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。     

低压涡轮气动/声学一体化设计——总体参数优化

低压涡轮是航空发动机的重要噪声源之一,同时也是影响发动机单位推力耗油率的重要部件之一。为适应新一代发动机高效、低噪的设计目标,提出了基于传统涡轮设计流程的低压涡轮气动/声学一体化设计思路,并以某一典型民用发动机6级低压涡轮的设计要求为例,对末级功分配、通道外径、涡轮出口马赫数、叶片数目等涡轮总体参数进行了优化探索。结果表明,文中提出的设计思路可以在涡轮设计的总体参数选取阶段对涡轮效率和噪声同时进行有效评估,以便合理地选取涡轮总体参数,是一种可行的高效、低噪涡轮设计方法。     

风扇／压气机气动噪声实验研究

通过WP11压气机转子在亚音、跨音速条件下运行时的声近场测试，得到了风扇/压气机转子的各类气动噪声声源声近场频率及其传播特性，探讨了风扇/压气机各类气动噪声声源的发声机理。为航空涡扇发动机短仓进气部分消声声衬结构设计和位置选择及风扇/压气机声学设计与噪声预测提供了依据。     

航空发动机风扇宽频噪声预测技术发展研究

综述了风扇宽频噪声预测技术在航空发动机噪声控制领域的研究进展和应用,包括经验模型、分析模型、计算气动声学和机器学习等方法。对这些方法的发展现状进行了回顾,并对国内外情况进行了对比分析。研究发现,不同的预测模型适用于不同阶段的设计过程,如经验模型适用于概念设计阶段,分析模型适用于通流设计阶段,计算气动声学适用于详细设计阶段。此外,基于机器学习的风扇尾迹湍流预测是一个重要的研究方向,提高训练效率和预测精度将显著提升机器学习的适用性。最后,对风扇宽频噪声预测方法进行了简要总结和展望。     

亚音速引射器声学和气动设计计算

本着重介绍用气动声学理论求得亚音速引射器减噪量的计算公式。该计算公式使亚音速引射器气动计算与声学计算两之间相互联系起来，用以进行高温排气空气冷却噪声控制设计能取得经济合理的效果。     

特征值理论在稳定性预测中的应用研究进展

航空发动机三大主要部件风扇/压气机、燃烧室和涡轮的稳定工作范围直接决定了发动机整机的性能和稳定性,在追求高气动性能、高涡轮前温度和低排放的同时,主要部件的气动、气弹和燃烧稳定性问题变得尤为突出。基于经验的稳定性预估方法已不适用于现代航空发动机一体化的设计思想,发展快速、准确的稳定性评估方法和稳定性控制技术并将其纳入发动机设计流程具有重要的理论和工程价值。本文主要综述了基于小扰动方法和特征值理论发展的多种半解析模型的研究进展,该方法在设计阶段可以有效评估风扇/压气机气动稳定性、预测叶片颤振和主/加力燃烧室热声不稳定性,为进一步开展稳定性控制设计提供了基础,且为节约实验和数值成本,建立发动机一体化设计方法提供了可能。     

航空发动机稳态总体气动特性的逆向仿真研究

由于缺乏发动机稳态工作的气动参数数据,飞机/发动机气动一体化设计遇到了困难。为此对某型航空发动机的离散试车数据点进行了多元高次多项式拟合,建立了该型号发动机的稳态特性曲线。在此基础上进行了发动机的总体气动性能逆向仿真研究,建立了该型号发动机进出口气动参数随工况变化的关系曲线,为某型飞机的机体/发动机一体化气动设计提供了依据。      

航空发动机排气系统数值模拟技术的初步研究

通过对我国航空发动机排气系统数值模拟技术研究的回顾与分析，以正在开发的排气系统气动热力分析软件包为基础，初步分析了航空发动机排气系统数值模拟技术研究的基本思路、主要模块和数据流程，并针对工程设计的实际需要，对航空发动机排气系统数值模拟技术的研究提出了建议。     

增升装置多段翼型气动声学风洞实验研究

随着航空运输业的蓬勃发展,飞机的噪声污染受到越来越多的关注。在大型飞机起降阶段,增升装置作为主要的机体部件,其辐射出的噪声量级已经占据飞机总体噪声的很大一部分,是未来飞机能否进一步降低噪声达到适航标准的关键性因素。针对增升装置多段翼型30P30N的气动噪声问题进行实验研究,实验在北航D5气动声学风洞中开展,使用Kevlar布和穿孔板对实验段进行了气动声学改造,以满足透声不透气的气动声学实验要求。通过远场传声器和麦克风阵列测量得到30P30N模型的远场气动噪声特性和定位主要声源位置,引进小波变换的信号分析方法得到噪声的时频特性,全面揭示多段翼型的气动噪声产生机理。     

