某型發(fā)動機四級風(fēng)扇被高性能前掠三級軸流風(fēng)扇代替(ZT)

1、某型發(fā)動機四級風(fēng)扇被高性能前掠三級軸流風(fēng)扇代替(ZT)摘要：本文介紹了一臺高性能前掠葉型三級軸流風(fēng)扇的設(shè)計與試驗研究。該風(fēng)扇以某渦扇發(fā)動機為驗證平臺，全新設(shè)計一臺三級風(fēng)扇代替該發(fā)動機原四級風(fēng)扇，并提高性能。新設(shè)計的輸入條件為：保持原四級風(fēng)扇的進出口幾何尺寸、總壓比、轉(zhuǎn)速和喘振裕度，效率不低于原四級風(fēng)扇試驗值。設(shè)計中采用了葉片掠型設(shè)計、葉片三維成型技術(shù)和三維氣動設(shè)計分析等先進技術(shù)。試驗結(jié)果表明，新設(shè)計的三級風(fēng)扇流量增加了8%，效率提高了3.5%，超過了設(shè)計指標(biāo)。該新三級風(fēng)扇串裝于某發(fā)動機順利完成地面試車，其不加力最大推力增加464 daN，超過了原計劃增加200 daN 的指標(biāo)。關(guān)鍵詞：軸流風(fēng)扇

2、；前掠葉型；設(shè)計；試驗1 概述本文介紹了一臺三級軸流風(fēng)扇的設(shè)計與試驗研究，研究目的是將某型發(fā)動機四級風(fēng)扇(簡稱“原四級風(fēng)扇”)用新設(shè)計的三級風(fēng)扇(簡稱“新三級風(fēng)扇”)代替。為了保持換裝風(fēng)扇的互換性，要求在原四級風(fēng)扇的進出口幾何尺寸、轉(zhuǎn)速、總壓比及喘振裕度不變的條件下，風(fēng)扇絕熱效率不低于原四級風(fēng)扇的試驗值，重量和軸向長度應(yīng)不大于原四級風(fēng)扇相應(yīng)數(shù)據(jù)。這樣做的目的是為了使該發(fā)動機推力增加，重量減輕，提高發(fā)動機的推重比和減小耗油率。同時進一步驗證風(fēng)扇的設(shè)計體系。由于無原四級風(fēng)扇設(shè)計資料，必須做原型風(fēng)扇的總性試驗，所以設(shè)計了原四級風(fēng)扇總性能試驗件，并進行加工和總性能試驗，獲得了原四級風(fēng)扇特性線。根據(jù)總體

3、性能計算確定原發(fā)動機和風(fēng)扇的共同工作線在發(fā)動機上匹配工作的狀態(tài)點，并確定新的三級風(fēng)扇設(shè)計點參數(shù)，即：總壓比、絕熱效率、喘振裕度和進口空氣流量。根據(jù)設(shè)計點參數(shù)進行一維設(shè)計特性計算和一維參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，進行S2 流面計算，優(yōu)化S2 流面設(shè)計參數(shù)，進行葉片造型設(shè)計、二維計算特性和粘性三維氣動正問題計算。通過粘性三維正問題計算發(fā)現(xiàn)問題，進一步優(yōu)化S2 流面設(shè)計參數(shù)和葉片造型設(shè)計參數(shù)，再進行粘性三維計算，這樣反復(fù)進行設(shè)計迭代直至風(fēng)扇氣動性能滿足總體技術(shù)要求，才轉(zhuǎn)入強度、振動和非定常氣動力計算及顫振分析，若發(fā)現(xiàn)問題又返回到S2 流面計算，進行上述迭代循環(huán)設(shè)計，直至參數(shù)滿意為止。在設(shè)計中采用的先進設(shè)計技術(shù)有：

4、(1) 采用經(jīng)過多臺壓氣機/風(fēng)扇設(shè)計和試驗驗證的一維、二維、三維設(shè)計系統(tǒng)；(2) 葉片前掠設(shè)計技術(shù)；(3) 葉片三維成型設(shè)計技術(shù)；(4) 非定常氣動力計算及顫振分析技術(shù)。新三級風(fēng)扇首先在部件試驗器上完成了總性能試驗，試驗結(jié)果超過了設(shè)計值，這初步證明了風(fēng)扇性能設(shè)計是成功的。然后，該試驗件與做相應(yīng)修改設(shè)計的新低壓渦輪部件匹配，與原型發(fā)動機核心機組成新的發(fā)動機驗證平臺，在地面臺上完成了發(fā)動機地面臺架試驗，發(fā)動機工作正常，其不加力推力比原型提高464 daN(設(shè)計要求為200 daN)，超過了設(shè)計值，進一步證明了新三級風(fēng)扇設(shè)計是成功的。2 某發(fā)動機原四級風(fēng)扇總性能試驗2.1 試驗結(jié)果直接采用原型發(fā)動機

