風(fēng)扇出口導(dǎo)向葉片低噪聲設(shè)計Ⅰ：方法與優(yōu)化

蔣永松，鄭文濤，趙航，楊明綏，王詠梅

中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽 110015

隨著民用渦扇發(fā)動機涵道比的不斷增大，噴流速度降低，噴流噪聲進(jìn)一步減弱[1]，使得風(fēng)扇噪聲在發(fā)動機總噪聲中越來越突出，無論在起飛還是降落階段都占有較大的比重，因此，風(fēng)扇的低噪聲設(shè)計已成為現(xiàn)代大涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機的研究重點[2-4]。

風(fēng)扇噪聲的一個最主要噪聲源為轉(zhuǎn)子尾跡與外涵出口導(dǎo)向葉片(Outlet Guide Vanes，OGV)或靜子之間相互干涉所產(chǎn)生的噪聲(轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲)，通過干涉過程，將轉(zhuǎn)子尾跡中的渦能轉(zhuǎn)換為向上游和下游傳播的聲能[5-6]。盡管在轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲中也存在寬頻成分，但轉(zhuǎn)子葉片通過頻率(Blade Passing Frequency，BPF)及其倍頻(或諧波)分量仍是干涉噪聲中最突出的部分[7]。為了降低轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲，最直接的方法是通過合理選取轉(zhuǎn)子和OGV的葉片數(shù)，使得聲波滿足“Cut-off”準(zhǔn)則[8]，從而減少可傳播的聲模態(tài)。適當(dāng)增加轉(zhuǎn)子和OGV之間的距離，也可以有效降低風(fēng)扇噪聲，當(dāng)軸向距離增大時，轉(zhuǎn)子的尾跡在到達(dá)靜子前緣時得到充分摻混和衰減，從而可減小OGV對尾跡的非定常響應(yīng)，進(jìn)而降低尾跡與OGV的干涉噪聲，這對高頻噪聲分量的降低效果更顯著，但距離的增大常常受到發(fā)動機重量和性能的限制。

實際上，OGV的軸向掠形和周向傾斜也是降低轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲的有效手段[9]。Kazin[10]的研究表明，靜子葉片沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向傾斜30°，2倍BPF的純頻噪聲降低了1.5～3.5 dB。Envia和Nallasamy[11]的研究進(jìn)一步表明，適當(dāng)運用靜子葉片的掠形和傾斜布置方案，可大幅度降低轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲，他們還提出了降噪設(shè)計的一條基本準(zhǔn)則，即靜子葉片的葉尖相對葉根向下游掠形且葉片向轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向傾斜，可以獲得較好的降噪效果。張偉光等[12]在Namba[13]的基礎(chǔ)上采用三維升力面理論建立了可以考慮葉片彎掠組合影響的氣動聲學(xué)模型，探討了掠形和傾斜對于噪聲的影響機制。

盡管已經(jīng)被研究者大量證實，通過OGV的軸向掠形和周向傾斜等技術(shù)能夠有效控制轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲水平，但在目前風(fēng)扇/壓氣機的氣動設(shè)計過程中并未將聲學(xué)評估作為核心環(huán)節(jié)納入設(shè)計流程中，沒有建立氣動/聲學(xué)一體化設(shè)計方法，導(dǎo)致不能在方案初始設(shè)計階段便對這些技術(shù)的降噪效果進(jìn)行快速評估，滿足不了低噪聲設(shè)計需求。

在風(fēng)扇/壓氣機氣動設(shè)計流程中，通常將通流與葉片造型設(shè)計作為核心環(huán)節(jié)，二者相互迭代形成葉片幾何構(gòu)型，然后通過二維或三維氣動性能評估，得到滿足設(shè)計指標(biāo)的壓氣機可行氣動方案。為了強化聲學(xué)設(shè)計在大涵道比渦扇發(fā)動機設(shè)計中的作用，本文在氣動設(shè)計核心環(huán)節(jié)中引入聲學(xué)快速預(yù)測方法，從通流設(shè)計結(jié)果中提取參數(shù)，采用管道聲學(xué)與三維升力面理論相結(jié)合的解析模型預(yù)測噪聲水平，實現(xiàn)聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計對氣動設(shè)計的快速反饋，真正構(gòu)建氣動/聲學(xué)的一體化設(shè)計方法和流程。為此，本文一方面針對某型大涵道比風(fēng)扇/增壓級，通過研究OGV軸向掠形和周向傾斜對轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲的影響，建立設(shè)計參數(shù)對風(fēng)扇噪聲影響的關(guān)系圖譜，根據(jù)這些圖譜，確定低噪聲OGV的基本設(shè)計參數(shù)；另一方面，在氣動/聲學(xué)的一體化設(shè)計的基礎(chǔ)上，開展基于遺傳算法的優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)一步達(dá)到OGV低噪聲設(shè)計目的。

