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CN114856712B - 一种具有仿生叶顶的叶片及设有该叶片的开式转子 - Google Patents

一种具有仿生叶顶的叶片及设有该叶片的开式转子 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种具有仿生叶顶的叶片，叶片的叶顶外缘面为弧形曲面。本公开还提出一种开式转子，包括对转设置的前置转子和后置转子，其中，所述前置转子包括多片具有该弧形曲面叶顶结构的所述叶片。本公开提出的可用于开式转子的叶片，波状结构的叶顶能够将叶尖涡打碎、改善开式转子叶尖流场，减小叶尖涡干涉，在保证开式转子气动性能的基础上达到降低噪声、提高效率的目的。

Description

一种具有仿生叶顶的叶片及设有该叶片的开式转子
技术领域
本公开属于航空及工业能源动力领域技术领域，尤其是涉及一种具有仿生叶顶的叶片及设有该叶片的开式转子。
背景技术
开式转子发动机(Open Rotor Engine)，早期曾被称作桨扇发动机(PropfanEngine)或无涵道发动机(Unducted Fan Engine)，是一种用燃气通过动力涡轮输出轴功率来传动桨扇的燃气涡轮发动机。开式转子发动机的气动性能优势非常明显，近年来波音和空客都认为开式转子发动机可以作为新一代先进民用飞机的可选动力之一，积极配合各大发动机生产商研究开式转子技术。由于其采用两排转子对转形式，流动与噪声机理十分复杂；开式转子结构使得其无机匣包裹，无法应用传统涡扇发动机的处理机匣降噪方法。因此噪声问题制约着开式转子的发展。
原型开式转子200，结构如图1所示，对其进行三维高精度流场仿真，分析其气动性能，包括拉力、扭矩和效率。对原型开式转子200的内部流场进行数值模拟，其子午流道和叶尖横截面的熵分布中发现前置转子20的叶尖涡较强。对前置转子扫掠形成尾迹，同时发现前置转子20的叶尖涡和尾迹与后置转子30的叶尖涡和尾迹相互作用形成干涉。再针对原型开式转子200进行声学分析，通过图2中的频谱图能够明显看出，除了前后转子BPF及整数阶次存在明显纯音以外，还存在BPF1+BPF2及其组合频率纯音；BPF1和BPF2、以及整数阶次纯音噪声分别为前后转子的载荷噪声，BPF1+BPF2及其组合频率纯音为前后转子的干涉噪声。
近年来，仿生降噪减阻技术成为学术界关注的重点。座头鲸在捕食和打斗中展现出极为灵活的游动方式，经常使用其胸鳍进行回转和转向的操作，其胸鳍相当于“机翼”的功能。猫头鹰进行捕食过程中，其翅膀结构保证了“悄无声息”的飞行。在基于仿生学低阻力、低噪声原理，本公开如何设计了一种具有仿生叶顶的叶片及设有该叶片的开式转子，通过叶顶结构控制开式转子叶尖脱落涡的强度以减弱前置转子与后置转子的叶尖涡干涉，是实现降低干涉噪声并保证开式转子在起飞和巡航工况的气动性能的重要条件。
发明内容
本公开提供一种具有仿生叶顶的叶片及设有该叶片的开式转子，解决了现有技术中如何在不损失起飞和巡航工况气动性能的基础上在起飞状态下能降低开式转子噪声的技术问题。
为解决至少一个上述技术问题，本公开采用的技术方案是：
一种具有仿生叶顶的叶片，叶片的叶顶外缘面为弧形曲面。
进一步的，所述弧形曲面为正弦波状曲面。
优选地，所述弧形曲面为规则的正弦波状曲面。
进一步的，所述弧形曲面以靠近其前缘一端为起点并朝所述正弦波的波谷位置延伸。
进一步的，所述弧形曲面沿所述叶片的叶顶外缘展开方向与所述叶片的前缘和后缘的交接处为光滑且曲率连续。
进一步的，所述弧形曲面包括1.5-4个所述正弦波。
进一步的，所述正弦波的幅值范围为0.5-3.0mm。
进一步的，所述正弦波的波数和幅值都是0.5的倍数。
优选地，所述正弦波的波数为2个。
进一步的，所述正弦波的幅值为1.5mm。
进一步的，所述弧形曲面是沿倾斜设置的所述叶顶外缘整面布置，并其靠近前缘一端的高度低于其靠近后缘一端的高度。
一种开式转子，包括对转设置的前置转子和后置转子，所述前置转子包括多片如权利要求1-11任一项所述的叶片。
采用本公开设计的一种具有仿生叶顶的叶片，且还提出设有该叶片的开式转子，在对转开式转子中的前置转子的叶顶上设置带有仿生的波状叶顶结构，通过波状叶顶结构能够抑制前置转子叶尖脱落涡，减弱与后转子的干涉，以控制前置转子的叶尖涡强度，实现在不损失起飞和巡航工况气动性能的基础上明显降低起飞状态下噪声。
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是现有原型开式转子的立体图；
图2是原型开式转子在起飞工况下10倍直径观察点频谱；
图3是本公开中带有仿生叶顶结构的开式转子的示意图；
图4是图3中的A部放大图；
图5是本公开开式转子与原型开式转子的典型观测点频谱对比。
图中：
10、叶片 11、叶顶 12、前缘
13、内缘 20、前置转子 30、后置转子
100、开式转子 200、原型开式转子
