（航空宇航推进理论与工程专业论文）轴流压气机新型叶栅气动干涉噪声研究.pdf

摘要 低噪声己成为航空动力装置发展中考虑的重要因素，而合理的气动设计是降 低涡轮机械自身噪声最根本的方法，并且有很大的降噪潜力。 本文首次将不等栅距概念引入压气机的降噪研究中，在压气机的总体设计阶 段，综合考虑压气机气动性能和声学特性，研究不等栅距叶片布置在降低压气机 离散噪声方面的可行性。通过理论计算和分析得出以下几个方面的结论： 对动叶为等栅距而导叶和静叶为不等栅距情况下的一级半轴流压气机二维叶 栅流场进行了非定常流动的数值模拟，针对静子叶片上的压力脉动及所受气动力 进行了频谱分析。然后与常规栅距结构进行对比，结果表明在非均匀栅距结构下 静子叶片所受的气动力在频谱图上仍表现出明显的离散特性。 在动叶栅距不变的情况下，采用管道声学模型计算和分析了导叶和静叶栅距 的改变对转子噪声的影响，比较了各种结构下静转干涉噪声的大小和传播情况。 结果表明：导叶和静叶采用非均匀栅距结构存在最佳的组合形式，在确保效率和 增压比性能曲线基本不变的前提下，使得转子噪声声压级得以减小，但是在转子 上游和下游这种最佳组合形式有所不同。 在静叶栅距改变的情况下，运用管道声学模型推导出转静干涉噪声的计算公 式，在此基础上计算和分析了导叶和静叶栅距的改变对转静干涉噪声的影响，比 较了各种结构下静转干涉噪声的大小和传播情况。结果表明；转静干涉噪声的传 播模态发生了改交；导叶和静叶采用非均匀栅距结构存在最佳韵组合形式，在确 保效率和增压比性能曲线基本不变的前提下，使压气机转静干涉噪声基频处声压 级得以降低。 通过以上研究表明，在确保压气机气动性能基本不变的前提下。非均匀栅距 结构在降低压气机的气动干涉噪声方面具有一定的效果。 关键词：非均匀栅距，非定常流动，气动干涉噪声，数值模拟，轴流压气机 a b s t r a c t t h en o i r c d u c t i o ni sn o wal e a d i n g 州o r i t yi nt h e 鼬b e rd c v e l o p m e mo fa i r c r a f t e n 矛n e t h eb 邪i cm e t h o dt or e d u c en o j s ei sr e a s o n a b j ea e r o d y n 跏i cd e s i g nw h j c hh 嚣 g r e a td e n o i s ep o t e m i a l i t i e s t h ec 彻c e p to f 咖e v e nb l a d es p a c i n gi s f i r s t l y i n t r o d u c e di n t 0m ec o m p r c s s o r d e n o i s t u d i e s c o f l s i d c r i n gt h e 黜d y n 锄i cp e 墒瑚a i l c e 锄da c o i l s t i cp r o p 眦i e s d 谢n gt 1 1 ed e s i 驴o ft h ec o m p r e s s o r t h ef e 船i b i l i t yo f 硼e v e nb l a d es p a c i n gi nd i s c r c t e n o i s er e d u c t i o ni si n v e s t 蟾a t e d n e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n da i l a l y s i ss h o w ： t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n so f 眦s t e a d yn o ww e r cc a r r i e do u tf o rc o m p r e s s o r 州t 1 1 e q l l a l l ys p a c e dr o t o r b l a d e sa n dl u l e q u a l l ys p a c e di g va i l ds 诅i o r b l a d e s 1 1 l ee 腩c t so f d i 虢r c n tu n e v c nb l a d es p a c i n gc o n f i g u r a t i