风扇出口导向叶片低噪声设计Ⅱ:数值验证

作为风扇出口导向叶片（Outlet Guide Vanes，OGV）低噪声设计系列文章的第2篇，本文对气动/声学一体化设计获得的2个OGV低噪声方案的降噪效果进行了数值验证。为了对低噪声优化方案的降噪效果进行详细评估，首先，采用非线性谐波法对优化前后的风扇/增压级开展了数值仿真，对OGV不同截面和叶片表面脉动压力进行了对比分析，发现低噪声优化设计方案有效降低了转/静干涉引起的脉动压力；然后，通过掠形和倾斜的合理组合，改变了叶片表面的相位分布，沿径向的相位变化增加了OGV对尾迹响应相互抵消的机会，从而有利于噪声的降低；最后，采用Wilson的波分解方法开展了对各方案的模态分析，对降噪效果进行了量化评估。结果显示，优化后的低噪声方案除起飞状态1BPF外，降噪量均超过了5 dB。     

叶片弯掠组合设计对风扇气动噪声的被动控制

转子尾迹与静子叶片干涉是产生风扇离散噪声的主要噪声源之一。环形叶栅几何对于声源项的求解以及管道内的声传播都有重要影响,因此在讨论叶片弯掠组合设计对于风扇噪声的被动控制作用时需要重点强调三维效应的影响。本文利用三维升力面理论,建立了可以考虑叶片弯掠组合影响的气动声学模型。相比数值计算方法,三维升力面理论不存在频散耗散影响,求解快速高效,更加有利于初始阶段的优化设计,以及为数值计算模型提供验证。通过与已有结果的对比,进一步阐述了叶片后掠和周向倾斜对于风扇离散噪声的影响机制。而弯掠组合设计算例的计算结果表明,在某些条件下,选取合适的叶片弯掠造型能够获得很好的降噪效果。由于轴向传播波数的影响,前传声场和后传声场对于弯掠组合的变化趋势存在一定的差异性。     

基于URANS/TPP模型的风扇转静干涉单音噪声预测

为了解决风扇噪声三维高精度评估问题，基于非定常雷诺平均数值模拟（Unsteady Reynolds Average Numerical Simulation, URANS）模型和三平面压力（Triple Plane Pressure, TPP）模态匹配模型，发展了风扇转静干涉单音噪声数值预测方法。分析了URANS模型管道内单音计算的可行性，并建立了误差控制准则。在此基础上，采用URANS模型获得风扇非定常流场，同时基于TPP方法进行声源提取，得到管道内单音噪声的模态特性。基于国产某型大涵道比缩尺风扇试验数据，对模型准确性进行对比验证。结果表明，该模型能够进行转静干涉噪声的可靠预测。此外，进行了基于弯掠静子的低噪声叶片设计，并采用提出的数值模型分析了三维流场/声场，探究了基于叶型设计的转静干涉声源抑制机理，实现了对风扇低噪声设计的支撑。     

倾斜/后掠叶片对风扇单音噪声的控制研究

为探索倾斜/后掠静子叶片对风扇单音噪声的降噪机理并指导低噪声风扇的设计,采用基于三维黏性非定常雷诺平均数值模拟(URANS)和管道声类比理论(Ducted Acoustic Analogy,DAA)的流场/声场混合计算模型(CFD/AA)研究了不同转子叶尖间隙、倾斜静子、后掠静子等对NPU-Fan单音噪声的影响。计算结果表明:随着叶尖间隙增加,在1BPF (Blade Passing Frequency)和2BPF处,风扇前传、后传气动噪声均会增加,且1BPF处单音噪声增量大于其它谐频。在研究倾斜及后掠叶片的降噪机制时,须将管道特征函数与声源的耦合过程包含在内,并且要考虑真实风扇的尾迹特性及其向下游的输运过程。风扇静子负倾斜可以提升风扇的气动效率,但会增加噪声的声功率级;正倾斜叶片能够降低噪声声功率级,但风扇气动性能会有所降低。随着倾斜角的增加,降噪量增大,当倾斜角为+30°时,各谐波阶次的降噪量均超过2.3dB。后掠静子叶片相较于倾斜设计具有更好的气动性能和降噪效果。30°后掠角对于各谐波阶次的前传噪声降噪量均大于6.3dB,降低后传噪声超过10dB。正倾斜及后掠静子的降噪效果与噪声谐波阶次、传播方向紧密相关,谐波阶次越高,降噪效果越明显。倾斜-后掠综合设计方案对于前传噪声拥有最好的降噪效果,其综合了倾斜和后掠两者的优点。     

