ANSYS CFX助力涡轮喷气发动机风扇降噪设计

前言

由于针对有害排放物和噪声水平具有严格的国际标准,设计和开发燃气涡轮发动机的公司正面临着艰巨的任务——制造具有高生态效率的发动机。为了满足这些要求,需要对发动机内部发生的过程进行数值模拟,以深入了解发生的情况,并确定导致这种行为的因素。对于高旁路比的航空发动机,风扇级产生的声噪声是发动机总噪声水平的主要贡献者。

针对这些噪声要求,我们使用ANSYS CFX计算流体力学(FD)软件来估算不同风扇级几何的气动和声学效率。

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图1. 风扇级几何模型



几何模型

为了开发FEGV(风扇出口导叶)的几何,将FEGV中表面非定常压差的区域平均振幅作为转子-定子声源的主要来源。振幅由风扇级的三维非定常CFD计算获得。参考文献表明,使用该方法的计算结果与实验数据具有良好一致性。

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图2. FEGV形状

这种风扇是为一种先进的新型涡轮喷气发动机设计的。将进口导叶(IGV)和风扇出口导叶(FEGV)按20%比例缩放,以缩小分析域的规模。结果域包含1个风扇叶片通道、2个FEGV通道和4个IGV通道。网格模型由大约150万个节点组成。研究了四种不同几何形状的出口导叶。

选择径向设计(无倾角)作为初始几何。具有20度和30度倾斜角的叶片分别被选作第二种和第三种几何。具有沿着叶片高度的曲线轴的叶片选作第四种几何类型。



结果分析

所有的CFD计算都是在ANSYS CFX(CFX-5.6)中进行的,因为该软件解决方案对非定常流动有良好的效果。对风扇级进行了非定常CFD计算,计算结果表明:

叶片中表面的压力与吸入面之间存在非定常压差。然后对中表面的压差进行傅里叶变换。计算了所有几何变量下单叶通过频率(BPF)振幅沿叶片中表面的分布。

计算了前四个BPF谐波的无量纲压差的区域平均振幅。与初始几何相比,第四种几何的第二至第四次谐波的振幅降低了30%至40%。据估计,这相当于源区域中由于转子-定子相互作用而产生的噪声水平减少了4.5分贝(对于第二次谐波)和3分贝(对于第四次谐波)。

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图3. 在中段和FEGV表面附近的绝对参考系内的马赫数分布

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图4. 沿FEGV中表面第一个BPF谐波振幅分布

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图5. 非定常压差的区域平均振幅

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图6. 四种FEGV变体的相对效率

第一种和第四种FEGV几何的风扇级效率水平几乎相同。为了解释其它几何形状风扇级效率降低的原因,确定了所有变体在FEGV出口段的总压分布。对于第三种几何,总压的重大损失是由涡流行为造成的,该涡流行为存在于该FEGV形状的轮毂区域中。第四种几何是在获得第三种几何的计算结果之后设计的,因此,在第四种几何设计中避免了轮毂区域总压高损失的情况。通过使用ANSYS CFX,我们能够设计出一个产生更少噪声的高效风扇。

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图7. FEGV出口总压

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