1 快速預(yù)測方法

本文的快速預(yù)測方法是指從氣動聲學(xué)原理出發(fā)建立的預(yù)測噪聲產(chǎn)生和傳播的解析方法，氣動聲學(xué)中這類方法通常都基于Lighthill的聲類比理論[1]進(jìn)行發(fā)展。在聲類比理論中，氣動問題與聲學(xué)問題各自單獨處理，在數(shù)學(xué)意義上，通過對氣體動力學(xué)的基本方程進(jìn)行重構(gòu)便可得到聲學(xué)變量的線性波動方程，方程左端描述聲波的傳播，右端代表氣動聲源，當(dāng)通過測量、數(shù)值計算或其他理論建模方法獲得聲源項后，則可以通過聲源分布與傳播特征(格林函數(shù))的卷積運算，得到聲波方程的形式解。本文采用管道聲學(xué)與三維升力面理論相結(jié)合方法[13-15]，建立風(fēng)扇轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲的解析預(yù)測模型。

1.1 管道聲學(xué)模型

在風(fēng)扇和壓氣機中，轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲問題實際上是運動介質(zhì)中固體邊界的發(fā)聲問題，根據(jù)廣義Lighthill理論中的FW-H方程[6,16]，在觀測點x及t時刻，轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲的聲壓表達(dá)式p′(x,t)可寫為

(1)

式中：y為聲源位置；τ為遲滯時間；s(τ)為求解問題區(qū)域v(τ)的包圍面；s(y)為葉片表面；fi為葉片表面的壓力載荷；T為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時間；yi為觀察坐標(biāo)；G為運動介質(zhì)波動方程在相應(yīng)問題中的基本解，即Green函數(shù)。將柱坐標(biāo)系應(yīng)用于任意形狀管道Green函數(shù)中，得到圓環(huán)管道內(nèi)的Green函數(shù)表達(dá)式

(2)

在本文的分析中，建立與文獻(xiàn)[17]中類似的坐標(biāo)系，如圖1所示，則有

圖1 轉(zhuǎn)/靜子在某半徑處沿周向展開示意圖

fi=Δpni=Δp(cosαS,sinαS)

(3)

式中：Δp為葉片表面的壓力差；αS為靜子與軸向夾角。這樣一來，如果能求得葉片表面的載荷分布，轉(zhuǎn)子和靜子相互干涉產(chǎn)生的噪聲場即可用式(1)給出。

將式(2)和式(3)代入式(1)，經(jīng)過復(fù)雜的代數(shù)運算后，使用管道聲模態(tài)表示的轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲的聲場表達(dá)式為

(4)

式中：m=sB-qV,q=0,±1,±2…,V為靜子葉片數(shù);Ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻;B為轉(zhuǎn)子葉片數(shù);BΩ為轉(zhuǎn)子葉片通過頻率;s為諧波數(shù)，其中各諧波的模態(tài)幅值表達(dá)式為

(5)

式中：Δps為各諧波的非定常載荷；κn,m為系數(shù)。

盡管式(4)給出了聲場表達(dá)式，但靜子葉片上Δps仍未知，本文使用三維升力面理論方法進(jìn)行求解[13]。這種方法可以考慮現(xiàn)代風(fēng)扇/壓氣機中復(fù)合彎掠的復(fù)雜三維造型設(shè)計，可以評估掠形等因素對風(fēng)扇噪聲的影響。該方法中，將靜子葉片假設(shè)為無限薄、無彎度且沿葉高方向扭曲的平板，非定常載荷分布Δps建立與上洗速度的關(guān)系，即

(6)

