压级有所降低，优化后的非均布式波浪形前缘静叶相对于均布式波浪形前缘静叶，在各测点位置的声压级进一步降低。

为了对不同谐频处，均布式波浪形前缘静叶和非均布式波浪形前缘静叶降低风扇转静干涉纯音噪声的情况进行分析，下面对5600rpm时两类波浪形前缘叶片相对于基准叶片在各麦克风测点位置的前三阶BPF降噪量进行总结，降噪量定义为相同谐频处基准叶片声压级与仿生波浪形前缘叶片声压级之差，其中正值代表噪声降低，负值代表噪声增大。如图19、图20、图21所示分别为一阶BPF、二阶BPF及三阶BPF的降噪量对比。

均布式波浪形前缘静叶和非均布式波浪形前缘静叶相较于基准静叶，降噪贡献主要集中在1阶BPF处，且非均布式波浪形前缘静叶的降噪量更大。对于二阶BPF，非均布式波浪形前缘静叶相较于均布式波浪形前缘静叶的降噪量略有提升，但是与基准静叶的噪声等级基本持平。对于三阶BPF，均布式波浪形前缘静叶和非均布式波浪形前缘静叶的波浪形前缘静叶相较于基准静叶噪声都有略有增大。以上结果表明，通过对波浪形前缘静叶进行优化，可以达到进一步降低风扇转静干涉噪声的目的。

在对风扇前传噪声测量的同时，对进口流量、前后总压比、输入功率进行测量，以评估不同构型叶片对风扇气动性能的影响。

参照图22、图23、图24所示，分别为不同转速条件下不同构型叶片的进口流量、总压比以及输入功率的对比。可以看到在测量转速范围内，相对于基准静叶，均布式波浪形前缘静叶和非均布式波浪形前缘静叶对于风扇的气动性能影响都极小(小于0.2％)。

总体来说，本公开的非均匀分布式波浪形前缘静叶，可以改善均匀分布式波浪形前缘静叶在端壁区的流动分离，并降低叶尖及叶根区域位置的脉动压力，从而降低远场声辐射噪声。

本公开术语“第一”、“第二”……仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

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。