推进式对转桨扇与短舱一体化设计数值研究

彭学敏 贺象

摘 要：由于桨扇发动机兼备涡扇的较高巡航马赫数和涡桨的低耗油率的特点，是未来极具潜力的绿色航空动力。关于其动力部件对转桨扇，国外已积累了大量成果，但国内几乎为空白。基于此，本文以某推进式对转桨扇为研究对象，采用NUMECA计算软件，通过数值方法开展了推进式对转桨扇与短舱一体化数值研究，分析了短舱的桨叶前进口流道和桨叶根部流道部分对桨扇性能的影响。结果表明，桨叶进口前流道直接影响对转桨扇整个叶高的进口条件，从而改变桨扇性能，其中，先抬高后降低的流道使桨叶前的马赫数最低，效率提高，作功能力增强;桨叶根部流道的斜率增大影响桨叶根部附近的流场，主要使后排桨叶叶背高马赫数区减小，效率提高，从而提升桨扇整体性能。

关键词：推进式对转桨扇;短舱;一体化;数值研究

桨扇发动机兼备较高巡航马赫数和高推进效率的优势，20世纪70年代石油危机的爆发使桨扇发动机获得了较大发展，如1976年由NASA Lewis中心和美国Hamilton Standard公司开始了对高速螺旋桨的实验研究以及气动、噪声和气动弹性的理论研究，研究表明，单转子桨扇在巡航马赫数0.8时，其安装推进效率可达到77%-80%;对转桨扇的推进效率可进一步提高5%-10%[1-3]。很多国际著名发动机公司也开展了桨扇发动机平台研制，罗-罗公司的RB509对转桨扇发动机，前苏联库兹涅佐夫设计局研制的三转子涵道桨扇发动机NK-93。但在80年代桨扇的设计和实验中遇到了大量的技术问题，包括振动、噪声等，加上90年代石油价格的跌落，使得桨扇发动机的研制趋于停滞。到目前，只有乌克兰的D27对转桨扇发动机和欧洲多国联合研制的TP400单转子桨扇发动机投入使用。近年来随着油价攀升，桨扇发动机的独特经济优势使其再次成为未来极具潜力的绿色航空动力[4]。

基于此，本文以某推进式对转桨扇为研究对象，采用NUMECA软件，开展了推进式对转桨扇与短舱一体化设计数值研究，分析了短舱流道形式对对转桨扇性能的影响。

1 研究对象

推进式对转桨扇安装于发动机后部，轮毂直接与短舱相连。短舱流道一般可分为三段：1）从近进气道唇口到桨扇之前;2）随两排桨扇转子一起对转的整流罩;3）从桨扇出口到喷口中心锥尖[5]，如图1。

短舱直接与对转桨扇的轮毂直接相连，推进式对转桨扇的气动设计不能抛开短舱的影响。本文就该问题展开研究，对对转桨扇和短舱进行一体化设计，对比分析了图1中短舱的第1段和第2段流道形式对对转桨扇性能的影响。关于第1段流道的对比方案见图2，其中，case1为等轮毂比流道;case2通过直线段上抬到桨扇进口;case3通过圆弧段上抬到桨扇进口，case2和case3流道的起点、终点一致;case4的流道先通过圆弧段上抬，再通过圆弧段下压到桨叶前;case1至case4的第2段流道均保持一致。关于第2段流道的对比方案见图3，变化趋势为从case1到case3的流道下压斜率逐渐增大，case1至case3的第1段流道均保持一致。为保证可比性，各组桨叶叶型的几何相对参数沿展高分布保持一致。

2 数值计算

本文采用NUMECA进行对转桨扇三维数值计算，网格设置选用的Autogrid模块中专门针对对转桨扇的网格模型，计算域选取方法为：前后桨叶计算域都是转子坐标系，进出口边界延长10倍桨尖半径，远场半径6倍桨尖半径。对转桨扇的网格分为图4中四块，网格数对应表1所列，网格总数为204万。

