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。     

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。     

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。     

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。     

前掠对高负荷风扇转子叶尖间隙效应的影响

以高负荷两级风扇第一级前掠转子为研究对象,数值模拟了设计转速下多种不同间隙下的特性曲线以评估其性能对间隙的敏感性.结果表明:前掠转子能够显著降低气动性能对叶尖间隙的敏感度,且并不存在工程意义上的最优间隙.这种特性在存在强叶尖泄漏流的大叶尖间隙和近失速工况时更为明显.通过与一个气动性能等效的常规转子进行叶尖区域详细的流场结构对比,对前掠改善间隙敏感度,调整展向气流分布及影响转子叶尖泄漏流动的内在机理做出了解释.      

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。     

离心风扇非定常气动力和气动噪声特性数值研究

将Lighthill方程转变为频域Helmholtz弱积分形式并采用Galerkin方法离散.基于声学有限元方法考虑声波在复杂固壁(叶轮和蜗壳)内的散射和反射等作用,利用Ffowcs Williams-Hawking(FW-H)方程耦合非定常流场计算结果数值预测了某离心风扇的噪声辐射,流场计算结果和蜗壳壁面动态压力测量结果在基频上吻合较好.结果表明:基频压力脉动分量在噪声源特性中占据主导地位且靠近叶轮前盖板对应位置的蜗舌区域(叶轮出口宽度范围内)是最主要的噪声源区域;声学有限元方法和实验吻合较好,复杂固壁对声传播影响不容忽略.叶轮出口不稳定气流对蜗壳周期性冲击引起的转/静干涉噪声远大于叶片偶极子源噪声是离心风扇最主要的噪声辐射分量且噪声主要从风扇管道出口方向传播.      

叶尖间隙对风扇/增压级气动特性影响研究

以某风扇/增压级为研究对象,利用NUMECA(Numerical Mechanics Application)软件,计算了设计点和非设计点的三维流场和性能,并给出了风扇/增压级的特性。研究了叶尖间隙对风扇/增压级流场和气动特性的影响,对比分析了叶尖间隙分别为设计间隙的0、0.25、0.5、1和1.5倍时的风扇/增压级的气动性能。研究表明,随着叶尖间隙的增加,风扇/增压级总效率、风扇增压比和风扇/增压级增压比都有所下降。综合考虑,风扇/增压级的最佳间隙应为0.5～1倍设计间隙。     

转子叶尖间隙形状对跨声速轴流压气机性能影响机理分析

为研究转子不同叶尖间隙形状对跨声速轴流压气机性能的影响机理,分别对平行式叶尖间隙进行渐变式和阶梯式改型 优化,并利用商业软件NUMECA进行数值模拟。结果表明：对平行式叶尖间隙进行渐变式和阶梯式改型优化后,压气机性能有较 大提高,改型后 0.204-0.408的各类间隙压气机性能优于 0.408-0.204间隙的。相比较平行间隙 PTC 0.204-0.204,渐变式 TTC 0.204-0.408和阶梯式STC 0.204-0.408的失速裕度分别提高1.12%和1.61%,峰值效率基本不变,同时近失速工况下的总压比和效 率也略有提高。叶尖泄漏涡得到抑制,间隙处的流体低速区明显减小,流动损失减小,流场得到较大改善。转子通道的总压比在 85%叶高处明显提高,分别提高了1.01%和3.13%。阶梯式叶尖间隙压气机的静子通道40%叶高处总压损失系数减小达75.4%。 对平行式叶尖间隙进行改型处理能够有效提高压气机性能,且阶梯式叶尖间隙比渐变式的对压气机性能提高的效果更加显著。     

轴流压气机转子叶尖间隙流动结构的数值研究

为进一步加深对轴流压气机转子叶尖间隙内泄漏流/涡流动结构的认识,针对某台用于高压压气机低速模拟的四级重复级大尺度轴流压气机上的转子,采用定常数值方法开展了详细的研究。首先用已有的试验结果校核了计算方法的可靠性,随后研究了设计点工况下端区复杂流动结构和流动损失的机理,最后比较了无叶尖间隙和不同叶尖间隙大小的轴流压气机转子端区流动结构的差别,以及设计点和近失速情况下叶尖泄漏涡结构、泄漏流/主流交界面、端壁堵塞以及端壁损失的区别。结果表明,在62.5%间隙高度以下的叶尖区域内,从前缘叶尖间隙流出的流体会卷吸成叶尖泄漏涡,且随间隙高度的增加其占据的叶尖泄漏涡的位置由内而外;而在62.5%间隙高度以上,从转子前缘间隙内流出的流体不会卷吸成叶尖泄漏涡,随间隙高度的增加流动受叶尖泄漏涡的影响越来越小,更易出现二次及多次泄漏,且所占据的弦长范围也更宽广;设计状态下,叶尖泄漏涡在向下游发展的过程中会逐步膨胀,并与主流强烈掺混,无量纲流向涡量迅速减小,但无量纲螺旋度值显示其仍能保持集中涡的特征。     

转子叶尖间隙测量在风扇和压气机性能试验中的应用

通过在发动机风扇和压气机部件性能试验中对转子叶尖间隙随试验状态变化进行的实测,分析间隙变化对性能的影响,阐述间隙测量的重要性,提出不同应用场合下间隙测量的方法和一些建议。     

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。     

高负荷风扇气动设计——转子叶尖参数选取分析

利用叶尖基元模型计算分析了高负荷风扇转子叶尖的关键气动设计参数,重点考察了进口轴向马赫数、激波前马赫数在不同切线速度下对基元等熵效率和总压比的影响.在Schreiber的跨声叶栅试验结果的基础上,拟合了正激波损失占基元整体损失的比例关系,用于修正模型计算得到的结果.用修正后的基元等熵效率为约束,进一步分析了转子叶尖激波前马赫数的限制值,得到了相应的叶尖基元可用总压比.完善并提供了一种简单估算高负荷跨声风扇转子叶尖性能的方法,用于指导实际工程设计.     