o n so ns t a t o rb l a d ea e r o d y n 锄i cf b r c ea r c p r c n t e d t h ec a l c u l a t i o l l sp r e d i c tt t l a t t l l ec h a r a c t e r i s t i c so fs t a t o rb l a d ef b r c e f b q u c n c yc h a r ta r ed i s c r e t ef o ra i lc o n f i g t l r a t i o r i s t h ee 虢c t so fu n e q u a l l ys p a c e di g va n ds t a t o rb l a d e so nt h es o u n dg e n e r a t e db y i g v 啪k e r o t o ri n t e r a c t i o n sa r ea n a l y z e d b ys o l v i n gt 1 1 eg e n e r a t e dl i g h t h i l le q u a t i o 船 t h ec o m p 撕s o no fr c s u l t ss h o w st h es o u n dp r e s s u r el e v e l ( s p l ) r a d i a t c db yar o t o r d e c f e a sf o ro n eo ft h e c o n f i g u r a t i o 鹏w i t h o u t i n n u e n c i n gm e 卵r o d y n 锄i c p e r f b r i 】睦a n c e ，b u ti ti sd i h e r e n ti nt h eu p s 打e a mo f t h er o t o rf 咕mt h ed o 、v i 硌i r e a m t h em a i ne 伍mw 龉f o c u s e do nt h e l h l dg e n c r a t e db yr o t o 卜s t a t o ri n t e r a c t i o ni n 锄嫡a lc o m p r e s s o r 、】v i mc q u a l l ys p a c e dr o t o r 卸d 啪e q u a l l ys p a c e di g va i l ds t a t o r b i a d e s t h en o i s e 船d i a t i o nf b 咖u j ao fu n c q u a l l ys p a c e ds t a t o rb j a d e si sd e r i v e dj nt e r m s o ft h eg e n e r a t e dl i g 蜥l l 幽e o 够hi sf o 啪dt h a tt h es t a t o rs o i l i l dp m p a g a t i n gm o d e so f u n e v e nc o n f i g u r a t i o n sa r ec h a l l g e da n dt l l es p la tt h eb l a d ep 髂s i n g 疗e q u e n c yr a d i a t e d b yas t a t o r d e c r e 嬲e sf o ro n eo f 也e s ec o n f i g u r a t i o i l sw i t h o u ti n n l l c n c i n gm c r o d y n a m i cp e r f o m l a n c e b a s e do na b o v es c h e m e s ，t 1 1 e 啪e v c i lb l a d es p a c i n gh a sc e n a i ne 眠t so nr e d u c i n g i n t e r a c t i o nn o i s ew i mo ni n f l u e n c eo nt h ec o m p r c s s o ra e m d y n a n l i cp e r f o 咖锄c e k e yw o r d s ：u n e v e nb l a d es p a c i n g ，蚰s t e a d yn o w ，m d y n a m i cn o i s e ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o i l ，a x i a lc o m p r e s s o f 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向困家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：! 