某型發(fā)動(dòng)機(jī)四級(jí)風(fēng)扇被高性能前掠三級(jí)軸流風(fēng)扇代替

1、某型發(fā)動(dòng)機(jī)四級(jí)風(fēng)扇被高性能前掠三級(jí)軸流風(fēng)扇代替摘要：本文介紹了一臺(tái)高性能前掠葉型三級(jí)軸流風(fēng)扇的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究。該風(fēng)扇以某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為驗(yàn)證平臺(tái)，全新設(shè)計(jì)一臺(tái)三級(jí)風(fēng)扇代替該發(fā)動(dòng)機(jī)原四級(jí)風(fēng)扇，并提高性能。新設(shè)計(jì)的輸入條件為：保持原四級(jí)風(fēng)扇的進(jìn)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(jí)風(fēng)扇試驗(yàn)值。設(shè)計(jì)中采用了葉片掠型設(shè)計(jì)、葉片三維成型技術(shù)和三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)分析等先進(jìn)技術(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，新設(shè)計(jì)的三級(jí)風(fēng)扇流量增加了8%，效率提高了3.5%，超過(guò)了設(shè)計(jì)指標(biāo)。該新三級(jí)風(fēng)扇串裝于某發(fā)動(dòng)機(jī)順利完成地面試車(chē)，其不加力最大推力增加464 daN，超過(guò)了原計(jì)劃增加200 daN 的指標(biāo)。關(guān)鍵詞：軸流風(fēng)扇；前掠葉

2、型；設(shè)計(jì)；試驗(yàn)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(tái)三級(jí)軸流風(fēng)扇的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究，研究目的是將某型發(fā)動(dòng)機(jī)四級(jí)風(fēng)扇(簡(jiǎn)稱(chēng)“原四級(jí)風(fēng)扇”)用新

3、設(shè)計(jì)的三級(jí)風(fēng)扇(簡(jiǎn)稱(chēng)“新三級(jí)風(fēng)扇”)代替。為了保持換裝風(fēng)扇的互換性，要求在原四級(jí)風(fēng)扇的進(jìn)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(jí)風(fēng)扇的試驗(yàn)值，重量和軸向長(zhǎng)度應(yīng)不大于原四級(jí)風(fēng)扇相應(yīng)數(shù)據(jù)。這樣做的目的是為了使該發(fā)動(dòng)機(jī)推力增加，重量減輕，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比和減小耗油率。同時(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證風(fēng)扇的設(shè)計(jì)體系。由于無(wú)原四級(jí)風(fēng)扇設(shè)計(jì)資料，必須做原型風(fēng)扇的總性試驗(yàn)，所以設(shè)計(jì)了原四級(jí)風(fēng)扇總性能試驗(yàn)件，并進(jìn)行加工和總性能試驗(yàn)，獲得了原四級(jí)風(fēng)扇特性線。根據(jù)總體性能計(jì)算確定原發(fā)動(dòng)機(jī)和風(fēng)扇的共同工作線在發(fā)動(dòng)機(jī)上匹配工作的狀態(tài)點(diǎn)，并確定新的三級(jí)風(fēng)扇設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)，即：總壓比、絕熱效率、喘振裕度和進(jìn)

4、口空氣流量。根據(jù)設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行一維設(shè)計(jì)特性計(jì)算和一維參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行S2 流面計(jì)算，優(yōu)化S2 流面設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行葉片造型設(shè)計(jì)、二維計(jì)算特性和粘性三維氣動(dòng)正問(wèn)題計(jì)算。通過(guò)粘性三維正問(wèn)題計(jì)算發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)一步優(yōu)化S2 流面設(shè)計(jì)參數(shù)和葉片造型設(shè)計(jì)參數(shù)，再進(jìn)行粘性三維計(jì)算，這樣反復(fù)進(jìn)行設(shè)計(jì)迭代直至風(fēng)扇氣動(dòng)性能滿足總體技術(shù)要求，才轉(zhuǎn)入強(qiáng)度、振動(dòng)和非定常氣動(dòng)力計(jì)算及顫振分析，若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題又返回到S2 流面計(jì)算，進(jìn)行上述迭代循環(huán)設(shè)計(jì)，直至參數(shù)滿意為止。在設(shè)計(jì)中采用的先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)有：(1) 采用經(jīng)過(guò)多臺(tái)壓氣機(jī)/風(fēng)扇設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證的一維、二維、三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)；(2) 葉片前掠設(shè)計(jì)技術(shù)；(3) 葉片三維成型設(shè)計(jì)技術(shù)；

