開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機對轉(zhuǎn)槳扇設(shè)計

周人治，郝玉揚，祁宏斌

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500)

開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機對轉(zhuǎn)槳扇設(shè)計

周人治，郝玉揚，祁宏斌

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500)

高推進(jìn)效率的對轉(zhuǎn)槳扇是開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機最關(guān)鍵的部件之一。國外航空強國對其開展了大量的CFD計算分析及試驗驗證工作，優(yōu)化氣動性能，降低噪聲等級，以滿足適航標(biāo)準(zhǔn)；國內(nèi)目前尚缺乏對開式轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)槳扇設(shè)計技術(shù)和CFD分析的相關(guān)研究。本文在現(xiàn)有壓氣機設(shè)計技術(shù)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)CFD設(shè)計分析方法，探索設(shè)計出開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的對轉(zhuǎn)槳扇，并進(jìn)行了三維定常流場分析。通過與國外文獻(xiàn)研究結(jié)果的分析對比，初步驗證了本文設(shè)計和計算結(jié)果的合理性。

航空發(fā)動機；開式轉(zhuǎn)子；對轉(zhuǎn)槳扇；葉片造型；CFD分析

1 引言

上世紀(jì)70年代，石油危機的出現(xiàn)使得國外各大航空機構(gòu)開始了對開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的研究。其中典型代表為美國GE公司的UDF36無涵道風(fēng)扇發(fā)動機[1]，于1986年8月在B727-100飛行試驗臺上成功完成了世界首次開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機飛行試驗。但由于油價回落、市場接受度和當(dāng)時技術(shù)水平的限制，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機并未投入實際使用。近年來，隨著對發(fā)動機經(jīng)濟性要求的提高以及更嚴(yán)格的適航條例的出臺，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機以較高的推進(jìn)效率、較低的油耗和CO2排放，成為經(jīng)濟友好型發(fā)動機的典型代表，具有很強的競爭優(yōu)勢。美國GE公司、英國R·R公司和歐盟，均針對下一代民用客機的需求制定了長遠(yuǎn)的研究計劃，并開展了相關(guān)的設(shè)計研究[2，3]。

開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的工作原理與常規(guī)渦槳發(fā)動機并無本質(zhì)區(qū)別。先進(jìn)的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機一般采用對轉(zhuǎn)槳扇，在較高飛行馬赫數(shù)(與先進(jìn)渦扇發(fā)動機相當(dāng))工作時，仍能保持遠(yuǎn)高于普通螺旋槳的推進(jìn)效率。對轉(zhuǎn)槳扇的氣動性能在極大程度上決定了開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的性能，但對轉(zhuǎn)槳扇也是開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機最大的噪聲來源。如何降低對轉(zhuǎn)槳扇的噪聲等級是目前國外開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機研究的一個熱點。以美國NASA為代表的西方眾多航空機構(gòu)，對先進(jìn)對轉(zhuǎn)

槳扇展開了大量的CFD計算分析，以期對其氣動性能優(yōu)化設(shè)計和噪聲控制研究提供依據(jù)與支持。

國內(nèi)在這方面的研究基本處于空白，缺乏對轉(zhuǎn)槳扇的設(shè)計理論和設(shè)計軟件。本文在現(xiàn)有壓氣機設(shè)計技術(shù)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)CFD設(shè)計分析方法，探索性設(shè)計出一種適用于開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的對轉(zhuǎn)槳扇，并進(jìn)行了三維定常流場分析。同時，通過與國外研究結(jié)果的分析對比，驗證了本文計算結(jié)果的合理性。

2 對轉(zhuǎn)槳扇設(shè)計

2.1 總體指標(biāo)

本文對對轉(zhuǎn)槳扇的CFD計算基于開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機設(shè)計狀態(tài)——巡航狀態(tài)，對轉(zhuǎn)槳扇主要設(shè)計參數(shù)與NASA F7-A7對轉(zhuǎn)槳扇的一致[4]，如表1所示。