亟! 兰煎 、1 年占月。1 同 指导教师签名 加7 年加月跏 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文 中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经公丌发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他已申请学位或其他用 途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名： 6 虱主缅 螂弓月同 两北r 业大学硕十学位论文第l 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 众所周知，噪声在现代工业社会中是危害环境的一种重要污染源，其中气动 噪声占有相当比重，而气动噪声的最主要噪声源就是航空动力装置。随着民用飞 机数量的快速增长和使用的日益普及，航空噪声问题日益引起世界范围的关注。 美国颁布的联邦航空条例f a r 3 6 部和国际民航公约组织颁布的第1 6 号附件意味着 噪声问题已成为检验飞机适航的重要指标之一。因此，发展低噪声的航空动力装 置已经成为工程上亟待解决的问题。 早期的涡轮喷气发动机的主要噪声是喷流噪声。喷流噪声理论研究证明，喷 流噪声与喷流速度的八次方成正比。为了降低发动机的噪声，必须降低发动机的 喷流速度，但是流量与喷流速度决定了发动机的推力，为了在不影响发动机推力 的条件下降低喷流速度，在上世纪七十年代发展了有外涵道的涡扇发动机，通过 增加外涵道的流量来维持发动机的推力，从而降低喷流速度。随着现代涡扇发动 机涵道比的不断提高，喷流噪声在整个发动机噪声中所占的比例越来越小，风扇 压气机噪声逐渐成为最主要的噪声源【l 】。根据风扇，压气机声源辐射频率特性的不 同，其噪声又可分为宽带噪声和离散噪声。宽带噪声，也称涡流噪声，它是叶轮 在旋转过程中，叶轮叶片与气体相互作用、耦合所辐射的宽频带噪声，包括来流 紊流噪声、紊流附面层噪声、尾缘涡流脱落噪声和叶尖涡流噪声；离散噪声，大 多数情况下也称旋转噪声或干涉噪声，其频带较窄，频率范围主要由叶片通过频 率b p f 及其高次谐波分量组成，包括单独转子噪声、粘性尾迹干涉噪声、势场干 涉噪声、尾涡脱落干涉噪声。理论和实验都【2 4 壤明：在亚音速状态，转子静予的 干涉噪声是离散噪声的最主要分量；在跨音速状态下，虽然激波噪声的存在不可 忽略，但其非线性特性造成它很快衰减，转子静子的干涉噪声仍占很重要因素。 所以研究转子静子干涉所引发的非定常响应与其辐射噪声之刨的关系对如何获取 可靠的降噪手段无疑具有重要的意义。 近年来，对于风扇，压气机的降噪研究一直存在着内部和外部两种方法。 内部方法是直接针对风扇压气机噪声的产生激励进行研究，目的是试图消除 噪声产生的根源，建立合适的噪声预测模型。这种方法目的性强，效果也比较明 显，例如通过调整转子和静子叶片的数目，从而达到声波的截止条件，使得转静 两北t 业大学硕十学付论文第1 章绪论 干涉噪声在传播过程中衰减，达到降噪目的。这种方法已经成为压气机声学设计 的一个重要方法。另外还可以采取以下的措施：保证进口流场的均匀性，尽可能 去除进口流道的机械障碍，如去掉进口导叶支撑杆；恰当地设置转、静叶片间的 间隙量，增加转子静子问距，主要减少静子的高阶谐波辐射，而增加静子转子间 距，会减少所有转子的谐波辐射；根据气动性能和声学特性，综合考虑叶型设计， 并可以确定风扇压气机最小噪声安装角；控制径向月j 隙，减少二次流动，降低宽 频噪声；恰当设计唇口，可抑制向外辐射的噪声。但是由于机匣包容下的风扇，压 气机结构复杂，模型要达到能够模拟风扇压气机的真实条件非常不容易，而且求 解的计算量也很大。