叶片弯掠组合设计对风扇气动噪声的被动控制

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnautjcaSinicaFeb252017VOI_38No2SSN1000—6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cahkxb@buaa．educa叶片弯掠组合设计对风扇气动噪声的被动控制张伟光，王晓宇，孙晓峰*北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100083摘要：转子尾迹与静子叶片干涉是产生风扇离散噪声的主要噪声源之一。环形叶栅几何对于声源项的求解以及管道内的声传播都有重要影响，因此在讨论叶片弯掠组合设计对于风扇噪声的被动

2、控制作用时需要重点强调三维效应的影响。本文利用三维升力面理论，建立了可以考虑叶片弯掠组合影响的气动声学模型。相比数值计算方法，三维升力面理论不存在频散耗散影响，求解快速高效，更加有利于初始阶段的优化设计，以及为数值计算模型提供验证。通过与已有结果的对比，进一步阐述了叶片后掠和周向倾斜对于风扇离散噪声的影响机制。而弯掠组合设计算例的计算结果表明，在某些条件下，选取合适的叶片弯掠造型能够获得很好的降噪效果。由于轴向传播波数的影响，前传声场和后传声场对于弯掠组合的变化趋势存在一定的差异性。关键词：风扇噪声；升力面理论；转

3、静干涉；弯掠叶片；被动控制中图分类号：V21l文献标识码：A文章编号：1000—6893(2017)02120265—09随着风扇涵道比的不断增大，风扇／压气机噪声越来越成为航空发动机甚至是飞机噪声主要的噪声源之一[1]。风扇转子尾迹与下游静子或出口导向叶片(OGV)干涉产生的离散噪声是其重要的组成成分[2]。20世纪60年代以来，通过合理选取叶片数、增大转／静间距和声衬优化设计等技术的成功应用，风扇离散噪声得到了有效抑制。为了进一步降低风扇噪声，研究重点集中在三维声源模型，更加精细的声传播和远场声辐射模型，以及多

4、段组合声衬优化等方面[3。4]。从声源角度出发，风扇干涉噪声的强度取决于叶片对上洗速度的响应而产生的表面非定常载荷分布。实验以及工程经验都证实叶片弯掠造型能抑制风扇干涉噪声[5“]。Envia和Nallasamy[7]利用二维片条理论[8。91求解平面叶栅非定常载荷响应，通过声类比理论计算环形管道内的声传播，对弯掠设计对于风扇噪声的影响给出了初步的理论解释。弯掠叶片主要增加了上洗速度沿展向的相位变化，从而使不同径向位置的非定常载荷相互抵消降低声源强度。因此，他们给出了经验性的设计原则，即通过叶片弯掠设计从而增加与单

5、个静子叶片干涉的尾迹个数，即增大上洗速度沿展向方向的相位变化。基于此认识，分析认为转／静间距对于风扇干涉噪声的影响也存在类似机制。增大转／静间距，一方面实现了转子尾迹的衰减，另一方面通过旋流影响增加尾迹沿周向的倾斜，也实现了上洗速度沿展向的相位变化。而弯掠叶片设计可以起到减小转／静问距，降低短舱设计重量的作用。但即使对于直叶片，当轮毂比较大时，二维片条理论适用性上存在一定的疑问[1”“]。而在讨论叶片弯掠造型时，三维效应起着很重要的作用。收稿日期：2016—03—25；退修El期：2016—04—13；录用日期：2

6、016—04—29；网络出版时间：2016—05—2709：20网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／111929．V．20160527．0920002．html基金项目：国家自然科学基金(51236001，51576009)；国家“973”计划(201208720201)*通讯作者E-mail：sunxf@buaaeduca鳓用格武：张伟光．I晓宇，孙晓峰．叶片弯掠组合设计对风扇气动噪声的被动控铂L正．航空学报，2017，38(2)：120265ZHANGWG．WANGxY。SUNXFPas

7、sivecontroloffannoisebyvanesweepandleanEJJ．ActaAeronauticaetAstronaticaSinica，2017，38(2)：120265i120265—1航空学报一方面，不同径向位置的非定常载荷存在相互影响；另一方面，三维环形叶栅对于管道内声模态的传播和截止，以及声场与非定常载荷相互耦合都有重要影响。对于三维环形叶栅的响应函数，目前主要是利用数值求解线化欧拉方程或三维升力面理论。Schulten[12伽利用三维升力面理论分别讨论了叶片后掠和叶片倾斜的影响，Elh

8、adidi和Atassi[14]利用数值方法同样讨论了该问题的复杂性，尤其是讨论叶片倾斜时，声波径向模态的影响很大。相比二维模型，三维模型对于叶片弯掠造型对风扇噪声影响机制的认识更加精细和准确。但是这些讨论都是将2种作用分开讨论，尚未有弯掠组合计算的结果。所以，十分需要一种能考虑叶片弯掠组合影响的快速气动声学模型。本文在Namba[1明升力面理论的基础上，着