桨扇气动设计问题

本文综述了桨扇气动计算方法的发展,讨论了桨扇的气动设计过程和超临界叶型设计问题,并提出了发展桨扇应注意之点。      

国外桨扇技术发展概况

首先梳理了国外桨扇设计方法及风洞试验验证情况,并从已有的研究结果中归纳出,在巡航马赫数超过0.70条件下,先进对转桨扇的推进效率可达85.0%以上,且基本解决了气动设计问题,噪声水平也得到明显降低。其次介绍了国外桨扇发动机验证机或型号的桨扇部件研制进展,以及相关地面或飞行试验验证情况。最后分析了未来国际上桨扇发动机的研制趋势。可为我国未来对转桨扇技术的发展提供参考。     

桨扇发动机及其在巡航导弹上的应用

桨扇发动机发展概况,研制桨扇发动机的关键技术,包括桨扇组件、燃气发生器、齿轮减速系统及自动控制系统的关键技术及在巡航导弹上应用的有关技术。     

桨扇三维流场的椭圆型微分方程组计算网格生成法

为了对桨扇周围的跨音流场有深入的理解,用计算流体力学方法在巨型计算机上进行流场数值模拟是一条重要途径。因此引起学术界的重视。桨扇叶片具有又弯又扭的三维形状,就决定了桨扇周围流场的三维性质,给桨扇跨音流场的数值模拟带来很大的困难。为了数值求解过程中改善解的稳定性和收敛性,以及为了提高数值解的精度,就必须妥善解决三维网格系统生成问题。     

桨扇设计中的气动和声学优化

本文从现代先进桨扇设计的特点出发,评述了应用于螺桨风扇气动,声学设计和优化中的各种方法。从优化的观点出发,对桨扇设计参数的选择原则和参数选择对性能的影响进行了分析评述,从而指出了存在的问题和进一步发展的方向。着重强调了优化方法在桨扇设计中应用的前景和通过优化可能产生的性能改进。      

桨扇发动机性能预测

在飞机的方案论证阶段以及尔后飞机与发动机的性能匹配过程中都需要知道桨扇发动机的性能。本文主要讨论桨扇发动机性能的预测方法,并给出计算得到的飞行特性和转速特性。 一、设计点的选取 1.桨扇发动机设计点 起飞和巡航是运输机的主要飞行任务。发动机的尺寸主要也是根据这两个飞行任务选取。以往,涡扇发动机是将海平面上的起飞条件作为设计点,只要起飞推力够了,巡航推力一定满足。但桨扇发动机由于函道比较大(>50),推力随马赫数下降很快,一般选10000米高度上的巡航马赫数作为设计点。      

桨扇近场噪声的FFT算法

Hanson的升力而理论是进行桨扇近场谐波噪声预测的最有效的方法,在Hanson的原始公式中,对波数的无穷积分非常复杂。本文介绍一种利用快速傅立叶变换(FFT)计算Hanson公式的方法,通过一次FFT就可以得到平行桨扇轴线任一表面上的噪声分布。本文详细讨论了FFT算法的计算公式和计算中的技术问题。通过对桨扇噪声的实际计算表明,这种方法非常适应于桨扇噪声分布场的计算和分析,计算结果与实验值相符。     

开式转子发动机对转桨扇匹配特性研究

先进开式转子发动机均采用了高推进效率的对转桨扇。虽然对转桨扇不是发动机热力循环参数,但是其提供了绝大部分的推力,对开式转子发动机的性能优劣起着关键的制约作用。本文采用对转桨扇性能计算模型,考虑了输入总功率、前后排桨扇功率分配比例、前后排桨扇直径比例等几个关键因素,对对转桨扇的匹配特性进行了研究,为开式转子发动机核心机和对转桨扇的最优化匹配设计提供依据。     

对转桨扇三维流场特性数值研究

对转桨扇（Contra-rotating propfan,CRP）是下一代民用航空推进备选方案开式转子发动机最重要的气动部件,其气动性能对整机性能影响显著。本文对不同进距比下的对转桨扇三维流场进行数值模拟,结合压气机及螺旋桨相关理论分析了对转桨扇内部流场及其滑流区涡结构和滑流特征。结果表明,对转桨扇后排流动特征及性能参数变化幅度均超过前排。对转桨扇实际进口气流角受到轮毂附面层、诱导速度、抽吸效应的共同影响,可根据不同叶高位置轴向速度的分布规律判断三种影响分别起主导作用的位置。在对转桨扇滑流区中,桨尖涡是导致损失的主要原因,径向涡量衰减比周向和轴向涡量衰减更快。对转桨扇滑流在径向上影响至3.5倍叶高位置。气流出后排桨扇后会持续加速直至静压达到环境压力,加速区域长度约为5倍桨扇半径。     