外涵静子后掠对某风扇/增压级气动特性的影响

针对某大涵道比风扇/增压级外涵静子后掠降噪的优化设计目标,采用1种周向平均快速特性预测计算方法和3维数值模拟软件NUMECA,对其100％设计转速下外涵静子无后掠及轴向后掠22.5°和30°算例的特性曲线及流场进行了对比分析,以研究外涵静子轴向后掠对风扇/增压级特性及气动性能的影响规律.结果表明:一定程度的轴向后掠角度会使静子表面静压在叶尖处增强,而根部的叶片表面静压分布更趋均匀,风扇/增压级的外涵气动特性在裕度上无明显恶化;但严重的后掠角度则会导致叶尖叶片表面载荷显著增加,从而造成外涵的喘振裕度减小,进而影响整个风扇/增压级的气动性能.     

声学引导风洞高效低噪声风扇设计

运用任意涡风扇设计方法,进行声学引导风洞高效低噪声风扇设计。在设计过程中,通过调整叶片径向旋转系数分布优化叶片出口速度分布,通过合理匹配转子、定子数目及定子后掠角度来改善动静叶的干涉噪声。气动及声学性能试验表明,高效低噪声风扇设计点气动效率达到83.9%,相比引导风洞原风扇效率的73%有了明显的提高;高效低噪声风扇入口及出口噪声分别比原风扇入口及出口噪声低3dB（A）和2dB（A）。试验结果成功验证了任意涡设计方法在风扇气动及声学性能上的优越性。     

声学风洞风扇段流场特性数值模拟

风扇段是声学风洞的核心部段之一,风扇气动性能和声学性能对风洞的能耗与试验段背景噪声有重要影响。为了获得静叶构型的优化设计参数,采用数值模拟方法,对0.55m×0.4m低湍流度航空声学风洞风扇段的流场特性进行了研究,根据叶片的流动现象,分析了风扇段内部的工作形态,并将其性能与试验数据进行了对比,结果证明该方法能对风扇段性能进行较为准确的模拟。采用该方法得到了动静叶间距、静叶后掠、静叶倾斜对风扇气动性能、流场形态和噪声的影响,静叶后掠对气动性能的影响较小,有助于减小出口的旋转速度,增大动静叶间距对气动性能的影响较大,会增大出口的旋转速度,而静叶倾斜是最适宜的降噪方式。     

风扇/增压级气动声学试验器设计及试验验证

风扇/增压级气动声学试验器是大涵道比涡扇风扇部件进行前传远场噪声特性评估、后传噪声特性评估、管道声模态特性评估、主/被动降噪措施验证等声学性能以及均匀流场气动性能测试的重要试验平台,在大涵道比发动机研制过程中发挥重要的作用。针对中国首个以适航噪声评估为主要目标的风扇/增压级气动声学试验器,介绍了其关键组成部分湍流控制屏和进气消声室的结构,进行了试验器功能验证和消声室声学性能鉴定。结果表明：消声室尖劈截止频率为125 Hz,在40 kHz的高频条件下,消声室满足自由场传播条件的区域达到22 m,消声室内设备空载运行时噪声低于45 dBA,在全转速范围内试验件及设备运行状态良好,其振动幅值均低于报警限制值,该试验器的各项性能指标均满足设计要求。该试验器已经完成了多项风扇/增压级部件声学及气动性能试验工作,具备相对成熟的风扇/增压级气动与声学性能试验测试技术能力。     

桨扇模型的气动性能和气动声学的实验研究

概述了具有不同安装角的直叶片、前掠叶片、后掠叶片等3种桨扇模型在起飞状态下出口流场的气动性能和气动声学实验结果及其相互间的对比。主要结论为:良好的气动设计不仅是提高气动性能的要求, 而且也是改善桨扇气动声学性能的有效途径;有掠度的叶片具有降噪的潜力;桨扇叶尖区采用卸荷设计有利于降噪及提高效率。      

