CN115062438A - 一种降低开式转子噪声的弯尖构型前转子叶片设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开航空推进系统的声学与气动设计领域中的一种降低开式转子噪声的弯尖构型前转子叶片设计方法，以基本型开式转子的前转子叶片模型为基准，从弯起始位置到叶尖的叶片弯尖部分，沿展向方向上，将叶片弯尖部分从弯起始位置到叶尖划分为N个不同的展向位置处，叶片切向方向与叶片中心轴方向的夹角为弯角度，弯起始位置处的弯角度为0度；叶片的展向位置处到叶片中心轴之间的垂直距离为沿Y轴方向的展向坐标；从弯起始位置到叶尖的叶片弯尖部分，各展向位置处的叶片的弯角度随展向坐标线性变化；通过在前转子叶片上采用弯叶尖构型，降低前转子叶尖脱落涡的强度，减弱其与后转子叶片的干涉作用，降低后转子叶片载荷脉动，最终实现降噪目的。

Description

一种降低开式转子噪声的弯尖构型前转子叶片设计方法

技术领域

本发明属于航空推进系统的声学与气动设计领域，具体涉及开式转子发动机的叶片设计。

背景技术

开式转子发动机，被称作桨扇发动机或无涵道发动机，是一种用燃气通过动力涡轮输出轴功率来传动桨扇的燃气涡轮发动机。开式转子发动机具有超高的涵道比，涵道比为25-60，与目前民用航空最为常用的涡扇发动机相比，其推进效率明显提高，燃油消耗率大幅降低，污染物排放也大幅减少。但是，由于其前后转子间强烈的干涉作用以及无机匣遮挡，开式转子发动机的噪声问题十分严重，制约了它的发展。

开式转子噪声中最主要的分量是叶尖涡干涉噪声，它由前转子叶尖脱落涡与后转子发生干涉，进而引起后转子叶片强烈的载荷脉动而产生噪声。它的产生机理与直升机旋翼的桨-涡干涉噪声十分相似。传统的开式转子降噪方法主要包括增加前后转子间距、减小后转子直径、改变前后转子叶片数。但是，这三种方法都受到气动性能、结构强度等设计要求的限制，无法实现足够的降噪效果。研究表明，弯尖叶片可以有效降低直升机旋翼桨-涡干涉噪声。目前的直升机旋翼弯尖叶片，其弯折角度沿叶片展向固定不变。由于直升机旋翼和开式转子在运动状态、工作原理、流场特征方面存在一定差异，因此直接将直升机旋翼弯尖叶片构型应用于开式转子无法获得很好的降噪效果。

发明内容

本发明的目的是借鉴直升机旋翼弯叶尖设计，并考虑直升机旋翼与开式转子之间的差异，提供一种降低开式转子噪声的弯尖构型前转子叶片设计方法，弯折角度沿叶片展向发生改变，可以有效降低开式转子的前转子叶尖脱落涡强度，减弱其与后转子叶片的干涉作用，进而减弱了后转子叶片的载荷脉动，最终实现降噪效果。

为实现上述目的，本发明所述的一种降低开式转子噪声的弯尖构型前转子叶片设计方法采用的技术方案是：

以基本型开式转子的前转子叶片模型为基准，从弯起始位置到叶尖的叶片弯尖部分，沿展向方向上，将所述的叶片弯尖部分从弯起始位置到叶尖划分为N个不同的展向位置处，N大于3；

叶片切向方向与叶片中心轴方向的夹角为弯角度，所述的弯起始位置处的弯角度为0度；叶片的展向位置处到叶片中心轴之间的垂直距离为沿Y轴方向的展向坐标；

所述的从弯起始位置到叶尖的叶片弯尖部分，各展向位置处的叶片的弯角度随展向坐标线性变化。

进一步地，所述的弯角度随展向坐标线性变化的公式为：θ_m＝(y_m-y₁)θ_N/(y_N-y₁)，1≤m≤N，θ_m和y_m分别为第m个展向位置处的弯角度和展向坐标；θ_N和y_N分别为叶尖处的弯角度和展向；y₁为弯起始位置的展向坐标。

