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.      

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。     

周向弯曲方向对弯掠叶片气动-声学性能影响的实验

以具有相同几何参数的常规径向叶片、周向前弯和周向后弯叶片为研究对象,对旋转动叶片周向弯曲后叶轮的气动和声学性能进行了对比试验研究。同时采用五孔探针半对向测量方法研究了周向弯曲后出口气流参数沿叶高的分布规律。结果表明,与原型径向叶轮相比,在保持叶片几何参数不变,仅引入周向弯曲后,无论周向前弯还是后弯,均导致叶轮的效率和压升降低。叶片周向前弯可以有效地降低气动噪声,大幅度地增加风扇的喘振裕度。在相同的周向弯曲角度下,采用周向前弯技术明显优于周向后弯。此外,研究表明弯掠叶片径向力对于气流参数沿叶高的分布具有较大的影响。周向前弯叶轮改善了叶顶附近的流动状况,但中部叶高区域的损失增加。对于周向后弯叶轮,虽然叶片中部损失减小,但两端部损失增加明显。      

某大涵道比涡扇发动机风扇激波噪声降噪设计

为了研究民用大涵道比涡扇发动机风扇叶片弯掠造型对风扇激波噪声的影响,本文在基准风扇叶型的基础上,增大风扇叶片尖部前掠,加宽风扇叶片中下部和根部,设计了一种改型风扇叶片,并对基准风扇和改型风扇的前缘脱体激波噪声的一维传播特性进行了对比分析。结果表明,在海平面标准大气条件起飞工况和最大爬升工况下,改型风扇的激波噪声水平较基准风扇叶型低,证明该风扇叶型的弯掠改型设计有助于降低风扇激波噪声。     

级环境下弯叶片对涡轮气动性能影响数值研究

针对某两级低压涡轮的弯扭叶片进行气动性能影响的数值研究,通过对比分析不同弯角和不同类型弯叶片的流场,认为级环境下弯叶片需根据具体载荷分布条件匹配设计.对于研究两级涡轮,第一级静叶反弯、第二级静叶正弯具有相对最优的气动绝热效率,J型弯相比对称弯改善负荷分配,降低二次流损失和激波损失,且小弯角叶片表面压力分布更均匀,流道中部熵增更小,性能高于大弯角叶片.      

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。     

叶片弯曲对大折转压气机叶栅内分离结构的影响

通过数值模拟,分析了叶片周向弯曲对大折转角压气机叶栅内分离结构的影响。弯角分别为±10°,±20°,±30°。应用壁面流谱的拓扑法则,详细讨论了不同弯角下的分离形态。结果表明,正弯可以有效遏止角区分离,改变吸力面的分离形态,但不能完全消除吸力面的分离。因此一定范围内的叶片正弯可以改善流动,但当弯角大于20°时,流动重新恶化。反弯则使得叶栅内分离趋势增加,气动性能明显降低。     

亚声速扩压叶栅中弯叶片积叠规律的研究

为了探索负荷径向非对称分布的环形扩压叶栅中弯曲叶片造型参数的选取规律,通过数值模拟的方式,对比研究了不同弯高和正弯角对两种不同分离形态的环形扩压叶栅气动性能和流道内旋涡结构的影响。研究结果表明,随着弯叶片正弯角的增大,尾缘附近的一对集中脱落涡增强并向叶展中部靠拢,随之造成了集中脱落涡和壁角涡之间区域的损失降低,同时叶展中部的总压损失增大。在集中脱落涡尚未形成的叶栅中,弯叶片则是主要作用于流道中部的尾缘脱落涡,但作用效果相对较弱。在一定的弯叶片弯高下,扩压叶栅存在最佳弯角,研究所采用的50%弯高的CDA叶栅在进口条件2下的最佳弯角约为25°,并且相同的弯叶片正弯角对叶片展向负荷较高的一端作用效果更显著。当弯叶片正弯角较大(或接近于最佳弯角)时,叶片展向负荷较高的一侧在弯叶片作用下损失峰值增加更为明显,因而在保持弯叶片的周向相对偏移一致的前提下,最佳弯高在叶展中部偏向于负荷较低的一侧。换言之,最佳弯高应偏向于扩压因子展向不均匀度更大的一侧。     

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。     

电控旋翼气动特性建模与风洞试验验证

首先建立了带襟翼翼型的非定常气动力模型,继而基于Peters-He广义动态尾迹理论,考虑襟翼偏转对电控旋翼叶素环境的影响,建立了电控旋翼有限状态尾迹模型;进一步基于Theodorsen理论推导出电控旋翼桨叶挥舞响应与桨叶变距和襟翼操纵量的关系,综合以上建立了电控旋翼气动特性分析模型.以改进型电控旋翼试验系统为平台进行了风洞试验,测量了不同风速、不同襟翼操纵条件下的电控旋翼气动力、桨距、襟翼偏角及旋翼挥舞角的变化情况.理论计算结果与试验数据符合情况良好,验证了所建立的分析模型的正确性,并得出以下结论:旋翼转速一定时,桨叶变距与襟翼操纵基本呈线性关系;旋翼拉力随襟翼总距的增加而逐渐减小,襟翼总距较大时,其实际气动效率略有下降;前飞状态时,襟翼总距操纵会引起桨叶的纵向周期变距.      

