某型發(fā)動(dòng)機(jī)四級(jí)風(fēng)扇被高性能前掠三級(jí)軸流風(fēng)扇代替(zt)

1、某型發(fā)動(dòng)機(jī)四級(jí)風(fēng)扇被高性能前掠三級(jí)軸流風(fēng)扇代替某型發(fā)動(dòng)機(jī)四級(jí)風(fēng)扇被高性能前掠三級(jí)軸流風(fēng)扇代替(ZT)(ZT)摘要：本文介紹了一臺(tái)高性能前掠葉型三級(jí)軸流風(fēng)扇的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究。該風(fēng)扇以某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為驗(yàn)證平臺(tái)，全新設(shè)計(jì)一臺(tái)三級(jí)風(fēng)扇代替該發(fā)動(dòng)機(jī)原四級(jí)風(fēng)扇，并提高性能。新設(shè)計(jì)的輸入條件為：保持原四級(jí)風(fēng)扇的進(jìn)出口幾何尺寸、總壓比、轉(zhuǎn)速和喘振裕度，效率不低于原四級(jí)風(fēng)扇試驗(yàn)值。設(shè)計(jì)中采用了葉片掠型設(shè)計(jì)、葉片三維成型技術(shù)和三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)分析等先進(jìn)技術(shù)。試驗(yàn)

2、結(jié)果表明，新設(shè)計(jì)的三級(jí)風(fēng)扇流量增加了8%，效率提高了3.5%，超過(guò)了設(shè)計(jì)指標(biāo)。該新三級(jí)風(fēng)扇串裝于某發(fā)動(dòng)機(jī)順利完成地面試車(chē)，其不加力最大推力增加464daN，超過(guò)了原計(jì)劃增加200daN的指標(biāo)。關(guān)鍵詞：軸流風(fēng)扇；前掠葉型；設(shè)計(jì)；試驗(yàn)1概述概述本文介紹了一臺(tái)三級(jí)軸流風(fēng)扇的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究，研究目的是將某型發(fā)動(dòng)機(jī)四級(jí)風(fēng)扇(簡(jiǎn)稱(chēng)“原四級(jí)風(fēng)扇”)用新設(shè)計(jì)的三級(jí)風(fēng)扇(簡(jiǎn)稱(chēng)“新三級(jí)風(fēng)扇”)代替。為了保持換裝風(fēng)扇的互換性，要求在原四級(jí)風(fēng)扇的進(jìn)出口幾何尺寸

3、、轉(zhuǎn)速、總壓比及喘振裕度不變的條件下，風(fēng)扇絕熱效率不低于原四級(jí)風(fēng)扇的試驗(yàn)值，重量和軸向長(zhǎng)度應(yīng)不大于原四級(jí)風(fēng)扇相應(yīng)數(shù)據(jù)。這樣做的目的是為了使該發(fā)動(dòng)機(jī)推力增加，重量減輕，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比和減小耗油率。同時(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證風(fēng)扇的設(shè)計(jì)體系。由于無(wú)原四級(jí)風(fēng)扇設(shè)計(jì)資料，必須做原型風(fēng)扇的總性試驗(yàn)，所以設(shè)計(jì)了原四級(jí)風(fēng)扇總性能試驗(yàn)件，并進(jìn)行加工和總性能試驗(yàn)，獲得了原四級(jí)風(fēng)扇特性線。根據(jù)總體性能計(jì)算確定原發(fā)動(dòng)機(jī)和風(fēng)扇的共同工作線在發(fā)動(dòng)機(jī)上匹配工作的狀態(tài)點(diǎn)，并確

