某型發(fā)動機四級風扇被高性能前掠三級軸流風扇代替

1、某型發(fā)動機四級風扇被高性能前掠三級軸流風扇代替摘要：本文介紹了一臺高性能前掠葉型三級軸流風扇的設計與試驗研究。該風扇以某渦扇發(fā)動機為驗證平臺，全新設計一臺三級風扇代替該發(fā)動機原四級風扇，并提高性能。新設計的輸入條件為：保持原四級風扇的進出口幾何尺寸、總壓比、轉速和喘振裕度，效率不低于原四級風扇試驗值。設計中采用了葉片掠型設計、葉片三維成型技術和三維氣動設計分析等先進技術。試驗結果表明，新設計的三級風扇流量增加了8%，效率提高了3.5%，超過了設計指標。該新三級風扇串裝于某發(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。關鍵詞：軸流風扇；前掠葉

2、型；設計；試驗附件11.jpg (45.89 KB) 2008-6-20 21:05 22.jpg (48.08 KB) 2008-6-20 21:05 33.jpg (34.08 KB) 2008-6-20 21:05 44.jpg (10.71 KB) 2008-6-20 21:05 55.jpg (81.25 KB) 2008-6-20 21:05 66.jpg (38.2 KB) 2008-6-20 21:05 77.jpg (42.81 KB) 2008-6-20 21:05 1 概述本文介紹了一臺三級軸流風扇的設計與試驗研究，研究目的是將某型發(fā)動機四級風扇(簡稱“原四級風扇”)用新

3、設計的三級風扇(簡稱“新三級風扇”)代替。為了保持換裝風扇的互換性，要求在原四級風扇的進出口幾何尺寸、轉速、總壓比及喘振裕度不變的條件下，風扇絕熱效率不低于原四級風扇的試驗值，重量和軸向長度應不大于原四級風扇相應數(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。同時進一步驗證風扇的設計體系。由于無原四級風扇設計資料，必須做原型風扇的總性試驗，所以設計了原四級風扇總性能試驗件，并進行加工和總性能試驗，獲得了原四級風扇特性線。根據(jù)總體性能計算確定原發(fā)動機和風扇的共同工作線在發(fā)動機上匹配工作的狀態(tài)點，并確定新的三級風扇設計點參數(shù)，即：總壓比、絕熱效率、喘振裕度和進

4、口空氣流量。根據(jù)設計點參數(shù)進行一維設計特性計算和一維參數(shù)優(yōu)化設計，進行S2 流面計算，優(yōu)化S2 流面設計參數(shù)，進行葉片造型設計、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 流面設計參數(shù)和葉片造型設計參數(shù)，再進行粘性三維計算，這樣反復進行設計迭代直至風扇氣動性能滿足總體技術要求，才轉入強度、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)設計，直至參數(shù)滿意為止。在設計中采用的先進設計技術有：(1) 采用經(jīng)過多臺壓氣機/風扇設計和試驗驗證的一維、二維、三維設計系統(tǒng)；(2) 葉片前掠設計技術；(3) 葉片三維成型設計技術；

5、(4) 非定常氣動力計算及顫振分析技術。新三級風扇首先在部件試驗器上完成了總性能試驗，試驗結果超過了設計值，這初步證明了風扇性能設計是成功的。然后，該試驗件與做相應修改設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(設計要求為200 daN)，超過了設計值，進一步證明了新三級風扇設計是成功的。2 某發(fā)動機原四級風扇總性能試驗2.1 試驗結果直接采用原型發(fā)動機四級風扇，新設計風扇與試驗器的轉接零件，組裝成四級風扇試驗件。試驗是在中國燃氣渦輪研究院全臺壓氣機試驗器上完成的。試驗件圖見圖1，

6、試驗特性線見圖2。2.2 粘性三維計算結果根據(jù)四級風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。計算結果與試驗結果見圖3。圖中表明：全三維計算效率和試驗結果相當，喘振裕度低于試驗值。3 新三級風扇試驗件設計因設計的三級風扇部件將來要換裝在某渦扇發(fā)動機上進行整機試驗，所以新三級風扇與整機接口尺寸必須與原四級風扇的完全一致。某發(fā)動機原四級風扇無進口導向葉片，新三級風扇設計也不采用進口導向葉片，風扇壓比、效率不低于原四級風扇的性能。3.1 新三級風扇部件性能設計技術要求根據(jù)原發(fā)動機風扇部件設計指標和風扇換裝后的發(fā)動機總體性能指標，確定新三級風扇部件設計點指標。主要指標