另外内部方法要求在总体设计阶段就要综合考虑噪声、性能 等因素，一旦设计完成后再改变方法是比较困难的。 外部方法是从控制噪声的传播途径出发。因为发动机产生的噪声通过进、排 气道以及短舱等各种形式的管道系统向外传播，如果能在其传播途径上敷设吸声 材料，就能够大大降低噪声的外传。例如：在进气道和机匣上安装声衬，恰当地 选择声衬形式和设置声衬位置，可以收到较好的降噪效果，尤其对于激波噪声； 在环壁附面层区进行消声处理，如抽吸环壁附面层，在转子叶尖上加环形围带， 适当的机械处理等；可调叶片适应进口流场的变化，尽可能保证来流攻角在设计 工况下运行。但是这些声学处理方法不仅增加了投资，而且在整个运行过程中， 由于消声器的压力损失而造成能源损失，这对节约能源是很不利的，因而从其本 身来找出降低噪声方法是最根本的。 合理的气动设计是降低噪声最根本的方法，并且有很大的降噪潜力。本文首 次将不等节距概念引入到压气机的降噪研究中，在压气机的总体设计阶段，综合 考虑压气机气动性能和声学特性，研究不等节距在降低压气机离散噪声方面的可 行性。 离散噪声频率与叶片数和叶片转速有关，造成叶片周期性离散噪声的根本原 因是叶片轴向角均匀布置，降低叶轮离散噪声的有效手段就是破坏这种均匀布置， 应采用不等节距的叶片周向布置。按照不等距叶片设计，使叶片问央角不相等， 达到减小各个叶片所产生的噪声问的同相叠加的目的。 在不等节距布置方面，前人己作了很多有益的研究：早在1 9 6 7 年， l o w s o n 提出了采用周向随机布置叶片以降低通风机转子离散噪声的想法【8 j ；1 9 7 0 年m e l l i n 和s o v r 肌也报道了通过叶片周向不等角布置来调制风机噪声的频谱特性，他们还 推导了预测不等节距叶片分布的风机声谱的公式1 9 j 。后来，e w a l d 等采用了相关技 术将一个2 2 个叶片的轴流冷却风机的通过频率噪声降低了8 分贝之多【l0 1 。而 d u n c a l l 等的研究表明，采用静叶不等距分句也可以取得同样的效剿”j 。在我国， 孙晓掣坦】从叶轮离散噪声计算出发，探讨不等节距对观测点基频声压影响的机理。 2 西北工业大学硕十学位论文第l 章绪论 吴先俊等提出了对一贯流风机采用叶片周向角不等距布置降低叶轮总离散噪声a 声级的一种优化设计模型，验证了采用该模型可降低总离散噪声a 声级【1 3 】。但是 该结构目前在压气机研究的文献中还很少，对于多级轴流压气机，文献【1 4 】通过改 变叶片周向时序，减小了叶片力脉动。而文献【1 5 】在对导叶一动叶静叶的三排叶栅 结构形式的研究中发现，保持动叶栅距不变，导叶和静叶采用非均匀栅距结构存 在最佳的组合型式，在确保效率和增压比性能曲线基本不变的前提下，使动叶所 受不同频率下气动力脉动幅值减小。而该结构目i 还没有出现在压气机的降噪研 究中，因为直升机的旋翼和尾翼风扇以及民用风机和吸尘器风叶叶片数量少，栅 距大，叶片之间的相互作用小，基本可以看作孤立叶片，而压气机叶片和叶片之 间以及叶片排和叶片排之间的距离都很小，而且相互之间的干扰很大，问题就复 杂得多。因此，轴流压气机如采用非均匀栅距叶栅结构形式时，其对流动的影响 是很复杂，计算研究的难度也会更大，一方面是转子一静子一体的三维非定常流场 的计算，另一方面是三维声场的计算。 1 2 风扇压气机噪声机理的研究现状 藿 。实际风扇压气机中气流的干涉是非常复杂的。高涵道比涡扇发动机是高负荷 的，气流通过叶片不但有显著的压力变化而且还有大的气流转折。叶片尾迹明显 不同于孤立翼型情况，由于场问速度的径向变化，尾迹是扭转的，在叶尖或叶根 附近，二次流与下游叶片产生干涉等。迄今为止，在理论方面，研究转子静子干 涉噪声所建立的声学模型大致可分为三种：叶片排模型、自由声场模型、管道声 场模型。 叶片排模型是用二维无限平面叶栅来模拟转子或静子叶栅的影响，这种模型 的大部分工作集中在叶栅对声波的传递、反射影响的研究上【1 卵7 1 。用这个模型， 涉及转子一静子干涉噪声问题的工作有划i 和0 k a z a l 【i 【2 8 】，m a n i 瞄0 9 1 等人。k 面i 和 0 k a z a k i 主要讨论了转子一静子尾流、势流干涉在不同情况下的作用以及声波产生 的影响。m a m 采用的是一个更简化的模型，它将叶片排用一“激盘”代替，而作 用在叶片上的力用一集中点力来表示，分别得到了传向上游声波振幅大小的解析 表达式。