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。     

基于流场/声场混合模型的叶轮机械单音噪声研究

基于叶轮机械三维非定常黏性数值模拟(URANS)与管道内叶片排气动噪声声类比理论(DBAA),成功地发展了叶轮机械单音噪声混合预测模型(URANS/DBAA),该模型能够实现叶轮机械叶片详细设计参数与噪声辐射强度的关联。由于采用了Lighthill声类比理论,使得该模型并不需要耗费大量计算资源。基于URANS/DBAA混合模型,对某单级轴流风扇的单音噪声及其噪声源分布特性进行了详细的计算分析,结果表明,该混合模型能够准确模拟叶轮机械单音噪声,实现了对叶轮机械单音噪声基本规律的分析和认识。     

风扇出口导向叶片低噪声设计Ⅰ:方法与优化

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1篇，本文在现有压气机气动设计流程的基础上，加入了噪声评估过程，建立了基于通流设计的气动/声学一体化设计方法。为提高设计阶段的评估速度，以三维升力面理论与管道声学理论为基础，从通流设计和造型设计输出中提取参数，结合转子尾迹模型，建立了转/静干涉噪声的解析预测模型。以现代大涵道比涡扇发动机风扇/增压级为对象，采用该模型系统分析了OGV轴向掠形与周向倾斜对转/静干涉噪声的影响，获取了轴向掠形角与周向倾斜角等三维设计参数与风扇噪声的关系图谱，初步确定了低噪声设计较优降噪量的掠和倾组合方案。以此为基础，在保持叶尖子午投影位置和弦长不变的前提下，将叶片前缘和径向积叠进行参数化，采用遗传算法进一步开展了OGV的低噪声优化设计，最终获得了2个优化方案，预估的降噪量达到了8 dB。     

波浪前缘静子叶片对高速轴流风扇单音噪声的影响

航空发动机压气机噪声与大型风洞压缩机噪声问题日益凸显,相关研究机构迫切需求新的降噪手段以指导大型叶轮机械降噪设计。为了探索波浪前缘静子叶片在大型叶轮机械降噪中的应用前景,采用非定常雷诺平均Navier-Stoke（URANS）方程与FW-H方程混合方法对基准静子叶片和3种波浪前缘静子叶片的降噪效果进行了数值模拟,研究对象静子来流平均马赫数约为0.49,基于静子叶片弦长的雷诺数约为1 040 000。数值预测结果显示：波浪前缘静子叶片可以显著降低高速轴流风扇单音噪声,但会对风扇的气动性能产生少许不利影响;相较于基准静子叶片,3种波浪前缘静子叶片可以在1BPF时降低风扇入口声功率级0.97~1.5 dB,2BPF时降低风扇入口声功率级2.89~4.9 dB,3BPF时降低风扇入口声功率级3.32~4.72 dB;同时,总压比降低0.1%~0.8%,等熵效率降低0.1%~0.3%。进一步研究表明：不同频率下声源振幅和相位关系是风扇单音噪声强度的主要影响因素,总的来说,幅值的增加会降低声源强度,然而通过改变声源相位关系的降噪方式则需要兼顾径向模态与波长两个方面。     

改进的单级风扇单音噪声解析预测模型

针对单级轴流风扇单音噪声的声模态与声功率(PWL)预测,基于早期的二维叶栅噪声解析预测模型,开发了改进的三维单级风扇噪声解析预测模型。主要目的是可以通过该预测方法快速、准确地给出声场信息以优化风扇设计方案。该模型由模拟转子粘性尾迹,求解静子表面非定常载荷以及模拟管道噪声传播三个部分组成,并采用单级轴流风扇噪声试验数据对该解析预测模型的结果进行了验证。与试验数据相比较,该解析预测模型1BPF单音噪声预测结果误差1.5dB,2BPF单音噪声预测结果误差5dB,同时给出了合理的周向与径向模态声场模拟结果。与传统的叶轮机噪声解析预测模型相比,该方法不仅考虑了三维几何,还可以模拟出管道内的声场结构,计算方法更为合理,噪声预测结果也更为可靠,具有很好的工程应用价值。     

