某型发动机四级风扇被高性能前掠三级轴流风扇代替

摘要：本文介绍了一台高性能前掠叶型三级轴流风扇的设计与试验研究。该风扇以某涡扇发动机为验证平台，全新设计一台三级风扇代替该发动机原四级风扇，并提高性能。新设计的输入条件为：保持原四级风扇的进出口几何尺寸、总压比、转速和喘振裕度，效率不低于原四级风扇试验值。设计中采用了叶片掠型设计、叶片三维成型技术和三维气动设计分析等先进技术。试验结果表明，新设计的三级风扇流量增加了8%，效率提高了3.5%，超过了设计指标。该新三级风扇串装于某发动机顺利完成地面试车，其不加力最大推力增加464 daN，超过了原计划增加200 daN 的指标。关键词：轴流风扇；前掠叶型；设计；试验


1 概述
本文介绍了一台三级轴流风扇的设计与试验研究，研究目的是将某型发动机四级风扇(简称“原四级风扇”)用新设计的三级风扇(简称“新三级风扇”)代替。为了保持换装风扇的互换性，要求在原四级风扇的进出口几何尺寸、转速、总压比及喘振裕度不变的条件下，风扇绝热效率不低于原四级风扇的试验值，重量和轴向长度应不大于原四级风扇相应数据。这样做的目的是为了使该发动机推力增加，重量减轻，提高发动机的推重比和减小耗油率。同时进一步验证风扇的设计体系。由于无原四级风扇设计资料，必须做原型风扇的总性试验，所以设计了原四级风扇总性能试验件，并进行加工和总性能试验，获得了原四级风扇特性线。根据总体性能计算确定原发动机和风扇的共同工作线在发动机上匹配工作的状态点，并确定新的三级风扇设计点参数，即：总压比、绝热效率、喘振裕度和进口空气流量。根据设计点参数进行一维设计特性计算和一维参数优化设计，进行S2 流面计算，优化S2 流面设计参数，进行叶片造型设计、二维计算特性和粘性三维气动正问题计算。通过粘性三维正问题计算发现问题，进一步优化S2 流面设计参数和叶片造型设计参数，再进行粘性三维计算，这样反复进行设计迭代直至风扇气动性能满足总体技术要求，才转入强度、振动和非定常气动力计算及颤振分析，若发现问题又返回到S2 流面计算，进行上述迭代循环设计，直至参数满意为止。
在设计中采用的先进设计技术有：
(1) 采用经过多台压气机/风扇设计和试验验证的一维、二维、三维设计系统；
(2) 叶片前掠设计技术；
(3) 叶片三维成型设计技术；
(4) 非定常气动力计算及颤振分析技术。
新三级风扇首先在部件试验器上完成了总性能试验，试验结果超过了设计值，这初步证明了风扇性能设计是成功的。然后，该试验件与做相应修改设计的新低压涡轮部件匹配，与原型发动机核心机组成新的发动机验证平台，在地面台上完成了发动机地面台架试验，发动机工作正常，其不加力推力比原型提高464 daN(设计要求为200 daN)，超过了设计值，进一步证明了新三级风扇设计是成功的。
2 某发动机原四级风扇总性能试验
2.1 试验结果
直接采用原型发动机四级风扇，新设计风扇与试验器的转接零件，组装成四级风扇试验件。试验是在中国燃气涡轮研究院全台压气机试验器上完成的。试验件图见图1，试验特性线见图2。
2.2 粘性三维计算结果
根据四级风扇流道和叶片几何参数进行粘性全三维计算，计算程序采用商用NUMECA 程序。计算结果与试验结果见图3。图中表明：全三维计算效率和试验结果相当，喘振裕度低于试验值。
3 新三级风扇试验件设计
因设计的三级风扇部件将来要换装在某涡扇发动机上进行整机试验，所以新三级风扇与整机接口尺寸必须与原四级风扇的完全一致。某发动机原四级风扇无进口导向叶片，新三级风扇设计也不采用进口导向叶片，风扇压比、效率不低于原四级风扇的性能。
3.1 新三级风扇部件性能设计技术要求
根据原发动机风扇部件设计指标和风扇换装后的发动机总体性能指标，确定新三级风扇部件设计点指标。主要指标如下：
风扇级数(无进口导叶) 3 级
设计点高度0 km
设计点飞行马赫数0
进口空气总温288.15 K
进口空气总压101.3 kPa
换算转速100%
总压比不低于原四级风扇
效率不低于原四级风扇
喘振裕度不小于原四级风扇
3.2 新三级风扇一维特性
新三级风扇一维设计采用一维平均半径设计计算程序，该程序按照给定的平均半径上的叶排参数计算压气机的特性。选用两种模块进行一维特性计算：一维检查特性和一维计算特性。一维检查特性利用流道平均半径上的气动参数和几何结构尺寸进行特性估算，一维计算特性利用叶片造型产生的平均半径上详细的设计参数进行特性计算。在不同的换算转速下，通过调节效率修正系数、流量修正系数、落后角修正系数、以及压比修正系数来进行调节，系数的选取参考了中发三级风扇试验件的计算结果。一维特性计算表明，新三级风扇设计转速的最高压比比原四级风扇设计压比高，最高效率和喘振裕度都超过了原四级风扇，一维特性计算总性能见图4。由于现代风扇的流动具有很强的三维特点，所以一维特性计算结果作为二维初步设计时的参考数据。