不久，l i p s t e i n 和m a l l i 【3 0 】用圆柱尾迹与转予相互作用的实验对这个模型 进行了验证。与风扇压气机转子静子所工作的实际物理环境相比，叶片排模型无 疑是一种过于简化的处理方法，因此，这种模型更多的是用来进行机理研究而很 少用来作真实噪声的预测。 自由声场模型假定转子和静子位于自由空间内，不考虑包容机械的影响，并 且假定介质为静止。这个方法主要借鉴了早期研究螺旋桨噪声的成功经验【3 l 】。 3 两北t 业大学硕十学位论文第1 章绪论 h e t l l e r i r 呼o n 【”j 最早采用自由场假设分析和计算了转子静子干涉噪声，不久以后， l o w s o n f 3 3 】，w r i g h t f 5 1 ，h a r i s o n 【3 ”5 1 等研究者分别以不同的出发点发展了自由声场模 型的计算方法。在这些工作中，在计算作为声源的叶片非定常力时，均采用的是 不可压的s e a r s l 3 s j 函数方法。对于来流马赫数不高的源场声波计算，建立在这些 假设基础上的预测方法取得了与实验趋势基本一致的效果；而对于来流马赫数较 高时，显然用s e a r s 函数方法计算非定常力将导致极大的误差。现在，由于非定常 气动力学的发展，克服以上模型在非定常力计算方法的不足并不是非常困难。但 另一方面，自由声场模型本身存在两个无法克服的缺陷，即自由声场模型假设没 有考虑介质的运动速度和管道对声波产生、传播的影响。 管道声场模型假定转子或静子位于一等截面，两端无声波反射的管道内。这 种假设自然包括了机匣对声波传播的影响。1 9 6 2 年，t y l o r 和s o f r i n 【3 9 】研究了旋转 压力波在管道中的传播规律，发现转予和静子叶片数目的不同分布将对所产生的 声波“传播”或“截止”有十分重要的影响。这意味着可以通过合理安排转子静 子叶片数目来降低转静干涉噪声。t y l o r 和s o 衔n p 9 j 的重要发现已成为当今压气机 设计必须考虑的一个重要因素。但是，t y l o r 和s o 厅i n l 3 9 】并没有给出转子与静子产 生的声波幅值的大小，但在计算叶片非定常力时用一个线涡来代臂叶片的影响， 仍采用s e a r s 函数方法计算非定常力。由于此模型比自由声场模型及管道声场模型 更接近风扇压气机转子静子所工作的实际物理环境，所以，近年来有关转子静 子干涉噪声的预测研究主要采用管道声场模型【4 0 ”j 。此外，在非定常力的计算方 面，n a r l l b a l 4 0 】，k a b a y a s h i 【4 3 l 以及v e n 仃e s l 4 6 】等研究者分别发展了用三维非定常叶片 力模型和“片条”方法( 准三维非定常方法) 来计算管道中转子静子干涉噪声的 大小。同时，计算结果表明，采用“片条”理论与三维非定常计算方法相比两者 所预测的噪声差别不大【4 3 】，但前者的计算量则显著地少于后者。 在实验方面，有关风扇压气机的气动噪声自7 0 年代以来已经开展了大量工 作【4 7 1 ，其中涉及转予静子干涉的实验占相当大的比重，并且就转子或静予尾迹进 行了实验研究【4 8 ，4 9 1 ，这些研究更准确地预测了由尾迹引起的干涉噪声产生的重要 影响。孙晓峰【5 0 j 1 】最先在国内开展了关于转子静子噪声预测方法的研究。在这种 预测方法中，它采用广义l i g h t l l i l l 方程为控制方程，再考虑固体边界影响的情况 下对其求解，忽略了单极子源和四极子源的影响，将解的形式应用于风扇压气机 管道声学模型，最后通过求解考虑固体边界影响的格林函数得到声场分布。上述 工作在求解叶片非定常力时采用“片条”( 准三维非定常方法) 方法考虑其沿展向 的变化，并且与已有的一些工作的不同点在于考虑了“后掠效应对叶栅气动计算 的影响，数学模型采用三维线化欧拉方程，经过适当变换化为一个h e l m h o l t z 方程， 最后用类似文献 2 4 的方法求得其解。 西北t + 业大学硕十学何论文 第l 章绪论 1 。3 转子一静子一体的三维非定常流场计算 近年来，随着计算机技术的快速发展，对流场的数值模拟也有了长足的进步。 随着对压气机内部复杂流动的认识越来越深刻，以往为了简化计算，减少计算工 作量，在动静叶排间所采用的周向平均的定常假设，越来越受到新的挑战。因为 叶轮机械内部转子叶排与静子叶排之b j 的相对运动，相邻的动静叶排之间的距离 又很近，本质上就会产生强烈的非定常干扰。