更进一步地，叶片弯尖部分的第m个展向位置的横截面相对同一展向位置处的基本型开式转子的前转子叶片的横截面的偏移距离

1≤i≤m，y_i和θ_i分别是第i个展向位置处的展向坐标和弯角度，y_i-1是第i-1个展向位置处的展向坐标。

更进一步地，叶片弯尖部分的横截面上任一点l的坐标为x_l＝x_b+d sinα，y_l＝y_b，z_l＝z_b+d cosα，x_b，y_b，z_b是基本型开式转子的前转子叶片在同一展向位置处的横截面上对应点的坐标，α是基本型开式转子的前转子叶片横截面弦长的方向与X轴的夹角。

进一步地，所述的弯尖起始位置为0.9倍叶片半径的位置。

进一步地，叶尖处的弯角度为30度到60度范围内。

本发明采用上述技术方案后有益效果是：

1、本发明将弯叶尖构型设计应用于开式转子的前转子叶片，通过在前转子叶片上采用弯叶尖构型，降低前转子叶尖脱落涡的强度，减弱其与后转子叶片的干涉作用，降低后转子叶片载荷脉动，最终实现降噪目的。同时，该弯叶尖构型设计对开式转子在起飞和巡航状态下的气动性能未造成影响。

2、本发明可以应用于大涵道比风扇、涵道风扇、螺旋桨等航空推进系统的降噪设计中，可以在宽广的范围内实现明显的降噪效果，降噪范围约为上游0至60度区域、下游104至162度区域，在噪声最大位置处的降噪量能达到4.1dB。

附图说明

图1为基本型开式转子的前转子叶片几何模型的主视图；

图2为图1的左视图；

图3为本发明设计方法所设计的弯尖构型前转子叶片的展向坐标的标示图；

图4为在同一展向位置处的基本型开式转子的前转子叶片和弯尖构型前转子叶片的横截面偏移标示图；

图5为弯起始位置为0.9R、叶尖处弯角度为45度的弯尖构型前转子叶片的结构示意图；

图6为基本型开式转子与弯叶尖构型开式转子总声压级指向性对比图；

图7为基本型开式转子和弯叶尖构型开式转子在BPF₁+3BPF₂这个主要干涉纯音频率下的声压级指向性对比图；

图8为弯叶尖构型开式转子的前转子和后转子之间某一截面处的马赫数分布情况图；

图9为基本型开式转子与弯叶尖构型开式转子的后转子叶片在0.95倍半径处推力方向载荷随时间变化情况图。

具体实施方式

参见图1，基于图1和图2所示的基本型开式转子的前转子叶片模型，通过设计领域中常规的三维数值模拟方法，计算出基本型开式转子的定常和非定常流场。在此基础上，利用基于FW-H方程的噪声预测方法，计算出基本型开式转子的噪声特性，并分析其噪声产生机理，为后续发展降低开式转子的前转子叶片噪声设计方法提供参考。这里，基本型开式转子叶片是目前常用的开式转子发动机叶片，该叶片具有扭转和后掠等特征，但不具备弯的特征。本发明将基本型转子的前转子叶片作为弯尖叶片降噪效果和气动性能的设计基准。

基本型开式转子叶片是目前常用的开式转子发动机叶片，该叶片具有扭转和后掠等特征，但不具备弯的特征，本发明将基本型叶片作为评判弯尖叶片降噪效果和气动性能的基准

由计算出的噪声特性和分析出的噪声产生机理可知，基本型开式转子噪声主要以纯音为主，并且主要是由于前转子叶尖涡与后转子叶片发生干涉而产生的。针对这一特征，本发明在基本型开式转子的前转子叶片上采用弯尖构型特征，减弱前转子叶尖涡强度及其与后转子的干涉作用，进而实现降噪效果。需要指出的是，本发明提出的弯尖构型叶片设计方法并不仅仅适用于在本发明中给出的基本型前转子叶片，在其他的开式转子前转子叶片几何构型上同样可以采用本发明提出的弯尖构型以实现降噪效果。

首先确定前转子叶片弯尖部分的弯角度变化规律。如图2所示，从弯起始位置P到叶尖的叶片部分被称为叶片弯尖部分，规定前转子叶片的展向方向为Y轴方向，叶片的展向位置处到叶片中心轴之间的垂直距离为展向坐标，y₁为弯起始位置的展向坐标，也是叶片弯尖部分的起始位置的展向坐标。

