李曉娟，金海良，桂幸民

（1.中國(guó)航天工程咨詢(xún)中心，北京100037；2.中航工業(yè)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲412002；3.北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京100191）

外涵靜子后掠對(duì)某風(fēng)扇/增壓級(jí)氣動(dòng)特性的影響

李曉娟1，金海良2，桂幸民3

（1.中國(guó)航天工程咨詢(xún)中心，北京100037；2.中航工業(yè)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲412002；3.北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京100191）

針對(duì)某大涵道比風(fēng)扇/增壓級(jí)外涵靜子后掠降噪的優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用1種周向平均快速特性預(yù)測(cè)計(jì)算方法和3維數(shù)值模擬軟件N U M ECA，對(duì)其100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下外涵靜子無(wú)后掠及軸向后掠22.5°和30°算例的特性曲線(xiàn)及流場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比分析，以研究外涵靜子軸向后掠對(duì)風(fēng)扇/增壓級(jí)特性及氣動(dòng)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：一定程度的軸向后掠角度會(huì)使靜子表面靜壓在葉尖處增強(qiáng)，而根部的葉片表面靜壓分布更趨均勻，風(fēng)扇/增壓級(jí)的外涵氣動(dòng)特性在裕度上無(wú)明顯惡化；但嚴(yán)重的后掠角度則會(huì)導(dǎo)致葉尖葉片表面載荷顯著增加，從而造成外涵的喘振裕度減小，進(jìn)而影響整個(gè)風(fēng)扇/增壓級(jí)的氣動(dòng)性能。

風(fēng)扇/增壓級(jí)；外涵靜子；降噪；后掠；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

風(fēng)扇/增壓級(jí)是渦輪風(fēng)扇壓氣機(jī)的主要核心部件，其性能優(yōu)劣將直接影響整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能[1]。因此，風(fēng)扇/增壓級(jí)設(shè)計(jì)一直是民用大涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)[2-3]。隨著近年對(duì)飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性和舒適性要求的提高，降噪成為大風(fēng)扇/增壓級(jí)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題。而靜子葉片“后掠”設(shè)計(jì)是1種極具吸引力的解決方法。試驗(yàn)表明[4-5]，對(duì)于轉(zhuǎn)子內(nèi)存在前緣激波和通道激波的風(fēng)扇級(jí),后掠靜子能有效地減小激波噪聲的強(qiáng)度，而對(duì)于轉(zhuǎn)子內(nèi)無(wú)激波出現(xiàn)的低轉(zhuǎn)速風(fēng)扇級(jí)，后掠靜子也能改變氣動(dòng)噪聲，如進(jìn)氣畸變?cè)肼?，轉(zhuǎn)子-靜子干涉噪聲的大小。但是，在設(shè)計(jì)過(guò)程中除了要考慮葉片的聲學(xué)性能外，氣動(dòng)性能也是影響設(shè)計(jì)的1個(gè)重要因素[6]。

本文根據(jù)某大涵道比風(fēng)扇/增壓級(jí)外涵靜子后掠的降噪優(yōu)化目標(biāo)，利用周向平均方法和3維數(shù)值模擬軟件NUMECA對(duì)某大涵道比的風(fēng)扇/增壓級(jí)外涵靜子無(wú)后掠、外涵靜子軸向后掠22.5°及軸向后掠30°后的100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速特性曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)考察了外涵靜子軸向后掠對(duì)靜子內(nèi)流場(chǎng)的影響，以研究外涵靜子軸向后掠對(duì)風(fēng)扇/增壓級(jí)特性及氣動(dòng)性能的影響規(guī)律。