5、四級風(fēng)扇，新設(shè)計風(fēng)扇與試驗器的轉(zhuǎn)接零件，組裝成四級風(fēng)扇試驗件。試驗是在中國燃?xì)鉁u輪研究院全臺壓氣機試驗器上完成的。試驗件圖見圖1，試驗特性線見圖2。attachment=497213  2.2 粘性三維計算結(jié)果根據(jù)四級風(fēng)扇流道和葉片幾何參數(shù)進行粘性全三維計算，計算程序采用商用NUMECA 程序。計算結(jié)果與試驗結(jié)果見圖3。圖中表明：全三維計算效率和試驗結(jié)果相當(dāng)，喘振裕度低于試驗值。3 新三級風(fēng)扇試驗件設(shè)計因設(shè)計的三級風(fēng)扇部件將來要換裝在某渦扇發(fā)動機上進行整機試驗，所以新三級風(fēng)扇與整機接口尺寸必須與原四級風(fēng)扇的完全一致。某發(fā)動機原四級風(fēng)扇無進口導(dǎo)向葉片，新三級風(fēng)扇設(shè)計也不采用進口導(dǎo)向葉片

6、，風(fēng)扇壓比、效率不低于原四級風(fēng)扇的性能。3.1 新三級風(fēng)扇部件性能設(shè)計技術(shù)要求根據(jù)原發(fā)動機風(fēng)扇部件設(shè)計指標(biāo)和風(fēng)扇換裝后的發(fā)動機總體性能指標(biāo)，確定新三級風(fēng)扇部件設(shè)計點指標(biāo)。主要指標(biāo)如下：風(fēng)扇級數(shù)(無進口導(dǎo)葉) 3 級設(shè)計點高度0 km設(shè)計點飛行馬赫數(shù)0進口空氣總溫288.15 K進口空氣總壓101.3 kPa換算轉(zhuǎn)速100%總壓比不低于原四級風(fēng)扇效率不低于原四級風(fēng)扇喘振裕度不小于原四級風(fēng)扇3.2 新三級風(fēng)扇一維特性新三級風(fēng)扇一維設(shè)計采用一維平均半徑設(shè)計計算程序，該程序按照給定的平均半徑上的葉排參數(shù)計算壓氣機的特性。選用兩種模塊進行一維特性計算：一維檢查特性和一維計算特性。一維檢查特性利用流道平均

7、半徑上的氣動參數(shù)和幾何結(jié)構(gòu)尺寸進行特性估算，一維計算特性利用葉片造型產(chǎn)生的平均半徑上詳細(xì)的設(shè)計參數(shù)進行特性計算。在不同的換算轉(zhuǎn)速下，通過調(diào)節(jié)效率修正系數(shù)、流量修正系數(shù)、落后角修正系數(shù)、以及壓比修正系數(shù)來進行調(diào)節(jié)，系數(shù)的選取參考了中發(fā)三級風(fēng)扇試驗件的計算結(jié)果。一維特性計算表明，新三級風(fēng)扇設(shè)計轉(zhuǎn)速的最高壓比比原四級風(fēng)扇設(shè)計壓比高，最高效率和喘振裕度都超過了原四級風(fēng)扇，一維特性計算總性能見圖4。由于現(xiàn)代風(fēng)扇的流動具有很強的三維特點，所以一維特性計算結(jié)果作為二維初步設(shè)計時的參考數(shù)據(jù)。3.3 新三級風(fēng)扇S2 流面設(shè)計S2 流面設(shè)計采用變比熱S2 流面矩陣通流計算程序。計算中假設(shè)氣流為無粘、絕熱、定常流，

8、并考慮葉片厚度和環(huán)壁附面層堵塞的影響，計算輸入流道幾何參數(shù)、轉(zhuǎn)子葉片進口預(yù)旋角、各級壓比、轉(zhuǎn)子葉片排效率、靜子葉片排的總壓恢復(fù)系數(shù)和葉片相對厚度，計算輸出各葉排進出口的氣動參數(shù)、各計算站的氣動參數(shù)及質(zhì)量平均總參數(shù)。多級風(fēng)扇設(shè)計與多級高壓壓氣機一樣，設(shè)計中考慮了主要參數(shù)的分布規(guī)律，以利于增加變工況的運行效率，改善中低轉(zhuǎn)速的特性。新三級風(fēng)扇主要參數(shù)選擇主要基于一維設(shè)計結(jié)果而定，同時也考慮了二維參數(shù)優(yōu)化設(shè)計和S2 流面的計算結(jié)果。根據(jù)原四級風(fēng)扇的試驗結(jié)果，其出口總壓沿徑向基本上是等壓比分布。新三級風(fēng)扇各級的級壓比沿徑向基本上也為等總壓比分布。風(fēng)扇的流路設(shè)計要考慮到風(fēng)扇負(fù)荷沿軸向和展向的分布，其設(shè)計好