沿叶片弯尖部分的展向方向上，将叶片弯尖部分从弯起始位置到叶尖划分为N个不同的展向位置，即分为N段，N大于3。其中第m个展向位置处的展向坐标为y_m，1≤m≤N。第m个展向位置处的弯角度为θ_m，本发明中的弯角度是指展向位置处的叶片切向方向与叶片中心轴O方向的夹角。所以，第1个展向位置处的弯角度为θ₁，也是弯起始位置处的弯角度，为0度；第N个展向位置处的展向坐标为y_N，弯角度为y_N，也是叶尖处的展向坐标和弯角度。

本发明中，叶片弯尖部分朝叶片压力面方向弯时的弯角度为正角度，朝叶片吸力面方向弯时的弯角度为负角度。

本发明采用弯起始位置的展向坐标和叶尖处的弯角度这两个参数来模化弯角度变化规律。由于叶片弯尖部分在弯起始位置处的弯角度为0度，在从弯起始位置到叶尖的叶片部分，各展向位置处的叶片弯角度随展向坐标线性变化，模化公式为θ_m＝(y_m-y₁)θ_N/(y_N-y₁)。朝叶片压力面弯时的弯角度为正，朝叶片吸力面弯时弯角度为负。

从降噪效果和气动性能考虑，弯尖起始位置取0.9倍叶片半径R的位置，叶尖处的弯角度取30度到60度范围内，即θ_N＝30-60°。

依据基本型叶片几何和弯角度变化规律来确定叶片弯尖部分的具体几何构型，即确定叶片弯尖部分的各点坐标。先确定叶片弯尖部分的每个展向位置的横截面相对同一展向位置处的基本型叶片的横截面的偏移距离。如图3所示，横截面上的X轴和Y轴与图2中的Y轴组成叶片的坐标系，坐标系原点任意。对于叶片弯尖部分B的第m个展向位置，第m个展向位置处的横截面相对同一展向位置处的基本型叶片A的横截面的偏移距离

1≤i≤m，y_i和θ_i分别是第i个展向位置处的展向坐标和弯角度，y_i-1是第i-1个展向位置处的展向坐标。

如图3所示，叶片弯尖部分B的相对于基本型叶片A的偏移方向，是垂直于叶片弦长L的方向。设叶片弯尖部分B的横截面上任一点l的坐标为(x_l，y_l，z_l)，基本型叶片A的同一展向位置处的横截面上对应点的坐标为(x_b，y_b，z_b)，基本型开式转子的前转子叶片横截面弦长L的方向与X轴的夹角为α，则叶片弯尖部分B的横截面上任一点l的坐标为：x_l＝x_b+d sinα，y_l＝y_b，z_l＝z_b+d cosα。

本发明中，弯起始位置的展向坐标y₁均为0.9倍叶片半径，即y₁＝0.9R。在叶尖处的弯角度分别为30度、45度和60度。

当弯尖构型叶片弯起始位置、叶尖处弯角度确定后，叶片的主要几何参数便可由叶片弯起始位置、叶尖处弯角度确定，主要几何参数包括叶片高度、叶片前缘距叶片中心轴线的距离、叶片前缘与叶尖处尾缘的距离。

设图1中的基本型叶片的半径R为100，沿叶片弯尖部分的展向方向上，将叶片弯尖部分从弯起始位置到叶尖划分为100个不同的展向位置，则弯起始位置的展向坐标y₁＝0.9R＝90，弯起始位置的弯角度为0度。叶尖处展向坐标y_N为100，叶尖处弯角θ_N为45度。叶片弯尖部分的展向坐标范围为90-100，其中，第m个展向位置处的展向坐标为y_m，在该展向位置处的叶片弯角度为θ_m＝(y_m-y₁)θ_N/(y_N-y₁)。再确定弯尖部分不同展向位置的叶片横截面上的各点坐标，便得到如图4所示的叶片。

通过三维流场定常和非定常数值模拟和基于FW-H方程的噪声预测方法，计算由本发明设计方法得到的叶尖处的弯角度分别为30度、45度和60度的三种弯叶尖构型开式转子的流场特征、气动性能、噪声特性等。

如图6所示，三种弯叶尖构型开式转子和基本型开式转子的总声压级指向性相对比，横坐标为观察点角度，纵坐标为各观察点上的总声压级，可以看出，三种弯叶尖构型开式转子均可以在宽广的范围内实现明显的降噪效果，降噪范围大约为上游0至60度区域、下游104至162度区域。三种弯叶尖构型开式转子在22度观察点处(噪声最大位置)的降噪量分别为1.9dB,2.9dB和4.1dB。如图7所示的主要干涉纯音的声压级指向性对比，可见三种弯叶尖构型开式转子有明显的降噪效果。

