开题报告(CFM-56航空发动机风扇结构强度与噪声分析).doc

XX大学毕业设计（论文）开题报告题目 发动机CMF-56航空发动机风扇结构强度与噪声分析专 业 名 称 飞行器动力工程班 级 学 号 xx学 生 姓 名 xx指 导 教 师 xx填 表 日 期 年 月 日一、 选题的依据及意义：1.选题的依据：现代人生活中有三大污染：空气污染、噪声污染和水污染。前面两项都与航空发动机有关。噪声污染是伴随着近代工业革命和航空喷气时代的到来而到来的。现今，噪声污染已是一个全世界都十分关注的环境问题，过量的环境噪声对人的生理和心理都有影响。长期暴露在高噪声环境下对人的听力和身体健康将造成严重的危害，一般性的噪声干扰则会影响人们的正常工作和生活。在人们的生活中，噪声无处不在。噪声的等级由声强级的单位“分贝”数表示大小。我国国家标准（GB 3096-1982）中规定：居民生活区白天的允许值为50dB，晚上则为40dB。根据生理健康测定：一般环境声音在30至50分贝时，不会影响人们正常的起居；声音达到60分贝以上时，人们便会有较大的感觉，导致失眠；在噪声级70分贝的环境下，人与人之间正常的沟通交流就会感到困难；80至90分贝时会觉得很吵，长期在这种环境下学习和生活，会使人体神经细胞逐渐受到破坏；若是在噪声级85至90分贝的环境下长期工作若干年，造成耳聋的几率达26%；长期生活在90分贝以上的环境中，听力会受到严重影响并产生神经衰弱头疼高血压等疾病；大于100分贝会使耳朵发胀疼痛，这样的声响达到人耳的痛阈。痛阈以上的噪声危害更大，超过115分贝，大脑皮层的功能便严重衰退。如果超过175分贝，可能引发心脏共振，导致死亡。可见，噪声对人体的损害非常之大。电风扇噪声为30分贝，洗衣机为50分贝，空调为70分贝，一个人声嘈杂、生意兴隆的餐厅噪声为7580分贝，车水马龙的大街上可达8590分贝，机声隆隆、马达轰鸣的生产车间大约为90分贝。螺旋桨飞机附近的噪声约为105110分贝，涡轮喷气发动机在中间状态工作时约为110130分贝，加力状态可达180192分贝。有人做过试验，在发动机开加力是，排气锥内的噪声是可以致命的。因此，机场都要远离人烟稠名的市区，试车台都要有特殊的消声装置。噪声和噪声污染已成为当今世界性的问题。我国社会和经济建设正处于高速发展时期，而且目前我国正在大力发展民用航空工业，预计在不久的将来将有越来越多的自己设计制造的干线、支线民用运输机投入使用。产品的低噪声性能已成为衡量产品质量和性能的重要指标，关系到我国从制造业大国向制造业强国的转变。因此，在设计过程中如何有效地降低飞机噪声已是我国民航工业所要面临的重要问题之一。考察民用喷气客机可知，其主要噪声源有两个。一是飞机机体与绕流空气之间的气动噪声，二是动力装置所发出的噪声。两者相比，后者更为重要。目前干线客机大多是涡轮风扇发动机为动力。发动机整机的噪声源有排气噪声、燃烧噪声、机械噪声、风扇噪声和进气噪声等。而风扇/压气机噪声和喷流噪声是发动机的主要噪声源。随着飞机广泛使用的涡轮风扇发动机涵道比的不断提高，发动机排气速度大大减小，相应的喷流噪声得到较大的降低，使得风扇/压气机噪声在飞机总噪声中占有越来越突出的地位。风扇噪声随着风扇负荷加大, 噪声变得愈发严重：给机场所处地区的居民造成不良影响；飞行器舱内的噪声使旅客不舒服，乘务员工作环境恶化；飞行器结构受到强烈的声载荷作用，导致结构元、部件出现疲劳损伤，以及记载设备系统的损坏等。所以，为了使乘客有较舒适、安静的环境且对机场附近的居民不造成过大干扰，研究涡轮风扇发动机的消声措施，减少风扇噪声的任务势在必行。2. 研究的意义：本课题以某个航空发动机的风扇为对象，对其结构进行分析，研究其内部流动形式，气流噪声的来源。进而通过Abaqus软件建立该风扇结构模型，分析叶片强度以及通过内部声场分析其气流噪声等，得到影响风扇噪声的主要因素，进行强度分析，找出降低风扇噪声的优化措施。为开展航空发动机的风扇噪声分析的研究工作作出一定贡献。