式中：K為積分核，表征葉柵的影響；w為來流在靜子上的上洗速度，通過求解該積分方程得到Δps[13-14]，從而求得干涉聲場。應(yīng)該注意的是，本文中轉(zhuǎn)子葉片尾緣距OGV前緣2倍轉(zhuǎn)子弦長以上，OGV前緣處氣流已近似軸向均勻，并且OGV安裝角較小，約為15°，如圖2所示。基于以上兩點，認(rèn)為滿足三維升力面理論的基本假設(shè)。

圖2 OGV安裝角示意圖

1.2 轉(zhuǎn)子尾跡模型

為了求解式(6)，本文采用Majjigi和Gliebe[18]建立的尾跡模型作為上洗速度的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停琈ajjigi和Gliebe的研究指出，轉(zhuǎn)子尾跡剖面滿足高斯分布，其Fourier變換為

(7)

式中：δ為半尾跡速度寬度；wc為尾跡中心速度。δ和wc除了與風(fēng)扇轉(zhuǎn)子和靜子的幾何參數(shù)相關(guān)外，還與轉(zhuǎn)子的氣動參數(shù)有關(guān)，在本文的研究中，這些參數(shù)均取自于通流設(shè)計和造型設(shè)計過程。

本文只考慮轉(zhuǎn)子尾跡對靜子葉片的激勵發(fā)聲機理，在靜子坐標(biāo)系下看，該激勵具有周期性，其頻率為葉片通過頻率及其諧波，因而將絕對坐標(biāo)系下的尾跡速度寫成傅里葉級數(shù)形式[17]，可以得到

(8)

式中：ν為靜子葉片的標(biāo)號；

(9)

ws=Wssin(αS+αCL)·

(10)

其中：αCL為尾跡與軸向夾角；yRD、ySD為轉(zhuǎn)子尾緣、靜子前緣在展開平面的y方向坐標(biāo)；xRS則表示轉(zhuǎn)子尾緣到靜子前緣的距離，如圖1所示，這些參數(shù)都是半徑r的函數(shù)，下標(biāo)H為葉根處對應(yīng)參數(shù)。通過以上各參數(shù)，可以真實反應(yīng)現(xiàn)代風(fēng)扇/壓氣機周向彎曲和軸向掠形等對風(fēng)扇噪聲的影響。

2 氣動/聲學(xué)一體化設(shè)計

為了強化聲學(xué)設(shè)計在大涵道比渦扇發(fā)動機風(fēng)扇設(shè)計中的作用，本文在氣動設(shè)計核心環(huán)節(jié)中引入聲學(xué)快速預(yù)測方法評估，組成氣動/聲學(xué)一體化設(shè)計流程，如圖3所示。特別地，目前大涵道比渦扇發(fā)動機的噪聲源中，風(fēng)扇與OGV之間的轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲占有較大比重，因此，聲學(xué)快速預(yù)測方法是指第1節(jié)所講的轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲解析預(yù)測方法。該方法分別以通流設(shè)計和造型設(shè)計的輸出作為幾何和氣動參數(shù)的輸入，在通流與葉片造型完成迭代設(shè)計后，便能快速開展噪聲水平的評估。

由于轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲主要是由轉(zhuǎn)子尾跡對靜子非定常沖擊而引起的噪聲，因此，在轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲快速預(yù)測方法中，首先根據(jù)轉(zhuǎn)子負(fù)荷，建立轉(zhuǎn)子尾跡的表達(dá)式，并將其轉(zhuǎn)換為靜子坐標(biāo)系下的上洗速度；以管道聲學(xué)理論為基礎(chǔ)，根據(jù)廣義聲類比理論，結(jié)合風(fēng)扇/壓氣機聲模態(tài)的特點，推導(dǎo)出均勻運動介質(zhì)中轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲的聲壓表達(dá)式；由于轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲的聲場表達(dá)式中，可根據(jù)葉片表面的無穿透條件，由上洗速度與其誘導(dǎo)的聲速度建立求解非定常載荷的積分方程，完成非定常載荷的求解過程，從而得到管道內(nèi)由轉(zhuǎn)子尾跡與靜子相互干涉產(chǎn)生的聲場，進(jìn)一步求得聲壓級、相位和前、后傳聲功率等。

