无人机动力风扇端部造型增效技术研究*

王正鹤，耿 直，张 翔，张 澜

（郑州航空工业管理学院航空工程学院，河南 郑州 450046）

0 引言

无人机因其设计灵巧、空间利用率高、可重复使用、实际用途广泛等特点，具有较好的优越性。涡扇发动机具有总效率高、循环热效率高、起飞推力大、工作稳定性好等优越性，可以满足无人机对动力装置的特殊要求，是无人机动力装置发展的重点。无人机动力风扇的端区造型是影响其性能的主要因素，其中弯曲造型是学者们研究的热点之一。

20世纪60年代，王仲奇教授和费里鲍夫[1]第一次提出了叶片弯曲造型理论，将弯曲造型的概念与叶轮机械结合起来。Weingold等[2]针对一台三级压气机开展弯曲造型研究，弯曲造型使上下端壁角区分离减弱，损失明显降低，所有工况下绝热效率均有所提高。王建明等[3]对局部弯曲造型展开数值模拟研究发现，叶片局部弯曲造型可改善叶片根部的压力梯度分布，从而影响流道内流量沿叶高方向的分布，使压气机叶栅通道内流动损失降低。毛明明[4]的数值研究表明，较大的弯角或弯高有利于正弯动叶顶部的激波移向下游，且使强度减弱，同时能控制低能流体迁移，降低分离损失。刘军[5]以跨声速压气机为研究对象进行研究发现，静叶正弯曲可以通过叶片力的作用改善叶顶端区的流动，但也会使得叶顶前缘和叶中的损失增加，整体上没有使得效率有明显提升。可见，叶片端部弯曲造型的应用并没有统一模式，对于不同的压气机和不同的工况，弯曲造型对压气机性能的影响不尽相同。

本课题以探索端部弯曲造型对跨声速风扇内部流场结构的影响为目的，以NASA Rotor 67为研究对象进行三维数值模拟研究。

1 数值模型

NASA Roter 67是NASA设计的经典低展弦比跨声速进口级转子，具体参数见文献[6]。局部弯曲造型转子积叠线由贝塞尔曲线构成，保持根部截面固定，通过积叠线周线自由度控制所需的弯高和弯角值。由Numeca软件的Autogrid5模块生成计算网格，叶片表面网格采用O型结构，S1流道网格采用H型结构，叶尖间隙内网格为蝶形结构。壁面第一层网格满足y+<5，网格总数约190万。

采用CFX求解器求解N-S方程，运用有限体积法求解，湍流模型采用SST模型，以适应不同端区造型转子的计算精度要求。给定进口总压、总温、气流角和出口静压，叶片表面和固体壁面采用绝热壁面和无滑移边界条件。

2 仿真结果及分析

2.1 对风扇转子特性的影响

原型风扇（ORI）、端部局部正弯造型风扇（NB）和端部局部反弯造型风扇（PB）的特性图，如图1所示。相比于原型风扇，局部正/反弯造型风扇的绝热效率均有提升，且局部反弯造型提升效率效果优于局部正弯造型，局部反弯造型风扇绝热效率提升最大约4%。局部反弯造型风扇的总压比相比原型风扇有一定程度下降，总压比下降最大约2%；局部正弯造型风扇的总压比与原型风扇相差不大。与原型风扇相比，局部正/反弯造型都使风扇的稳定工作范围增大，且局部正弯风扇的稳定工作范围增大更多，增大约4%。

图1 风扇特性

2.2 最大效率工况对比分析

原型风扇、端部局部正弯造型风扇、端部局部反弯造型风扇最大效率工况叶片吸力面静压云图和极限流线分布图，分别如图2、图3所示。从图中可以看出，与原型风扇相比，叶片正/反弯曲轴流风扇叶顶尾缘高压区的范围明显增加，一定程度上提高了叶尖指向叶根的压力梯度，抑制附面层内低能流体由叶根到叶尖的径向迁移，且分离线位置明显前移，减少了流动损失，提高工作效率。

图2 最大效率工况叶片吸力面静压云图

图3 最大效率工况叶片吸力面极限流线图

原型风扇、端部局部正弯造型风扇、端部局部反弯造型风扇90%叶高马赫数云图，如图4所示。从图中可以看出，与原型风扇相比，局部正/反弯造型风扇的槽道激波强度明显降低，叶顶尾缘分离区的范围也显著减小。相比于局部正弯风扇，局部反弯风扇槽道激波强度最低，减弱了激波对附面层的干扰。局部正/反弯风扇尾迹分离损失明显降低，有利于增强转子稳定性，并使得绝热效率提升。

图4 最大效率工况90%叶高截面马赫数云图

2.3 近失速工况对比分析

原型风扇、端部局部正弯造型风扇、端部局部反弯造型风扇近失速工况90%叶高处马赫数云图和壁面静压分布图，分别如图5、图6所示。与原型风扇相比，局部正弯造型风扇叶顶尾缘分离区范围明显减小，叶顶槽道激波前马赫数最大，即激波强度最大，由激波造成的损失最大，从而限制局部正弯造型风扇绝热效率的提升；局部反弯造型风扇叶顶尾缘分离区范围明显减小，且槽道最弱，绝热效率提升较高，稳定工作范围增大。

图5 近失速工况90%叶高截面马赫数云图

图6 近失速工况90%叶高壁面静压分布图

3 结论

通过数值模拟研究，详细对比了端部造型对跨声速风扇内部流场结构的影响，得到如下结论：1）与原型风扇相比，局部反弯造型风扇绝热效率明显提高，总压比有小幅下降；局部正弯造型风扇绝热效率小幅提高，总压比相差不大；局部正/反弯造型风扇均增大跨声速风扇的稳定工作范围。2）最大效率工况下，相比于原型风扇，局部正/反弯造型风扇明显减小叶顶尾缘区域分离区范围，且叶中槽道激波强度显著降低，绝热效率得到提升。3）近失速工况下，相比于原型风扇，局部正/反弯造型风扇叶顶尾缘区域分离区范围显著减小，流动损失降低，风扇绝热效率提升，稳定工作范围增大。