二、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）：飞行噪声由发动机噪声和飞机噪声两部分构成，而发动机产生的噪声则远大于飞机。发动机噪声主要来源于风扇、喷流、燃烧和涡轮，其中风扇噪声和喷流噪声较大，因此美国和欧盟在过去20年投入大量人力、物力和财力加强对发动机各种降噪技术的研究，为了达到更低的噪声水平，甚至不惜牺牲一些气动性能为了满足未来发展的需要，美国和欧盟近期都制定了专门的噪声研究大型国家级规划。例如美国在19942001年实施的先进亚音速技术计划(AsT)部署了降噪技术计划，从2001年又开始实施的安静飞机技术研究计划(QAT)，初期投资1亿美元，该计划自2004年起加大了投资力度；而欧盟从2001年开始实施为期5年的相应计划SILENCER，是欧洲有史以来关于噪声研究的最大计划，投资高达11亿欧元。为了降低噪声，当代大涵道比涡扇发动机不但大量采用声衬，而且在发动机的气动设计上采取了大量措施因此，过去20年大涵道比涡扇发动机降噪技术已经成为发动机气动设计技术的一个重要组成部分，特别是风扇和排气系统的设计，噪声水平已经成为发动机气动设计的一个重要指标。为了满足未来适航条例关于噪声水平的要求，当前先进的大涵道比风扇设计中已开始将风扇的噪声水平作为重要的设计指标之一，同时将噪声的分析和评估直接纳入风扇的气动设计体系与流程。现阶段大涵道比风扇气动设计上采用的降噪技术有：1. 增大涵道比，并用单级风扇代替多级风扇。增大涡扇发动机的涵道比，其结果是降低了喷流速度从而降低了喷流噪声，同时经济性也得到改善。高涵道化涡扇发动机，风扇噪声占主导地位，在设计中考虑用单级风扇代替多级风扇，将使风扇总噪声有明显下降，从而降低发动机总噪声级。当然，同时，随着涵道比的增大，单级风扇噪声略有增加，这是由于风扇尺寸增大后，风扇中空气流量增大的缘故。2. 风扇转子设计：（1）适当降低叶尖切线速度，采用掠形叶片和倾斜叶片叶片；（2）重视降低尾迹的宽度和强度，采用锯齿形风扇出口导向叶片后缘和吹气式尾迹管理；（3）风扇转子前不装进口导流叶片；（4）选择合适的转子叶片数目和合适的间距：恰当选取转子和静子的叶片数目，这个参数决定了管内干涉噪声能否被“截止”； 拉大转子与静子间距：明显增加转子与风扇外涵出口导叶的间距，适当增大转子与增压级进口导叶的间距；（5）出口导流叶片与转子叶片间要留有较大的轴向间距： 适当增大转子和静子甸的轴向间隙，以减小气流扰动强度；出口导叶叶片数的选择：通过外涵出口导叶叶片数的选择，使之能够截断转子叶片通过频率成份的噪声模态向下游的传播。3.采用吸声衬垫和长的整流罩：在高涵道比涡轮风扇发动机外涵道流道中与气流相接触的壁面上，安装用以消声的声学衬垫。这种衬垫由3层层状结构组成，外层（暴露于气流表面层）用铝、钛、不锈钢或复合材料的多孔材料制成；其内是单层或双层蜂窝结构，其中的蜂窝孔用作消声的腔室；底层用坚固的板材做成，用它将声学沉淀固定于流道的壁面上。衬垫外层的小孔孔径以及蜂窝的大小与高度应根据风扇气流产生的噪声特性而定，以便有效地抑制噪声。短舱内采用消声衬垫可降低涡轮风扇发动机噪声（1013 dB ）“有效感觉噪声分贝”（EPNdB）。4.对转风扇技术。国内最新定型的大型军用涡扇发动机“太行”同样也采用了对转转子的设计。新近研制的大型民用涡轮风扇发动机也广发采用了对转设计，如GE公司最新研制生产的Genx及惠普公司的PW6000均采用对转转子设计，罗&罗公司最新的TRENT900/1000的高压转子和中压转子也为对转设计。采用齿轮传动的中间无静子的对转风扇后，双级无静子对转风扇还可以获得更高的推进效率，在同样的推理下，对转风扇的转速将大幅度的降低，风扇的叶尖马赫数也将降低，这将大大降低风扇噪声，从而降低发动机整体的噪声水平。5.采用流动控制降噪技术。风扇结构设计发展趋势在未来更高涵道比风扇设计中，其最大的挑战来自于降噪，以及由此引发的推力、重量等问题。