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 計(jì)算方法

葉片后掠設(shè)計(jì)是從飛機(jī)后掠翼的思路發(fā)展來(lái)的，主要目的是當(dāng)來(lái)流馬赫數(shù)超聲速時(shí)，減小垂直于前緣的馬赫數(shù)，從而減小前緣脫體波的損失；當(dāng)槽道中激波面與波前氣流速度矢量斜交時(shí)，減小激波損失。但后掠設(shè)計(jì)的葉片由于在葉片尖部施加了1個(gè)弱的端壁流使得局部氣動(dòng)負(fù)荷增加，尾緣處附面層變厚，通常會(huì)造成喘振裕度減小，影響工程實(shí)用性[7]。所以，考核外涵靜子降噪后掠后對(duì)多級(jí)風(fēng)扇/增壓級(jí)的全工況下流量裕度的影響至關(guān)重要。同時(shí)，在風(fēng)扇/增壓級(jí)的外涵靜子后掠降噪的優(yōu)化過(guò)程中，要達(dá)到既滿(mǎn)足降噪又對(duì)整個(gè)風(fēng)扇/增壓級(jí)氣動(dòng)特性不產(chǎn)生惡化影響的目標(biāo)，要經(jīng)過(guò)多次重復(fù)的計(jì)算、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)和修正，尤其是在優(yōu)化設(shè)計(jì)初期階段，對(duì)風(fēng)扇/增壓級(jí)這種多葉片排，計(jì)算網(wǎng)格個(gè)數(shù)幾百萬(wàn)甚至上千萬(wàn)的研究對(duì)象來(lái)說(shuō)，若每次修正均采用3維數(shù)值模擬軟件對(duì)其全工況的氣動(dòng)特性進(jìn)行預(yù)測(cè)不現(xiàn)實(shí)也沒(méi)有必要，所以，此時(shí)能夠快速的預(yù)測(cè)多葉片排的風(fēng)扇/增壓級(jí)的設(shè)計(jì)點(diǎn)及非設(shè)計(jì)點(diǎn)的氣動(dòng)特性顯得非常必要。因此，采用自主研發(fā)的周向平均Euler方法特性預(yù)測(cè)程序[8]對(duì)外涵靜子后掠優(yōu)化處理的風(fēng)扇/增壓級(jí)算例進(jìn)行了內(nèi)外涵聯(lián)算的快速氣動(dòng)性能評(píng)估，確定近設(shè)計(jì)壓比點(diǎn)后利用3維數(shù)值軟件NUMECA對(duì)流場(chǎng)細(xì)節(jié)進(jìn)行深入考核，以便快速找到后掠的最優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。

圖1 外涵靜子后掠角

根據(jù)聲學(xué)降噪分析[9]提供的數(shù)據(jù)可以確定以聲學(xué)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)靜干涉噪聲為標(biāo)準(zhǔn)的最優(yōu)后掠角為22°～23°。因此，對(duì)于某大涵道比風(fēng)扇/增壓級(jí)降噪優(yōu)化措施是其外涵靜子沿積疊線(xiàn)軸向后掠22.5°（如圖1所示）。為進(jìn)一步了解風(fēng)扇/增壓級(jí)外涵靜子后掠對(duì)風(fēng)扇/增壓級(jí)特性的影響，還增加了外涵靜子后掠30°的算例進(jìn)行分析比較。計(jì)算時(shí)，先利用周向平均方法對(duì)外涵靜子后掠優(yōu)化處理的100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速算例進(jìn)行了內(nèi)外涵聯(lián)算的快速氣動(dòng)性能評(píng)估（相關(guān)數(shù)據(jù)做了無(wú)量綱化處理），確定近設(shè)計(jì)壓比點(diǎn)后利用3維數(shù)值軟件對(duì)流場(chǎng)細(xì)節(jié)進(jìn)行深入分析。

1.2 計(jì)算網(wǎng)格

研究表明，對(duì)于雙涵道的風(fēng)扇/增壓級(jí)性能計(jì)算是不同于單涵道的軸流壓氣機(jī)的，決定其工作狀態(tài)的參數(shù)不僅有進(jìn)口的總溫、總壓及總流量，還有另外1個(gè)重要參數(shù)——涵道比，而涵道比又同時(shí)受到進(jìn)口參數(shù)、內(nèi)外涵出口背壓、流道幾何參數(shù)特別是分流環(huán)幾何參數(shù)的影響。

另外，在CFD模擬過(guò)程中，通過(guò)檢查計(jì)算的收斂性對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行依賴(lài)性試驗(yàn)是十分重要的。因此，分流環(huán)處的計(jì)算網(wǎng)格尺寸應(yīng)受到嚴(yán)格控制，并應(yīng)作出特別的優(yōu)化處理[10]。

文獻(xiàn)[11]曾對(duì)分流環(huán)處3維計(jì)算網(wǎng)格（如圖2所示）的處理進(jìn)行過(guò)詳細(xì)研究，研究結(jié)果顯示，在內(nèi)、外涵進(jìn)口前增加1個(gè)包含分流環(huán)一小部分固壁面的網(wǎng)格塊的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)能夠明顯的表現(xiàn)：氣流在分流環(huán)端部的滯止現(xiàn)象以及分流環(huán)形狀特征對(duì)風(fēng)扇/增壓級(jí)整個(gè)流場(chǎng)的影響，同時(shí)與試驗(yàn)特性曲線(xiàn)的比較發(fā)現(xiàn)，這種網(wǎng)格結(jié)構(gòu)由于提高了分流環(huán)處的氣流流動(dòng)對(duì)背壓變化的敏感性，因此，更能真實(shí)反映風(fēng)扇/增壓級(jí)內(nèi)、外涵的氣動(dòng)特性，尤其是對(duì)風(fēng)扇/增壓級(jí)的內(nèi)涵特性曲線(xiàn)影響更為顯著。因此，使用周向平均計(jì)算方法的算例里，都使用了與3維網(wǎng)格處理相似的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，處理細(xì)節(jié)如圖3所示。