4、定新的三級(jí)風(fēng)扇設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)，即：總壓比、絕熱效率、喘振裕度和進(jìn)口空氣流量。根據(jù)設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行一維設(shè)計(jì)特性計(jì)算和一維參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行S2流面計(jì)算，優(yōu)化S2流面設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行葉片造型設(shè)計(jì)、二維計(jì)算特性和粘性三維氣動(dòng)正問(wèn)題計(jì)算。通過(guò)粘性三維正問(wèn)題計(jì)算發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)一步優(yōu)化S2流面設(shè)計(jì)參數(shù)和葉片造型設(shè)計(jì)參數(shù)，再進(jìn)行粘性三維計(jì)算，這樣反復(fù)進(jìn)行設(shè)計(jì)迭代直至風(fēng)扇氣動(dòng)性能滿(mǎn)足總體技術(shù)要求，才轉(zhuǎn)入強(qiáng)度、振動(dòng)和非定常氣動(dòng)力計(jì)算及顫振分析，若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題又返回到S

5、2流面計(jì)算，進(jìn)行上述迭代循環(huán)設(shè)計(jì)，直至參數(shù)滿(mǎn)意為止。在設(shè)計(jì)中采用的先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)有：(1)采用經(jīng)過(guò)多臺(tái)壓氣機(jī)風(fēng)扇設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證的一維、二維、三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)；(2)葉片前掠設(shè)計(jì)技術(shù)；(3)葉片三維成型設(shè)計(jì)技術(shù)；(4)非定常氣動(dòng)力計(jì)算及顫振分析技術(shù)。新三級(jí)風(fēng)扇首先在部件試驗(yàn)器上完成了總性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果超過(guò)了設(shè)計(jì)值，這初步證明了風(fēng)扇性能設(shè)計(jì)是成功的。然后，該試驗(yàn)件與做相應(yīng)修改設(shè)計(jì)的新低壓渦輪部件匹配，與原型發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)組成新的發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證平臺(tái)，在

6、地面臺(tái)上完成了發(fā)動(dòng)機(jī)地面臺(tái)架試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常，其不加力推力比原型提高464daN(設(shè)計(jì)要求為200daN)，超過(guò)了設(shè)計(jì)值，進(jìn)一步證明了新三級(jí)風(fēng)扇設(shè)計(jì)是成功的。2某發(fā)動(dòng)機(jī)原四級(jí)風(fēng)扇總性能試驗(yàn)?zāi)嘲l(fā)動(dòng)機(jī)原四級(jí)風(fēng)扇總性能試驗(yàn)2.1試驗(yàn)結(jié)果出各葉排進(jìn)出口的氣動(dòng)參數(shù)、各計(jì)算站的氣動(dòng)參數(shù)及質(zhì)量平均總參數(shù)。多級(jí)風(fēng)扇設(shè)計(jì)與多級(jí)高壓壓氣機(jī)一樣，設(shè)計(jì)中考慮了主要參數(shù)的分布規(guī)律，以利于增加變工況的運(yùn)行效率，改善中低轉(zhuǎn)速的特性。新三級(jí)風(fēng)扇主要參數(shù)選擇主要基于

7、一維設(shè)計(jì)結(jié)果而定，同時(shí)也考慮了二維參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和S2流面的計(jì)算結(jié)果。根據(jù)原四級(jí)風(fēng)扇的試驗(yàn)結(jié)果，其出口總壓沿徑向基本上是等壓比分布。新三級(jí)風(fēng)扇各級(jí)的級(jí)壓比沿徑向基本上也為等總壓比分布。風(fēng)扇的流路設(shè)計(jì)要考慮到風(fēng)扇負(fù)荷沿軸向和展向的分布，其設(shè)計(jì)好壞直接影響每一根流線上的氣動(dòng)參數(shù)，影響葉片根尖截面的氣體流動(dòng)。流路參數(shù)的選擇取決于以下幾點(diǎn)：(1)葉片的負(fù)荷水平和各葉片排的損失；(2)沿葉片整個(gè)和局部的擴(kuò)散因子及速度擴(kuò)散；(3)各葉片排的進(jìn)口軸向馬