圖3 氣動/聲學(xué)一體化設(shè)計流程

在圖3所示的氣動/聲學(xué)一體化設(shè)計流程下，可以快速研究風(fēng)扇/壓氣機設(shè)計中相關(guān)設(shè)計參數(shù)的變化對噪聲的影響，得出變化規(guī)律，形成設(shè)計經(jīng)驗。當(dāng)然，由于解析方法所進(jìn)行的簡化造成了快速預(yù)測過程不可避免的固有缺陷，在氣動設(shè)計方案進(jìn)行氣動性能評估和結(jié)構(gòu)強度可行性評估后，還需使用高精度方法進(jìn)行聲學(xué)更為詳細(xì)的評估。

3 低噪聲設(shè)計參數(shù)化

在建立了針對轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲的聲學(xué)和氣動一體化設(shè)計方法后，可以開展低噪聲設(shè)計的參數(shù)化研究，以某型大涵道比渦扇發(fā)動機風(fēng)扇/增壓級試驗件作為研究對象，系統(tǒng)分析OGV的軸向掠形和周向傾斜對轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲的影響。該試驗件由風(fēng)扇轉(zhuǎn)子、外涵OGV和帶有進(jìn)口導(dǎo)葉的四級增壓級組成，其中風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片數(shù)為22，OGV葉片數(shù)為70。圖4給出了軸向掠形角α和周向傾斜角β在文中的定義。圖4(a)中，OGV的軸向掠形角α為葉尖和葉根在子午面上投影中點的連線與徑向的夾角，當(dāng)葉尖相對于葉根更偏向于下游時，定義掠形角為正，反之則為負(fù)。圖4(b)中，OGV的周向傾斜角β為沿發(fā)動機軸線從前往后看積疊線與徑向線的夾角，當(dāng)OGV在周向沿風(fēng)扇轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向傾斜時，定義傾斜角β為正，反之為負(fù)。

圖4 軸向掠形和周向傾斜的定義

3.1 軸向掠形對風(fēng)扇噪聲的影響

針對掠形對轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲的影響，本文分別選取了-30°、-20°、-10°、0°、10°、20°和30°共7種不同OGV掠形角進(jìn)行分析。在掠形的過程中，保證OGV與轉(zhuǎn)子的平均距離不變。在改變掠形角時，分別以O(shè)GV葉尖和葉根的中點為基點，平移原設(shè)計對應(yīng)的葉尖和葉根流路，分別形成尖部和根部流路，與此同時，周向傾角保持為0°。

由于在壓氣機氣動設(shè)計方法中，軸向的掠形需要在通流設(shè)計過程中通過子午流面上的計算站形狀進(jìn)行控制，計算站的改變就需要進(jìn)行通流設(shè)計與葉片造型設(shè)計的迭代設(shè)計，從而生成葉片幾何，然后再由二者最終的輸出作為噪聲快速預(yù)測方法的輸入，這也是發(fā)展氣動/聲學(xué)一體化設(shè)計方法的原因。

圖5 軸向掠形對前傳噪聲的影響

圖5和圖6分別給出了快速預(yù)測方法獲得的軸向掠形對前傳和后傳各階BPF噪聲聲功率的影響，圖中以掠形角α=0°時對應(yīng)的參考聲功率(Reference Sound Power Level，PWLref)作為參考基準(zhǔn)，由聲功率(PWL)相對變化量PWL-PWLref表示降噪量，該值為正時表示噪聲增加，為負(fù)時表示噪聲降低，由于風(fēng)扇在轉(zhuǎn)子和靜子葉片數(shù)的選取上滿足Cut-off條件，因此1階BPF被截止。從圖中可以看出，隨著BPF階數(shù)的增加，對噪聲的影響也越大，負(fù)角度的掠形會造成噪聲增加，正角度的掠形可以減少噪聲。

總的來說，OGV掠形對轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲有重要影響，掠形30°能降低2階BPF噪聲10 dB左右，而且對高階BPF的降噪效果更明顯。

3.2 周向傾角對風(fēng)扇噪聲的影響

與研究掠形對轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲影響一樣，分別選取-30°、-20°、-10°、0°、10°、20°和30°共7種不同OGV傾斜角進(jìn)行分析，同時保證軸向掠形角為0°。但與掠形不同的是，在壓氣機氣動設(shè)計方法中，周向的傾斜可以在保持S2通流設(shè)計不變的情況下，通過葉片造型過程中的周向積疊來完成。

圖7和圖8分別給出了周向傾角對前傳和后傳噪聲的影響。可以看出，OGV的周向傾角對噪聲的影響比軸向掠形小。與掠形不同的是，周向傾角對低階BPF噪聲的影響比對高階BPF的影響大。總體來講，當(dāng)傾角為30°時，2階BPF噪聲的降噪量只有7 dB左右。