圖2 風(fēng)扇/增壓級(jí)3維計(jì)算網(wǎng)格

圖3 風(fēng)扇/增壓級(jí)2維計(jì)算網(wǎng)格

1.3 風(fēng)扇/增壓級(jí)特性曲線(xiàn)的計(jì)算方法

風(fēng)扇/增壓級(jí)的特性曲線(xiàn)與單涵道風(fēng)扇特性曲線(xiàn)不同，具有內(nèi)、外涵2組特性曲線(xiàn)，一般測(cè)試風(fēng)扇/增壓級(jí)特性的試驗(yàn)方法是：

（1）內(nèi)涵特性。將外涵節(jié)氣門(mén)固定在工作壓比點(diǎn)附近，調(diào)節(jié)內(nèi)涵節(jié)氣門(mén)，當(dāng)狀態(tài)點(diǎn)穩(wěn)定后，采集并處理數(shù)據(jù)，得到內(nèi)涵特性。

（2）外涵特性。將內(nèi)涵節(jié)氣門(mén)固定在工作壓比點(diǎn)附近，調(diào)節(jié)外涵節(jié)氣門(mén)，當(dāng)狀態(tài)點(diǎn)穩(wěn)定后，采集并處理數(shù)據(jù)，得到外涵特性。

為了和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行有效地比較，在對(duì)風(fēng)扇增壓級(jí)進(jìn)行特性計(jì)算時(shí)也采用與試驗(yàn)方法相似的手段，具體的計(jì)算過(guò)程為：

（1）內(nèi)涵特性。將外涵背壓固定在設(shè)計(jì)壓比點(diǎn)附近，改變內(nèi)涵背壓進(jìn)行計(jì)算，得到內(nèi)涵特性曲線(xiàn)。

（2）外涵特性。將內(nèi)涵背壓固定在設(shè)計(jì)壓比點(diǎn)附近，改變外涵背壓進(jìn)行計(jì)算，得到外涵特性曲線(xiàn)。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

在風(fēng)扇/增壓級(jí)100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，外涵靜子后掠不同角度時(shí)內(nèi)涵特性曲線(xiàn)（無(wú)量綱化）的對(duì)比如圖4所示。文獻(xiàn)[8,12]使用周向平均方法程序?qū)δ筹L(fēng)扇/增壓級(jí)原型100%、96%、88%、80%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的內(nèi)、外涵特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并與試驗(yàn)和3維數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于3維數(shù)值模擬軟件，周向平均方法程序計(jì)算得到的結(jié)果裕度普遍偏大，這與程序中引入的葉片損失?；问胶瓦x取的穩(wěn)定邊界判定方法有著必然的聯(lián)系[8,12]，但是，在相同的計(jì)算工具下，內(nèi)涵效率和壓比特性曲線(xiàn)幾乎不受外涵靜子后掠角度的影響，因此，著重研究了后掠對(duì)風(fēng)扇/增壓級(jí)外涵氣動(dòng)特性的影響。

外涵靜子不同后掠角下風(fēng)扇/增壓級(jí)在100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的外涵特性曲線(xiàn)（無(wú)量綱化）的對(duì)比如圖5所示，從圖中可見(jiàn)，盡管周向平均方法與NUMECA3維數(shù)值模擬軟件相比計(jì)算的效率偏高且壓力偏大，但在同一計(jì)算工具下，各后掠角的外涵壓比曲線(xiàn)相當(dāng)接近，在后掠角υ由0°增至30°的過(guò)程中，風(fēng)扇/增壓級(jí)外涵裕度沒(méi)有出現(xiàn)明顯的減小，甚至在后掠角υ=22.5°時(shí)，裕度有提高趨勢(shì)，且其最高效率點(diǎn)略微大于υ=0°時(shí)風(fēng)扇/增壓級(jí)最高效率點(diǎn)的效率。而當(dāng)υ=30°時(shí)最高外涵效率與υ=0°時(shí)最高外涵效率幾乎沒(méi)有差別。