8、赫數(shù)。新三級(jí)風(fēng)扇一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片葉尖進(jìn)口尺寸同中發(fā)風(fēng)扇試驗(yàn)件相同，出口尺寸與原四級(jí)風(fēng)扇相同。圖5所示為新三級(jí)風(fēng)扇的流道。它的內(nèi)壁流道是一條光滑曲線，外壁流道第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片從進(jìn)口向后直到第三級(jí)出口，外徑逐漸下降，其中第一、第二級(jí)靜葉出口外徑減小較多。3.4新三級(jí)風(fēng)扇葉片造型根據(jù)新三級(jí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子進(jìn)口相對(duì)馬赫數(shù)高、級(jí)負(fù)荷大、激波較強(qiáng)的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)子葉片采用任意多項(xiàng)式葉型進(jìn)行設(shè)計(jì)。任意多項(xiàng)式葉型通過(guò)S2流面通流計(jì)算優(yōu)化靜壓來(lái)計(jì)算相對(duì)氣流角，控制槽道內(nèi)的逆

9、壓梯度，減少葉片的分離損失，從而達(dá)到損失低的目的。第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片采用了前掠設(shè)計(jì)技術(shù)。采用前掠技術(shù)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子葉片具有高負(fù)荷、高效率及高氣動(dòng)穩(wěn)定性的特點(diǎn)已經(jīng)得到證實(shí)。轉(zhuǎn)子葉片采用空間三維空間成型設(shè)計(jì)技術(shù)，該設(shè)計(jì)有利于改善轉(zhuǎn)子葉片空間全三維流場(chǎng)氣動(dòng)負(fù)荷的分布，減小二次流損失，改善風(fēng)扇工作特性。風(fēng)扇第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的形狀見(jiàn)圖6。第二、第三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片采用小前掠設(shè)計(jì)。各排靜子葉片采用定制葉型進(jìn)行設(shè)計(jì)。定制葉型能有效控制葉型表面附面層發(fā)展，避免或推遲附

10、面層分離，提高壓氣機(jī)效率和穩(wěn)定裕度。該葉型的設(shè)計(jì)特別考慮了抑制前緣吸力面來(lái)流的加速膨脹，降低葉型損失，擴(kuò)大工作范圍。圖7～圖9是各級(jí)靜子中間截面S1流面計(jì)算的葉型表面馬赫數(shù)和附面層形狀因子分布。3.5新三級(jí)風(fēng)扇二維計(jì)算分析計(jì)算采用基于軸對(duì)稱(chēng)模型(正問(wèn)題)的二維多級(jí)軸流壓氣機(jī)數(shù)值分析程序。程序使用壓氣機(jī)平面葉柵吹風(fēng)結(jié)果進(jìn)行了修正，使得這些試驗(yàn)結(jié)果可以應(yīng)用到變半徑、變厚度的葉柵上。采用二維正問(wèn)題計(jì)算方法得到的二維計(jì)算特性見(jiàn)圖10。根據(jù)計(jì)算結(jié)

11、果，新三級(jí)風(fēng)扇各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。3.6新三級(jí)風(fēng)扇全三維粘性分析設(shè)計(jì)過(guò)程分別采用了DENTON和NUMECA全三維粘性流場(chǎng)計(jì)算程序?qū)π氯?jí)風(fēng)扇進(jìn)行計(jì)算分析。圖11～圖13是新三級(jí)風(fēng)扇不同葉展葉片表面馬赫數(shù)分布情況，圖14為轉(zhuǎn)子吸力面、靜子壓力面馬赫數(shù)分布，圖15為轉(zhuǎn)子壓力面、靜子吸力面馬赫數(shù)分布。在轉(zhuǎn)子葉片排的根部截面，由于葉型較厚，氣流在葉背加速比較明顯，但是由于根部進(jìn)口馬赫數(shù)較低，葉片前段葉背氣流加速并沒(méi)有在槽道內(nèi)造成強(qiáng)激波，