国内外大量的实验研究和理论分析 也表明了动静叶排之间的非定常干扰对叶轮机械气动性能有较大的影响，而对叶 片所受气动力的影响更大。因此通过非定常流的数值计算来模拟压气机内部真实 的气体流动，从中得到大量的实验难以获得的非定常特性、流场结构、损失机理 等方面的信息，并在设计阶段加以考虑，从而改善叶轮机的气动性能，就显得非 常重要。 由于动静叶排的相互干扰，动静叶片始终承受着交变的非定常力，这种非定 常力是影响叶片疲劳寿命的主要因素，也是实际风扇压气机最主要的声源。在国 外对叶片非定常力的研究文献并不多，文献 5 2 ，5 3 】通过实验研究了涡和势扰动的物 理本质。对于多级轴流压气机，文献 1 4 】通过改变叶片周向时序，减小了叶片力脉 动。在国内这方面的研究就更少了，文献【5 4 1 对一单级低速轴流压气机中径处动静 叶排的非定常气动力做了频谱分析，研究表明：对于不同轴向间距动静叶排，动 静叶的非定常力脉动基本由其一阶傅立叶分量确定。陈佐一等【55 5 6 j 研究了非寇常 流动对叶片产生的气动激振力，并对非定常力做功进行了研究。对于叶轮机叶片 表面非定常力计算问题则首推k e m p 【37 j 和s e a r s 【3 6 】的求解，但是由于这种方法假定 流体不可压且没有考虑叶栅效应，它的应用受到限制。7 0 年代以后，叶轮机叶片 非定常气动力学经历了一个迅速发展的时期，k 面i 【5 7 】，s m i t i l 【2 4 l 和n 锄a t l 【删等人相 继发展了二维和三维可压缩叶栅非定常力的求解方法。除此之外，根据经验的叶 片速度分布，应用准定常升力计算公式计算表面非定常力也被一些研究者采用i 拍j 。 压气机中动静叶片排相互干涉的非定常流动现象是其固有的流动本质，而所 谓的定常流动则忽略了叶排之间的非定常干扰。从数值计算的角度而言，定常流 场计算要得到的是最终的定常解，而中间结果并不重要，所以，可以采用诸如当 地时间步长、多网格和近似因式分解等加速收敛的方法柬降低计算时间。但是， 压气机动静叶片排相互干扰的非定常流计算实际上要得到的是满足周期性的流场 解，属于时i 、日j 精确计算方法，定常流计算的加速收敛方法均不适用，所花费的计 算时间远大于定常流计算，在加上几何周期性原因，导致非定常流计算的工作量 成数十倍甚至数百倍增加，对计算机资源( 计算速度和内存) 要求较高。为了降 低非定常流计算的工作量，j 锄s o n 等【5 7 诣l 发展了一种“双时间步方法”( d u a l 币m e 5 两北t 业大学硕十学何论文第1 章绪论 s t e p p i n g ) ，将物理时f 日j 域的非定常流计算转化为虚拟时问域的定常流计算，这样 就可以采用定常流计算的加速收敛方法来提高计算收敛的速度。这种方法是目前 非定常流计算广泛采用的一种有效方法。 1 4 本文的主要工作 本文引入不等节距的概念，充分借鉴计算流体力学在叶轮机非定常粘流数值 模拟上己取得的成果，对叶栅布局不均匀如导叶或静子叶片的非对称布局下的流 场进行计算，求得动静叶片排非定常力的大小，最后结合气动声学的基本理论， 计算和分析常规栅距和非均匀栅距结构下转子、静子干涉引起的噪声的大小及传 播特性。 在计算动静叶片排非定常力时，沿用文献【1 5 】的方法，应用双时间步法与 l u s g s 隐式解法相耦合的方法1 5 9 删，采用无波动、无自由参数的耗散n n d 格式 1 6 l l ，利用所研制的流场计算程序，采用有限差分法数值求解了轴流压气机二维非 定常粘性n s 方程。 在计算转子、静子干涉引起的噪声大小时，根据广义l i 曲t 1 1 i l l 气动声学理论【6 2 】， 采用管道声学模型推导并计算了非均匀栅距结构下静转及转静干涉噪声的大小， 其中导叶和静叶也沿用文献【1 5 】中的分布形式，在频域上分析了各种叶栅结构下干 涉噪声的传播特性及降嗓效果。具体的工作包括以下几个方面的内容： 1 ) 对动叶等栅距而导叶和静叶在不等栅距情况下的一级半轴流压气机二维叶栅 流场进行了非定常流动的数值模拟，针对静子叶片上的压力脉动及所受气动力 进行了频谱分析，并与常规栅距结构进行了对比。 2 ) 针对动叶栅距不变而导叶和静叶栅距改变的情况下，运用管道声学模型推导出 了转静干涉噪声的计算公式，并在计算中发现当静叶栅距改变后，转静干涉噪 声的传播模态发生了改变。 3 ) 在动叶栅距不变的情况下，分析了导叶和静叶栅距的变化对转子噪声的影响， 比较了各种结构下静转干涉噪声的大小和传播情况。 