圖8 周向傾角對后傳噪聲的影響

3.3 軸向掠形與周向傾角對噪聲的組合影響

為了研究軸向掠斜與周向傾斜對噪聲的組合影響，圖9和圖10分別給出了OGV在不同傾斜角條件下前傳和后傳噪聲隨不同掠形角的變化曲線，圖11和圖12分別給出了OGV在不同掠形角條件下前傳和后傳噪聲隨不同傾斜角的變化曲線。圖中以原型(Original，ORI)OGV設(shè)計狀態(tài)，即(α,β)=(10°,0°)，對應(yīng)聲功率PWLref作為參考基準(zhǔn)。從圖中可以看出，正的軸向掠形總能大幅減少噪聲，噪聲的減少量近似與掠形角成線性關(guān)系變化；另外，正的周向傾角能夠在一定程度上強化掠形的降噪效果，當(dāng)(α,β)=(30°,10°)時，2階和3階BPF噪聲都能達(dá)到10 dB以上降噪量，當(dāng)(α,β)=(20°,10°)時，2階和3階BPF噪聲也能達(dá)到10 dB左右的降噪量，略高于掠形角α=30°。但當(dāng)傾角β>10°后，OGV周向傾的強化作用幾乎不再增加；負(fù)向的傾角會弱化掠形的降噪效果，在傾角β=-30°條件下，即使是α=30°的大掠形角，也不能取得任何降噪收益。

圖9 不同傾角條件下軸向掠形對前傳噪聲的影響

圖10 不同傾角條件下軸向掠形對后傳噪聲的影響

圖11 不同掠形角條件下周向傾角對前傳噪聲的影響

圖12 不同掠形角條件下周向傾角對后傳噪聲的影響

4 低噪聲OGV優(yōu)化設(shè)計

實際上，前述的降噪效果都是在保證OGV與風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的平均軸向距離不變的情況下得到的。受原風(fēng)扇/增壓級試驗件結(jié)構(gòu)限制，只能在固定葉尖子午投影位置的原則下開展低噪聲OGV設(shè)計，這無疑大大增加了低噪聲設(shè)計的難度，主要表現(xiàn)在兩點：第一，固定了OGV葉尖子午投影位置，在一定程度上就固定了OGV與轉(zhuǎn)子葉片間的最大距離，通過加大兩者距離來降低干涉噪聲的手段因此受到了限制；第二，固定了OGV葉尖子午投影位置，想要加大掠形角，就需要將OGV根部前移，這又勢必導(dǎo)致OGV與轉(zhuǎn)子葉片間的距離減小，掠形的降噪收益與距離減小導(dǎo)致的噪聲增加形成尖銳矛盾。

為了緩解這樣的矛盾，選擇以O(shè)GV軸向掠形α=20°，周向傾斜β=10°為基準(zhǔn)，采用基于遺傳算法[19]的優(yōu)化方法，進(jìn)一步開展了低噪聲OGV的優(yōu)化設(shè)計，尋求通過非均勻軸向掠形[20]和周向傾斜進(jìn)一步提升聲學(xué)收益。優(yōu)化過程中，固定OGV葉尖、根軸向位置，將葉片的前緣子午投影定義為6階貝塞爾函數(shù)，如圖13所示，葉片周向積疊軸定義為3階貝塞爾函數(shù)，如圖14所示，分別各自以控制點軸向及周向偏移量為優(yōu)化變量，以降噪量為優(yōu)化目標(biāo)。為降低對風(fēng)扇氣動性能的影響，保證OGV的負(fù)荷水平不發(fā)生變化，優(yōu)化過程中葉片的子午弦長保持與原方案一致。

