推進式對轉槳扇與短艙一體化設計數值研究

彭學敏 賀象

摘 要：由于槳扇發動機兼備渦扇的較高巡航馬赫數和渦槳的低耗油率的特點，是未來極具潛力的綠色航空動力。關于其動力部件對轉槳扇，國外已積累了大量成果，但國內幾乎為空白。基于此，本文以某推進式對轉槳扇為研究對象，采用NUMECA計算軟件，通過數值方法開展了推進式對轉槳扇與短艙一體化數值研究，分析了短艙的槳葉前進口流道和槳葉根部流道部分對槳扇性能的影響。結果表明，槳葉進口前流道直接影響對轉槳扇整個葉高的進口條件，從而改變槳扇性能，其中，先抬高后降低的流道使槳葉前的馬赫數最低，效率提高，作功能力增強;槳葉根部流道的斜率增大影響槳葉根部附近的流場，主要使后排槳葉葉背高馬赫數區減小，效率提高，從而提升槳扇整體性能。

關鍵詞：推進式對轉槳扇;短艙;一體化;數值研究

槳扇發動機兼備較高巡航馬赫數和高推進效率的優勢，20世紀70年代石油危機的爆發使槳扇發動機獲得了較大發展，如1976年由NASA Lewis中心和美國Hamilton Standard公司開始了對高速螺旋槳的實驗研究以及氣動、噪聲和氣動彈性的理論研究，研究表明，單轉子槳扇在巡航馬赫數0.8時，其安裝推進效率可達到77%-80%;對轉槳扇的推進效率可進一步提高5%-10%[1-3]。很多國際著名發動機公司也開展了槳扇發動機平臺研制，羅-羅公司的RB509對轉槳扇發動機，前蘇聯庫茲涅佐夫設計局研制的三轉子涵道槳扇發動機NK-93。但在80年代槳扇的設計和實驗中遇到了大量的技術問題，包括振動、噪聲等，加上90年代石油價格的跌落，使得槳扇發動機的研制趨于停滯。到目前，只有烏克蘭的D27對轉槳扇發動機和歐洲多國聯合研制的TP400單轉子槳扇發動機投入使用。近年來隨著油價攀升，槳扇發動機的獨特經濟優勢使其再次成為未來極具潛力的綠色航空動力[4]。

基于此，本文以某推進式對轉槳扇為研究對象，采用NUMECA軟件，開展了推進式對轉槳扇與短艙一體化設計數值研究，分析了短艙流道形式對對轉槳扇性能的影響。

1 研究對象

推進式對轉槳扇安裝于發動機后部，輪轂直接與短艙相連。短艙流道一般可分為三段：1）從近進氣道唇口到槳扇之前;2）隨兩排槳扇轉子一起對轉的整流罩;3）從槳扇出口到噴口中心錐尖[5]，如圖1。

短艙直接與對轉槳扇的輪轂直接相連，推進式對轉槳扇的氣動設計不能拋開短艙的影響。本文就該問題展開研究，對對轉槳扇和短艙進行一體化設計，對比分析了圖1中短艙的第1段和第2段流道形式對對轉槳扇性能的影響。關于第1段流道的對比方案見圖2，其中，case1為等輪轂比流道;case2通過直線段上抬到槳扇進口;case3通過圓弧段上抬到槳扇進口，case2和case3流道的起點、終點一致;case4的流道先通過圓弧段上抬，再通過圓弧段下壓到槳葉前;case1至case4的第2段流道均保持一致。關于第2段流道的對比方案見圖3，變化趨勢為從case1到case3的流道下壓斜率逐漸增大，case1至case3的第1段流道均保持一致。為保證可比性，各組槳葉葉型的幾何相對參數沿展高分布保持一致。

2 數值計算

本文采用NUMECA進行對轉槳扇三維數值計算，網格設置選用的Autogrid模塊中專門針對對轉槳扇的網格模型，計算域選取方法為：前后槳葉計算域都是轉子坐標系，進出口邊界延長10倍槳尖半徑，遠場半徑6倍槳尖半徑。對轉槳扇的網格分為圖4中四塊，網格數對應表1所列，網格總數為204萬。

Fine Turbo中邊界條件如下：前后槳分兩個計算域，給定旋轉速度，交界面為摻混面模型;采用周期邊界條件，前后槳均只計算單個通道;進口、出口和遠場設置遠場邊界條件，給定靜壓、速度、和靜溫;槳盤輪轂為旋轉壁面，槳盤上下游輪轂壁面設置為滑移邊條;采用SA湍流模型，雙精度計算。為保證可比性，網格和計算設置保持一致。

