某单排螺旋桨缩尺试验件在试验台环境下的数值研究

彭学敏 贺象

摘 要：螺旋桨的桨叶为开放式的，在获取试验数据过程中，易受到来自试验台的干扰。对于试验台建设和试验件结构设计，都应了解车台地面安装台阶和增速箱的影响，这是很有必要的。基于此，本文以某单排螺旋桨试验件为研究对象，采用CFX计算软件，开展了试验台地面安装台阶和增速箱对螺旋桨性能影响的数值研究。数值计算结果表明试验台地面安装台阶和增速箱都比螺旋桨性能有较明显的影响，但合适地选取设计参数，可排除两者对螺旋桨性能的影响。该研究将为螺旋桨试验台建设和试验件结构设计提供了宝贵的数据支持。

关键词：单排螺旋桨;试验件;试验台环境;数值研究

涡轮螺旋桨发动机在中、低速飞行和起飞时具有良好工作性能，且有耗油率低的优势[1-2]。螺旋桨部件试验大都在风洞中进行，风洞能准确控制流场，能测定流场细节[3-4]，但试验成本高。相对而言地面试验成本相对较低，虽试验环境相对单一但也可开展部分基础试验研究。螺旋桨为开放式叶片，无机匣包裹，在获取试验数据过程中，易受到来自试验台的干扰。一般在建设螺旋桨试验台时，为保证试验件轴系的高度，通常会在地面设计有安装台阶。那在试验台建设论证过程过中就需考虑两个问题：第一，应考虑安装台阶对螺旋桨试验件性能的影响，选取试验件距台阶合适的位置;第二，增速箱用于带动螺旋桨试验件转动，与螺旋桨试验件尾部相连，位于螺旋桨气流下游，在试验件结构的轴系设计部分，就需考虑到增速箱对试验件性能的影响，合理设计试验件轴系长度，以降低增速箱的影响。基于上述两个问题，本文以某单排螺旋桨试验件为研究对象，采用CFX计算软件，开展了在试验台环境下试验台的安装台阶和增速箱对螺旋桨性能影响的数值研究。

1 研究内容

本文以某单排螺旋桨试验件为对象，就试验台的安装台阶和增速箱开展了两组计算对比研究，文中结果均进行非参化。

为研究安装台阶对螺旋桨性能的影响，进了第一组对比研究，对比方案如下：1）以不考虑试车间影响的轴对称超大远场边界条件的螺旋桨为基准，其进出口速度为0，远场速度为0（记为case1）;2）考虑台阶的影响，对比了两组情况，即距安装台阶垂直、水平距离分别为0.6m/0.9m和1.5m/0.4m（分别记为case2、case3），进出口速度为0，无滑移壁面。

为研究增速箱对螺旋桨性能的影响，进了第二组对比研究，对比方案如下：在case3基础上考虑增速箱的影响，轴高同为1.5m，对比了螺旋桨分别距离增速箱1m、2m两种情况（分别记为case4、case5），进出口速度为0，无滑移壁面。

2 数值计算

利用CFX三维计算软件进行在螺旋桨的三维数值模拟分析，case1螺旋桨计算域选取如图1所示，将螺旋桨及附近流动单獨划分出来设为转动域，上下游及远场设置为静止域，通常远场边界取20倍直径，上下游长度也取20倍直径。case2至case5的螺旋桨转动计算域与case1保持一致，将静止域替换为试验台的网格，如图2所示。

螺旋桨转动域一般在桨尖创建一个小的远场，远场边界一般取1.1倍半径，网格设置选用的Numeca软件的Autogrid模块中专门针对对转桨扇的网格模型。其余桨扇上下游网格和远场网格/试验台网格作为一个整体，在CFX软件中的ICEM模块进行网格划分。case1至case5数值模型的网格数分布如表1所示，螺旋桨旋转域网格保持一致，只改变静止域网格，转动域与静止域之间交接面采用冻结转子模型。