开式转子发动机对转桨扇性能建模研究

对转桨扇开式转子发动机性能计算的难点在于对转桨扇部件的性能计算。传统方法是将对转桨扇简化处理为涡轮螺桨进行计算,但精度较低。本文基于传统涡轮螺桨性能模拟方法,考虑前排桨扇出口气流对后排桨扇的影响,对前、后排桨扇进行独立建模,建立了开式转子发动机对转桨扇部件级性能计算模型,并使用美国NASA风洞试验数据进行验证。结果表明,对转桨扇性能模型计算精度较高,采用此模型可较准确地模拟不同设计参数和不同控制规律下的对转桨扇性能,并评估其对开式转子发动机总体性能的影响。     

桨扇后掠降噪规律及声学机理数值研究

结合三维流场数值模拟方法和声学Ffowcs Williams-Hawkings方程声类比方法,对对转桨扇流动及声学特征进行仿真分析,研究了桨叶后掠角对对转桨扇的气动性能和气动噪声的影响规律。结果表明：对转桨扇桨叶后掠角从0°增加至40°,高速巡航状态推进效率可提高接近1.5个百分点,起飞状态推进效率提升不大;桨扇噪声大小与后排桨叶吸力面压力脉动强度有直接关系,增大桨扇桨叶后掠角可明显降低压力脉动强度,从而降低起飞状态下对转桨扇整个角向范围内的噪声大小;在噪声最大的75°角向位置,后掠角从0°增至40°声压级降低达3 dB以上。     

可压升力面理论桨扇气动设计反问题方法

结合桨扇几何与流动特征讨论了其两大类设计方法的特点，研究了基于可压升力面理论的一种桨扇气动设计反问题方法.相比于传统螺旋桨升力面设计方法，其在旋转坐标系中小扰动线性化假设下严格处理了桨叶旋转、流动压缩性、宽弦大后掠桨叶和桨叶间相互作用，体现了桨扇有轮毂而无机匣的特征.给出了桨扇设计中载荷-下洗角、厚度-下洗角核函数表达式，与机翼核函数的对比验证了其准确性，给出了其在升力面弦向积分和展向积分中的处理方式.讨论了反问题中各设计分布参数的给定方式，特别是最佳载荷分布的给定.构造了一种修正反问题设计中流动损失影响的损失模型.给出了设计算例，数值分析了该设计方法的准确性.研究表明，在跨声速区，反问题给定的弦向载荷分布与数值模拟的存在一定差异，这主要由该设计方法线性化假设与跨声速流动非线性的差别造成.反问题得出的基元功率系数分布、总体性能参数与数值模拟的吻合较好.      

螺旋桨-自由涡轮涡桨发动机稳态/过渡态数值模拟

为实现对涡桨推进系统整体推进性能的数学模型模拟，以螺旋桨/桨扇作为受飞行外流条件影响的推进系统内流部件之一，引入其特性图，用跟随流量方法解决螺旋桨-自由涡轮转子与涡桨发动机燃气发生器的流量平衡、功率平衡，发展了螺旋桨-自由涡轮涡桨发动机内流特性部件法数学模型，实现了对该类涡桨系统稳态/过渡态的数值模拟。对某8MW三轴桨扇发动机的台架转速特性和飞行任务剖面特性的数值模拟结果表明:该数学模型可以较为准确模拟出包含桨叶变动桨距角、攻角等在内的外流螺旋桨/桨扇部件工作点详细参数，和高度、速度、涡轮前温度同时变化的多条件、多变量涡桨发动机的稳态/过渡态推力、推力耗油率等特性.      

螺旋颤振分析

 对于装有螺旋桨发动机、涡轮螺桨发动机的飞机,存在着螺桨与发动机组合的螺旋颤振稳定性问题。本文介绍~种实用的分析方法,取沉浮、侧向平动、俯仰、偏航4个自由度,以准定常方法计算出螺旋桨气动力,并计入陀螺力矩,形成系统状态方程,然后提取特征值,以确定系统的稳定性。算例中还对影响稳定性的若干参数进行了分析。     

用螺桨-吊舱相关法设计和分析桨扇

本文用螺桨-吊舱相关分析法对桨扇进行设计和分析。用曲线升力线代表桨叶,并且考虑吊舱存在的影响;方法采用尾迹位于流面上的假定。对叶尖段进行跨音修正,对根部应用叶栅最佳损失攻角加以考虑。设计和分析的结果与文献〔2〕的计算和试验结果作部分比较,证明了本法的合理性和有效性,可以应用于桨扇的初步设计和性能分析中。