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。      

可压升力面理论桨扇气动设计反问题方法

结合桨扇几何与流动特征讨论了其两大类设计方法的特点,研究了基于可压升力面理论的一种桨扇气动设计反问题方法.相比于传统螺旋桨升力面设计方法,其在旋转坐标系中小扰动线性化假设下严格处理了桨叶旋转、流动压缩性、宽弦大后掠桨叶和桨叶间相互作用,体现了桨扇有轮毂而无机匣的特征.给出了桨扇设计中载荷-下洗角、厚度-下洗角核函数表达式,与机翼核函数的对比验证了其准确性,给出了其在升力面弦向积分和展向积分中的处理方式.讨论了反问题中各设计分布参数的给定方式,特别是最佳载荷分布的给定.构造了一种修正反问题设计中流动损失影响的损失模型.给出了设计算例,数值分析了该设计方法的准确性.研究表明,在跨声速区,反问题给定的弦向载荷分布与数值模拟的存在一定差异,这主要由该设计方法线性化假设与跨声速流动非线性的差别造成.反问题得出的基元功率系数分布、总体性能参数与数值模拟的吻合较好.      

桨扇发动机进气道/对转桨扇气动干扰影响

针对桨扇发动机全环形进气道,开展8×8对转桨扇与进气道的耦合气动影响研究。采用滑移网格进行非定常流场计算,对比分析了高空巡航状态和地面起飞状态两种典型工况下对转桨扇/进气道的耦合气动影响,归纳总结了不同工况下的滑流影响机理、定量影响结果以及对转桨扇耦合进气道前后的气动性能差异。研究结果表明,对转桨扇产生的桨毂涡是影响进气道内流特性的主要因素,巡航工况下后排尾迹涡是进气道内涡系结构的主导,是造成流动不均匀的主要因素,地面工况下前后排尾迹耦合增强,常以对涡形式存在,共同影响进气道内流流场。尾迹涡在进气道内从前向后周期性运动带来气动参数的周期性振荡,当进气道内涡系结构以桨扇尾迹涡为主时,进气道沿程参数振荡幅值逐渐衰减。但振荡频率保持不变,相位角也保持等间距落后,当壁面分离涡脱体后,进气道涡系结构发生变化,参数振荡幅值、频率以及相位角均因分离涡的掺混发生扰动。滑流使得进气道总压水平提升,但复杂的尾迹涡导致进气道出口总压畸变和旋流畸变急剧恶化,内流出现严重不均匀分布,内流流动损失在巡航时增大2.85倍,起飞时增大1.09倍。此外,耦合进气道后,改变了对转桨扇后排叶片通道内部流场结构,使得通道内速度降低,叶片吸力面激波位置前移;且改变了不同高度叶素的工作特性,提高了桨扇推力性能。在设计工况下,前排桨叶推力系数提高了5.9%,后排推力系数提高了27%,桨扇整体效率提高了5.2%。     

桨扇发动机进气道/对转桨扇气动干扰影响

针对桨扇发动机全环形进气道;开展8×8对转桨扇与进气道的耦合气动影响研究。采用滑移网格进行非定常流场计算;对比分析了高空巡航状态和地面起飞状态两种典型工况下对转桨扇/进气道的耦合气动影响;归纳总结了不同工况下的滑流影响机理、定量影响结果以及对转桨扇耦合进气道前后的气动性能差异。研究结果表明;对转桨扇产生的桨毂涡是影响进气道内流特性的主要因素;巡航工况下后排尾迹涡是进气道内涡系结构的主导;是造成流动不均匀的主要因素;地面工况下前后排尾迹耦合增强;常以对涡形式存在;共同影响进气道内流流场。尾迹涡在进气道内从前向后周期性运动带来气动参数的周期性振荡;当进气道内涡系结构以桨扇尾迹涡为主时;进气道沿程参数振荡幅值逐渐衰减。但振荡频率保持不变;相位角也保持等间距落后;当壁面分离涡脱体后;进气道涡系结构发生变化;参数振荡幅值、频率以及相位角均因分离涡的掺混发生扰动。滑流使得进气道总压水平提升;但复杂的尾迹涡导致进气道出口总压畸变和旋流畸变急剧恶化;内流出现严重不均匀分布;内流流动损失在巡航时增大2.85倍;起飞时增大1.09倍。此外;耦合进气道后;改变了对转桨扇后排叶片通道内部流场结构;使得通道内速度降低;叶片吸力面激波位置前移;且改变了不同高度叶素的工作特性;提高了桨扇推力性能。在设计工况下;前排桨叶推力系数提高了5.9%;后排推力系数提高了27%;桨扇整体效率提高了5.2%。     

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。      

桨扇模型的气动性能和气动声学的实验研究

概述了具有不同安装角的直叶片、前掠叶片、后掠叶片等3种桨扇模型在起飞状态下出口流场的气动性能和气动声学实验结果及其相互间的对比。主要结论为:良好的气动设计不仅是提高气动性能的要求, 而且也是改善桨扇气动声学性能的有效途径;有掠度的叶片具有降噪的潜力;桨扇叶尖区采用卸荷设计有利于降噪及提高效率。      

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。     

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。     

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。