圖4 不同后掠角下風(fēng)扇/增壓級(jí)的內(nèi)涵特性曲線(xiàn)對(duì)比

圖5 不同后掠角下風(fēng)扇/增壓級(jí)的外涵特性曲線(xiàn)對(duì)比

在外涵近設(shè)計(jì)壓比工況下，外涵靜子不同后掠角風(fēng)扇/增壓級(jí)周向平均面相對(duì)馬赫數(shù)等值線(xiàn)分布情況對(duì)比如圖6所示，從圖中對(duì)比可見(jiàn)，外涵靜子的后掠對(duì)外涵靜子前后以及風(fēng)扇/增壓級(jí)整體的周向平均面的相對(duì)馬赫數(shù)分布并沒(méi)有產(chǎn)生非常明顯的影響。但是外涵靜子葉尖和葉根部分流場(chǎng)性能由于靜子的后掠還是發(fā)生了變化。

圖6 不同后掠角風(fēng)扇/增壓級(jí)周向平均面相對(duì)馬赫數(shù)等值線(xiàn)分布

不同后掠角外涵近設(shè)計(jì)壓比狀態(tài)出口特性參數(shù)分布如圖7所示，從圖中可見(jiàn)，在外涵近設(shè)計(jì)壓比工況下，外涵出口的總壓，總溫和效率參數(shù)從根到尖的分布情況，強(qiáng)烈的后掠使得外涵靜子近設(shè)計(jì)壓比狀態(tài)點(diǎn)出口葉尖部分的總壓上升而根部總壓有所下降，從而引起了外涵出口效率參數(shù)沿相對(duì)葉高分布的變化。

圖7 不同后掠角外涵近設(shè)計(jì)壓比狀態(tài)出口特性參數(shù)分布

圖8 不同后掠角外涵靜子總壓恢復(fù)系數(shù)

各掠角下外涵近設(shè)計(jì)壓比狀態(tài)點(diǎn)通道出口的總壓恢復(fù)系數(shù)如圖8所示，從圖中可見(jiàn)，在一定的后掠角的范圍內(nèi)，外涵的總壓恢復(fù)系數(shù)并不會(huì)降低。而在后掠角超出某個(gè)范圍后，外涵的總壓恢復(fù)系數(shù)開(kāi)始有明顯迅速降低的趨勢(shì)。

為了深入考察后掠對(duì)外涵靜子周?chē)鲌?chǎng)細(xì)節(jié)的影響，借助3維數(shù)值模擬軟件NUMECA的幫助，對(duì)風(fēng)扇/增壓級(jí)100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速內(nèi)、外涵同時(shí)處于近設(shè)計(jì)壓比條件下的工況狀態(tài)進(jìn)行了3維流場(chǎng)的數(shù)值模擬。

風(fēng)扇/增壓級(jí)外涵靜子無(wú)軸向掠角（υ=0°），后掠22.5°以及后掠30°在近設(shè)計(jì)壓比狀態(tài)時(shí)吸、壓力面靜壓沿相對(duì)葉展的分布如圖9所示，曲線(xiàn)根據(jù)相對(duì)于軸向弦長(zhǎng)50%位置上的靜壓沿相對(duì)葉展方向連接而成。從圖中可見(jiàn)，靜子通道中部，靠近吸力面一側(cè)形成了“ε”形的展向靜壓分布。與無(wú)后掠葉片相比，葉片后掠對(duì)壓力面靜壓沿葉型表面的基本分布規(guī)律沒(méi)有劇烈的影響。但是，外涵靜子葉片后掠以后使得吸力面靜壓沿展向的分布規(guī)律發(fā)生了明顯的變化。在葉尖部分靜壓顯著增加，葉根略微減弱，特別是在υ=30°時(shí)葉尖靜壓增強(qiáng)非常明顯。這樣會(huì)使低能氣流在壓差力的作用下不斷向通道根部聚集，導(dǎo)致根部損失增加、從而降低外涵效率。因此，在進(jìn)行風(fēng)扇/增壓級(jí)外涵靜子葉片的后期設(shè)計(jì)及降噪優(yōu)化的工作過(guò)程中，在考慮靜子葉片后掠已達(dá)到降噪要求的前提下，應(yīng)盡量選擇合適的后掠角度，以保證風(fēng)扇/增壓級(jí)的外涵效率不受到影響。

圖9 不同后掠角外涵靜子葉片表面靜壓沿葉展分布

在近設(shè)計(jì)壓比狀態(tài)下外涵靜子葉根、葉中和葉尖3個(gè)跨葉片平面上，葉片尾緣主流速度沿周向相對(duì)尺寸由吸力面到壓力面的分布情況如圖10所示，從圖中可見(jiàn)，葉片的軸向后掠對(duì)葉中附近的流動(dòng)狀態(tài)影響并不大，而對(duì)于葉跟和葉尖部分產(chǎn)生了一定的影響，后掠靜葉片提高了葉片根、尖部尾緣的主流速度，改善了局部流場(chǎng)的氣動(dòng)特性。

