某單排螺旋槳縮尺試驗件在試驗臺環境下的數值研究

彭學敏 賀象

摘 要：螺旋槳的槳葉為開放式的，在獲取試驗數據過程中，易受到來自試驗臺的干擾。對于試驗臺建設和試驗件結構設計，都應了解車臺地面安裝臺階和增速箱的影響，這是很有必要的。基于此，本文以某單排螺旋槳試驗件為研究對象，采用CFX計算軟件，開展了試驗臺地面安裝臺階和增速箱對螺旋槳性能影響的數值研究。數值計算結果表明試驗臺地面安裝臺階和增速箱都比螺旋槳性能有較明顯的影響，但合適地選取設計參數，可排除兩者對螺旋槳性能的影響。該研究將為螺旋槳試驗臺建設和試驗件結構設計提供了寶貴的數據支持。

關鍵詞：單排螺旋槳;試驗件;試驗臺環境;數值研究

渦輪螺旋槳發動機在中、低速飛行和起飛時具有良好工作性能，且有耗油率低的優勢[1-2]。螺旋槳部件試驗大都在風洞中進行，風洞能準確控制流場，能測定流場細節[3-4]，但試驗成本高。相對而言地面試驗成本相對較低，雖試驗環境相對單一但也可開展部分基礎試驗研究。螺旋槳為開放式葉片，無機匣包裹，在獲取試驗數據過程中，易受到來自試驗臺的干擾。一般在建設螺旋槳試驗臺時，為保證試驗件軸系的高度，通常會在地面設計有安裝臺階。那在試驗臺建設論證過程過中就需考慮兩個問題：第一，應考慮安裝臺階對螺旋槳試驗件性能的影響，選取試驗件距臺階合適的位置;第二，增速箱用于帶動螺旋槳試驗件轉動，與螺旋槳試驗件尾部相連，位于螺旋槳氣流下游，在試驗件結構的軸系設計部分，就需考慮到增速箱對試驗件性能的影響，合理設計試驗件軸系長度，以降低增速箱的影響。基于上述兩個問題，本文以某單排螺旋槳試驗件為研究對象，采用CFX計算軟件，開展了在試驗臺環境下試驗臺的安裝臺階和增速箱對螺旋槳性能影響的數值研究。

1 研究內容

本文以某單排螺旋槳試驗件為對象，就試驗臺的安裝臺階和增速箱開展了兩組計算對比研究，文中結果均進行非參化。

為研究安裝臺階對螺旋槳性能的影響，進了第一組對比研究，對比方案如下：1）以不考慮試車間影響的軸對稱超大遠場邊界條件的螺旋槳為基準，其進出口速度為0，遠場速度為0（記為case1）;2）考慮臺階的影響，對比了兩組情況，即距安裝臺階垂直、水平距離分別為0.6m/0.9m和1.5m/0.4m（分別記為case2、case3），進出口速度為0，無滑移壁面。

為研究增速箱對螺旋槳性能的影響，進了第二組對比研究，對比方案如下：在case3基礎上考慮增速箱的影響，軸高同為1.5m，對比了螺旋槳分別距離增速箱1m、2m兩種情況（分別記為case4、case5），進出口速度為0，無滑移壁面。

2 數值計算

利用CFX三維計算軟件進行在螺旋槳的三維數值模擬分析，case1螺旋槳計算域選取如圖1所示，將螺旋槳及附近流動單獨劃分出來設為轉動域，上下游及遠場設置為靜止域，通常遠場邊界取20倍直徑，上下游長度也取20倍直徑。case2至case5的螺旋槳轉動計算域與case1保持一致，將靜止域替換為試驗臺的網格，如圖2所示。

螺旋槳轉動域一般在槳尖創建一個小的遠場，遠場邊界一般取1.1倍半徑，網格設置選用的Numeca軟件的Autogrid模塊中專門針對對轉槳扇的網格模型。其余槳扇上下游網格和遠場網格/試驗臺網格作為一個整體，在CFX軟件中的ICEM模塊進行網格劃分。case1至case5數值模型的網格數分布如表1所示，螺旋槳旋轉域網格保持一致，只改變靜止域網格，轉動域與靜止域之間交接面采用凍結轉子模型。

