大功率风电机组叶片前缘侵蚀机理及其防护技术浅析

风电机组叶片是由纤维增强聚合物复合材料制成的,是机组中最昂贵的部件,在风能捕获和转换过程中起着至关重要的作用。在机组运行过程中,叶片的叶尖速度较大,在受到雨滴(或是冰雹、灰尘、沙石等)与紫外线和热环境载荷相结合的反复冲击作用下,会造成叶片前缘侵蚀,导致叶片损坏,气动性能下降,年发电量减少。使用合适的保护方式对叶片前缘进行保护,对已出现前缘损伤的叶片进行修复,可以显著减少损失。对雨滴侵蚀机理和前缘防护技术进行了综述,对前缘防护技术做了总结和展望,对未来风电机组的安全稳定运行提供了参考思路。

前缘侵蚀对民航发动机风扇/增压级气动特性的影响

为了分析风扇转子叶片前缘侵蚀对压缩系统不同内外涵工况气动特性的影响,通过多级联算数值分析了某型大涵道比发动机压缩系统气动特性变化。研究结果表明,在峰值效率点工况下,前缘侵蚀后的发动机压缩系统总压比、等熵效率和通道流量分别相对下降0.18%、0.879%和0.972%。对风扇转子叶片而言,前缘侵蚀导致外涵道近喘点工况下95%叶高处表面静压系数曲线轴向0~24%区间的斜率下降,静压降低,轴向24%~40%区间的斜率上升,使叶型负荷降低,增压能力下降,激波向前移动。此外,前缘侵蚀会使外涵道近喘点处整体风扇叶片的攻角增大2°左右,导致叶片气动效率和失速裕度产生变化,偏离原始叶型设计。

前缘侵蚀对风扇转子叶片气动特性的影响机理

以某小型大涵道比涡扇发动机风扇转子作为研究目标,数值模拟了航空发动机风扇转子叶片在航线运行过程中受到侵蚀效应后的气动特性衰变情况,为后续的精细化维修奠定理论基础。风扇转子叶片侵蚀后,叶片前缘将逐步蜕变为钝头叶型并且伴随有明显的表面粗糙度。为了简化研究,假设侵蚀后的转子叶片前缘粗糙度均匀分布,分别计算了前缘粗糙度为120μm、250μm两种前缘侵蚀程度下的风扇转子特性。研究结果表明,风扇转子峰值效率相比于原型叶片依次下降了1.63%和2.39%。当前缘粗糙度为250μm时,风扇转子叶片吸力面前缘近壁面极限流线有分离迹线产生,出口平均马赫数下降2.03%。

风扇转子叶型侵蚀前缘再造型优化设计

针对前缘侵蚀风扇转子叶型的优化设计问题,以某小型大涵道比涡扇发动机前缘侵蚀风扇转子叶片50%叶展截面叶型为研究对象,开展侵蚀前缘再造型的多工况、多目标优化设计。选取0°、+4°和+6°攻角作为参考工况,应用层次分析法分别建立各工况的权重,通过商业软件NUMECA中FINE/Design3D模块开展大半径环形叶栅优化设计。结果表明:前缘优化显著改善了前缘侵蚀叶型的气动性能,优化后叶型不仅能够恢复60%以上的由于前缘侵蚀导致的总压损失系数增大,而且在+4°攻角下总压损失比原始叶型的减小了4.3%。此外,前缘优化对叶型吸力面前缘分离泡的产生和生长具有一定的抑制作用,使其附面层厚度保持较为良好的发展状态,有效地减小了附面层内部的流动损失。

跨音速风扇转子叶片前缘再造型优化设计

风扇转子叶片在运行过程中由于冲蚀磨损等作用会发生前缘侵蚀现象,以某型大涵道比涡扇发动机钛合金风扇转子叶片为研究对象,开展前缘侵蚀气动特性影响及再造型设计研究,重点分析工作特性曲线及叶尖区域流动特点,叶片前缘采用钝头处理来近似模拟侵蚀对前缘形貌的作用效果,采用NUMECA软件中的FINE/Design 3D模块进行侵蚀前缘再造型优化设计研究。数值计算结果表明,前缘侵蚀会造成风扇转子叶片流量-压比、流量-等熵效率工作特性线整体分别下移0.86%和0.53%,稳定工作裕度下降,叶尖激波结构前移等。经前缘再造型后,风扇转子叶片的气动性能恢复至原始叶片水平。

分形维数下航空发动机风扇叶型侵蚀前缘形貌几何的参数化

航空发动机的风扇转子叶片在经历长时间运作后,其前缘形貌会因遭受风蚀及砂石颗粒的冲击侵蚀而发生显著变化。为了刻画航空发动机风扇叶片侵蚀前缘形貌的特征,文章利用分形几何学知识,克服测量仪器在精度上的局限性,基于精密测量数据计算出叶片前缘形貌的分形维数,以此为基准对数据点进行简化处理,再通过构建并训练BP神经网络模型,实现数据点稠密化,从而精细且准确地描述叶片前缘形貌,最后采用分段拟合与粘合的方法,完成叶片前缘形貌几何的参数化。实践证明,该参数化方法不仅有助于提升形貌刻画的精度,也能为航空发动机叶片的维护、修复及性能优化提供有力的技术支持。

风扇转子叶片前缘精细维修方案及流动特性分析

以某小型大涵道比涡扇发动机风扇转子作为研究目标,在前缘侵蚀对风扇转子气动特性衰退研究的基础上,开展叶片前缘维修方案的研究。鉴于当前采用人工打磨维修手段引起的前缘气动性能的不确定性,针对侵蚀叶片前缘进行精细参数化控制,利用遗传算法寻求几何约束下的前缘最佳维修优化方案。数值计算结果显示,通过前缘优化设计能够显著地提升前缘侵蚀叶片气动特性。相比于前缘侵蚀叶片,最佳维修方案叶片的等熵效率值在设计点和近喘点附近分别提高了1.21%和3.01%,基本恢复至原始叶片水平,展现出了优秀的气动特性。叶片前缘对于风扇转子叶片吸力面附面层发展影响明显,最佳前缘维修方案能够有效地降低近前缘边界层厚度,降低附面层内部的流动损失。