低压涡轮的气动-声学三维数值优化: 倾斜导叶策略

 低压涡轮既是飞机进场着陆时发动机的重要声源,也是发动机中对效率要求很高的部件之一,为了实现低压涡轮低噪声的设计目标必须同时兼顾气动性能指标。研究给出了高效低噪声低压涡轮气动-声学三维优化的思路,即首先通过计算流体力学(CFD)定常计算评估三维设计变化对气动性能的影响;然后利用非定常CFD方法与三平面压力模态匹配(TPP)方法的结合来评估其降噪的效果与非定常气动影响;最后确定最佳的设计方案。以GE-E³(Energy Efficient Engine)低压涡轮末级为算例,数值模拟了导叶倾斜作为低压涡轮降噪措施的潜力。计算结果表明,正倾斜导叶角度小于19°时单级涡轮气动性能较直列叶栅要好,效率最大提高了0.3%。对单音噪声级的评估指出,正倾斜由于改变了导叶的尾迹特征,涡轮级噪声水平是增大的,因此不能作为有效的降噪策略。数值研究的结果表明CFD方法能够同时反映出叶片三维设计的细节变化对气动和噪声级的影响,可以作为三维气动-声学优化的手段。     

Applications of numerical optimization techniques to design of axial compressor blades

This paper describes the shape optimization of NASA rotor 37 and rotor and stator blades in a single-stage transonic axial compressor.Shape optimization of the blades operating at the design flow condition has been performed using the response surface method and three-dimensional Navier-Stokes analysis.Thin-layer approximation is introduced to the Navier-Stokes equations,and an explicit Runge-Kutta scheme is used to solve the governing equations.The three design variables,blade sweep,lean and skew,are introduced to optimize the three-dimensional stacking line of the blades.The objective function of the shape optimization is an adiabatic efficiency.Throughout the optimization of rotor and stator blades, optimal blade shape can be obtained.It is noted the increase of adiabatic efficiency by optimization of the blade shape with the stacking line in the single-stage transonic axial compressor is more effective in a rotor blade rather than a stator blade because of the large deformation of blade shape in the stator blade.      

风扇湍流宽频噪声特性的数值计算分析

基于Gliebe发展的风扇自噪声经验预测模型与Mugridge-Morfey发展的湍流-叶片干涉噪声分析预测模型,以GE公司R4风扇为研究对象,详细分析了风扇自噪声与转子尾迹湍流-出口导叶干涉宽频噪声(湍流干涉噪声)的特性.研究了不同的风扇设计参数和湍流参数对风扇自噪声与湍流干涉噪声的影响.计算结果表明:湍流干涉噪声对风扇宽频噪声起着主要作用,湍流干涉噪声比转子自噪声大约6~10dB,比出口导叶自噪声大约20dB.此外,出口导叶来流速度对湍流干涉噪声的影响最大,来流速度增大15%时,声功率可增大4dB左右.湍流强度对湍流干涉噪声影响较大,当湍流强度增加30%时,声功率增大约1.5dB.      

风扇/压气机转子、静子干涉噪声的预测方法

 本文采用管道声学模型计算了由转子尾迹与静子相互作用产生的干涉声音的大小。分析了转子、静子相对距离的变化对声音大小的影响,并与试验结果进行了对比。     

基于混合CFD方法的旋翼桨-涡干扰噪声计算

建立了一个基于Euler方程和自由尾迹分析的新的、高效的混合计算方法,用于旋翼桨-涡干扰(BVI)气动和噪声特性的研究.在该方法中,仅针对单片桨叶进行计算,通过求解Euler方程来捕捉流场中旋翼近尾迹的影响以及桨叶表面的非定常载荷,流场空间中旋翼远尾迹的位置由自由尾迹模型给出;提出了广义网格速度方法以将旋翼远尾迹的影响...     

Match-mode method and its numerical simulation for rotor-stator interaction source modes and propagation modes in an annular duct with multi-treatments

Ａｎｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｈｅｉｎ－ｄｕｃｔｓｏｕｎｄｆｉｅｌｄｉｎａｅｒｏｅｎｇｉｎｅｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｕｐ－ｐｒｅｓｓｉｎｇ...