计及Re数影响的气动-声学性能实验及优化设计

　　1引言

　　许多航空发动机的涡轮和压气机应用弯掠动叶获得了很好的气动性能:适度后掠风扇气动效率提高,机匣附近激波强度减弱;前掠转子加大失速裕度。当叶片以适当的角度弯掠后,有低噪高效扩稳等优点。将弯掠动叶移植到民用电器中小型风机(弦长Re数处于非自模化区域内)时,必然涉及到小Re效下气动一声学相似性问题。目前极少看到适用于叶轮机械非自模化区域的气动声学相似性准则和气动一声学性能优化设计。

　　2声学实验结果

　　自模化和非自模化区域内的实验模型参数参见文献。如图1所示,高R。数下叶片通过频率及其谐波比较明显,宽频噪声占主要频段范围。而低R。数下离散噪声占主导地位,这是因为:小Re数的流动状态使其动叶尾迹比处于自模化区域内相同几何参数的动叶要宽,且动一静叶间绝对距离要小得多,诱发干涉噪声占总声压级比例增加。

　　气动声学计算模型,采用稳态非失速点大攻角下尾涡脱落特征宽度计算宽频噪声和干涉噪声及叶片厚度噪声。计算结果表明:在设计工况点气动声学性能计算值与实验测量值比较一致,而在大流量下有一定差值。这是缺乏大负攻角下的弯掠叶栅吹风数据和弯掠动叶复杂流场所致。

　　从表1可以看出宽频噪声、厚度噪声和干涉噪声在总噪声级中所占比例。高Re数两种动叶宽频噪声级高于厚度噪声级和干涉噪声级，而低Re数动一静叶的干涉噪声级高于宽频噪声级和厚度噪声级。实验测试的噪声频谱图(图1)证实了这一点。

　　3计及Re目标函数:数影响的气动一声学性能优化设计

　　其中:P=P1+P2+P3, P1—宽频噪声声功率;P2—动一静叶干涉噪声声功率;P3—叶片厚度噪声声功率。

　　约束函数:气动性能计算方法见文献，在非自模化区域内的低Re数下风机，需对其进行气动一声学相似性修正。

　　高Re数的动叶优化设计得出，当弯角和掠角(计算值I)时，气动一声学性能最佳(图2、图3)。按与之几何和进口速度三角形相似可计算出同样弯角和掠角时小型弯掠动叶风机的气动一声学性能。修正气动一声学相似性对小型弯掠动叶进行优化得出弯角θsk=12.2^o和掠角θsw=14.3^o(计算值II)时，气动一声学性能为最佳，其弯角和掠角分别有增加，说明在低R。数下，只有加大弯掠角，才能使低能流体更多地进入主流。优化后数据表明:大R。数下径向动叶优化前后相比，在大流量处气动一声学性能略有提高，弯掠动叶在设计点附近气动一声学改善明显;对小Re数的弯掠动叶而言，修正Re数的气动一声学相似性得到的气动一声学性能略优于大R。数优化后从几何相似、运动相似推导出的胜能，说明低R。数下叶片性能计算计及R。数的重要。图2、图3中，1—弯掠动叶试验值，2—径向动叶试验值，3—弯掠动叶优化计算值I,4——径向动叶优化计算值I, 5—计及R。数优化计算值II。