5、(4) 非定常氣動(dòng)力計(jì)算及顫振分析技術(shù)。新三級(jí)風(fēng)扇首先在部件試驗(yàn)器上完成了總性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果超過(guò)了設(shè)計(jì)值，這初步證明了風(fēng)扇性能設(shè)計(jì)是成功的。然后，該試驗(yàn)件與做相應(yīng)修改設(shè)計(jì)的新低壓渦輪部件匹配，與原型發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)組成新的發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證平臺(tái)，在地面臺(tái)上完成了發(fā)動(dòng)機(jī)地面臺(tái)架試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常，其不加力推力比原型提高464 daN(設(shè)計(jì)要求為200 daN)，超過(guò)了設(shè)計(jì)值，進(jìn)一步證明了新三級(jí)風(fēng)扇設(shè)計(jì)是成功的。2 某發(fā)動(dòng)機(jī)原四級(jí)風(fēng)扇總性能試驗(yàn)2.1 試驗(yàn)結(jié)果直接采用原型發(fā)動(dòng)機(jī)四級(jí)風(fēng)扇，新設(shè)計(jì)風(fēng)扇與試驗(yàn)器的轉(zhuǎn)接零件，組裝成四級(jí)風(fēng)扇試驗(yàn)件。試驗(yàn)是在中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院全臺(tái)壓氣機(jī)試驗(yàn)器上完成的。試驗(yàn)件圖見(jiàn)圖1，

6、試驗(yàn)特性線見(jiàn)圖2。2.2 粘性三維計(jì)算結(jié)果根據(jù)四級(jí)風(fēng)扇流道和葉片幾何參數(shù)進(jìn)行粘性全三維計(jì)算，計(jì)算程序采用商用NUMECA 程序。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。圖中表明：全三維計(jì)算效率和試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)，喘振裕度低于試驗(yàn)值。3 新三級(jí)風(fēng)扇試驗(yàn)件設(shè)計(jì)因設(shè)計(jì)的三級(jí)風(fēng)扇部件將來(lái)要換裝在某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行整機(jī)試驗(yàn)，所以新三級(jí)風(fēng)扇與整機(jī)接口尺寸必須與原四級(jí)風(fēng)扇的完全一致。某發(fā)動(dòng)機(jī)原四級(jí)風(fēng)扇無(wú)進(jìn)口導(dǎo)向葉片，新三級(jí)風(fēng)扇設(shè)計(jì)也不采用進(jìn)口導(dǎo)向葉片，風(fēng)扇壓比、效率不低于原四級(jí)風(fēng)扇的性能。3.1 新三級(jí)風(fēng)扇部件性能設(shè)計(jì)技術(shù)要求根據(jù)原發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇部件設(shè)計(jì)指標(biāo)和風(fēng)扇換裝后的發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能指標(biāo)，確定新三級(jí)風(fēng)扇部件設(shè)計(jì)點(diǎn)指標(biāo)。主要指標(biāo)

7、如下：風(fēng)扇級(jí)數(shù)(無(wú)進(jìn)口導(dǎo)葉) 3 級(jí)設(shè)計(jì)點(diǎn)高度0 km設(shè)計(jì)點(diǎn)飛行馬赫數(shù)0進(jìn)口空氣總溫288.15 K進(jìn)口空氣總壓101.3 kPa換算轉(zhuǎn)速100%總壓比不低于原四級(jí)風(fēng)扇效率不低于原四級(jí)風(fēng)扇喘振裕度不小于原四級(jí)風(fēng)扇3.2 新三級(jí)風(fēng)扇一維特性新三級(jí)風(fēng)扇一維設(shè)計(jì)采用一維平均半徑設(shè)計(jì)計(jì)算程序，該程序按照給定的平均半徑上的葉排參數(shù)計(jì)算壓氣機(jī)的特性。選用兩種模塊進(jìn)行一維特性計(jì)算：一維檢查特性和一維計(jì)算特性。一維檢查特性利用流道平均半徑上的氣動(dòng)參數(shù)和幾何結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行特性估算，一維計(jì)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(jì)參數(shù)進(jìn)行特性計(jì)算。在不同的換算轉(zhuǎn)速下，通過(guò)調(diào)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(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，系數(shù)的選取參考了中發(fā)三級(jí)風(fēng)扇試驗(yàn)件的計(jì)算結(jié)果。一維特性計(jì)算表明，新三級(jí)風(fēng)扇設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的最高壓比比原四級(jí)風(fēng)扇設(shè)計(jì)壓比高，最高效率和喘振裕度都超過(guò)了原四級(jí)風(fēng)扇，一維特性計(jì)算總性能見(jiàn)圖4。由于現(xiàn)代風(fēng)扇的流動(dòng)具有很強(qiáng)的三維特點(diǎn)，所以一維特性計(jì)算結(jié)果作為二維初步設(shè)計(jì)時(shí)的參考數(shù)據(jù)。3.3 新三級(jí)風(fēng)扇S2 流面設(shè)計(jì)S2 流面設(shè)計(jì)采用變比熱S2 流面矩陣通流計(jì)算程序。計(jì)算中假設(shè)氣流為無(wú)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(jì)算輸入流道幾何參數(shù)、轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)口預(yù)旋角、各級(jí)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(duì)厚度，計(jì)算輸出各葉排進(jìn)出口的氣動(dòng)參數(shù)、