航空发动机涡轮气动技术发展研究

本文对航空发动机涡轮气动技术的发展做了概要论述，并对典型的涡轮气动设计方法重点进行了介绍其中包括先进的三维分析和ＣＡＤ技术的应用。     

燃烧室火焰筒结构在随机噪声作用下的振动响应分析

针对航空发动机燃烧室火焰筒结构声疲劳问题,建立了某型航空发动机燃烧室火焰筒有限元计算模型。采用耦合的边界元和有限元方法对该结构进行声激励载荷作用下的响应进行计算,获得该结构在不同声压级下的振动位移和应力响应结果,对燃烧室火焰筒结构疲劳故障分析和抗声疲劳结构设计具有一定参考价值。     

Aeroacoustic and aerodynamic optimization of propeller blades

It is of great significance to develop a high-efficiency and low-noise propeller optimization method for new-generation propeller aircraft design. Coupled with free form deformation method, dynamic mesh interpolation technology, optimization algorithm, surrogate model, aerodynamic calculation and aeroacoustic prediction model module, the integrated aerodynamic and aeroacoustic design method of propeller is built. The optimization design for the six-blade propeller is carried out. The non-reduction in efficiency, thrust coefficient and the minimum of aerodynamic noise is treated as the optimization design objective. The spatial vorticity distribution of the propeller before and after the design is also analyzed by using unsteady computational fluid dynamics method. The results show that the optimized propeller can effectively reduce the aerodynamic noise level. The maximum total sound pressure level can be reduced by 5 dB without reducing its aerodynamic performance. The developed method has good application potential in low-noise optimization design of propeller and other rotating machinery.     

基于混合区域极点配置的航空发动机全包线鲁棒变参数控制器设计

针对航空发动机全包线多变量鲁棒变增益控制器设计问题,提出了一种基于混合区域极点配置的鲁棒变参数控制方法。利用Jacobian方法建立多调度参数下的发动机仿射线性变参数(Linear parameter varying,LPV)模型,用于描述发动机全包线内的非线性动态特性;针对上述LPV模型,采用仿射参数依赖Lyapunov函数设计具有H∞鲁棒性能的状态反馈控制器,给出了控制系统全局稳定性的证明;并利用混合区域极点配置方法,将闭环系统极点配置到左半平面指定位置,以保证控制系统的动态特性及稳定裕度;进而引入凸多胞技术,将参数依赖线性矩阵不等式(Linear matrix inequality,LMI)方程转化为有限维LMI进行控制器求解,并得到了全局解。针对涡扇发动机的仿真结果表明:存在复杂量测噪声干扰条件下,鲁棒变参数控制器可以实现发动机全包线内控制指令的精确跟踪,系统阶跃响应的调节时间不超过1.5s,系统无超调,对控制期望的稳态跟踪误差在0.02%以内,符合发动机控制系统技术要求。     

Aerodynamic/aeroacoustic variable-fidelity optimization of helicopter rotor based on hierarchical Kriging model

Rotor noise is one of the most important reasons for restricting helicopter development; hence, the optimization design of rotor blade considering aeroacoustic and aerodynamic performance at the same time has always been the focus of research attention. For complex rotor design problems with a large number of design variables, the efficiency of the traditional Kriging model needs to be improved. Thus, Hierarchical Kriging (HK) model is employed in this study for rotor optimization design. By using the validated RANS solver and acoustic method based on the FW–H_pds equation, an efficient aerodynamic/aeroacoustic optimization method for high-dimensional problem of rotors in hover based on HK model is developed. By using present HK model and new infill-sampling criteria, the number of design variables is increased from less than 20–53. Results of two analytical function test cases show that the HK model is efficient and accurate in calculation. Subsequently, the helicopter rotor blade is optimally designed for aerodynamic/aeroacoustic performance in hover based on the HK model with high dimensional design variables. The objective function is adopted to improve the rotational noise characteristics by reducing the absolute peak of the acoustic pressure. In addition, the constraints of thrust, hover efficiency, solidity, and airfoils thickness are strictly satisfied. Optimization results show that the Kriging model finds the objective of reducing the noise by 2.87 dB after 248 iterations while the HK model does it only after 164 iterations. The optimization efficiency of the HK model is significantly higher than that of the traditional Kriging model. In the case analyzed, the HK model saves 35% of the time used by the Kriging model.     

