開式轉子發動機對轉槳扇設計

周人治，郝玉揚，祁宏斌

(中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

開式轉子發動機對轉槳扇設計

周人治，郝玉揚，祁宏斌

(中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

高推進效率的對轉槳扇是開式轉子發動機最關鍵的部件之一。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，優化氣動性能，降低噪聲等級，以滿足適航標準；國內目前尚缺乏對開式轉子對轉槳扇設計技術和CFD分析的相關研究。本文在現有壓氣機設計技術的基礎上，改進CFD設計分析方法，探索設計出開式轉子發動機的對轉槳扇，并進行了三維定常流場分析。通過與國外文獻研究結果的分析對比，初步驗證了本文設計和計算結果的合理性。

航空發動機；開式轉子；對轉槳扇；葉片造型；CFD分析

1 引言

上世紀70年代，石油危機的出現使得國外各大航空機構開始了對開式轉子發動機的研究。其中典型代表為美國GE公司的UDF36無涵道風扇發動機[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子發動機飛行試驗。但由于油價回落、市場接受度和當時技術水平的限制，開式轉子發動機并未投入實際使用。近年來，隨著對發動機經濟性要求的提高以及更嚴格的適航條例的出臺，開式轉子發動機以較高的推進效率、較低的油耗和CO2排放，成為經濟友好型發動機的典型代表，具有很強的競爭優勢。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的研究計劃，并開展了相關的設計研究[2，3]。

開式轉子發動機的工作原理與常規渦槳發動機并無本質區別。先進的開式轉子發動機一般采用對轉槳扇，在較高飛行馬赫數(與先進渦扇發動機相當)工作時，仍能保持遠高于普通螺旋槳的推進效率。對轉槳扇的氣動性能在極大程度上決定了開式轉子發動機的性能，但對轉槳扇也是開式轉子發動機最大的噪聲來源。如何降低對轉槳扇的噪聲等級是目前國外開式轉子發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，對先進對轉

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

國內在這方面的研究基本處于空白，缺乏對轉槳扇的設計理論和設計軟件。本文在現有壓氣機設計技術的基礎上，改進CFD設計分析方法，探索性設計出一種適用于開式轉子發動機的對轉槳扇，并進行了三維定常流場分析。同時，通過與國外研究結果的分析對比，驗證了本文計算結果的合理性。

2 對轉槳扇設計

2.1 總體指標

本文對對轉槳扇的CFD計算基于開式轉子發動機設計狀態——巡航狀態，對轉槳扇主要設計參數與NASA F7-A7對轉槳扇的一致[4]，如表1所示。

2.2 S2流面設計

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

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

2.3 葉片葉型設計

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

3 網格劃分與邊界條件設置

3.1 網格劃分

外流三維流場計算在網格處理上與內流區別很

大，通常在網格劃分時添加一個遠場網格來表征周圍大氣，而內流則是固壁。

采用Numeca軟件的網格劃分方法，分別設置葉片的前場、后場和遠場參數進行網格劃分。圖3示出了對轉槳扇B2B面網格和三維網格。

3.2 邊界條件設置

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

4 結果分析

4.1 計算結果

圖4為對轉槳扇三維流線和三維馬赫數分布圖，圖5為兩排轉子間馬赫數和總壓分布云圖，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槳扇的計算和試驗結

果的對比，來驗證本文計算結果的合理性。

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。可見，圖9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計算得到的對轉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計算得到的對轉槳扇流線圖[5]，圖4與其相比，兩個計算得到的流線圖也基本相似。以上對比分析結果表明，本文所做的開式轉子對轉槳扇的三維流場計算結果基本合理。

6 結束語

本文在壓氣機設計和計算分析經驗的基礎上，探索了對轉槳扇的氣動設計方法。參考國外對轉槳扇的設計參數，進行了開式轉子發動機的對轉槳扇氣動設計和三維流場計算分析，并通過與國外相關

研究成果的對比，初步驗證了本文設計和計算結果的合理性。由于國內對開式轉子發動機的研究較少，缺乏相應的設計軟件、成熟的設計經驗和合理的分析方法，故本文的研究屬探索性質，尚存在著不足，如使用計算內流的設計軟件來設計屬于外流范疇的對轉槳扇、對轉槳扇遠場計算網格的處理等，都需進一步探討和研究。

[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，開式轉子發動機顯露希望[J].燃氣渦輪試驗與研究，2009，22(3)：60—62.

[3]劉紅霞，梁春華.開式轉子發動機研制與進展[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，從事航空發動機總體、新概念發動機等研究。