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。     

分布式波浪前缘静子叶片对单级轴流风扇单音噪声影响的数值研究

为了适应逐年严苛的适航噪声标准，改善飞机噪声环境，突破航空发动机降噪技术的瓶颈，有必要开发新的降噪手段以指导叶轮机械降噪设计。本文采用URANS与FW-H方程混合方法，通过将波浪前缘构型运用在叶片流动损失较大、声源强度较强的部分后，进一步观察其气动性能和降噪效果。研究表明：与基准叶片相比，分布式波浪前缘静子叶片可以在1BPF（Blade Passing Frequency）时降低风扇入口声功率级0.67~1.9dB，2BPF时降低风扇入口声功率级1.87~4.18dB，3BPF时降低风扇入口声功率级2.4~6.8dB，同时，总压比最高提升0.027%，等熵效率最高提升0.28%。因此，分布式波浪前缘静子叶片在叶轮机械降噪方面有很好的运用前景。     

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。     

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。     

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。     

声学风洞风扇段流场结构数值模拟

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,并将计算结果与试验数据进行了对比,可以看到,本文采用的方法能对风扇段性能进行较为准确的模拟;随后根据叶片的流动现象,分析了动叶和静叶的性能表现,了解了风扇段内部的工作性态。最后给出了不同动静叶间距、不同静叶后掠角、不同静叶倾斜角对风扇性能、流动性态的影响,并根据流场结构分析了降噪机理。数值结果表明,采用静叶后掠和倾斜,并适当增大动静叶间距,可以在不影响风扇性能的情况下有效抑制噪声。同时,静叶后掠和倾斜还能有效增加风扇段出口速度的均匀性,特别是切向速度。     

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。     

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。     

湍流参数对风扇宽频噪声预测影响

对于现代先进涡扇发动机,占比越来越大的风扇/压气机宽频噪声成为亟需解决的问题。基于三维风扇声源模型,开展了湍流输入参数对宽频噪声预测影响的研究。结果表明:后传声功率级比前传声功率级普遍高5 dB左右;当湍流参数增大时,也会较大幅度改变前传和后传的声功率级,但对频谱形状影响较小;声功率级随湍流积分尺度增大而减小,随背景湍流速度、中心线湍流速度、湍流宽度增大而增大,其中背景湍流速度对宽频噪声影响最大。发现湍流参数通过作用于上洗速度谱来影响宽频噪声预测结果。      

三维造型对高负荷跨声风扇静子的影响分析

以负荷系数高达0.42的跨声风扇进口级为背景,利用三维数值模拟手段,研究了叶片三维气动造型技术对高负荷跨声风扇静子气动性能的影响,并深入地分析了其影响机理.结果表明:由于激波在静子叶根有垂直于轮毂端壁的趋势,因此前掠造型对于激波/端壁附面层所主导的静子角区分离的控制效果并不明显;相比之下,正弯静子通过加入叶片力使得角区中的低速流体向叶中发生径向迁移,显著地改善了静子的性能;而复合弯掠进一步提高了静子的性能,说明单纯使用前掠造型收效不佳,需要配合正弯造型才能达到最佳效果.      

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.     

压缩系统跨音进口级弯掠叶片空气动力学概述

转子叶片与静子叶片形状与80年代前的通用形状已有所变化, 三维弯、掠组合设计已成为重要的发展趋势。与之对应的当代气动设计理论被称之为跨音风扇弯掠叶片空气动力学。在简要回顾后掠风扇和后掠桨扇的发展背景前提下, 对此分支的内涵进行了分析与讨论。初步提出进行跨音风扇弯掠叶片气动设计所应追加的工程准则。      