4 ) 同样在动叶栅距不变而导叶和静叶栅距改变的情况下，计算了各种栅距结构下 转静干涉噪声的大小，比较了各种结构下转静干涉噪声的大小和传播情况。 非均匀栅距叶栅几何结构就是同排叶片沿圆周方向采用不等栅距，为了研究 采用不等栅距后动静叶排之间的相互影响，以及采用不等栅距后导叶与静叶在圆 周方向相对位置的变化对多排叶栅流场的影响，动静叶排交界面处再采用定常流 的假设就不再适用，只有通过非定常流的计算彳能区分不同栅距通道对流场的不 同影响。因此本文的首要工作就是从非定常流场计算开始，计算非均匀栅距结构 6 两北丁业大学硕十学待论文 第1 苹绪论 下动静叶片排非定常力的大小，紧接着计算各种栅距结构下静转和转静干涉噪声 的大小，分析非均匀性对干涉噪声的影响情况。 目前本文所做的研究工作属于探索性和机理研究，从理论上来说本文在求解 非定常流场时所用方法，可由二维直接推广到三维流动。从计算结果的准确性来 说，求解全三维非定常流动应该更接近于实际流动，但由于其数值模拟计算量很 大，目前直接用于压气机非设计工况流场模拟和性能预估还受到计算机硬件的制 约。另外在计算压气机噪声时，一方面所采用模型并不能代替风扇压气机转子一 静子工作的真实条件，另外在计算中忽略了单极子和四极子噪声的影响，这务必 对风扇压气机整体噪声的预测带来误差。 两t 业人学硕十学伊论文第2 章风扇，压气机离散噪声 第2 章风扇压气机离散噪声 2 1 风扇压气机离散噪声的机理及特征 理论和实验研究旺_ 7 】表明，对于低速运转的叶片机，如轴流通风机，宽频噪声 是主要的声源，而对于高速旋转的风扇压气机噪声，离散噪声占主导地位。多重 单音噪声则随离开声源距离的增加而不断衰减。 转子和静子之间的相互干涉在叶片上产生周期性变化的非稳态气动力是风扇 压气机离散噪声产生的主要原因。在转子和静子之问存在着6 种干涉机制，如图 2 1 所示，即： a 静叶势流场与转子干涉在转子叶片产生非稳态力； b 转子叶片势流场与静叶干涉在静叶上产生非稳态力； c 静叶势流场与转子干涉而在转子叶片后缘诱导的脱落涡与静叶干涉在静 叶产生的非稳态力； d 转子叶片势流场与静叶干涉而在静叶后缘诱导的脱落涡与转子叶片干涉 在转子叶片产生的非稳态力； e 静叶切割转子叶片尾迹在静叶产生非稳态力； f 转子叶片切割静叶尾迹在转子叶片产生非稳态力。 oo 静子势流场转子势流场转子非定常涡 与转子干涉与静子干涉 与静子干涉 星x 矛糌历z 二：允 砸 挣予 = s 逆三二： 弋甄。 转子粘性尾迹 与静子干涉 图2 一i 转子一静子闾的干涉机制 其中c 、d 两种干涉机制分别是a 、b 两种干涉的二次影响，因此往往是可以忽略 的。动、静叶之间的距离是干涉噪声的重要参数，当这一距离很小时，势流干涉 和尾迹切割都会产生严重干涉影响。另外，叶片也有可能作为声屏障而影响邻近 叶片排上升力脉动产生的声辐射，而这个影响取决与升力脉动有关的声波波长和 作为屏障的叶片尺寸之比。当动、静叶之问的距离增加时，势流干涉影响的减小 8 西北丁业大学硕十学伊论文第2 章风扇压气机离散噪声 将比尾迹速度变化的影响快得多，叶片作为声屏障作用也就减小。 风扇转子与进气流的湍流畸变干涉也会产生离散单音。实验发现，在发动机 地面试车或飞机进场时，发动机噪声往往有风扇转子与进气畸变干涉产生的叶片 通过频率上的单音所支配。这种干涉的机理在于转予叶片周期性切割湍流团，因 为叶片通过频率往往会大于湍流团通过叶片式的频率。因为这种干涉辐射的噪声 能量集中在叶片通过频率及其谐波上，更确切地说这是一种窄频带噪声。 2 2 风扇压气机噪声分析模型 为讨论问题方便，首先假定风扇或压气机转予位于一个具有均匀速度u 的两 端无反射的圆环管内，如图2 2 所示，此时运动介质对声传播的影响不能忽略， 控制方程为广义l i g h t h i l l 方程f 5 9 l 等却2 小岳 协- ， 式中巧= p 甜：“：一p ，+ 乞【( p p 。) 一c ：( p 一岛) 】，是按照相对速度甜净。一4 ( ，所表 示的应力张量。 s i 例2 2 压气机模犁示意图 对于实际的风扇压气机，可忽略单极子和四极子的影响，仅考虑叶片与气流 相互作用产生的偶极子的影响，则考虑固体边界影响的广义l i g h t h i l l 方程的解为： m 牡专缸娜m c z z ， 9 两北t 业大学硕十学位论文 第2 章风扇，压气机离散噪声 上式中：s ( f ) 代表叶片表面积，g = g ( 只f i ，f ) 为格林函数，满足方程 = j ( f f ) 万( i 一歹) ( 2 3 ) ( f f ) 为获得( 2 2 ) 的积分结果，需给出考虑固体边界影响的g r e e n 函数。