7、如下：風扇級數(shù)(無進口導葉) 3 級設計點高度0 km設計點飛行馬赫數(shù)0進口空氣總溫288.15 K進口空氣總壓101.3 kPa換算轉速100%總壓比不低于原四級風扇效率不低于原四級風扇喘振裕度不小于原四級風扇3.2 新三級風扇一維特性新三級風扇一維設計采用一維平均半徑設計計算程序，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半徑上的氣動參數(shù)和幾何結構尺寸進行特性估算，一維計算特性利用葉片造型產(chǎn)生的平均半徑上詳細的設計參數(shù)進行特性計算。在不同的換算轉速下，通過調節(jié)效率修正系數(shù)、流量修正系數(shù)、落后角修正

8、系數(shù)、以及壓比修正系數(shù)來進行調節(jié)，系數(shù)的選取參考了中發(fā)三級風扇試驗件的計算結果。一維特性計算表明，新三級風扇設計轉速的最高壓比比原四級風扇設計壓比高，最高效率和喘振裕度都超過了原四級風扇，一維特性計算總性能見圖4。由于現(xiàn)代風扇的流動具有很強的三維特點，所以一維特性計算結果作為二維初步設計時的參考數(shù)據(jù)。3.3 新三級風扇S2 流面設計S2 流面設計采用變比熱S2 流面矩陣通流計算程序。計算中假設氣流為無粘、絕熱、定常流，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)、轉子葉片進口預旋角、各級壓比、轉子葉片排效率、靜子葉片排的總壓恢復系數(shù)和葉片相對厚度，計算輸出各葉排進出口的氣動參數(shù)、

9、各計算站的氣動參數(shù)及質量平均總參數(shù)。多級風扇設計與多級高壓壓氣機一樣，設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，改善中低轉速的特性。新三級風扇主要參數(shù)選擇主要基于一維設計結果而定，同時也考慮了二維參數(shù)優(yōu)化設計和S2 流面的計算結果。根據(jù)原四級風扇的試驗結果，其出口總壓沿徑向基本上是等壓比分布。新三級風扇各級的級壓比沿徑向基本上也為等總壓比分布。風扇的流路設計要考慮到風扇負荷沿軸向和展向的分布，其設計好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；

10、(3) 各葉片排的進口軸向馬赫數(shù)。新三級風扇一級轉子葉片葉尖進口尺寸同中發(fā)風扇試驗件相同，出口尺寸與原四級風扇相同。圖5所示為新三級風扇的流道。它的內壁流道是一條光滑曲線，外壁流道第一級轉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 新三級風扇葉片造型根據(jù)新三級風扇轉子進口相對馬赫數(shù)高、級負荷大、激波較強的特點，轉子葉片采用任意多項式葉型進行設計。任意多項式葉型通過S2 流面通流計算優(yōu)化靜壓來計算相對氣流角，控制槽道內的逆壓梯度，減少葉片的分離損失，從而達到損失低的目的。第一級轉子葉片采用了前掠設計技術。采用前掠技術設計的轉子葉片具有高負荷、高效率

11、及高氣動穩(wěn)定性的特點已經(jīng)得到證實。轉子葉片采用空間三維空間成型設計技術，該設計有利于改善轉子葉片空間全三維流場氣動負荷的分布，減小二次流損失，改善風扇工作特性。風扇第一級轉子葉片的形狀見圖6。第二、第三級轉子葉片采用小前掠設計。各排靜子葉片采用定制葉型進行設計。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

12、序。程序使用壓氣機平面葉柵吹風結果進行了修正，使得這些試驗結果可以應用到變半徑、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)計算結果，新三級風扇各項指標均達到了設計要求。3.6 新三級風扇全三維粘性分析設計過程分別采用了DENTON 和NUMECA 全三維粘性流場計算程序對新三級風扇進行計算分析。圖11圖13 是新三級風扇不同葉展葉片表面馬赫數(shù)分布情況，圖14 為轉子吸力面、靜子壓力面馬赫數(shù)分布，圖15 為轉子壓力面、靜子吸力面馬赫數(shù)分布。在轉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造成強激波，葉片槽道內加功平穩(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角很大，葉型根部負荷較重，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