9、各計(jì)算站的氣動(dòng)參數(shù)及質(zhì)量平均總參數(shù)。多級(jí)風(fēng)扇設(shè)計(jì)與多級(jí)高壓壓氣機(jī)一樣，設(shè)計(jì)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(yùn)行效率，改善中低轉(zhuǎn)速的特性。新三級(jí)風(fēng)扇主要參數(shù)選擇主要基于一維設(shè)計(jì)結(jié)果而定，同時(shí)也考慮了二維參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和S2 流面的計(jì)算結(jié)果。根據(jù)原四級(jí)風(fēng)扇的試驗(yàn)結(jié)果，其出口總壓沿徑向基本上是等壓比分布。新三級(jí)風(fēng)扇各級(jí)的級(jí)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(jì)要考慮到風(fēng)扇負(fù)荷沿軸向和展向的分布，其設(shè)計(jì)好壞直接影響每一根流線上的氣動(dòng)參數(shù)，影響葉片根尖截面的氣體流動(dòng)。流路參數(shù)的選擇取決于以下幾點(diǎn)：(1) 葉片的負(fù)荷水平和各葉片排的損失；(2) 沿葉片整個(gè)和局部的擴(kuò)散因子及速度擴(kuò)散；

10、(3) 各葉片排的進(jìn)口軸向馬赫數(shù)。新三級(jí)風(fēng)扇一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片葉尖進(jìn)口尺寸同中發(fā)風(fēng)扇試驗(yàn)件相同，出口尺寸與原四級(jí)風(fēng)扇相同。圖5所示為新三級(jí)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(jí)轉(zhuǎn)子葉片從進(jìn)口向后直到第三級(jí)出口，外徑逐漸下降，其中第一、第二級(jí)靜葉出口外徑減小較多。3.4 新三級(jí)風(fēng)扇葉片造型根據(jù)新三級(jí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子進(jìn)口相對(duì)馬赫數(shù)高、級(jí)負(fù)荷大、激波較強(qiáng)的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)子葉片采用任意多項(xiàng)式葉型進(jìn)行設(shè)計(jì)。任意多項(xiàng)式葉型通過(guò)S2 流面通流計(jì)算優(yōu)化靜壓來(lái)計(jì)算相對(duì)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(dá)到損失低的目的。第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片采用了前掠設(shè)計(jì)技術(shù)。采用前掠技術(shù)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子葉片具有高負(fù)荷、高效率

11、及高氣動(dòng)穩(wěn)定性的特點(diǎn)已經(jīng)得到證實(shí)。轉(zhuǎn)子葉片采用空間三維空間成型設(shè)計(jì)技術(shù)，該設(shè)計(jì)有利于改善轉(zhuǎn)子葉片空間全三維流場(chǎng)氣動(dòng)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(jí)轉(zhuǎn)子葉片的形狀見(jiàn)圖6。第二、第三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片采用小前掠設(shè)計(jì)。各排靜子葉片采用定制葉型進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(jī)效率和穩(wěn)定裕度。該葉型的設(shè)計(jì)特別考慮了抑制前緣吸力面來(lái)流的加速膨脹，降低葉型損失，擴(kuò)大工作范圍。圖7圖9 是各級(jí)靜子中間截面S1 流面計(jì)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(jí)風(fēng)扇二維計(jì)算分析計(jì)算采用基于軸對(duì)稱(chēng)模型(正問(wèn)題)的二維多級(jí)軸流壓氣機(jī)數(shù)值分析程

12、序。程序使用壓氣機(jī)平面葉柵吹風(fēng)結(jié)果進(jìn)行了修正，使得這些試驗(yàn)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(wèn)題計(jì)算方法得到的二維計(jì)算特性見(jiàn)圖10。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，新三級(jí)風(fēng)扇各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。3.6 新三級(jí)風(fēng)扇全三維粘性分析設(shè)計(jì)過(guò)程分別采用了DENTON 和NUMECA 全三維粘性流場(chǎng)計(jì)算程序?qū)π氯?jí)風(fēng)扇進(jìn)行計(jì)算分析。圖11圖13 是新三級(jí)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(jìn)口馬赫數(shù)較低，葉片前段葉背氣流加速并沒(méi)有在槽道內(nèi)造成強(qiáng)激波，葉片槽道內(nèi)加功平穩(wěn)，葉背最高馬赫數(shù)點(diǎn)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(qiáng)的逆壓力梯度。在靜子葉片排根部截面，由于S2 流面氣動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)第一級(jí)靜子根部絕對(duì)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(jí)靜子葉