3 結果分析

3.1 短艙第1段流道的影響研究

對比方案1的計算特性見圖5，文中結果均進行非參化。與case1等輪轂比相比，case2和case3的流道上抬，使對轉槳扇的總推進效率、功率、拉力降低，其中，通過圓弧段形式的case3參數略高;而采用先上抬后下壓形式的case4，總推進效率明顯提高，功率、拉力均高于case1。還可看出，在相對前進比小于1.06時，case1-case4后排槳葉性能差異不大，而且總性能差異主要源于前排槳葉的差異;當相對前進比高于1.06時，前、后排槳的性能都差異較大，總性能差異也更大。

圖6對比了各方案對轉槳扇設計轉速時前排槳葉進口的馬赫數沿徑向分布，圖中結果顯示，相比case1，case2和case3的流道上抬使前排槳葉進口近根部馬赫數提高，其中，采用直線上抬的case2馬赫數高于采用圓弧段上抬的case3;而采用先抬后壓流道的case4的前排槳葉進口近根部馬赫數最低。圖7對比了前排槳葉進口的靜壓沿徑向的分布，可看出，case1-case4的流道不同，進口整個葉高的靜壓場也有明顯的差異，其中case2和case4。另外，圖8中對比了case1至case4的5%葉高處的馬赫數云圖，對比發現，case2和case3根部進口馬赫數高于case1，因此，通道的堵塞問題也變嚴重，且case2的通道內已形成一道激波;而case4進口馬赫數最低，根部堵塞基本消除。綜合來看，槳葉進口前的流道直接改變槳葉根部進口馬赫數和整個葉高范圍內的靜壓場，其中，采用先抬后壓短艙流道的case4時槳扇性能最佳，因其進口馬赫數的降低改善根部堵塞狀態，影響整個槳葉的流動，整體效率抬高，槳葉的作功能力增強。

3.2 短艙第2段流道的影響研究

對比方案2的計算特性見圖9，文中結果均進行非參化。可看出，隨著case1至case3流道斜率的增加，槳扇的總推進效率逐漸提高，在低轉速的增幅更大;相對而言，后排槳葉的性能對流道的斜率更敏感，其推進效率的增幅明顯。功率系數隨著流道下壓斜率的增加逐漸降低，拉力系數變化不大。

圖10中設計轉速下的各方案5%葉高處馬赫數云圖，隨著根部流道斜率的增加，氣流減速更多，葉背高馬赫數區逐漸減小，根部的激波強度降低，在case3中激波基本消除，損失逐漸降低，效率逐漸提高。綜合來看，槳葉根部流道的變化主要影響槳葉根部流動，后排槳葉對其變化更為敏感，槳葉根部斜率增大明顯改善后排槳葉的流場，對轉槳扇性能提升。

4 結束語

本文采用NUMECA進行推進式對轉槳扇與短艙一體化設計數值研究，主要研究了短艙對應的第1段和第2段流道對對轉槳扇性能的影響，從特性、展向參數、弦向參數、馬赫數云圖等方面，分析了短艙流道變化引起的性能和流場變化。結果表明，短艙對應的第1段流道（即槳葉進口前流道）的形式直接影響對整個葉高范圍內的進口條件，對轉槳扇槳扇性能的影響很明顯，其中，case4采用的先抬高后降低的流道，對應的前排槳葉根部進口馬赫數最低，與case1相比，使槳葉通道內的流動得到改善，基本消除根部通道內的堵塞問題，效率明顯提高，槳葉的作功能力增強;短艙對應的第2段流道（即槳葉根部流道）的斜率增大主要影響槳葉根部流動，其中，對前排槳葉的影響相對較小，后排槳葉對其表現得更為敏感，其性能變化幅度更大，主要是由于隨著流道下壓的斜率增加，使氣流更快減速，減小了后排槳葉葉背的高馬赫數區，削弱了激波強度，效率隨之增大，槳扇整體性能提升。

參考文獻：

[1] Mikkleson D. C.， Mitchell G. A.， Bober L. J.. Summary of Recent NASA Propeller Research[R]. NASA TM-83733， 1984.

[2] Bober L. J.， Mitchell G. A.. Summary of Advanced Methods for Prediction High Speed Propeller Performance[C]. AIAA Paper， AIAA-80-0225， 1980.

[3] Godston J.， Reynolds C. N.. Propulsion System Integration Configurations for Future Prop-Fan Powered Aircraft[J]. Journal of Aircraft， 1985， 22（12）： 1027-1033.

[5] 嚴成忠，綠色動力：開式轉子航空發動機，航空科學技術，2013年1月，6-12.

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。