涡扇发动机消喘系统设计与试验研究

在某型涡扇发动机气动失稳特征的基础上,建立了航空发动机失速/喘振特征工程数学模型,研制出发动机消喘系统数字仿真平台,完成了消喘系统的方案优化设计,并在地面台架和飞行台试验中得到了验证。其气动失稳工程数学模型、数字仿真优化设计技术和试验验证方法可广泛应用于航空发动机、地面和舰船燃气轮机、以及其它民用叶轮机械气动失稳测控设计领域,同时也为制定航空发动机消喘系统设计规范奠定了坚实的技术基础。     

民用飞机气动布局发展演变及其技术影响因素

在民用飞机气动布局发展演变的历程中,技术因素是根本推动力。为了研究未来民机的发展方向、技术需求以及应对策略,在回顾民机气动布局发展历程的基础上,梳理了在现代民机气动布局形成与演变过程中有着重要影响的4大类技术因素:航空发动机、气动设计、结构设计、飞行控制,并且揭示了这些技术因素在民机发展及其气动布局演变中所发挥的作用。结合未来航空运输市场出现的新需求,分析了未来民机的主要发展方向,重点分析了未来非常规布局民机可能采用的翼身融合、双气泡机身、支撑翼以及联结翼等气动布局形式。最后探讨了新技术条件下民用飞机发展在技术方面的需求和挑战,以及未来民用飞机总体设计的技术策略,明确了多学科设计优化是满足未来民机总体设计需求的有效技术途径。     

航空燃油离心泵参数化设计方法研究综述

燃油离心泵是航空发动机控制系统的关键动力元件,结合当前航空燃油离心泵技术发展和设计需要,本文总结对比了离心泵典型参数化设计及优化设计方法。首先分析了离心泵四种参数化设计方法的技术特点及其局限,考虑到离心泵参数设计方法中存在的随机性和盲目性问题,进一步补充分析了离心泵的结构优化方法,包括基于启发式算法的全局优化方法、基于梯度的优化设计方法和基于代理模型的优化设计方法三类,并指出了三类优化设计方法亟待解决的科学和技术问题。在此基础上,通过分析国外航空发动机燃油离心泵的发展状况,指出了我国航空发动机燃油离心泵所面临的技术挑战、问题和技术发展方向,并立足于现有国内设计基础,给出了夯实我国航空燃油离心泵设计能力需开展的基础性研究工作。     

大型客机气动设计综述

中国大型客机研制过程中追求"三减，四性"：减阻、减重、减排，安全性、经济性、舒适性、环保性。中国大型客机采用翼下常规布局形式，放宽静稳定技术，发动机选用CFM公司Leapx-1C发动机，这对气动设计技术在工程适用性上提出了极高的要求。大型客机是中国第1架完全自主知识产权民用飞机，本文综述了其设计过程中采用的先进气动优化设计方法、CFD分析和充分的风洞试验验证，说明了超临界机翼设计、高效增升装置设计、飞机/发动机一体化设计、尾翼设计、翼梢小翼设计和部件精细化减阻设计技术，能实现大型客机的减阻应用设计。研究表明，中国大型客机在气动设计水平和设计方法上取得了一系列的进展和突破，实现了设计具有较强竞争力的先进民用飞机的目标。     

翼身融合民机总体气动技术研究进展与展望

翼身融合（BWB）布局作为下一代亚声速民机主流方案已得到共识,研究步伐正在加快,进入工程应用指日可待。在回顾国内外BWB民机发展历程的基础上,简要阐述了飞翼布局（FW）和BWB布局的差异,明确了BWB概念特征及应用范围。聚焦BWB飞机总体气动设计中的技术挑战和对策,重点论述分析了BWB布局技术瓶颈及设计思想演化,新型结构与重量估算、适航符合性等总体设计问题,气动布局设计原则、高-低速性能协调等气动布局设计问题,飞-发干扰与一体化设计、新型发动机技术应用等飞机-发动机综合集成设计问题,降噪技术及其衍生的设计冲突、考虑噪声指标的总体设计策略等问题。并从技术进展和工程可实现性角度,展望了BWB民机的发展趋势。     

参数小偏差对某高推重比航空发动机性能的影响分析

依据小偏差法原理,针对涡扇发动机的工作特点,计算并分析了发动机过程参数及评定发动机各主要部件损失的系数等14个参数的小偏差对某高推重比航空发动机性能的影响,为某高推重比航空发动机设计过程中,如何调整某些参数补偿某另一参数的偏差对发动机性能的影响提供依据,同时为航空发动机的技术发展提供定量的指导作用。