如图7所示，基本型开式转子和弯叶尖构型开式转子在BPF₁+3BPF₂干涉纯音频率下的声压级指向性，BPF₁和BPF₂分别为前转子和后转子的叶片通过频率，横坐标为观察点角度，纵坐标为各观察点在该纯音频率下的声压级。可以看到，对BPF₁+3BPF₂主要干涉纯音，弯叶尖均有明显的降噪效果。

对本发明所设计的弯叶尖构型开式转子的降噪机理进行了分析,结果如图8所示的前后转子之间某一截面处的马赫数分布，弯叶尖构型可以有效减弱前转子叶尖脱落涡的强度，减弱其与后转子叶片的干涉。

如图9所示，基本型开式转子与弯叶尖构型开式转子的后转子叶片在0.95倍半径处推力方向载荷随时间变化情况，由图可见，弯叶尖开式转子的后转子叶片载荷脉动与基本型开式转子相比明显减弱，降低了后转子叶片上的声源强度，进而实现了降噪。

对本发明所设计的弯叶尖构型开式转子在起飞和巡航状态下气动性能，结果表明，弯叶尖会使开式转子推力有所降低，效率有所提升。推力损失可通过略微提高转速或叶片外形气动优化等方法进行补偿。总的来说，弯叶尖构型对开式转子气动性能无明显影响。

Claims (8)

1.一种降低开式转子噪声的弯尖构型前转子叶片设计方法，其特征是：

以基本型开式转子的前转子叶片模型为基准，从弯起始位置到叶尖的叶片弯尖部分，沿展向方向上，将所述的叶片弯尖部分从弯起始位置到叶尖划分为N个不同的展向位置处，N大于3；

叶片切向方向与叶片中心轴方向的夹角为弯角度，所述的弯起始位置处的弯角度为0度；叶片的展向位置处到叶片中心轴之间的垂直距离为沿Y轴方向的展向坐标；

所述的从弯起始位置到叶尖的叶片弯尖部分，各展向位置处的叶片的弯角度随展向坐标线性变化。

2.根据权利要求1所述的一种降低开式转子噪声的弯尖构型前转子叶片设计方法，其特征是：所述的弯角度随展向坐标线性变化的公式为：θ_m＝(y_m-y₁)θ_N/(y_N-y₁)，1≤m≤N，θ_m和y_m分别为第m个展向位置处的弯角度和展向坐标；θ_N和y_N分别为叶尖处的弯角度和展向；y₁为弯起始位置的展向坐标。

3.根据权利要求2所述的一种降低开式转子噪声的弯尖构型前转子叶片设计方法，其特征是：叶片弯尖部分的第m个展向位置的横截面相对同一展向位置处的基本型开式转子的前转子叶片的横截面的偏移距离

y_i和θ_i分别是第i个展向位置处的展向坐标和弯角度，y_i-1是第i-1个展向位置处的展向坐标。

4.根据权利要求3所述的一种降低开式转子噪声的弯尖构型前转子叶片设计方法，其特征是：叶片弯尖部分的横截面上任一点l的坐标为x_l＝x_b+d sinα，y_l＝y_b’z_l＝z_b+d cosα，x_b，y_b，z_b是基本型开式转子的前转子叶片在同一展向位置处的横截面上对应点的坐标，α是基本型开式转子的前转子叶片横截面弦长的方向与X轴的夹角。

5.根据权利要求1所述的一种降低开式转子噪声的弯尖构型前转子叶片设计方法，其特征是：所述的弯尖起始位置为0.9倍叶片半径的位置。

6.根据权利要求1所述的一种降低开式转子噪声的弯尖构型前转子叶片设计方法，其特征是：叶尖处的弯角度为30度到60度范围内。

7.根据权利要求5所述的一种降低开式转子噪声的弯尖构型前转子叶片设计方法，其特征是：所述的叶片弯尖部分朝叶片压力面方向弯时的弯角度为正角度，朝叶片吸力面方向弯时的弯角度为负角度。

8.根据权利要求5所述的一种降低开式转子噪声的弯尖构型前转子叶片设计方法，其特征是：叶片高度、叶片前缘距叶片中心轴线的距离、叶片前缘与叶尖处尾缘的距离由所述的叶片弯起始位置和叶尖处弯角度确定。

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