圖10 不同后掠角外涵靜子葉片尾緣主流速度沿周向分布

圖11 不同后掠角情況下外涵靜子根和尖葉片表面靜壓沿流向分布

風(fēng)扇/增壓級(jí)外涵靜子在不同后掠角的情況下，根、尖葉片表面靜壓沿流向的分布規(guī)律如圖11所示，從圖中可以看出，相對(duì)于無(wú)后掠葉片，后掠葉片使葉片根部葉型上的載荷分布趨于均勻化，而進(jìn)口段的逆壓梯度大大減小，從而控制了邊界層在此處的發(fā)展以及分離的發(fā)生，使葉片端壁附近的氣動(dòng)性能有所改善，而在葉尖部分，后掠不僅加劇了葉型載荷分布的不均勻性，還增強(qiáng)了逆壓梯度，導(dǎo)致該部分的氣動(dòng)性能惡化。

3 結(jié)論

在對(duì)某大涵道比風(fēng)扇/增壓級(jí)100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的特性及周向平均面流場(chǎng)特征的分析和研究的基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)扇/增壓級(jí)外涵靜子進(jìn)行了后掠優(yōu)化的研究，通過(guò)開(kāi)發(fā)的周向平均方法程序以及3維數(shù)值模擬軟件對(duì)外涵靜子后掠的風(fēng)扇/增壓級(jí)的氣動(dòng)特性聯(lián)合模擬研究發(fā)現(xiàn)，外涵靜子后掠一定角度，對(duì)風(fēng)扇/增壓級(jí)內(nèi)涵氣動(dòng)特性影響非常有限；但對(duì)外涵來(lái)說(shuō)，一定程度的軸向后掠角度會(huì)使外涵靜子通道中吸力面形成的“ε”型展向靜壓分布規(guī)律發(fā)生明顯變化，在葉尖處?kù)o壓增強(qiáng)，葉根處則略有減弱；同時(shí)，外涵靜葉適度后掠使根部的葉片表面靜壓分布更趨均勻，葉尖和葉根尾緣部分周向流動(dòng)狀態(tài)有一定的改善，外涵出口參數(shù)沿葉高的分布情況產(chǎn)生變化，但風(fēng)扇/增壓級(jí)的整體外涵氣動(dòng)特性并沒(méi)有受到嚴(yán)重不良影響，裕度沒(méi)有明顯減?。划?dāng)然，嚴(yán)重的后掠角度還是會(huì)導(dǎo)致葉尖葉片表面載荷分布的惡化，從而影響外涵的整個(gè)氣動(dòng)性能。因此，在進(jìn)行外涵靜葉設(shè)計(jì)和后掠優(yōu)化過(guò)程中，選擇合適的后掠角度可以保證風(fēng)扇/增壓級(jí)外涵的氣動(dòng)特性不受影響，甚至產(chǎn)生改善。

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Effect of Bypass Duct Backward Swept Stator Blade on Performance of Fan/Compressor

LI Xiao-juan1,JIN Hai-liang2,GUI Xing-min3
（1.China Aerospace Engineering Consultation Center,Beijing 100037,China; 2.AVIC Aviation Power Machinery Research Institute,Zhuzhou Hunan 412002,China; 3.School of Jet Propulsion,Beihang University,Beijing 100191,China）

To meet the challenge of a high bypass ratio fan/compressor optimization design on noise reduction,using the circumferentially-averaged method and the multi-blade-row computational techniques,the aerodynamic performance of three types with swept bypass stator at 0°,22.5°and 30°sweep angle were simulated at 100%design rotational speed,and the detailed results were analyzed respectively and compared with results obtained from 3D numerical simulation software NUMECA.The results show that the axial sweep degree will make the blade surface pressure of the stator static pressure increase in tip,and the blade surface static pressure distribution of root become more uniform,then the aerodynamic performance margine of fan/compressor bypass is changed a little.But larger sweep degree will increase blade tip surface load,decrease bypass surge margin,furthermore it affects the aerodynamic performance of the fan/compressor bypass.

fan/compressor;bypass stator;numerical simulation;noise reduction;sweep;circumferentially-averaged

李曉娟（1980），女，博士，高級(jí)工程師，從事航空/航天工程咨詢(xún)工作。

國(guó)家自然科學(xué)基金（50736007，51006005）資助

2012-11-07