3.3 新三级风扇S2 流面设计
S2 流面设计采用变比热S2 流面矩阵通流计算程序。计算中假设气流为无粘、绝热、定常流，并考虑叶片厚度和环壁附面层堵塞的影响，计算输入流道几何参数、转子叶片进口预旋角、各级压比、转子叶片排效率、静子叶片排的总压恢复系数和叶片相对厚度，计算输出各叶排进出口的气动参数、各计算站的气动参数及质量平均总参数。多级风扇设计与多级高压压气机一样，设计中考虑了主要参数的分布规律，以利于增加变工况的运行效率，改善中低转速的特性。新三级风扇主要参数选择主要基于一维设计结果而定，同时也考虑了二维参数优化设计和S2 流面的计算结果。根据原四级风扇的试验结果，其出口总压沿径向基本上是等压比分布。新三级风扇各级的级压比沿径向基本上也为等总压比分布。风扇的流路设计要考虑到风扇负荷沿轴向和展向的分布，其设计好坏直接影响每一根流线上的气动参数，影响叶片根尖截面的气体流动。
流路参数的选择取决于以下几点：
(1) 叶片的负荷水平和各叶片排的损失；
(2) 沿叶片整个和局部的扩散因子及速度扩散；
(3) 各叶片排的进口轴向马赫数。
新三级风扇一级转子叶片叶尖进口尺寸同中发风扇试验件相同，出口尺寸与原四级风扇相同。图5所示为新三级风扇的流道。它的内壁流道是一条光滑曲线，外壁流道第一级转子叶片从进口向后直到第三级出口，外径逐渐下降，其中第一、第二级静叶出口外径减小较多。
3.4 新三级风扇叶片造型
根据新三级风扇转子进口相对马赫数高、级负荷大、激波较强的特点，转子叶片采用任意多项式叶型进行设计。任意多项式叶型通过S2 流面通流计算优化静压来计算相对气流角，控制槽道内的逆压梯度，减少叶片的分离损失，从而达到损失低的目的。