Fine Turbo中边界条件如下：前后桨分两个计算域，给定旋转速度，交界面为掺混面模型;采用周期边界条件，前后桨均只计算单个通道;进口、出口和远场设置远场边界条件，给定静压、速度、和静温;桨盘轮毂为旋转壁面，桨盘上下游轮毂壁面设置为滑移边条;采用SA湍流模型，双精度计算。为保证可比性，网格和计算设置保持一致。

3 结果分析

3.1 短舱第1段流道的影响研究

对比方案1的计算特性见图5，文中结果均进行非参化。与case1等轮毂比相比，case2和case3的流道上抬，使对转桨扇的总推进效率、功率、拉力降低，其中，通过圆弧段形式的case3参数略高;而采用先上抬后下压形式的case4，总推进效率明显提高，功率、拉力均高于case1。还可看出，在相对前进比小于1.06时，case1-case4后排桨叶性能差异不大，而且总性能差异主要源于前排桨叶的差异;当相对前进比高于1.06时，前、后排桨的性能都差异较大，总性能差异也更大。

图6对比了各方案对转桨扇设计转速时前排桨叶进口的马赫数沿径向分布，图中结果显示，相比case1，case2和case3的流道上抬使前排桨叶进口近根部马赫数提高，其中，采用直线上抬的case2马赫数高于采用圆弧段上抬的case3;而采用先抬后压流道的case4的前排桨叶进口近根部马赫数最低。图7对比了前排桨叶进口的静压沿径向的分布，可看出，case1-case4的流道不同，进口整个叶高的静压场也有明显的差异，其中case2和case4。另外，图8中对比了case1至case4的5%叶高处的马赫数云图，对比发现，case2和case3根部进口马赫数高于case1，因此，通道的堵塞问题也变严重，且case2的通道内已形成一道激波;而case4进口馬赫数最低，根部堵塞基本消除。综合来看，桨叶进口前的流道直接改变桨叶根部进口马赫数和整个叶高范围内的静压场，其中，采用先抬后压短舱流道的case4时桨扇性能最佳，因其进口马赫数的降低改善根部堵塞状态，影响整个桨叶的流动，整体效率抬高，桨叶的作功能力增强。

3.2 短舱第2段流道的影响研究

对比方案2的计算特性见图9，文中结果均进行非参化。可看出，随着case1至case3流道斜率的增加，桨扇的总推进效率逐渐提高，在低转速的增幅更大;相对而言，后排桨叶的性能对流道的斜率更敏感，其推进效率的增幅明显。功率系数随着流道下压斜率的增加逐渐降低，拉力系数变化不大。

图10中设计转速下的各方案5%叶高处马赫数云图，随着根部流道斜率的增加，气流减速更多，叶背高马赫数区逐渐减小，根部的激波强度降低，在case3中激波基本消除，损失逐渐降低，效率逐渐提高。综合来看，桨叶根部流道的变化主要影响桨叶根部流动，后排桨叶对其变化更为敏感，桨叶根部斜率增大明显改善后排桨叶的流场，对转桨扇性能提升。

4 结束语

本文采用NUMECA进行推进式对转桨扇与短舱一体化设计数值研究，主要研究了短舱对应的第1段和第2段流道对对转桨扇性能的影响，从特性、展向参数、弦向参数、马赫数云图等方面，分析了短舱流道变化引起的性能和流场变化。结果表明，短舱对应的第1段流道（即桨叶进口前流道）的形式直接影响对整个叶高范围内的进口条件，对转桨扇桨扇性能的影响很明显，其中，case4采用的先抬高后降低的流道，对应的前排桨叶根部进口马赫数最低，与case1相比，使桨叶通道内的流动得到改善，基本消除根部通道内的堵塞问题，效率明显提高，桨叶的作功能力增强;短舱对应的第2段流道（即桨叶根部流道）的斜率增大主要影响桨叶根部流动，其中，对前排桨叶的影响相对较小，后排桨叶对其表现得更为敏感，其性能变化幅度更大，主要是由于随着流道下压的斜率增加，使气流更快减速，减小了后排桨叶叶背的高马赫数区，削弱了激波强度，效率随之增大，桨扇整体性能提升。

参考文献：

[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，绿色动力：开式转子航空发动机，航空科学技术，2013年1月，6-12.

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。