2.2 S2流面設(shè)計

S2流面設(shè)計選用壓氣機S2流面計算方法。此方法假設(shè)氣流為軸對稱定常流，采用流線曲率法逐站求解，能反映端壁區(qū)域流道信息。計算時輸入流道幾何參數(shù)、靜子葉片出口環(huán)量分布、附面層堵塞系數(shù)、轉(zhuǎn)子葉片排效率或損失系數(shù)、靜子葉片排總壓恢復(fù)系數(shù)或損失系數(shù)、葉片排稠度和各級壓比，輸出各葉排進(jìn)出口的氣動參數(shù)、各計算站的氣動參數(shù)及質(zhì)量平均總參數(shù)。但對轉(zhuǎn)槳扇的氣流屬于外流，沒有外流道，更沒有靜子葉片排，且兩級轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向相反。因此，使用該方法進(jìn)行對轉(zhuǎn)槳扇的S2流面設(shè)計存在較大困難，需在兩級轉(zhuǎn)子后面再加一排靜子葉片進(jìn)行處理，并選取合適的S2流面輸入數(shù)據(jù)，才能使計算順利進(jìn)行。

對轉(zhuǎn)槳扇S2流面設(shè)計的另一個難點是如何評判S2流面設(shè)計結(jié)果的合理性。由于采用的是壓氣機計算內(nèi)流的設(shè)計方法，其設(shè)計結(jié)果的評判準(zhǔn)則也只適用于常規(guī)壓氣機，并不適用于屬于外流范疇的對轉(zhuǎn)槳扇。目前的解決方法是，參考國外先進(jìn)對轉(zhuǎn)槳扇資料給定S2流面設(shè)計的輸入數(shù)據(jù)，然后根據(jù)造型結(jié)果和三維計算結(jié)果評判設(shè)計的合理性，進(jìn)而反過來修正S2流面設(shè)計。對轉(zhuǎn)槳扇子午流道設(shè)計結(jié)果見圖1。

2.3 葉片葉型設(shè)計

葉片造型采用定制葉型程序，結(jié)果如圖2所示。與S2流面設(shè)計一樣，葉片造型結(jié)果也需要三維計算結(jié)果修正。

3 網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置

3.1 網(wǎng)格劃分

外流三維流場計算在網(wǎng)格處理上與內(nèi)流區(qū)別很

大，通常在網(wǎng)格劃分時添加一個遠(yuǎn)場網(wǎng)格來表征周圍大氣，而內(nèi)流則是固壁。

采用Numeca軟件的網(wǎng)格劃分方法，分別設(shè)置葉片的前場、后場和遠(yuǎn)場參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖3示出了對轉(zhuǎn)槳扇B2B面網(wǎng)格和三維網(wǎng)格。

3.2 邊界條件設(shè)置

外流計算的邊界條件設(shè)置與內(nèi)流計算的全然不同。內(nèi)流計算一般是給定進(jìn)出口的氣流溫度、壓力和壓氣機轉(zhuǎn)速來確定壓氣機工況，而外流計算沒有進(jìn)出口條件，需要給定環(huán)境溫度、壓力和進(jìn)氣速度(即飛行速度)。遠(yuǎn)場的邊界條件也是給定轉(zhuǎn)速、飛行速度、環(huán)境的溫度和壓力。邊界條件設(shè)置見表2。

4 結(jié)果分析

4.1 計算結(jié)果

圖4為對轉(zhuǎn)槳扇三維流線和三維馬赫數(shù)分布圖，圖5為兩排轉(zhuǎn)子間馬赫數(shù)和總壓分布云圖，圖6為擬S1流面50%葉高處靜壓分布云圖，圖7為擬S1流面50%葉高處葉片表面靜壓分布云圖，圖8、圖9分別為擬S2流面馬赫數(shù)和靜壓分布云圖。

4.2 合理性判別

下面通過與國外成功對轉(zhuǎn)槳扇的計算和試驗結(jié)