第一级转子叶片采用了前掠设计技术。采用前掠技术设计的转子叶片具有高负荷、高效率及高气动稳定性的特点已经得到证实。转子叶片采用空间三维空间成型设计技术，该设计有利于改善转子叶片空间全三维流场气动负荷的分布，减小二次流损失，改善风扇工作特性。风扇第一级转子叶片的形状见图6。第二、第三级转子叶片采用小前掠设计。各排静子叶片采用定制叶型进行设计。定制叶型能有效控制叶型表面附面层发展，避免或推迟附面层分离，提高压气机效率和稳定裕度。该叶型的设计特别考虑了抑制前缘吸力面来流的加速膨胀，降低叶型损失，扩大工作范围。图7～图9 是各级静子中间截面S1 流面计算的叶型表面马赫数和附面层形状因子分布。
3.5 新三级风扇二维计算分析
计算采用基于轴对称模型(正问题)的二维多级轴流压气机数值分析程序。程序使用压气机平面叶栅吹风结果进行了修正，使得这些试验结果可以应用到变半径、变厚度的叶栅上。采用二维正问题计算方法得到的二维计算特性见图10。根据计算结果，新三级风扇各项指标均达到了设计要求。
3.6 新三级风扇全三维粘性分析
设计过程分别采用了DENTON 和NUMECA 全三维粘性流场计算程序对新三级风扇进行计算分析。图11～图13 是新三级风扇不同叶展叶片表面马赫数分布情况，图14 为转子吸力面、静子压力面马赫数分布，图15 为转子压力面、静子吸力面马赫数分布。在转子叶片排的根部截面，由于叶型较厚，气流在叶背加速比较明显，但是由于根部进口马赫数较低，叶片前段叶背气流加速并没有在槽道内造成强激波，叶片槽道内加功平稳，叶背最高马赫数点基本上都出现在叶型槽道的喉道位置。由于根部的切线速度低，扭速Δ!u 需要足够大才能保证加功量，这就造成气流的折转角很大，叶型根部负荷较重，气流在叶栅通道中遇到很强的逆压力梯度。在静子叶片排根部截面，由于S2 流面气动设计时第一级静子根部绝对马赫数较高，经前缘加速后叶片的根部吸力面存在超声区，在超声区后气流平缓减速增压。在第二、第三级静子叶片根部气流经过前缘加速后很快就达到了最高速度点，由于叶栅通道中的扩压段较长，逆压力梯度小，所以气流在静子叶栅通道中平缓地减速增压。

中间省略若干


3.10.2 风扇串装试验
新三级风扇在完成部件试验后，成功进行了在原四级风扇发动机平台上的串装试验，各项指标满足要求，风扇与核心机匹配良好，在设计状态发动机不加力推力比原型发动机推力提高了464 daN，超过了原计划增加200 daN 的指标，新三级风扇设计是成功的。摘要：本文介绍了一台高性能前掠叶型三级轴流风扇的设计与试验研究。该风扇以某涡扇发动机为验证平台，全新设计一台三级风扇代替该发动机原四级风扇，并提高性能。新设计的输入条件为：保持原四级风扇的进出口几何尺寸、总压比、转速和喘振裕度，效率不低于原四级风扇试验值。设计中采用了叶片掠型设计、叶片三维成型技术和三维气动设计分析等先进技术。试验结果表明，新设计的三级风扇流量增加了8%，效率提高了3.5%，超过了设计指标。该新三级风扇串装于某发动机顺利完成地面试车，其不加力最大推力增加464 daN，超过了原计划增加200 daN 的指标。关键词：轴流风扇；前掠叶型；设计；试验