为求解 格林函数，先做如下假设： ( 1 ) 求解域为一无限长道内部( 即进、出口无反射) ( 2 ) 介质流动为均匀的亚音速轴向流动，流动速度u ，即轴向来流马赫数均 匀且肠 譬 倍s s ， 即 i 半| 海 防s a ， 上式说明，对于非稳态叶片力，即使在亚音叶尖速度下也会有声模态传播。 “截止”条件在现代风扇压气机声学设计中起着十分重要的作用。因为仅仅 需要合理选择转子、静子叶片数，就可获得可观的降噪效益。 ( 3 ) 辐射的声功率 根据声强l 与声功率g 。的关系，可以确定由转子一静子干涉所产生的s 曰次谐 波的声功率为 = 千规2 f ”r 懒 ( 2 - 3 5 ) 由声强与声压p 。和传声介质脉动速度u 。的关系得声强l 为 l = ( 1 + 肘2 ) p ”吒+ 羔i p ”1 2 + 岛m 1 1 2 ( 2 3 6 ) 其中 p m = 爵矿m ( 2 3 7 墼：岛( 避一肘昙) ( 2 瑚) o c 0c k l 由式( 2 3 7 ) 、式( 2 3 8 ) 和式( 2 2 5 ) 得 1 4 两北丁业大学硕十学位论文 第2 章风扇原气机离散噪声 吣去黑砉监哪所晤吃磕瑚， 2 3 2 风扇压气机转静干涉噪声预测公式 这时不必转换坐标系，则方程( 2 一1 2 ) 变为 砸力2 壶圭喜掣竽鹾 肛c e 怫肛嗍。糊， 一盘z “如r 伽留泐 对于单音噪声，对应的叶片力是周期性的。因此可以用傅立叶级数表示为 z = 巧e 椰7 ( g = r ，d ) ( 2 4 3 ) d _ 其中傅立叶系数为 碍= 昙严五e 懈协 ( z 吨) 对于具有矿个相同叶片的静子，各个叶片上的非定常力的幅值鬈是一样的，只 差一个相位，假定七= 1 个叶片上作用力可表示为刀( 一等 一1 ) r + 斋待一1 ) ) 。 则有 互= 善咖护等( h 斋( ) ) t 1 1 ， 把上式应用于式( 2 4 3 ) 。得 巧= 粪e - j 2 椰- 1 ) 舢磅( r ，一等( ) ) 口= 耻 巧= p 1 2 州卜”棚”磅( r ，一等( 七一1 ) ) ，口= 丁，d i - i 7 ( 2 4 5 ) ( 2 4 6 ) 两北t 业大学硕十学位论文第2 章风扇，斥气机离散噪声 将式( 2 4 5 ) 和式( 2 4 6 ) 代入( 2 4 2 ) 式，并变换积分变量矿为痧一2 万( 七一1 ) y ， 注意到 扩”棚半= 骺：瑟嚣删川，圮捋， 浯a z ， 智i o坍+ g b s y 。 我们得到转静干涉产生的声压表达式 p ( 膏，f ) = p 徊( 孑) f 9 。 ( 2 4 8 ) 孙= ；妻砉型警【埘吃一吃磕】 c z 哪， 式中： 脚= s y 一日口 s = 0 ，l ，2 ( 2 5 0 ) k 。= ，t ：丝丝+ 鱼 | “4 p 。c o p 。 d t 。= p 。冰。，| 1 d “ “”们f ：d d r l d 币 t = p 。 。r t ) “_ “1 f k 一d r f d 币 2 4 动静叶片排非定常气动干涉计算模型 ( 2 5 1 ) ( 2 5 2 ) ( 2 5 3 ) ( 2 5 4 ) 采用著名的准三维思想，三维问题可转化为沿不同径向位置的若干个二维叶 栅的计算。对于二维圆柱面叶栅中的流动，选取圆柱面正交曲线坐标系，并将控 制方程写成相应的形式。坐标系的具体形式为相对圆柱坐标系( r ，妒，z ) ，坐标系 绕z 轴旋转角速度为q 。 二维圆柱面上的雷诺平均非定常n s 方程： 挈+ 要+ 譬：h ( 2 - 5 5 ) 6 西北丁业人学硕十学付论文第2 章风扇乐气机离散噪声 其中9 = p r ；d c 。 o c ： e tf = h 为原项， 芝：毳+ 伢， p ( c 。一( 驴) 叩( 巴一m ) e + ，p p c ：。一论1 ( e + p ) ( c 。一q r ) ：g = p t 华 ，一，状态施肛肚丁 p c ： r 。c sz 。c ：+ p ( + p ) c ： 其中妒，r ，z 分别表示周向、径向和轴向坐标，睨和睨分别表示伊，z 方向的相对 速度分量，e 和e 分别表示伊，z 方向的绝对速度分量，只p ，t e 分别表示压力、 密度、温度和内能。 采用有限差分法数值离散控制