单级轴流压气机纯音噪声实验与数值分析

为了探索转/静干涉纯音噪声与静子前缘上洗速度之间的对应关系，使用已发展的风扇纯音噪声混合预测方法对一台单级、低速压气机实验台（TA36）节流过程中的转/静干涉纯音噪声进行了预测，并与实验结果进行了对比验证。为了准确获取作为转/静干涉纯音噪声声源的静子叶片表面非定常压力脉动，首先比较了不同计算网格与时间步长设置对叶片表面非定常压力脉动计算的影响。随后，比较了静子叶片来流上洗速度和纯音噪声随质量流量的变化规律。研究表明：设计转速下，静子前缘70%、80%以及90%叶高的3阶叶片通过频率处的上洗速度幅值随质量流量的变化规律与混合预测方法估计的进气管道壁面声压级的变化趋势一致，并且与实验测量值的变化规律也保持了良好的一致性。此外，管道外远场声压级指向性的结果也表明：该实验台远场声辐射具有明显的指向性，并且不会随着节流过程产生明显的变化。     

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。     

风扇单音噪声模态识别及其误差传递特性研究

为了探究不同阵列对风扇单音噪声模态识别的影响,对径向耙和轴向传声器阵列在模态分解中的优缺点和误差传递特性进行了数值和实验研究。数值研究中通过在人造声场中加入随机扰动研究了不同阵列在径向模态分解中的误差传递特性,从而对两种阵列在径向模态分解方面的适用性和局限性进行评估。以此为指导,实验中通过旋转轴向阵列测量了风扇管道内顺流和逆流传播的模态波结构。结果表明中低频时径向耙式阵列误差较大,在模态截通频率处其传递函数的条件数大于100,而轴向阵列的条件数要小于10。轴向阵列在径向模态分解时,其精度强烈依赖于阵列轴向间距。实验结果表明管道内入射声波比反射声波能量高10d B左右。在入射声波中,转静干涉模态是其主导模态,而在反射声波中,模态能量分布规律不明显。     

噪声在均匀流等截面圆环形排气管道中声传播的数值模拟

应用模态分析方法对转/静干涉噪声在敷设声衬的风扇静子后排气管道中的声传播,声衰减进行了数值模拟。前传声波在遇到声导纳间断面时,声波反射模态增加,前传模态相应减少,因此可利用多段声衬声导纳间断面上的模态反射来抑制管内噪声的传播。计算并分析了均匀流情况下声衬声阻和声抗对管内消声量的影响。在高频声源和大Mach数气流情况下,随声阻或声抗变化,噪声衰减量都存在局部峰值和波动,此时不再呈现低频情况下的单调特征。因此,选择适当的声衬阻抗可有效地抑制发动机噪声传播。     

热斑对涡轮级转静干涉噪声影响数值研究

利用结合相位延迟方法的求解器,对进口有热斑存在的某高压涡轮级流场进行三维非定常计算,然后利用模态匹配方法在涡轮转子下游管道中提取出转静干涉离散噪声信息.通过与进口无热斑存在算例比较表明:在一倍叶片通过频率下,向下游传播的转静干涉离散噪声总声功率级增加了约5.9dB;在二倍叶片通过频率下增加了约11.6dB.      

某涡轮级转静干涉噪声数值研究

通过采用结合相位延迟方法的非定常数值计算,得到真实叶片数下某高压涡轮级叶片通过频率及其倍频下的脉动压力.然后在转子后管道中利用模态匹配方法,摒除了管道末端非物理反射及其非声压脉动的影响,从而获得转子后管道中向下游传播的转静干涉噪声分量.结果分析表明:该涡轮级在叶片通过频率下,周向模态m=3未被截止,且为主要转静干涉噪声源;在2倍叶片通过频率下,周向模态m=6,-64未被截止.      

基于非线性谐波法评估压气机转静干涉诱发的强迫响应

针对压气机转静干涉诱发的强迫响应问题,对某型风扇试验件进口可变弯度导向叶片进行流固耦合数值模拟。基于NUMECA的非线性谐波法,求解在后排转子势流作用下可调导叶的非定常流场,从而获得谐波压力,并对其作用在前排可调导叶相应模态下的强迫响应进行了计算,与试验验证结果吻合。结果表明:基于非线性谐波法的流场计算以及强迫响应分析,为工程应用建立了转静干涉诱发强迫振动响应的数值评估方法。     