压气机转子叶尖间隙对其性能的影响

针对某六级高压压气机,利用全三维数值模拟方法,分析了高压压气机转子叶尖间隙变化对其性能的影响.其中重点分析了叶尖间隙在0.0 mm、0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm时,高压压气机内部流场的变化,以及总参数(流量、压比、效率)的变化.结果表明:随着转子叶尖间隙的增大,间隙内流动的能量增加,效率明显下降,流量也随之下降.本研究可为压气机叶尖间隙控制及全三维数值模拟提供参考.     

某三级低压风扇不同工况叶尖间隙的变化规律及气动影响

通过模型分析结合数值模拟,对某三级低压风扇不同工况叶尖间隙变化规律及其对风扇气动性能的影响展开研究.根据叶尖间隙预估模型计算发现,三级低压风扇叶尖间隙变化具有主要与转速相关,同一转速下从堵塞点到近失速点叶尖间隙的变化并不大的特点.针对这一特征,提出了评估叶尖间隙变化对稳定裕度影响的方案.通过对使用冷态装配间隙和模型预估运行间隙分别进行全工况特性线数值仿真,结果发现:转速越大,叶尖间隙变化导致的影响也增大.在该三级低压风扇100%设计转速,叶尖间隙变化会带来0.5%进口流量、0.5%最大绝热效率以及5%稳定裕度的差异.      

叶尖间隙对高负荷风扇转子性能影响的数值研究

在不同叶尖间隙下,对高负荷风扇转子的特性进行了研究;通过数值方法分析了叶尖间隙对转子特性的影响。结果表明:适当小的叶尖间隙可以使转子获得较好的性能;作为泄漏流的反应,外壁机匣上所形成的静压槽随着间隙的增大、反压的提高而扩大;在不同叶尖间隙下,叶尖附面层和泄漏涡的破裂对风扇转子的失速起不同作用。     

轴流风扇自噪声强度特性的数值研究

利用流场/声场混合模型计算分析轴流风扇自噪声的强度特性。使用大涡模拟(LES)数值计算方法获取湍流流场信息,以此为输入,使用声类比方法噪声预测模型获得了不同来流条件下的自噪声频谱。0°攻角条件下,叶片噪声源主要位于叶片尾缘区域,并且叶背上的噪声强度大于叶盆;攻角增大和速度增大都会引起叶片自噪声强度的增大;攻角增大引起的噪声增大主要集中在低频区域。     

航空发动机转子叶尖间隙及同心度变化规律研究

航空发动机转子叶尖间隙及同心度是影响发动机性能和安全的重要参数。组建了一套电容法测试系统,并成功用于发动机风扇转子叶尖间隙及同心度测量。通过分析测量数据,得到了发动机风扇转子叶尖间隙及同心度随转速和时间的变化规律。结果表明:慢车以下状态时,转速升高,转子叶尖间隙减小,转子向下偏移;慢车以上状态时,转速升高,转子叶尖间隙减小,转子向上偏移;最大状态时,部分测点存在较大叶尖间隙,同心度均不为零。     

轴流风扇/压气机管道周向声模态的测量

利用管道内部周向均匀分布的麦克风阵列对某单级风扇在高背景噪声和较大硬壁反射条件下的管道周向声模态进行了实验测量.利用与参考信号互相关(CC)模态分解技术和传统的方均根(RMS)模态分解技术得到了主要的周向声模态振幅.通过与Tyler和Sofrin的理论分析对比,发现在高背景噪声和较大硬壁反射条件下,两种模态分解技术都能获得较为理想的模态分解结果;并且发现CC模态分解技术获得的模态振幅较低,初步分析这是由于和RMS模态分解技术相比,CC模态分解技术可以降低随机噪声对模态振幅分解结果的影响.此外,周向麦克风个数大于所要分解周向声模态阶数的4倍时,使用CC模态分解技术获得的模态振幅误差可以控制在1dB之内.      

高反力度涡轮转子叶尖间隙对涡轮性能的影响

采用中温模拟级性能试验器,试验研究了高反力度涡轮转子叶尖间隙对涡轮级性能的影响,获得了转子叶尖间隙对涡轮级性能的影响规律。通过对试验方案进行数值计算分析,并与试验结果进行对比,验证了数值计算分析方法的合理性。研究结果表明,当涡轮级反力度较高时,随着相对叶尖间隙的减小,其对涡轮性能的影响越来越明显;转子叶尖间隙变化对导向器喉部流通能力也会产生一定影响。