叶片表面减阻织构设计综述

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1、叶片表面减阻织构设计综述Re、唷ewonDrag—ReducingTextureDesignofBlade南京航空航天大学机电学院张臣史桂林张臣博士．南京航空航天大学副教授，主要从事数字化设计与制造、数控加工过程仿真与监测、椭圆振动辅助切削技术、微纳织构制造技术等方面的科研工作。发表论文30多篇，以第一作者发表SCI收录论文10篇次，EI收录论文16篇次，授权国家发明专利10项。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

2、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，试图从设计源本文从叶片结构优化与叶片表面织构方面分析了减阻设计技术的研究现状，讨论了仿生减阻织构及其在民用透平机械中叶片表面设计的织构减阻机理；针对广泛应用的典型脊状表面织构，分析了脊状表面织构的设计．试验验证和数值模拟方法，探讨了航空发动机叶片表面应用减阻织构设计的可行性，并分析了微织构加工的研究现状及采用超声椭圆振动辅助叶片铣削和微织构加工的方法。DOI：10．16080／j．issnl

3、671·833x．2015．22．089头改善透平机械的气动减阻性能。根据理论推算，将航行器阻力减少10％，在能源和航速不变的条件下，航程可以增加11．1％川；同时，计算表明，如果摩擦阻力下降30％，则航行体燃油消耗可降低50％左右口】。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【3】。表面微织构往往具有更小的摩擦阻力，进行合理的微织构设计可以实现显著的减阻降磨效果。本文从

4、叶片结构优化与叶片表面织构方面分析了减阻设计技术的研究现状，讨论了仿生减阻织构及其在民用透平机械中叶片表面设计的织构减阻机理；针对广泛应用的典型脊状表面织构，分析了脊状表面织构的设计、试验验证和数值模拟方法，探讨了航空发动机叶片表面应用减阻织构设计的可行性，并分析了微织构加工的研究现状及采用超声椭圆振动辅助叶片铣削和微织构加工的方法。叶片减阻设计叶片减阻设计主要包括叶片结构优化减阻和叶片表面织构减阻设计。叶片结构优化减阻主要是通过优化叶片结构获得较优的气动减阻性能，叶片表面织构减阻则通过在光滑的叶片表面加工微观织构增加叶片的气动减阻

5、性能。下面分别从上述两个方面简述叶片减阻设计的研究现状。1叶片结构优化减阻设计叶片作为透平机械的重要部件，2015年第22期·航空制造技术89在民用的燃气轮机、风机以及航空发动机中具有广泛的应用，其气动外形特征对热能利用效率的高低有很大影响，因而叶片的气动外形的优化在透平机械设计与制造中占有相当重要的地位(4j。文献[5】对叶片优化设计方法进行了探索，气动模型采用片条理论计算叶片的气动性能，优化算法选用精度高、收敛快的遗传算法，建立优化目标后能够较快地获取叶片的最优气动布局。通常叶片设计中首先考虑的就是动能利用系数C，值的大小，它是

6、动力输出与输入的比值，其大小决定了热能转换动能的能力。所以叶片优化的指导思想，就是以得到最大的c，值为目标，再计算相对应的弦长C和扭角p。由理论推导公式得知，叶片各个截面的扭角疗和弦长C与叶尖损失系数F和干扰因子口、6有关联。一般叶片结构优化采用的方法主要有：基于气动外形参数的优化方法、基于传统wilson的优化方法和基于遗传算法的优化方法。基于气动外形参数的优化方法主要从叶尖速比A。、速度比A、翼型选取和升阻比等参数方面对叶片结构进行优化。通常情况下，用这种优化方法设计出的叶片若是在额定状况下运行，其出力效果好，而且阻力比较小，从

7、而可以选取与最佳升阻比C，伦。和雷诺数月。相近的攻角以及升阻系数C。和C。。但是通常的设计中首先会选定一个攻角n，忽略雷诺数对翼型气动性能的影响，在一定程度上化繁为简，减少计算量，同样可以达到预定的精度要求

8、6—01。wilson理论在国内是一种比较常用的设计方法，该方法在Glauert理论基础上做了一些改进，添加了非设计工况下叶片性能的研究方法。在Glauert理论基础上，应用叶尖损失因子F，在动量方程中对推力修正，从而可以得出叶尖损失对切向和轴向速度诱导因子的影响。在诸90航空制造技术·201s年第22期多对叶片进行设计的传统方

9、法中，Wilson方法应用最为广泛，该方法所设计的叶片在各个叶片截面能获得较大的功率系数，曾被一度认为是最佳的叶片设计方法。然而这种设计方法也有一定的局限性，忽略了一些重要问题。首先，它是以翼型升阻比最大处选取的攻角为设计攻角，实际叶