1 概述
本文介绍了一台三级轴流风扇的设计与试验研究，研究目的是将某型发动机四级风扇(简称“原四级风扇”)用新设计的三级风扇(简称“新三级风扇”)代替。为了保持换装风扇的互换性，要求在原四级风扇的进出口几何尺寸、转速、总压比及喘振裕度不变的条件下，风扇绝热效率不低于原四级风扇的试验值，重量和轴向长度应不大于原四级风扇相应数据。这样做的目的是为了使该发动机推力增加，重量减轻，提高发动机的推重比和减小耗油率。同时进一步验证风扇的设计体系。由于无原四级风扇设计资料，必须做原型风扇的总性试验，所以设计了原四级风扇总性能试验件，并进行加工和总性能试验，获得了原四级风扇特性线。根据总体性能计算确定原发动机和风扇的共同工作线在发动机上匹配工作的状态点，并确定新的三级风扇设计点参数，即：总压比、绝热效率、喘振裕度和进口空气流量。根据设计点参数进行一维设计特性计算和一维参数优化设计，进行S2 流面计算，优化S2 流面设计参数，进行叶片造型设计、二维计算特性和粘性三维气动正问题计算。通过粘性三维正问题计算发现问题，进一步优化S2 流面设计参数和叶片造型设计参数，再进行粘性三维计算，这样反复进行设计迭代直至风扇气动性能满足总体技术要求，才转入强度、振动和非定常气动力计算及颤振分析，若发现问题又返回到S2 流面计算，进行上述迭代循环设计，直至参数满意为止。
在设计中采用的先进设计技术有：
(1) 采用经过多台压气机/风扇设计和试验验证的一维、二维、三维设计系统；
(2) 叶片前掠设计技术；
(3) 叶片三维成型设计技术；
(4) 非定常气动力计算及颤振分析技术。
新三级风扇首先在部件试验器上完成了总性能试验，试验结果超过了设计值，这初步证明了风扇性能设计是成功的。然后，该试验件与做相应修改设计的新低压涡轮部件匹配，与原型发动机核心机组成新的发动机验证平台，在地面台上完成了发动机地面台架试验，发动机工作正常，其不加力推力比原型提高464 daN(设计要求为200 daN)，超过了设计值，进一步证明了新三级风扇设计是成功的。
2 某发动机原四级风扇总性能试验
2.1 试验结果
直接采用原型发动机四级风扇，新设计风扇与试验器的转接零件，组装成四级风扇试验件。试验是在中国燃气涡轮研究院全台压气机试验器上完成的。试验件图见图1，试验特性线见图2。
2.2 粘性三维计算结果
根据四级风扇流道和叶片几何参数进行粘性全三维计算，计算程序采用商用NUMECA 程序。计算结果与试验结果见图3。图中表明：全三维计算效率和试验结果相当，喘振裕度低于试验值。
3 新三级风扇试验件设计
因设计的三级风扇部件将来要换装在某涡扇发动机上进行整机试验，所以新三级风扇与整机接口尺寸必须与原四级风扇的完全一致。某发动机原四级风扇无进口导向叶片，新三级风扇设计也不采用进口导向叶片，风扇压比、效率不低于原四级风扇的性能。
3.1 新三级风扇部件性能设计技术要求
根据原发动机风扇部件设计指标和风扇换装后的发动机总体性能指标，确定新三级风扇部件设计点指标。主要指标如下：
风扇级数(无进口导叶) 3 级
设计点高度0 km
设计点飞行马赫数0
进口空气总温288.15 K
进口空气总压101.3 kPa
换算转速100%
总压比不低于原四级风扇
效率不低于原四级风扇
喘振裕度不小于原四级风扇
3.2 新三级风扇一维特性
新三级风扇一维设计采用一维平均半径设计计算程序，该程序按照给定的平均半径上的叶排参数计算压气机的特性。选用两种模块进行一维特性计算：一维检查特性和一维计算特性。一维检查特性利用流道平均半径上的气动参数和几何结构尺寸进行特性估算，一维计算特性利用叶片造型产生的平均半径上详细的设计参数进行特性计算。在不同的换算转速下，通过调节效率修正系数、流量修正系数、落后角修正系数、以及压比修正系数来进行调节，系数的选取参考了中发三级风扇试验件的计算结果。一维特性计算表明，新三级风扇设计转速的最高压比比原四级风扇设计压比高，最高效率和喘振裕度都超过了原四级风扇，一维特性计算总性能见图4。由于现代风扇的流动具有很强的三维特点，所以一维特性计算结果作为二维初步设计时的参考数据。