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。     

飞机螺旋桨低噪声多学科优化设计与试验验证研究

为进一步降低飞机螺旋桨气动噪声,针对飞机螺旋桨开展综合考虑气动、噪声和结构强度的低噪声多学科优化设计与试验验证。采用基于涡格法的升力面理论进行螺旋桨气动性能计算,基于Hanson频域远场噪声计算方法进行螺旋桨远场噪声评估,2种计算方法都通过与试验对比验证精度,由此组成螺旋桨气动-噪声联合算法;以桨叶沿叶高分布的弦长、安装角和侧掠为设计变量,充分考虑桨叶结构强度对设计变量的约束,以螺旋桨推力、效率不降低和远场噪声降噪最大为优化目标;优化桨叶通过了离心载荷试验、气动载荷试验、动态特性试验等强度试验;在气动声学风洞内完成了气动与声学性能验证,优化螺旋桨相比原始桨气动性能基本保持不变,优化螺旋桨在设计工况的1阶离散分量处的远场气动噪声峰值降低2.7dB,较小推力下降噪量最高可达4dB,2阶离散分量处也有明显的降噪效果。提出的方法同时满足气动、噪声和结构强度要求。     

基于流道优化的局部进气高速涡轮机气动噪声控制实验研究

动静叶干涉是涡轮机气动噪声的主要来源之一。针对局部进气高速涡轮机,为了抑制由动静叶干涉引起的单音辐射噪声,提出了增大喷嘴的几何出气角、喷嘴下俯、喷嘴单侧修型和增大动静叶间距的流道优化设计方法以控制涡轮机内的流动状况进而降低噪声辐射,并设计了涡轮机气动噪声测试实验台,测量并分析了优化措施的降噪效果。结果表明,涡轮机流道优化设计方法有效抑制了单音辐射噪声,使各个转子谐频处的离散噪声均得到降低,并在3125Hz处实现了最高达7dB的降噪量;在大部分的三分之一倍频程内,优化设计的涡轮机噪声幅值低于原始设计的涡轮机,最大降噪量为2.1dB。     

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.     

风扇/压气机静子周向限位失效对气动性能的影响

以高负荷两级风扇为对象,采用数值模拟方法研究了静子周向限位失效对风扇气动性能的影响机理。比较分析了不同失效转速和不同失效级对其气动性能的影响程度,归纳总结了静子限位失效对压缩部件气动性能的影响规律。结果表明:静子周向限位失效将造成静子叶排产生一定的轮缘速度,影响自身的进出口气流角、流通能力和损失特性,以及级内和级间的匹配状态,导致压缩部件的流量减小,压比裕度降低,温升效率提高;此外还将改变压缩部件各级加功量的分配和流场特征的分布,导致级间原有的匹配失谐。静子周向限位失效的影响范围受上下游参数传递特征的限制,仅局限于上游相邻的转子叶排和下游转静子叶排。与前排静子限位失效相比,后排静子限位失效对风扇气动性能的影响程度相对较小。     

汽车发电机冷却风扇旋转噪声预测方法

以汽车发电机冷却风扇为对象,针对其修改叶片分布角度前后的旋转噪声预测问题,提出一套较精确且节约计算机时的预测方法.该方法结合了声类比法和矢量合成方法,首先,用大涡模拟(LES)和Ffowcs-Williams和Hawkings(FW-H)方程相结合的声类比方法对原风扇总噪声和主要阶次旋转噪声幅值进行预测;然后,针对只改变叶片分布角度情况下,提出一种矢量合成方法,用于对修改叶片分布前后主要阶次旋转噪声变化量的预测;最后,得到修改后主要阶次旋转噪声的幅值.计算和实验结果表明,原风扇总噪声最大预测误差4.3dB,第12阶和第18阶主要阶次旋转噪声幅值预测误差为1.24dB和4.26dB;修改后风扇第12阶和第18阶主要阶次旋转噪声分别变小了9.3dB和10.5dB,其变化量预测误差分别为0.36dB和0.43dB.结果表明,这一整套对修改前后风扇旋转噪声进行预测的方法是可行的,且大大节省计算时间,为风扇叶片周向分布角度设计提供了很好的依据.      

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。