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.     

总距突增时共轴式直升机瞬态操纵响应分析

从共轴双旋翼直升机的工程实际出发,建立了共轴式直升机上下旋翼非定常气动特性的计算模型.引入Leishman-Beddoes指数函数的半经验公式,建立了二维翼型非定常气动模型;分别从固定尾迹和自由尾迹,引入干扰因子到动态入流三种方法出发,建立了反映共轴双旋翼直升机上下旋翼气动干扰的诱导速度模型;从跷跷板式旋翼的挥舞动力学方程出发,利用4阶Runge-Kutta算法求解桨叶刚性挥舞角的数值解.通过计算分析,得到了悬停和前飞状态,总距突增时上下旋翼升力的动态响应特性,以及总距突增时上下旋翼桨叶铰链力矩的响应特性.      

新型桨尖抑制旋翼跨声速特性的影响分析

为研究不同形式的新型桨尖在抑制旋翼跨声速特性方面的作用,开展了多种桨尖对旋翼局部流动及气动特性影响的数值分析研究.发展了基于高效嵌套网格方法的旋翼流场高精度CFD求解方法.在此基础上,详细分析了桨尖外形对旋翼桨叶跨声速区域激波强度、激波诱导气流分离、桨尖涡尾迹及气动性能的影响.数值结果表明:桨尖的后掠和上反在缓解旋翼跨声速特性方面的作用相对较小;桨尖前掠和下反能更有效地减少桨尖外端跨声速区域,降低该位置激波强度并缓解激波-附面层干扰诱导的气流分离;后掠桨尖在减小旋翼反扭矩方面的整体效果良好,直线前掠桨尖在大桨盘拉力状态能够更有效降低旋翼扭矩(直线前掠30°时,扭矩降低达12.3%),桨尖下反可以有效抑制桨尖涡强度(抛物下反30°时,桨尖涡强度降低50%),并加快桨尖涡尾迹的耗散.      

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。     

导流板对25°倾角Ahmed类车体尾流与气动阻力的影响

在雷诺数8．7×10^5的条件下,运用眼镜蛇探针、压力扫描阀和表面油膜流动可视化技术对倾角为25°的Ahmed类车体尾流与尾部压力分布进行了研究。对比了模型尾部斜面上边缘和两侧不同宽度导流板对模型尾流与气动阻力的影响规律。实验发现模型尾流中存在一对对称的拖曳涡,其在尾流中心线附近形成强烈的下扫流。拖曳涡强度与模型尾部压力分布和气动阻力有直接关系,较强的拖曳涡对应的模型尾部负压以及气动阻力均较大。斜面两侧导流板宽度为1％模型长度时,不仅无减阻效果,反而会使气动阻力增加约3．0％。当导流板宽度增加为2％和3％模型长度时,能够明显削弱斜面上的分离泡,对应的减阻效果分别为3．5％和7．2％。斜面上边缘导流板可有效地抑制分离流在斜面上的再附,并消除斜面上的分离泡,其抑制拖曳涡强度和降低气动阻力的效果明显优于同等宽度的斜面两侧导流板。上边缘导流板宽度为模型长度的1％,2％和3％时,减阻率分别可达9．3％,10．7％和10．9％。     

剪刀式尾桨前飞状态气动噪声特性计算

基于计算流体力学（CFD）建立了适用于剪刀式尾桨的流场计算模型，采用嵌套网格方法模拟尾桨运动，采用双时间方法进行时间推进。针对不同的尾桨构型，采用高效配平策略“差量法”将剪刀式尾桨配平至相同负载状态。在此基础上，采用Ffowcs Williams-Hawkings（FW-H）方程计算剪刀式尾桨的气动噪声特性。应用该方法对不同前飞速度下剪刀式尾桨的气动力和噪声进行计算分析，着重研究了剪刀角和轴向间距两个重要构型参数的影响。计算结果表明:剪刀角对剪刀式尾桨气动力和气动噪声特性均有重要影响，而轴向间距在合理的变化范围内，对尾桨影响较小。与常规尾桨相比，前飞状态下剪刀式尾桨的噪声指向性变化较小，但噪声幅值变化显著。      

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。     

后置静叶周向弯曲对表面非定常压力脉动的影响

在目前的叶轮机械中,普遍存在着旋转动叶与后置静叶干涉产生的非定常流动现象。这种流动现象会导致静叶表面产生非定常性压力脉动。这种脉动可分为旋转动叶的速度亏损尾迹引起的叶片表面的周期性脉动和气流本身的湍流脉动及其他涡团导致的随机脉动两个方面。采用一工业用单级通风机,对其动静叶的干涉现象进行研究。通过在后置静叶表面沿弦长及叶高方向布置动态压力传感器的方法,研究静叶的周向弯曲（倾斜）角度对静叶表面的非定常力的影响。研究结果表明：采用周向弯曲静叶会改变动叶尾迹所引起的后置静叶周期性脉动的幅值在静叶表面的分布特点,静叶顶部压力脉动的幅值与原始径向静叶相比能够有效地降低,同时与中部的压力幅值相比有一定提高,但整体呈现下降趋势;另一方面,静叶表面随机性的压力脉动强度受周向弯曲的影响较小。