轴流风扇动/静干涉噪声抑制的数值模拟与实验研究

动/静干涉噪声是风扇单音噪声的重要组成部分,?本文采用数值模拟与实验相结合的方式对某轴流冷却风扇转子与下游支柱之间干涉噪声的抑制进行了研究.数值计算采用大涡模拟(LES)与FW-H方程相结合的混合方法,噪声实验在全消声室中利用远场麦克风测量.通过改变支柱迎风面宽度(H)和壁面开槽(对应不同穿孔率SP)两种方式来改变风扇模型的流动工况,分析不同控制策略对风扇气流流动和远场噪声特性的影响.结果表明,在下游支柱的干扰作用下,轴流风扇压力面的平均静压在叶片中部呈现周期性的分布.随着支柱迎风面宽度H的减小和壁面槽穿孔率SP的增大,支柱上的平均静压和风扇压力面的RMS压力逐渐降低.两种控制策略均能够有效减弱涡及其涡/固干扰强度,从而降低风扇噪声.数值模拟与实验结果吻合较好,显示风扇叶片通过频率BPF处的最大降噪量在所研究的流动配置下可以达到5?dB以上.     

转静干涉流场的激励特征与叶盘结构的共振设计

在对三维非定常转静干涉流场进行计算与分析的基础上,研究了转静干涉流场对叶盘结构激励的特征,包括尾流激励中的频率成分和空间成分, 以及这些特征成分的相对大小. 在此基础上,结合叶盘结构共振条件,总结并提出了从抑制共振的角度确定静子结构周期数的设计原则,即静子结构周期数的确定应使其产生的尾流激励的频率特征中不包含叶盘结构的频率成分,以及空间分布特征中不包含对应该频率模态节径的谐波成分.给出了基于转静干涉流场特征参数估算尾流激励主要频率成分和空间成分的公式, 使这一确定静子结构周期数的原则在设计阶段可方便实施.数值分析结果对这种估算公式的合理性进行了验证.结果表明:该公式不需对转静干涉三维非定常流场进行数值模拟, 即可对静子结构周期数的合理性(是否会引起共振)做出判断.      

基于声阵列信号的风扇喘振先兆特征识别

提出了一种基于麦克风声阵列信号的航空发动机风扇喘振先兆特征识别方法,有效避免了传统侵入式传感器在测量过程中对管道流场产生的外来干扰。开展多级风扇试验器由稳定旋转至喘振的瞬态测试试验,利用短时傅里叶分析、频谱分析和声模态分解的方法,对喘振先兆特征实现了辨识。结果表明:风扇在进入喘振前有非同步共振频率的强烈单音噪声,约为叶片通过频率的70%,是由多个模态波在转静叶排间共振产生。通过对特征频率和声模态谱的监测可以实现喘振的预警。      

基于组合传声器阵列方法的风扇宽频噪声

针对叶轮机械管道内宽频噪声模态分解以及声功率测量,基于组合传声器阵列方法对风扇管道宽频噪声进行了研究。与当前的成熟测量方法相比,该方法最大的优势是所需声压测点的个数大大减少,仅需要安装由单独一圈传声器和一排轴向传声器组成的麦克风阵列,这种优势在中高频管道宽频噪声测量上尤为突出。针对该方法的有效性和准确性进行了数值研究,并首次试验验证了该方法的精确性。在数值模拟中,人工模拟的声场是由几圈不相干的单极子声源激发产生的,模拟结果表明宽频噪声模态相干特性严重依赖于单极子声源的个数以及其紧凑性。当频率段内的管道模态近似完全不相干时,该方法可以准确地计算出入射声波的宽频噪声声功率,最大误差小于3dB。在风扇管道宽频噪声声功率计算方面,该方法与现有的成熟方法符合得很好,在入射声波的估计上,最大误差小于1dB,而在反射声波的测量上最大误差小于3dB。     

风扇前传噪声及声衬特性研究

为了探究航空发动机的风扇噪声,通过试验研究了缩尺风扇前传噪声在不同转速工况下的频谱特性和周向模态特性,并对所设计的环形声衬降噪效果进行了验证。研究结果表明,基于试验测量数据分析得到的频谱特性和周向模态特性满足转静干涉噪声理论。随着转速的提高,风扇纯音噪声越显著,高转速工况下纯音噪声的能量约占风扇前传噪声的85%。在所研究的工况范围内,该声衬对目标频率及模态均有显著的降噪效果,且在85%转速工况时的纯音降噪效果最优,其主模态的传声损失约为59dB。该声衬对于设计频率附近的宽频噪声也有一定降噪效果,在85%转速时的宽频噪声平均传递损失约为3dB。     

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。     

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。