桨扇后掠降噪规律及声学机理数值研究_贺象.pdf

文章编号：1000-8055（2023）04-0939-10doi：10.13224/ki.jasp.20210214桨扇后掠降噪规律及声学机理数值研究贺象，赵振国，舒太波，彭学敏（中国航发湖南动力机械研究所中小型航空发动机叶轮机械湖南省重点实验室，湖南株洲412002）摘要：结合三维流场数值模拟方法和声学 FfowcsWilliams-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 3dB 以上。关键词：对转桨扇；桨叶后掠角；FfowcsWilliams-Hawkings 方法；气动性能；压力脉动强度；噪声指向性中图分类号：V215.3文献标志码：ANumericalinvestigationofnoisereductionlawandacousticmecha-nismofthesweepbackpropfanHEXiang，ZHAOZhenguo，SHUTaibo，PENGXuemin（HunanKeyLaboratoryofTurbomachineryonSmallandMediumAero-Engine，HunanAviationPowerplantResearchInstitute，AeroEngineCorporationofChina，ZhuzhouHunan412002，China）Abstract:The propfan flow-field and acoustic features were investigated by combining the 3DnumericalsimulationwithFfowcsWilliams-Hawkingsequation.Andtheeffectsofpropfansweepbackangleonaerodynamicperformanceandnoiselevelwerestudied.Itindicatedthat,withpropfansweepbackangleincreasingfrom0to40,thethrustefficiencywaspromotedabout1.5percentagepointsatthehighspeedcruiseconditionbutslightlyatthetake-offcondition.Thepropfannoiselevelwasdirectlyrelatedtothepressurefluctuationintensityoftherearbladesuctionsurface.Withtheincreaseofsweepbackangle,thepressurefluctuationintensitydecreased,andthenthenoiselevelinallangularpositionswasreducedatthetake-offcondition.Atthe75angularpositionwiththemaximumsoundpressurelevel,thesoundpressureleveldecreasebymorethan3dBwithpropfansweepbackangleincreasingfrom0to40.Keywords:contrarotatingpropfan；bladebackwardsweepangle；FfowcsWilliams-Hawkingsmethodology；aerodynamicperformance；pressurefluctuationintensity；noisedirectivity桨扇发动机又称开式转子发动机，可看作带先进高速螺旋桨的涡桨发动机，也可看作是一种不带外涵道的超高涵道比的涡扇发动机。它带有多个宽弦、掠型薄叶片，双排对转，能减小激波损收稿日期：2021-05-06基金项目：湖南创新型省份建设专项经费（2020RC3096）作者简介：贺象（1984），男，高级工程师，博士，主要从事叶轮机械气动热力学研究。E-mail：引用格式：贺象,赵振国,舒太波,等.桨扇后掠降噪规律及声学机理数值研究J.航空动力学报,2023,38（4）：939-948.HEXiang,ZHAOZhen-guo,SHUTaibo,etal.Numericalinvestigationofnoisereductionlawandacousticmecha-nismofthesweepbackpropfanJ.JournalofAerospacePower,2023,38（4）：939-948.第38卷第4期航空动力学报Vol.38No.42023年4月JournalofAerospacePowerApr.2023失和排气旋流，使飞行马赫数比常规螺桨高，并能在较高的飞行速度下保持较高的推进效率；它兼有涡桨推进效率高、耗油率低和涡扇飞行速度大的优点1-2。桨扇发动机所具有的优势主要体现在对转桨扇这一核心关键部件，国际上开展了大量的研究工作，文献 3 对国外桨扇技术发展的进行了较全面的综述。目前，国际上已突破了桨扇气动设计问题，在巡航马赫数超过 0.70 的情况下，先进对转桨扇的推进效率可高达 85.0%以上4-7，国际上先后完成了多个桨扇发动机技术验证机研制8-11。由于对转桨扇两排桨叶对转，气动上相互干涉，导致气动噪声明显高于常规螺桨，这是桨扇发动机进入型号研制的重要限制因素，目前国外仅有D-27 桨扇发动机配装 An-70 定型服役12。因此，桨扇气动噪声在桨扇技术领域目前是一个热点问题，国外结合声学仿真和风洞试验开展了大量降噪优化设计研究。