高涵道比高效率風扇氣動設計與CFD分析

陳武

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

1.文獻綜述

1.1 設計過程

設計過程一般包括初始設計、through flow 方法、葉柵計算、準三維計算、三維計算流體動力學模擬分析。

初始設計的重要性在于它能影響壓氣機布局甚至發動機循環。初始設計用來構造速度三角形以及級負載（stage loading）、流系數等參數。壓氣機的尺寸也能計算出來。

計算流體動力學（CFD）正被越來越來用在渦輪機械的設計和分析過程。CFD是對包含流體、傳熱、以及化學反應的系統的仿真。在CFD中，雷諾平均Navier-Storkes（RANS）方程在一個計算網格上求解，以獲得網格上的流場。CFD能預測葉片表面壓力分布、跨音速過程以及泄露等。但邊界層和二次流的預測可能不是很準確。

1.2 葉柵

葉柵主要有C系列、NACA 65以及雙圓弧葉柵等。C系列主要應用在英國，有C4、C5和C7。NACA 65主要應用在美國。這2種葉柵適用于亞音速情況。而雙圓弧可適用于跨音速情況。

1.3 漩渦理論（vortex theory）

漩渦理論是關于流體元素徑向平衡的理論。一個流體元素在轉子中旋轉會受到離心力的作用，該離心力需要徑向的靜壓差來平衡。有幾種旋渦理論如自由旋渦、強制旋渦、可變旋渦和混合旋渦。

1.4 激波及損失

當進氣馬赫數低于1.5[1]時且無邊界層分離，激波是一種有效的壓縮空氣的方式。當進氣馬赫數低于1.5時，由正激波引起的損失非常小。

1.5 關鍵參數

1.5.1 涵道比和風扇壓比

涵道比（BPR）是外涵流量與內涵流量的比值。高涵道比能提供更高的起飛推力且能使耗油率降低。當涵道比、渦輪進口溫度、總壓比確定后，存在一個最優風扇壓比，且最優壓比隨著涵道比的增加而降低。

1.5.2 風扇葉尖速度

葉尖速度通常受機械強度所限，其值一般小于500m/s[3]。更高的葉尖速度意味著更高的相對進口馬赫數，而這無益于提高風扇效率。Freeman和Nicholas[4]指出，對于每一個風扇壓比都存在一個最優葉尖速度，且最優葉尖速度隨著壓比的降低而變小，而相對效率增加。

1.5.3 級負載（stage loading）

級負載是對氣流做的功與葉片速度平方的比值。該比值通常在1.2以下且太高會對效率產生負面影響。而徑向均勻的級負載有利于效率。

1.5.4 擴散系數

擴散系數是檢驗擴散率的最終標準，其值一般應小于0.6。在葉尖間隙中，應小于0.4。

1.5.5 展弦比

展弦比是葉片長度與弦長的比值。低展弦比能減少葉片數量，也能增加喘振壓比，在節線（pitch line）處其值一般在2～2.5。

1.6 葉尖間隙

葉尖間隙對于確保風扇葉片與機匣沒有刮磨至關重要，但葉尖間隙也能引起泄漏和二次流，降低喘振裕度和效率，通常葉尖間隙增加1%效率會降低1%～2%。

2.設計及模擬結果

2.1 設計點

本文選取巡航狀態作為設計點，因為大多數民用航空發動機在運轉時大部分時間處于巡航狀態，并消耗燃油。表1中推力以為波音在研新中型客機提供動力為參考，涵道比、總壓比、渦輪進口溫度借鑒最新民用渦扇發動機性能參數。風扇壓比1.35為設計點狀態下的最優壓比。

表1 巡航和起飛性能

2.2 葉尖速度和風扇轉速

根據Freeman和Nicholas[4]，對于一個給定風扇壓比都有一個最優風扇轉速，使得效率達到最高。

2.3 假設

對風扇轉子做如下假設：

（1）自由漩渦。（2）整個流道進氣軸向速度為200m/s，風扇直徑由此計算為3m。（3）轉子有18個葉片。（4）展弦比為2.2。（5）雙圓弧葉型（Double Circular Aerofoil，DCA)。（6）轉子進口葉尖半徑與葉根半徑比值為0.3。轉子出口該值為0.35。該值較低有利增加流域面積。（7）葉片前沿處氣流攻角為0。（8）根據McKENZIE[2]，轉子葉尖直徑從進口到出口減小2%。（9）由Law和Wadia，轉子葉尖、葉中、葉根處的葉片的最大厚度為相應處實際弦長的0.025、0.05和0.075。（10）葉尖間隙為1%葉長。

2.4 風扇轉子初步設計結果

限于篇幅，本文直接給出了最終的風扇設計及模擬結果，并省略了以下研究內容：

（1）靜子氣動設計結果；（2）優化過程及其結果；（3）網格和湍流模型獨立性分析結果；（4）與轉子37、67驗證結果。

表2為風扇氣動設計結果。

表2 轉子氣動設計結果

2.5 仿真方法及求解設置

仿真方法：三維模型在Bladegen里生成，網格在Turbogrid生成，再將網格導入CFX進行模擬分析。通過模擬結果再對三維模型進行修改優化。

表3～表5分別為網格體運動形式、求解器設置和邊界設置，圖1表明邊界所在位置。

圖1 邊界所在位置

表3 網格體運動形式

表4 求解器設置（適用于所有網格體）

表5 邊界設置

轉靜子均采用結構化的網格以保證模擬分析的準確性。轉子網格數800K。

2.6 仿真結果

最終模擬結果如表6所示。從表6可知，外涵靜子總壓損失比較小，而內涵靜子總壓損失比較大。外涵等熵效率接近文初設定目標，而內涵效率則差距較大。

表6 風扇級模擬結果

從圖2可以看出，在轉子葉展0.9處，正激波處于流道的下游，這有利于風扇轉子的穩定工作。最大馬赫數小于1.5，且正激波引起的氣流分離較小，保證了風扇的高效率。

圖2 馬赫數分布（轉子葉展0.9處）

從圖3可以看出葉尖處存在明顯氣流泄露。相對無葉尖間隙（模擬結果未在本文給出），轉子葉尖間隙使風扇質量流量和外涵效率降低1.5%左右。

圖3 流線分布（轉子葉展0.995，葉尖間隙中）

3.結論

（1）本文給出了一種高涵道風扇的初步氣動設計，并對該設計進行了模擬分析。模擬結果顯示該風扇效率較高，接近文初設定目標。（2）CFD能對葉片表面壓力分布、跨音速過程以及泄露等進行準確預測。（3）雙圓弧葉型適用于跨音速轉子且適用于外涵靜子。（4）從Freeman和Nicholas圖中選擇的風扇轉子葉尖速度接近壓比1.35的最優葉尖速度。