使用ANSYS CFX为涡轮喷气发动机设计产生更少噪声的风扇

上海安世亚太 2021年10月20日浏览：1685 收藏：1

作者：Sergey V. Bormalev, Valery G. Avgustinovich, Aleksey M. Sipatov, Michail V. Usanin, Aviadvigatel Perm

翻译：上海安世亚太

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(CFD)软件来估算不同风扇级几何的气动和声学效率。

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。

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）。

图3. 在中段和FEGV表面附近的绝对参考系内的马赫数分布

图4. 沿FEGV中表面第一个BPF谐波振幅分布

图5. 非定常压差的区域平均振幅

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。