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本公开进行详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例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，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
本实施例提出一种具有仿生叶顶11的叶片10，可用于开式转子100，如图3所示，叶片10的叶顶11的外缘面为弧形曲面。
进一步的，该弧形曲面为正弦波状曲面，是基于仿生学低阻力、低噪声原理，采用类“座头鲸波状鳍”或“猫头鹰翅膀”的仿生波状结构，利用他们在捕食或打斗中展现出极为灵活的游动方式，其胸鳍或翅膀相当于“机翼”的功能，进行回转和转向的操作，在进行捕食过程中，其胸鳍或翅膀的波状结构可以进行“悄无声息”的飞行，噪音低。
优选地，叶顶11处的弧形曲面为规则的正弦波状曲面，且该弧形曲面以靠近其前缘12一端为起点并朝正弦波的波谷位置延伸，具体结构如图4所示。
在本实施例中，叶片10的叶顶11是倾斜面，其靠近前缘12一端的高度低于其靠近内缘13一端的高度。且规则的正弦波状的弧形曲面是沿叶片10的叶顶11外缘展开方向与叶片10的前缘12和后缘13的交接处为光滑且曲率连续；并弧形曲面是沿倾斜设置的叶顶11的外缘整面布置，并其靠近前缘12一端的高度低于其靠近后缘13一端的高度。
进一步的，弧形曲面的正弦波有两个参数，分别为波数n和幅值A。其中，弧形曲面包括1.5-4个正弦波，且其波数n的个数是0.5的倍数，波数n可为：1.5个、2.0个、3.0个或4.0个。相应地，该正弦波的幅值A是从起点到波谷的高度，范围为0.5-3.0mm，且幅值A是0.5的倍数，即可为：0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm或3.0mm。
优选地，正弦波的波数n为2个。
相应地，该正弦波的幅值A为1.5mm。
一种开式转子100，包括对转设置的前置转子20和后置转子30，且前置转子20包括多片如上所述的叶片10，所有叶片10的叶顶11均为规则的正弦波状的弧形曲面。
基于起飞工况，经过对该开式转子100气动和声学进行分析，并对上述数据做交叉试验，如表1所示，其中，O表示进行详细的计算分析，X表示未进行分析。可知临界值为当波数n为2.0个时，幅值A为1.5mm。
表1弧形曲面中正弦波的波数与幅值的分析表
再对该临界值的叶顶11结构的开式转子100进行起飞流场分析，与原型开式转子200在同一条件下进行起飞流场分析相对比，具有仿生波状叶顶11结构的开式转子100的轴向力基本不变，且推进效率降低0.1％，可知，该仿生波状叶顶11结构的开式转子100对其气动性能影响较小，可以忽略。
同时对本申请中具有仿生波状叶顶11结构的开式转子100与原型开式转子200中的子午流道流场进行数字模拟对比，对于在叶顶11上加载仿生正弦波状结构的前置转子20，能够通过正弦波状的叶顶11结构抑制前置转子20的叶尖脱落涡，减弱叶尖涡的强度，进而可减弱前置转子20叶尖涡与后置转子30的干涉。
进一步的，再分别对具有仿生正弦波状叶顶11结构的开式转子100和原型开式转子200进行起飞工况下10倍直径典型观察点频谱分析，对比图如图5所示，结果表明，带有仿生正弦波状叶顶11结构的开式转子100与原型开式转子200相比噪声明显降低，在1724.94Hz处噪声降低约2.4dB，在2464.2Hz处噪声降低约5.4dB，总声压级降低约2.7dB。
采用本公开设计的一种具有仿生叶顶的叶片及设有该叶片的开式转子，在对转开式转子中的前置转子的叶顶上设置带有仿生的波状叶顶结构，通过波状叶顶结构能够抑制前置转子叶尖脱落涡，减弱与后转子的干涉，以控制前置转子的叶尖涡强度，实现在不损失起飞和巡航工况气动性能的基础上明显降低起飞状态下噪声。
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。

Claims (3)

1.一种开式转子，包括对转设置的前置转子和后置转子，其特征在于，所述前置转子包括多片叶片，所述叶片的叶顶外缘面为弧形曲面，所述叶片的叶顶是倾斜面，所述弧形曲面是沿倾斜设置的所述叶顶外缘整面布置，并其靠近前缘一端的高度低于其靠近后缘一端的高度，所述弧形曲面为正弦波状曲面，所述弧形曲面为规则的正弦波状曲面，所述弧形曲面以靠近其前缘一端为起点并朝所述正弦波的波谷位置延伸，所述弧形曲面沿所述叶片的叶顶外缘展开方向与所述叶片的前缘和后缘的交接处为光滑且曲率连续，所述弧形曲面包括1.5-4个所述正弦波，所述正弦波的幅值范围为0.5-3.0mm，所述正弦波的波数和幅值都是0.5的倍数。
2.根据权利要求1所述的一种开式转子，其特征在于，所述正弦波的波数为2个。
3.根据权利要求2所述的一种开式转子，其特征在于，所述正弦波的幅值为1.5mm。
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