在優(yōu)化過程中，種群規(guī)模設(shè)定為16，最大遺傳代數(shù)為200，雜交類型為均勻雜交，雜交率設(shè)為0.5，變異率為0.02。圖15給出了使用遺傳算法得到的優(yōu)化結(jié)果解集，圖中給出了4種不同權(quán)重的優(yōu)化結(jié)果，如Eq03Eh07表示前傳噪聲降噪量的權(quán)重為30%和后傳噪聲降噪量為70%的組合，其他方案以此類推。從結(jié)果中選取相對較優(yōu)的2個方案，分別命名為優(yōu)化方案A(OptimizedA，OPT-A)和優(yōu)化方案B(OptimizedB，OPT-B)，相對于優(yōu)化基準(zhǔn)方案(α,β)=(20°,10°)，OPT-A前傳噪聲與后傳噪聲分別降低2.2 dB和1.0 dB，OPT-B前傳與后傳噪聲分別降低0.5 dB和1.8 dB；相對于原OGV方案，OPT-A前傳噪聲與后傳噪聲分別降低9.4 dB和8.8 dB，OPT-B前傳與后傳噪聲分別降低8.7 dB和9.6 dB。

圖13 OGV軸向掠形參數(shù)化示意圖

圖14 OGV周向傾斜參數(shù)化示意圖

圖15 基于遺傳算法的優(yōu)化結(jié)果

葉片子午投影如圖16所示，X和R分別為軸向和徑向無量綱坐標(biāo)。圖17和圖18分別給出了經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后掠形角和傾斜角沿葉高的分布，與原方案10°的掠形角相比，兩優(yōu)化方案沿葉高具有非常不均勻的掠形角分布，OPT-A方案的掠形角變化范圍為-3°～35°，OPT-B方案的變化范圍為-3°～26°，但兩優(yōu)化方案傾斜角之間的差異比較小，圖19給出了稠度沿葉高的分布，由于在優(yōu)化設(shè)計過程中保證了子午弦長不變，所以優(yōu)化方案稠度變化不大，在一定程度上保證了OGV的氣動性能與原方案基本一致。各方案的三維結(jié)構(gòu)如圖20所示，圖中黑色為風(fēng)扇轉(zhuǎn)子及原方案的OGV，深灰色為OPT-A方案的OGV，淺灰色為OPT-B方案的OGV。

由于氣動/聲學(xué)一體化設(shè)計過程中使用的噪聲快速預(yù)測方法對實際問題進(jìn)行了大量簡化和近似，如將真實的發(fā)動機管道簡化為等直徑環(huán)管、葉片簡化為無彎度和無厚度的平板等，這些簡化和近似無疑會增大預(yù)測誤差，因此，針對這2個低噪聲方案，將在第2篇[21]文章中開展聲學(xué)性能的詳細(xì)評估，并同時給出氣動性能的對比。

圖16 OGV各方案的子午投影

圖17 掠形角沿葉高的分布

圖18 傾斜角沿葉高的分布

圖19 稠度沿葉高的分布

圖20 OGV優(yōu)化方案葉片三維構(gòu)型

5 結(jié) 論

本文利用三維升力面與管道聲學(xué)理論，結(jié)合尾跡模型，直接從氣動設(shè)計輸出提取參數(shù)，實現(xiàn)了噪聲水平的快速評估，建立了氣動/聲學(xué)一體化設(shè)計方法。采用該方法，對風(fēng)扇/增壓級的轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲水平進(jìn)行了快速評估，系統(tǒng)研究了軸向掠形角與周向傾斜角對噪聲水平的影響，優(yōu)選出掠形角與傾斜角的最佳組合，并以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步采用遺傳算法對OGV開展參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計，最終獲得了2個低噪聲優(yōu)化方案。

1) OGV掠形對轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲有重要影響，葉尖向遠(yuǎn)離風(fēng)扇轉(zhuǎn)子方向掠形能明顯降低轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲。掠形20°～30°能降低2階BPF噪聲10 dB左右，而且對高階BPF的降噪效果更明顯。

2) 周向傾相對掠形對轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲的影響較小，葉尖向風(fēng)扇轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向傾斜能減弱轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲。當(dāng)傾斜30°時，對2階BPF噪聲的降噪量7 dB左右，但對高階BPF的降噪效果并不顯著。

3) 對不同掠形和不同傾斜角度的研究表明，在一定掠形角下(特別是正向掠形)，OGV傾斜10°后，繼續(xù)增加傾角的降噪效果減弱，軸向掠形30°、周向傾斜10°，2階和3階BPF噪聲都能達(dá)到10 dB以上降噪量。

4) 以軸向掠形20°、周向傾斜10°為基礎(chǔ)，通過遺傳算法獲得2個低噪聲OGV優(yōu)化方案，經(jīng)初步評估，相對于原型方案，前傳與后傳噪聲的降噪量達(dá)到8 dB左右。