果的對比，來驗證本文計算結(jié)果的合理性。

圖10是NASA試驗測得的前排葉片吸力面靜壓分布[1]，其趨勢是前緣壓力低、尾緣壓力高?？梢姡瑘D9中前排葉片吸力面的靜壓分布趨勢也是前緣較低，越向后越高。圖11是德國斯圖加特大學(xué)計算得到的對轉(zhuǎn)槳扇前后排葉片表面壓力分布[5]，可見，圖7中的葉片表面壓力分布趨勢與其相似。圖12是德國斯圖加特大學(xué)計算得到的對轉(zhuǎn)槳扇流線圖[5]，圖4與其相比，兩個計算得到的流線圖也基本相似。以上對比分析結(jié)果表明，本文所做的開式轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)槳扇的三維流場計算結(jié)果基本合理。

6 結(jié)束語

本文在壓氣機設(shè)計和計算分析經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，探索了對轉(zhuǎn)槳扇的氣動設(shè)計方法。參考國外對轉(zhuǎn)槳扇的設(shè)計參數(shù)，進(jìn)行了開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的對轉(zhuǎn)槳扇氣動設(shè)計和三維流場計算分析，并通過與國外相關(guān)

研究成果的對比，初步驗證了本文設(shè)計和計算結(jié)果的合理性。由于國內(nèi)對開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機的研究較少，缺乏相應(yīng)的設(shè)計軟件、成熟的設(shè)計經(jīng)驗和合理的分析方法，故本文的研究屬探索性質(zhì)，尚存在著不足，如使用計算內(nèi)流的設(shè)計軟件來設(shè)計屬于外流范疇的對轉(zhuǎn)槳扇、對轉(zhuǎn)槳扇遠(yuǎn)場計算網(wǎng)格的處理等，都需進(jìn)一步探討和研究。

[1]Envia E.NASA Open Rotor Noise Research[C]//.14thCEAS-ASCWorkshop&5thScientificWorkshopof X3-Noise Aeroacoustics of High-Speed Aircraft Propel?lers and Open Rotors.Warsaw，Poland：Institute of Avia?tion，2010.

[2]胡曉煜.A320/B737客機2020年后換代，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機顯露希望[J].燃?xì)鉁u輪試驗與研究，2009，22(3)：60—62.

[3]劉紅霞，梁春華.開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機研制與進(jìn)展[J].國際航空，2010，(4)：75—77.

[4]GE Aircraft Engines,GE36 Project Department.Full Scale Technology Demonstration of a Modern Counterrotat?ing Unducted Fan Engine Concept：Design Report[R]. NASA CR-180867，1987.

[5]Busch E R，Ke?ler M，Kr?mer E.Numerical Investigation of Counter-rotating Open Rotor Noise Emission in Differ?ent Flight Conditions[R].ASME GT2012-68625，2012.

Open Rotor Contra-Rotating Prop-Fan Design

ZHOU Ren-zhi，HAO Yu-yang，QI Hong-bin
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

Contra-rotating prop-fan(CRP)with high propulsive efficiency is one of the most critical compo?nents on open rotor engine.Western countries have completed numerous CFD investigations and test dem?onstration on CRP to improve its aerodynamic performance and noise level to satisfy airworthiness require?ments.However,few investigations can be found in China concerning CRP design and CFD analysis.Based on current compressor design technique,CFD design and analysis method was improved.Using this meth?od,a kind of contra-rotating prop-fan adaptive to open rotor engine was designed and 3D steady flow analy?sis was carried out.The design and calculation results were initially demonstrated the sound through the comparison with outcomes of some foreign research.

aero-engine；open rotors；contra-rotating prop-fan；blade shaping；CFD analysis

V235.12

：A

：1672-2620(2014)01-0001-05

2013-08-15；

：2014-01-17

周人治(1968-)，男，四川長寧人，研究員，從事航空發(fā)動機總體、新概念發(fā)動機等研究。