开式转子发动机对转桨扇设计

周人治，郝玉扬，祁宏斌

(中国燃气涡轮研究院，四川成都610500)

开式转子发动机对转桨扇设计

周人治，郝玉扬，祁宏斌

(中国燃气涡轮研究院，四川成都610500)

高推进效率的对转桨扇是开式转子发动机最关键的部件之一。国外航空强国对其开展了大量的CFD计算分析及试验验证工作，优化气动性能，降低噪声等级，以满足适航标准；国内目前尚缺乏对开式转子对转桨扇设计技术和CFD分析的相关研究。本文在现有压气机设计技术的基础上，改进CFD设计分析方法，探索设计出开式转子发动机的对转桨扇，并进行了三维定常流场分析。通过与国外文献研究结果的分析对比，初步验证了本文设计和计算结果的合理性。

航空发动机；开式转子；对转桨扇；叶片造型；CFD分析

1 引言

上世纪70年代，石油危机的出现使得国外各大航空机构开始了对开式转子发动机的研究。其中典型代表为美国GE公司的UDF36无涵道风扇发动机[1]，于1986年8月在B727-100飞行试验台上成功完成了世界首次开式转子发动机飞行试验。但由于油价回落、市场接受度和当时技术水平的限制，开式转子发动机并未投入实际使用。近年来，随着对发动机经济性要求的提高以及更严格的适航条例的出台，开式转子发动机以较高的推进效率、较低的油耗和CO2排放，成为经济友好型发动机的典型代表，具有很强的竞争优势。美国GE公司、英国R·R公司和欧盟，均针对下一代民用客机的需求制定了长远的研究计划，并开展了相关的设计研究[2，3]。

开式转子发动机的工作原理与常规涡桨发动机并无本质区别。先进的开式转子发动机一般采用对转桨扇，在较高飞行马赫数(与先进涡扇发动机相当)工作时，仍能保持远高于普通螺旋桨的推进效率。对转桨扇的气动性能在极大程度上决定了开式转子发动机的性能，但对转桨扇也是开式转子发动机最大的噪声来源。如何降低对转桨扇的噪声等级是目前国外开式转子发动机研究的一个热点。以美国NASA为代表的西方众多航空机构，对先进对转

桨扇展开了大量的CFD计算分析，以期对其气动性能优化设计和噪声控制研究提供依据与支持。

国内在这方面的研究基本处于空白，缺乏对转桨扇的设计理论和设计软件。本文在现有压气机设计技术的基础上，改进CFD设计分析方法，探索性设计出一种适用于开式转子发动机的对转桨扇，并进行了三维定常流场分析。同时，通过与国外研究结果的分析对比，验证了本文计算结果的合理性。

2 对转桨扇设计

2.1 总体指标

本文对对转桨扇的CFD计算基于开式转子发动机设计状态——巡航状态，对转桨扇主要设计参数与NASA F7-A7对转桨扇的一致[4]，如表1所示。

2.2 S2流面设计

S2流面设计选用压气机S2流面计算方法。此方法假设气流为轴对称定常流，采用流线曲率法逐站求解，能反映端壁区域流道信息。计算时输入流道几何参数、静子叶片出口环量分布、附面层堵塞系数、转子叶片排效率或损失系数、静子叶片排总压恢复系数或损失系数、叶片排稠度和各级压比，输出各叶排进出口的气动参数、各计算站的气动参数及质量平均总参数。但对转桨扇的气流属于外流，没有外流道，更没有静子叶片排，且两级转子的转向相反。因此，使用该方法进行对转桨扇的S2流面设计存在较大困难，需在两级转子后面再加一排静子叶片进行处理，并选取合适的S2流面输入数据，才能使计算顺利进行。

对转桨扇S2流面设计的另一个难点是如何评判S2流面设计结果的合理性。由于采用的是压气机计算内流的设计方法，其设计结果的评判准则也只适用于常规压气机，并不适用于属于外流范畴的对转桨扇。目前的解决方法是，参考国外先进对转桨扇资料给定S2流面设计的输入数据，然后根据造型结果和三维计算结果评判设计的合理性，进而反过来修正S2流面设计。对转桨扇子午流道设计结果见图1。