9、壞直接影響每一根流線上的氣動參數(shù)，影響葉片根尖截面的氣體流動。流路參數(shù)的選擇取決于以下幾點：(1) 葉片的負(fù)荷水平和各葉片排的損失；(2) 沿葉片整個和局部的擴散因子及速度擴散；(3) 各葉片排的進口軸向馬赫數(shù)。新三級風(fēng)扇一級轉(zhuǎn)子葉片葉尖進口尺寸同中發(fā)風(fēng)扇試驗件相同，出口尺寸與原四級風(fēng)扇相同。圖5所示為新三級風(fēng)扇的流道。它的內(nèi)壁流道是一條光滑曲線，外壁流道第一級轉(zhuǎn)子葉片從進口向后直到第三級出口，外徑逐漸下降，其中第一、第二級靜葉出口外徑減小較多。3.4 新三級風(fēng)扇葉片造型根據(jù)新三級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子進口相對馬赫數(shù)高、級負(fù)荷大、激波較強的特點，轉(zhuǎn)子葉片采用任意多項式葉型進行設(shè)計。任意多項式葉型通過S2 流

10、面通流計算優(yōu)化靜壓來計算相對氣流角，控制槽道內(nèi)的逆壓梯度，減少葉片的分離損失，從而達到損失低的目的。第一級轉(zhuǎn)子葉片采用了前掠設(shè)計技術(shù)。采用前掠技術(shù)設(shè)計的轉(zhuǎn)子葉片具有高負(fù)荷、高效率及高氣動穩(wěn)定性的特點已經(jīng)得到證實。轉(zhuǎn)子葉片采用空間三維空間成型設(shè)計技術(shù)，該設(shè)計有利于改善轉(zhuǎn)子葉片空間全三維流場氣動負(fù)荷的分布，減小二次流損失，改善風(fēng)扇工作特性。風(fēng)扇第一級轉(zhuǎn)子葉片的形狀見圖6。第二、第三級轉(zhuǎn)子葉片采用小前掠設(shè)計。各排靜子葉片采用定制葉型進行設(shè)計。定制葉型能有效控制葉型表面附面層發(fā)展，避免或推遲附面層分離，提高壓氣機效率和穩(wěn)定裕度。該葉型的設(shè)計特別考慮了抑制前緣吸力面來流的加速膨脹，降低葉型損失，擴大工作

11、范圍。圖7圖9 是各級靜子中間截面S1 流面計算的葉型表面馬赫數(shù)和附面層形狀因子分布。3.5 新三級風(fēng)扇二維計算分析計算采用基于軸對稱模型(正問題)的二維多級軸流壓氣機數(shù)值分析程序。程序使用壓氣機平面葉柵吹風(fēng)結(jié)果進行了修正，使得這些試驗結(jié)果可以應(yīng)用到變半徑、變厚度的葉柵上。采用二維正問題計算方法得到的二維計算特性見圖10。根據(jù)計算結(jié)果，新三級風(fēng)扇各項指標(biāo)均達到了設(shè)計要求。3.6 新三級風(fēng)扇全三維粘性分析設(shè)計過程分別采用了DENTON 和NUMECA 全三維粘性流場計算程序?qū)π氯夛L(fēng)扇進行計算分析。圖11圖13 是新三級風(fēng)扇不同葉展葉片表面馬赫數(shù)分布情況，圖14 為轉(zhuǎn)子吸力面、靜子壓力面馬赫數(shù)分布，圖15 為轉(zhuǎn)子壓力面、靜子吸力面馬赫數(shù)分布。在轉(zhuǎn)子葉片排的根部截面，由于葉型較厚，氣流在葉背加速比較明顯，但是由于根部進口馬赫數(shù)較低，葉片前段葉背氣流加速并沒有在槽道內(nèi)造成強激波，葉片槽道內(nèi)加功平穩(wěn)，葉背最高馬赫數(shù)點基本上都出現(xiàn)在葉型槽道的喉道位置。由于根部的切線速度低，扭速!u 需要足夠大才能保證加功量，這就造成氣流的折轉(zhuǎn)角很大，葉型根部負(fù)荷較重，氣流在葉柵通道中遇到很強的逆壓力梯度。在靜子葉片排根部截面，由于S2 流面氣動設(shè)計時第一級靜子根部絕對馬赫數(shù)較高，經(jīng)前緣加速后葉片的根部吸力面存在超聲區(qū)，在超聲區(qū)后氣流平緩減速增壓。在第二、第三級靜子葉片根部氣流經(jīng)過前緣加速