欧洲各国联合开展了桨扇气动优化设计、计算气动声学（CAA）声场模拟及风洞试验研究13-15，获得了详细的桨扇流场结构、安装支架对桨扇性能及噪声的影响、前后排桨叶相互干扰的流场结构等，为 SNECMA 开式转子发动机的研制提供了理论方法和数据支撑。通用电气（GE）公司在桨扇噪声领域取得明显突破6,16-17，在 F-A 系列桨扇基础上研制了新一代对转桨扇叶型 Gen2A+B，其噪声水平优于第 4 阶段噪声标准，并且具有一定噪声裕度。桨扇可采用多种方法实现降噪，包括大后掠设计18-19、增加叶片数降低负荷16、功率分配比优化20、缩小直径或降低转速减小叶尖切线速度16、增大前后桨直径比16等。国内与桨扇相关文献基本上是相关技术发展的综述，具体桨扇技术研究鲜有发表。本文针对对转桨扇，采用定常数值模拟方法分析桨叶后掠对桨扇性能的影响规律，结合非线性谐波非定常数值模拟和 FfowcsWilliams-Hawkings（FWH）方法计算分析桨扇远场噪声辐射特征，以及桨扇后掠降噪规律和机理。1研究对象对转桨扇为拉进式构型，前、后排桨叶对转，转速大小相同。本文采用基于升力面理论的设计方法21开展桨扇的气动设计，桨叶叶片数选择前8 后 6。在巡航状态下，来流马赫数超过 0.7，叶尖切线速度约 200m/s 左右，叶尖相对马赫数接近声速，因此，为提高推进效率采用了马刀型大后掠和薄翼型宽弦设计，桨扇几何模型如图 1 所示。对于起飞状态，由于来流马赫数降低至 0.20.25，为兼顾起飞推进效率和噪声水平，叶尖相对马赫数通常选择降低至 0.7 左右，甚至更低。桨叶叶型 采 用 三 段 式 设 计22，桨 根 至 40%叶 高 采 用NACA65 叶型，50%叶高至叶尖采用 NACA16 叶型，中间 40%50%叶高插值光滑过渡。ZXY图1对转桨扇模型Fig.1Contrarotatingpropfanmodel本文研究对象包含 0、10、20、30、40共5 个 后 掠 桨 扇 模 型，下 文 用 Sweep0、Sweep10、Sweep20、Sweep30 和 Sweep40 来表示。对于每一个桨扇模型，其前、后排桨的积叠线和后掠角保持一致。由于螺旋桨/桨扇作为涡桨类飞机的最大噪声源之一，在起飞过程中噪声水平尤其显著，且飞机噪声适航审定关注的重点也是起飞、进场等飞行状态。因此，本文桨扇噪声相关研究主要针对起飞条件进行。2桨扇声学分析方法本文桨扇气动声学分析分为两个步骤23：其一，采用商业 CFD 软件 Numeca 的非线性谐波法（NLH）对桨扇非定常流场进行仿真，获得声源；其二，采用 Numeca 专业声学模块 Fine/Acoustics的 FWH 方法对桨扇声场进行求解，获得桨扇噪声辐射特性。2.1三维定常和非定常数值模拟方法本文桨扇的计算区域尺寸选取参考了文献21，采用 AutoGrid 对计算域进行结构化网格划分。如图 2 所示，远前方边界和远后方边界到桨盘的距离为 10 倍桨尖半径，径向远场边界处的半径选为 6 倍桨尖半径。由于两排叶片对转，前、后叶片排的中间面作为转-转交界面，将桨扇计算域划940航空动力学报第38卷分为前、后两个对转的计算域。计算域网格数分布如表 1 所示，总网格数为 204 万。Far-field boundarySlip wallSlip wallBlade meshFront rotortip meshRear rotortip meshMixing plane图2计算网格及边界条件21Fig.2Computationalmeshandboundaryconditions21表1网格数分布Table1Meshdistributions位置网格数/104前排桨46后排桨46远场112转-转交界面设置为掺混面，计算域采用周期边界条件，前后桨均只计算单个通道；进口、出口和远场设置远场边界条件，给定静压、速度和静温；桨盘轮毂为旋转壁面，桨盘上下游轮毂壁面设置为滑移边界；选用 Spalart-Allmaras 湍流模型，采用非线性谐波法（NLH）进行频域非定常流场计算。为保证本文不同掠角桨扇模型计算结果的可比性，采用了相同的网格拓扑模板和计算设置。2.2噪声仿真分析方法将 NLH 非定常计算获得的叶片表面前 3 阶静压谐波作为噪声计算的声源数据，导入到FineAcoustics 软件。由于桨扇在起飞状态下，叶尖马赫数低于 0.9，在噪声求解设置中，声源包络面选取为叶片表面，将静压谐波数据映射到声源包络面。以前桨桨盘中心为原点，在半径 R=50m的远场布置半圆观察点阵列，如图 3 所示，0位置为桨扇下游正后方，180位置为桨扇上游正前方，在 0至 180范围内每隔 2.5布置一个观察点，总共布置 73 个点。采用 FWH 方法进行远场噪声辐射求解，获得每个点上的噪声数据。901800R=50 m图3虚拟麦克风布置Fig.3Layoutofthevirtualmicrophones3桨叶后掠对气动性能的影响=FV/P在进行声学分析之前，采用定常数值模拟方法，对不同掠角桨扇模型进行了计算分析，研究桨叶后掠对气动性能的影响。图 4 为不同后掠角下桨扇巡航和起飞马赫数下推进效率随前进比变化的特性线；其中，推进效率定义为飞行推进功率与发动机轴功率之比，推进功率定义为螺旋桨推进拉力 F 与飞行速度 V 乘积；前进比定义为飞行速度 V 与 2 倍叶尖切线速度之比2.82.93.03.13.23.33.43.53.60.800.850.900.951.051.000.01Advanced ratioAdvanced ratioSweep0Sweep10Sweep30Sweep20Sweep40Sweep0Sweep10Sweep30Sweep20Sweep40Cruise(a)巡航(b)起飞Take off