2.3 叶片叶型设计

叶片造型采用定制叶型程序，结果如图2所示。与S2流面设计一样，叶片造型结果也需要三维计算结果修正。

3 网格划分与边界条件设置

3.1 网格划分

外流三维流场计算在网格处理上与内流区别很

大，通常在网格划分时添加一个远场网格来表征周围大气，而内流则是固壁。

采用Numeca软件的网格划分方法，分别设置叶片的前场、后场和远场参数进行网格划分。图3示出了对转桨扇B2B面网格和三维网格。

3.2 边界条件设置

外流计算的边界条件设置与内流计算的全然不同。内流计算一般是给定进出口的气流温度、压力和压气机转速来确定压气机工况，而外流计算没有进出口条件，需要给定环境温度、压力和进气速度(即飞行速度)。远场的边界条件也是给定转速、飞行速度、环境的温度和压力。边界条件设置见表2。

4 结果分析

4.1 计算结果

图4为对转桨扇三维流线和三维马赫数分布图，图5为两排转子间马赫数和总压分布云图，图6为拟S1流面50%叶高处静压分布云图，图7为拟S1流面50%叶高处叶片表面静压分布云图，图8、图9分别为拟S2流面马赫数和静压分布云图。

4.2 合理性判别

下面通过与国外成功对转桨扇的计算和试验结

果的对比，来验证本文计算结果的合理性。

图10是NASA试验测得的前排叶片吸力面静压分布[1]，其趋势是前缘压力低、尾缘压力高。可见，图9中前排叶片吸力面的静压分布趋势也是前缘较低，越向后越高。图11是德国斯图加特大学计算得到的对转桨扇前后排叶片表面压力分布[5]，可见，图7中的叶片表面压力分布趋势与其相似。图12是德国斯图加特大学计算得到的对转桨扇流线图[5]，图4与其相比，两个计算得到的流线图也基本相似。以上对比分析结果表明，本文所做的开式转子对转桨扇的三维流场计算结果基本合理。

6 结束语

本文在压气机设计和计算分析经验的基础上，探索了对转桨扇的气动设计方法。参考国外对转桨扇的设计参数，进行了开式转子发动机的对转桨扇气动设计和三维流场计算分析，并通过与国外相关

研究成果的对比，初步验证了本文设计和计算结果的合理性。由于国内对开式转子发动机的研究较少，缺乏相应的设计软件、成熟的设计经验和合理的分析方法，故本文的研究属探索性质，尚存在着不足，如使用计算内流的设计软件来设计属于外流范畴的对转桨扇、对转桨扇远场计算网格的处理等，都需进一步探讨和研究。

[1]Envia E.NASA Open Rotor Noise Research[C]//.14thCEAS-ASCWorkshop&5thScientificWorkshopof X3-Noise Aeroacoustics of High-Speed Aircraft Propel⁃lers and Open Rotors.Warsaw，Poland：Institute of Avia⁃tion，2010.

[2]胡晓煜.A320/B737客机2020年后换代，开式转子发动机显露希望[J].燃气涡轮试验与研究，2009，22(3)：60—62.

[3]刘红霞，梁春华.开式转子发动机研制与进展[J].国际航空，2010，(4)：75—77.

[4]GE Aircraft Engines,GE36 Project Department.Full Scale Technology Demonstration of a Modern Counterrotat⁃ing Unducted Fan Engine Concept：Design Report[R]. NASA CR-180867，1987.

[5]Busch E R，Keßler M，Krämer E.Numerical Investigation of Counter-rotating Open Rotor Noise Emission in Differ⁃ent Flight Conditions[R].ASME GT2012-68625，2012.

Open Rotor Contra-Rotating Prop-Fan Design

ZHOU Ren-zhi，HAO Yu-yang，QI Hong-bin
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

Contra-rotating prop-fan(CRP)with high propulsive efficiency is one of the most critical compo⁃nents on open rotor engine.Western countries have completed numerous CFD investigations and test dem⁃onstration on CRP to improve its aerodynamic performance and noise level to satisfy airworthiness require⁃ments.However,few investigations can be found in China concerning CRP design and CFD analysis.Based on current compressor design technique,CFD design and analysis method was improved.Using this meth⁃od,a kind of contra-rotating prop-fan adaptive to open rotor engine was designed and 3D steady flow analy⁃sis was carried out.The design and calculation results were initially demonstrated the sound through the comparison with outcomes of some foreign research.

aero-engine；open rotors；contra-rotating prop-fan；blade shaping；CFD analysis

V235.12

：A

：1672-2620(2014)01-0001-05

2013-08-15；

：2014-01-17

周人治(1968-)，男，四川长宁人，研究员，从事航空发动机总体、新概念发动机等研究。