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。     

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。     

惟一投入使用的桨扇发动机D-27

D-27是一种采用三转子结构,由双转子燃气发生器和SV-27双排桨扇组成的先进桨扇发动机。它具有低耗油率的特点,是众多桨扇发动机中惟一投入运营的发动机。此外,该发动机还采用了许多新技术,如三维气动技术、单晶材料制造的涡轮叶片和全权限数字式电子控制系统等     

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。      

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。     

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。      

桨扇的气动弹性力学和气动声学

在桨扇技术发展过程中,桨扇的气动弹性力学与气动声学是主要技术关键中的两个很受重视的问题。本文对于上述二问题的历史发展过程,处理方法及己取得的主要成果作了阐述,对于其现状和发展趋势提出了一些看法。      

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。     

桨扇发动机的发展

桨扇发动机的发展最早可追溯到70年代初。1972年5月,苏美签定第一阶段限制战略武器会议协议时,由于原苏联不同意讨论限制潜载飞航式战略导弹(SLCM),没能就限制原苏联SS-N-3C巡航导弹问题达成协议。因此,在协议签字11天后,美国国防部就宣布正式开展潜载飞航式战略导弹的研制。自那以后,出现了一股“巡航导弹热”。大约从此开始,美苏两国相继开展桨扇发动机技术的研究工作。到目前为止,正式部署战略巡航导弹的国家仍然是俄罗斯和美国,正在研制或准备研制巡航导弹的国家有法国、英国、印度、瑞典、日本和澳大利亚等国。以往     

基于改进AFSA的桨扇发动机加速控制计划优化

为了提升桨扇发动机的过渡态性能,提出了一种可以满足发动机性能参数约束和寻优结果正确性要求的桨扇发动机加减速控制计划优化方法。引入自适应调整策略和半可行域对人工鱼群算法（AFSA）进行改进,经过数值验证,改进后的算法较原始算法具有更快的收敛速度和更高的寻优精度。将推力与目标推力间的差值作为寻优目标,采用改进后的人工鱼群算法和序列二次规划算法（SQP）对桨扇发动机的加速过程进行优化,得到了满足约束前提下的桨扇发动机时间最短的加速控制计划,结果表明：与采用传统的基于梯度的序列二次规划算法相比,采用改进的人工鱼群算法进行离线分段寻优所得到的控制计划总加速时间缩短了21.8%(0.58 s),证明了改进人工鱼群算法具有更强的全局寻优能力,更适用于桨扇发动机加速控制计划的优化。     

开式转子发动机对转桨扇设计

高推进效率的对转桨扇是开式转子发动机最关键的部件之一。国外航空强国对其开展了大量的CFD计算分析及试验验证工作,优化气动性能,降低噪声等级,以满足适航标准;国内目前尚缺乏对开式转子对转桨扇设计技术和CFD分析的相关研究。本文在现有压气机设计技术的基础上,改进CFD设计分析方法,探索设计出开式转子发动机的对转桨扇,并进行了三维定常流场分析。通过与国外文献研究结果的分析对比,初步验证了本文设计和计算结果的合理性。     

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。     

拉力式对转桨扇发动机的建模与性能评估

为了分析桨扇发动机的总体性能,为桨扇发动机的预研工作提供方案,建立了一种三轴拉力式对转桨扇发动机的仿真模型,将桨扇发动机看成桨扇和涡轴发动机匹配的结构。桨扇建模基于相似原理,从单排桨扇的气动性能入手,并考虑了桨扇轮毂的影响以及前后排对转桨扇的相互影响和空气流道的收缩,模型与实验数据的误差在2%以内。核心机建模采用三轴涡轴部件级模型。基于该模型进行了桨扇发动机的性能评估。结果表明,桨扇和进气道的耦合作用对发动机性能影响很小,可以忽略。桨扇轴距半径比对发动机性能有一定影响,可以设置在0.4~0.6以内。前后排桨距角始终保持为56°,当高度增加时,总推力下降、sfc上升。当马赫数增加时,总推力先下降再上升,sfc先上升后下降。桨距角是重要的性能调节参数,4°的桨距角变化量可以带来64%的推力变化。     

桨扇发动机首次飞行试验推迟

桨扇发动机首次飞行试验推迟俄罗斯ＴＲＵＤ／Ｓａｍａｒａ发动机设计局的ＮＫ－９３桨扇发动机的首次飞行试验因经费短缺至少推迟１２个月。当前该设计局的目标是，１９９５年将ＮＫ－９３桨扇发动机装到伊尔一７６试验飞机上，在茹可夫斯基进行飞行试验。该设计局官员声...     

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。     

齿轮传动对转桨扇发动机总体性能建模

为了开展齿轮传动对转桨扇发动机总体性能计算,在双轴涡桨发动机性能模型基础上完善了减速器与对转桨扇性能计算模型,通过构建求解方程组完成了齿轮传动桨扇发动机总体性能建模。计算表明,本模型设计点性能计算结果与公开文献计算结果误差不高于0.1%。本模型可在控制规律设计中选择桨距角为被控参数,且桨距角的调节对对应桨性能及转速影响最大;选定燃气发生器某一参数作为被控参数,再从前后桨桨距角、转速及自由涡轮转速中选取两个被控参数,组合形成的10种三变量组合控制规律均能在本模型中完成计算。结果表明,本模型可支持开展桨扇发动机控制规律设计与性能计算,具有良好的适用性与收敛性。     

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。     

对转桨扇设计参数对噪声水平影响的数值研究

为了研究了对转桨扇叶排间的轴向间隙、叶片弦长和后掠角对气动噪声的影响,设计了7组轴向间隙、叶片弦长和后掠角分别不同的对转桨扇。采用数值模拟软件FineAcoustics对这7组对转桨扇进行了气动声学计算和分析。气动声学计算结果表明：对转桨扇桨叶的气动噪声幅值的大小与前、后排桨叶的轴向距离、后掠角的大小成反比,与叶片弦长成正比;此外,桨叶的载荷噪声在总噪声中起主导作用。