3.3 新三级风扇S2 流面设计
S2 流面设计采用变比热S2 流面矩阵通流计算程序。计算中假设气流为无粘、绝热、定常流，并考虑叶片厚度和环壁附面层堵塞的影响，计算输入流道几何参数、转子叶片进口预旋角、各级压比、转子叶片排效率、静子叶片排的总压恢复系数和叶片相对厚度，计算输出各叶排进出口的气动参数、各计算站的气动参数及质量平均总参数。多级风扇设计与多级高压压气机一样，设计中考虑了主要参数的分布规律，以利于增加变工况的运行效率，改善中低转速的特性。新三级风扇主要参数选择主要基于一维设计结果而定，同时也考虑了二维参数优化设计和S2 流面的计算结果。根据原四级风扇的试验结果，其出口总压沿径向基本上是等压比分布。新三级风扇各级的级压比沿径向基本上也为等总压比分布。风扇的流路设计要考虑到风扇负荷沿轴向和展向的分布，其设计好坏直接影响每一根流线上的气动参数，影响叶片根尖截面的气体流动。
流路参数的选择取决于以下几点：
(1) 叶片的负荷水平和各叶片排的损失；
(2) 沿叶片整个和局部的扩散因子及速度扩散；
(3) 各叶片排的进口轴向马赫数。
新三级风扇一级转子叶片叶尖进口尺寸同中发风扇试验件相同，出口尺寸与原四级风扇相同。图5所示为新三级风扇的流道。它的内壁流道是一条光滑曲线，外壁流道第一级转子叶片从进口向后直到第三级出口，外径逐渐下降，其中第一、第二级静叶出口外径减小较多。
3.4 新三级风扇叶片造型
根据新三级风扇转子进口相对马赫数高、级负荷大、激波较强的特点，转子叶片采用任意多项式叶型进行设计。任意多项式叶型通过S2 流面通流计算优化静压来计算相对气流角，控制槽道内的逆压梯度，减少叶片的分离损失，从而达到损失低的目的。

第一级转子叶片采用了前掠设计技术。采用前掠技术设计的转子叶片具有高负荷、高效率及高气动稳定性的特点已经得到证实。转子叶片采用空间三维空间成型设计技术，该设计有利于改善转子叶片空间全三维流场气动负荷的分布，减小二次流损失，改善风扇工作特性。风扇第一级转子叶片的形状见图6。第二、第三级转子叶片采用小前掠设计。各排静子叶片采用定制叶型进行设计。定制叶型能有效控制叶型表面附面层发展，避免或推迟附面层分离，提高压气机效率和稳定裕度。该叶型的设计特别考虑了抑制前缘吸力面来流的加速膨胀，降低叶型损失，扩大工作范围。图7～图9 是各级静子中间截面S1 流面计算的叶型表面马赫数和附面层形状因子分布。
3.5 新三级风扇二维计算分析
计算采用基于轴对称模型(正问题)的二维多级轴流压气机数值分析程序。程序使用压气机平面叶栅吹风结果进行了修正，使得这些试验结果可以应用到变半径、变厚度的叶栅上。采用二维正问题计算方法得到的二维计算特性见图10。根据计算结果，新三级风扇各项指标均达到了设计要求。
3.6 新三级风扇全三维粘性分析
设计过程分别采用了DENTON 和NUMECA 全三维粘性流场计算程序对新三级风扇进行计算分析。图11～图13 是新三级风扇不同叶展叶片表面马赫数分布情况，图14 为转子吸力面、静子压力面马赫数分布，图15 为转子压力面、静子吸力面马赫数分布。在转子叶片排的根部截面，由于叶型较厚，气流在叶背加速比较明显，但是由于根部进口马赫数较低，叶片前段叶背气流加速并没有在槽道内造成强激波，叶片槽道内加功平稳，叶背最高马赫数点基本上都出现在叶型槽道的喉道位置。由于根部的切线速度低，扭速Δ!u 需要足够大才能保证加功量，这就造成气流的折转角很大，叶型根部负荷较重，气流在叶栅通道中遇到很强的逆压力梯度。在静子叶片排根部截面，由于S2 流面气动设计时第一级静子根部绝对马赫数较高，经前缘加速后叶片的根部吸力面存在超声区，在超声区后气流平缓减速增压。在第二、第三级静子叶片根部气流经过前缘加速后很快就达到了最高速度点，由于叶栅通道中的扩压段较长，逆压力梯度小，所以气流在静子叶栅通道中平缓地减速增压。

中间省略若干


3.10.2 风扇串装试验
新三级风扇在完成部件试验后，成功进行了在原四级风扇发动机平台上的串装试验，各项指标满足要求，风扇与核心机匹配良好，在设计状态发动机不加力推力比原型发动机推力提高了464 daN，超过了原计划增加200 daN 的指标，新三级风扇设计是成功的。