低压涡轮的气动-声学三维数值优化倾斜导叶策略

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaFeb．252013V01．34No．2246．254ISSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．onhkxb@buaa．edu．cn低压涡轮的气动一声学三维数值优化：倾斜导叶策略赵磊1，乔渭阳1’*，谭洪川1’21．西北工业大学动力与能源学院，陕西西安7100722．中国燃气涡轮研究院，四川I成都610500摘要：低压涡轮既是飞机进场着陆时发动机的重要声源，也是发动机中对效率要求很高的部件之一，为了实现低压涡轮低噪声

2、的设计目标必须同时兼顾气动性能指标。研究给出了高效低噪声低压涡轮气动一声学三维优化的思路，即首先通过计算流体力学(CFD)定常计算评估三维设计变化对气动性能的影响；然后利用非定常CFD方法与三平面压力模态匹配(TPP)方法的结合来评估其降噪的效果与非定常气动影响；最后确定最佳的设计方案。以GE—E3(EnergyEfficientEngine)低压涡轮末级为算例，数值模拟了导叶倾斜作为低压涡轮降噪措施的潜力。计算结果表明，正倾斜导叶角度小于19。时单级涡轮气动性能较直列叶栅要好，效率最大提高了0．3％。对单音噪声级的评估指出，正倾斜由于改

3、变了导叶的尾迹特征，涡轮级噪声水平是增大的，因此不能作为有效的降噪策略。数值研究的结果表明CFD方法能够同时反映出叶片三维设计的细节变化对气动和噪声级的影响，可以作为三维气动一声学优化的手段。关键词：低压涡轮；气动；声学；倾斜；单音噪声中图分类号：V231文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)02—0246—09过去几十年来，随着涵道比的提高和降噪技术的发展，飞机噪声有了显著的降低，但是未来国际航空运输业对飞机噪声的限制将更加严苛[1]。发动机既是飞机的动力源也是飞机巨大噪声的“祸首”，发动机噪声直接影响到商用飞机的市场准

4、入和竞争力，因而面临着巨大的降噪压力。低压涡轮是飞机进场着陆时的重要噪声源，在高频范围更是起主导作用，而依赖于经验半经验方法的传统低压涡轮声学设计的潜力已经接近极限，进一步降低噪声必须利用更加先进的设计手段，在深入理解噪声产生机理的前提下探索新的降噪方法。低压涡轮气动损失对发动机的整机性能影响很大，在马赫数为0．8的10km高空巡航状态下，涡扇发动机低压涡轮的效率变化1％时，推力耗油率相应变化0．96％[2]，为各部件之首。低压涡轮的低噪声设计只有在保证气动效率不变甚至提高的前提下才具有实际意义。中国民用发动机项目起步晚，尤其是在低噪声部

5、件设计上几乎处于空白。基于这样的认识，本文发展了能够关联全三维影响的低压涡轮气动一声学三维数值优化方法，并对倾斜导叶策略进行了分析研究，以期能够对中国的商用飞机发动机发展提供帮助。1高效低噪声低压涡轮气动一声学三维优化方法作为典型的叶轮机械结构，低压涡轮以强烈的单音噪声为主，其声学设计的核心就是以对涡收稿日期：2012-03-05；退修日期：2012-04-28；录用日期：2012—06—26：网络出版时间：2012—07—1117：04网络出版地址：www．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20120711．

6、1704．005．htmI*通讯作者Tel：029—88492195E-mail：qiaowy@nwpu．edu．cn戤用榕武lZhaoL。QiaoWY，TanHc．Aerodynamic-acousticsthree-dimensionalnumericaloptimizationoflowpressureturbine：leanvanestrategy．ActaAeronauticaetAstronauticaSmica，2013t34(2)：246-254．赵磊．乔渭阳，谭洪如i低压涡轮的气动-声学三维数值优化：倾斜导叶策略．航空学

7、报．2013．34(2)：246-254赵磊等：低压涡轮的气动一声学三维数值优化：倾斜导叶策略轮性能、制造成本、重量、复杂性和维护性等的最小影响，获得最大的单音降噪设计效果。因为涡轮内部气动和声学问题的复杂性，目前还不具备根据气动和噪声指标反设计出涡轮的能力，只能通过改变设计参数和反复计算来实现涡轮部件的气动一声学设计目标。在三维设计阶段，气动一声学设计的关键在于找到一种合适的方法能够捕捉到三维设计参数变化对气动性能和声学的影响。目前预测叶轮机单音噪声的方法可以分为以下3大类：经验方法，解析方法和数值：孑法。经验方法是对大量整机与部件噪声

8、实验结果的总结，将噪声级与部件热力参数相关联。因为只有少量参数被关联，所以预测精度不高，一般用于发动机总体设计阶段的噪声预测，例如预测涡轮噪声的Smith—Bushell模型[3]，Krejs