新一代发动机主要采用的降噪技术，主要是要从风扇、声衬、短舱和锯齿形喷口几方面人手，其中风扇设计采取的先进降噪技术主要包括以下几方面 ：1） 进一步降低风扇转子的叶尖切线速度；2） 对叶片造型，特别是出口导叶造型采用子午后倾、弯掠等三维优化气动造型；3） 以降噪为目标对风扇加功量分布等一些重要设计参数进行优化；4） 加强风扇部件全流场中尾迹和分离等各种旋涡流动的控制。其中，进一步降低转子的叶尖切线速度是最有效的，也是难度最大的技术。应对这一难关，PW采用齿轮驱动风扇，风扇不再由低压涡轮轴直接驱动，而是通过一个3：1的体内减速器将低压转速降低后再驱动风扇。而GE公司为应对未来高涵道比涡扇发动机的挑战，提出了低压系统对转的发动机概念。低压系统对转发动机采用了两级对转风扇，辅助增压级与转速更高一些的第二级风扇连在一起，为了实现这样的工作方式，发动机采用三转子技术，通过使低压涡轮对转，实现风扇的对转，这与常规三转子发动机相比，结构和支撑形式更为复杂。另外，抑制噪声的候选技术是主动控制技术，该技术如果在与固定和旋转部件间的干扰相对应的特有频率下使用将非常有效。压电作动器将可能被设置在风扇出口导向叶片这样的关键位置上。三、研究内容及实验方案： 研究内容：在这次的研究中，我们主要是对某航空发动机的风扇进行分析研究，风扇噪声是航空发动机的主要噪声源。分析风扇结构，研究其内部流动形式，找到噪声来源；并基于Abaqus软件建立风扇结构模型，计算出风扇叶片结构强度，以及通过内部声场分析其气流噪声，得出结果，找出降低风扇噪声的途径。降低风扇噪声是研究降低飞机噪声的最重要的一环。本文将在计算叶片结构强度的过程中加深对风扇噪声来源及各分类的特性的理解，阐明它们各自的物理基理，及各类别的决定性参数，建立模型，再利用计Abaqus计算，通过对图形的观察分析寻找规律、得到结论、启发思路，找到降低风扇噪声的方法措施。研究方案：（1） 先通过Abaqus软件，建立出CFM56发动机单级风扇模型（2） 运用Fluent软件对建立好的风扇叶片模型进行流场模拟分析，得出影响风扇噪声的因素（3） 对所得实验数据进行简单的分析，提出合理的优化原四、 目标、主要特色及工作进度目标：1. 学会利用百度搜索引擎和图书馆联合使用查资料，大量阅读中外文献，了解研究动向。2. 熟悉和掌握Abaqus软件，进行风扇建模。3. 熟练掌握降低风扇噪声的发展动向；掌握风扇结构与减噪的联系；能较好地理解和分析叶片结构强度以及流场概念。主要特色：1. 分别讨论了风扇结构模型分析，研究其内部流动形式。2. 应用了Abaqus软件来分析计算，构建模型，使分析精准化，数字化。工作进度：本研究计划期限为5个月（2012年2月2012年6月）。进度安排如下：2月16日3月14日（4周） 查阅资料，英文资料翻译（6000字），撰写开题报告。3月15日4月 7日（3周） 熟悉CMF-56发动机的风扇结构，找出风扇内部流动式，找到气流噪声的来源。 4月 8日4月30日（3周） 安装学习Abaqus软件。 5月 1日 6月1日（3周） 通过软件建立该风扇结构模型。分析叶片强度以及通过内部声场分析其气流噪声来源等，找出降低风扇噪声的途径。6月 2日6月 9日（2周） 进行课题总结，编写设计计算说明书（毕 业论文 6月10日6月18日（2周） 毕业设计以及论文审查、毕业答辩。 五、参考文献1张耀，曹传钧，李贺春。航空科学技术的发展。航空工业出版社，2007:257-2602张伟。航空发动机。航空工业出版社，2008:4193施晚霞。对转发动机研究概况及特点分析。中国航空动力机械研究所,湖南株洲412002:2-34陈懋章，刘宝杰。风扇压气机气动设计技术发展趋势用于大型客机的大涵道比涡扇发动机。北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100083:2-65王斌，吴锦武，陈志军。风扇系统噪声对发动机整体噪声的