3 結果分析

3.1 安裝臺階的影響研究

采用上文所述數值計算網格和設置，對比方案1的case1至case3對應的螺旋槳功率、拉力計算特性對比見圖3，結果表明，在case2中，當安裝臺階垂直、水平距離分別為0.6m/0.9m時，整個特性范圍內螺旋槳的拉力和功率都明顯高于case1，且隨著轉速增大，差異逐漸增大;而當case3中距安裝臺階垂直、水平距離增大至1.5m/0.4m后，螺旋槳的特性與case1基本重合，說明安裝臺階的影響基本消除;總的來看，安裝臺階對螺旋槳試驗件的性能影響較大，當距離過小時，對螺旋槳的性能會有較大的干擾作用，另外，對比case2和case3來看，case3的垂直距離提高，但水平距離是縮短的，就基本消除了安裝臺階的影響，可判斷，試驗件與安裝臺階的垂直距離的選取更為關鍵。

圖4分別為case1至case3設計轉速下的子午面內的馬赫數分布云圖，從圖中馬赫數分布變化可看出，case1中在超大遠場邊界條件下，無外界干擾，螺旋槳的流場是對稱分布的;在case2中，安裝臺階對螺旋槳的流場產生明顯的干擾，導致整個流場分布發生較大的變化，螺旋槳的流場呈現出不對稱分布，使螺旋槳特性偏移;在case3中，將試驗件距離臺階垂直距離增至1.5m后，安裝臺階對螺旋槳

流場的干擾作用明顯減小，安裝臺階已位于其流場邊緣區域，螺旋槳的流場分布再次趨于對稱分布，此時，與case1的計算特性相差不大。

總的來看，螺旋槳性能對距安裝臺階的垂直距離更為敏感，但距離過近時，安裝臺階對螺旋槳的流場干擾明顯，從而使性能改變;當上抬至合適距離時，可基本消除安裝臺階的影響。

3.2 增速箱的影響研究

采用上文所述數值計算網格和設置，對比方案2的case3、case4、case5對應的螺旋槳功率、拉力計算特性對比見圖5，結果表明，當螺旋槳距離增速箱1m時，與case3的特性相比，低轉速時差異不大，隨著轉速增高，case4的螺旋槳性能開始出現偏差，拉力和功率呈現偏高的趨勢，且差異逐漸增大;當case5中與增速向的距離增大至2m時，螺旋槳的計算特性與case3基本重合，說明增速箱的影響已基本消除。與3.1節中的結果相比，還可發現，與安裝臺階的參數變化相比，增速箱對螺旋槳性能的干擾作用相對較小。

圖6分別為case4至case5設計轉速下的子午面內的馬赫數分布云圖，與case3對比，可看出，在case4中，增速箱仍處于螺旋槳的尾跡主流區內，對螺旋槳的流場產生了干擾，導致整個流場發生較大的變化，從而改變螺旋槳性能;而在case5中，當距離拉大到2m，增速箱已處于螺旋槳尾跡主流區之外，干擾作用明顯減小，螺旋槳附近主要的流場分布與case3的流場分布差異明顯減小，兩者計算特性也相差不大。

總的來看，增速箱對螺旋槳性能有一定的影響，相對而言，低于安裝臺階的影響;當兩者的距離，能使增速箱處于螺旋槳尾跡主流區之后，就可基本消除增速箱對螺旋槳性能的影響。

4 結束語

本文采用CFX計算軟件開展了在試驗臺環境下安裝臺階和增速箱對某單排螺旋槳試驗件性能的影響研究，結果表明：

（1）安裝臺階和增速箱都對螺旋槳的性能有較大的影響，相對而言，安裝臺階的影響更大;

（2）距安裝臺階垂直距離的選取更為關鍵，對于該螺旋槳，垂直距離取值1.5m時，安裝臺階對該螺旋槳流場的干擾就明顯減小，對性能影響基本消除。

（3）對于增速箱距螺旋槳距離的選取，只要能使增速箱位于螺旋槳的尾跡主流區之后，例如對于該試驗件，距離取值2m，就可基本消除增速箱對螺旋槳的性能影響。

參考文獻：

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作者簡介：

彭學敏（1988-） 女，漢族，湖南郴州人，碩士，工程師，現就職于中國航發湖南動力機械研究所，研究方向：壓氣機及槳扇氣動設計。