3 结果分析

3.1 安装台阶的影响研究

采用上文所述数值计算网格和设置，对比方案1的case1至case3对应的螺旋桨功率、拉力计算特性对比见图3，结果表明，在case2中，当安装台阶垂直、水平距离分别为0.6m/0.9m时，整个特性范围内螺旋桨的拉力和功率都明显高于case1，且随着转速增大，差异逐渐增大;而当case3中距安装台阶垂直、水平距离增大至1.5m/0.4m后，螺旋桨的特性与case1基本重合，说明安装台阶的影响基本消除;总的来看，安装台阶对螺旋桨试验件的性能影响较大，当距离过小时，对螺旋桨的性能会有较大的干扰作用，另外，对比case2和case3来看，case3的垂直距离提高，但水平距离是缩短的，就基本消除了安装台阶的影响，可判断，试验件与安装台阶的垂直距离的选取更为关键。

图4分别为case1至case3设计转速下的子午面内的马赫数分布云图，从图中马赫数分布变化可看出，case1中在超大远场边界条件下，无外界干扰，螺旋桨的流场是对称分布的;在case2中，安装台阶对螺旋桨的流场产生明显的干扰，导致整个流场分布发生较大的变化，螺旋桨的流场呈现出不对称分布，使螺旋桨特性偏移;在case3中，将试验件距离台阶垂直距离增至1.5m后，安装台阶对螺旋桨

流场的干扰作用明显减小，安装台阶已位于其流场边缘区域，螺旋桨的流场分布再次趋于对称分布，此时，与case1的计算特性相差不大。

总的来看，螺旋桨性能对距安装台阶的垂直距离更为敏感，但距离过近时，安装台阶对螺旋桨的流场干扰明显，从而使性能改变;当上抬至合适距离时，可基本消除安装台阶的影响。

3.2 增速箱的影响研究

采用上文所述数值计算网格和设置，对比方案2的case3、case4、case5对应的螺旋桨功率、拉力计算特性对比见图5，结果表明，当螺旋桨距离增速箱1m时，与case3的特性相比，低转速时差异不大，随着转速增高，case4的螺旋桨性能开始出现偏差，拉力和功率呈现偏高的趋势，且差异逐渐增大;当case5中与增速向的距离增大至2m时，螺旋桨的计算特性与case3基本重合，说明增速箱的影响已基本消除。与3.1节中的结果相比，还可发现，与安装台阶的参数变化相比，增速箱对螺旋桨性能的干扰作用相对较小。

图6分别为case4至case5设计转速下的子午面内的马赫数分布云图，与case3对比，可看出，在case4中，增速箱仍处于螺旋桨的尾迹主流区内，对螺旋桨的流场产生了干扰，导致整个流场发生较大的变化，从而改变螺旋桨性能;而在case5中，当距离拉大到2m，增速箱已处于螺旋桨尾迹主流区之外，干扰作用明显减小，螺旋桨附近主要的流场分布与case3的流场分布差异明显减小，两者计算特性也相差不大。

总的来看，增速箱对螺旋桨性能有一定的影响，相对而言，低于安装台阶的影响;当两者的距离，能使增速箱处于螺旋桨尾迹主流区之后，就可基本消除增速箱对螺旋桨性能的影响。

4 结束语

本文采用CFX计算软件开展了在试验台环境下安装台阶和增速箱对某单排螺旋桨试验件性能的影响研究，结果表明：

（1）安装台阶和增速箱都对螺旋桨的性能有较大的影响，相对而言，安装台阶的影响更大;

（2）距安装台阶垂直距离的选取更为关键，对于该螺旋桨，垂直距离取值1.5m时，安装台阶对该螺旋桨流场的干扰就明显减小，对性能影响基本消除。

（3）对于增速箱距螺旋桨距离的选取，只要能使增速箱位于螺旋桨的尾迹主流区之后，例如对于该试验件，距离取值2m，就可基本消除增速箱对螺旋桨的性能影响。

参考文献：

[1] 刘大响，陈光. 航空发动机-飞机的心脏[M]. 北京：航空工业出版社， 2013： 105-116.

[2] 刘沛清. 空气螺旋桨理论及其应用[M].北京：北京航空航天大学出版社， 2006： 1-3.

[3] 周盛，顾高墀等. 航空螺旋桨与桨扇[M].北京：国防工业出版社， 1991： 174-175.

[4]王裕夫， 刘振国， 陶国权. 某高空螺旋桨气动特性数值模拟与风洞试验[J]. 北京航空航天大学学报， 2013， 39（8）： 1102-1105.

作者简介：

彭学敏（1988-） 女，汉族，湖南郴州人，硕士，工程师，现就职于中国航发湖南动力机械研究所，研究方向：压气机及桨扇气动设计。