無人機動力風扇端部造型增效技術研究*

王正鶴，耿 直，張 翔，張 瀾

（鄭州航空工業管理學院航空工程學院，河南 鄭州 450046）

0 引言

無人機因其設計靈巧、空間利用率高、可重復使用、實際用途廣泛等特點，具有較好的優越性。渦扇發動機具有總效率高、循環熱效率高、起飛推力大、工作穩定性好等優越性，可以滿足無人機對動力裝置的特殊要求，是無人機動力裝置發展的重點。無人機動力風扇的端區造型是影響其性能的主要因素，其中彎曲造型是學者們研究的熱點之一。

20世紀60年代，王仲奇教授和費里鮑夫[1]第一次提出了葉片彎曲造型理論，將彎曲造型的概念與葉輪機械結合起來。Weingold等[2]針對一臺三級壓氣機開展彎曲造型研究，彎曲造型使上下端壁角區分離減弱，損失明顯降低，所有工況下絕熱效率均有所提高。王建明等[3]對局部彎曲造型展開數值模擬研究發現，葉片局部彎曲造型可改善葉片根部的壓力梯度分布，從而影響流道內流量沿葉高方向的分布，使壓氣機葉柵通道內流動損失降低。毛明明[4]的數值研究表明，較大的彎角或彎高有利于正彎動葉頂部的激波移向下游，且使強度減弱，同時能控制低能流體遷移，降低分離損失。劉軍[5]以跨聲速壓氣機為研究對象進行研究發現，靜葉正彎曲可以通過葉片力的作用改善葉頂端區的流動，但也會使得葉頂前緣和葉中的損失增加，整體上沒有使得效率有明顯提升。可見，葉片端部彎曲造型的應用并沒有統一模式，對于不同的壓氣機和不同的工況，彎曲造型對壓氣機性能的影響不盡相同。

本課題以探索端部彎曲造型對跨聲速風扇內部流場結構的影響為目的，以NASA Rotor 67為研究對象進行三維數值模擬研究。

1 數值模型

NASA Roter 67是NASA設計的經典低展弦比跨聲速進口級轉子，具體參數見文獻[6]。局部彎曲造型轉子積疊線由貝塞爾曲線構成，保持根部截面固定，通過積疊線周線自由度控制所需的彎高和彎角值。由Numeca軟件的Autogrid5模塊生成計算網格，葉片表面網格采用O型結構，S1流道網格采用H型結構，葉尖間隙內網格為蝶形結構。壁面第一層網格滿足y+<5，網格總數約190萬。

采用CFX求解器求解N-S方程，運用有限體積法求解，湍流模型采用SST模型，以適應不同端區造型轉子的計算精度要求。給定進口總壓、總溫、氣流角和出口靜壓，葉片表面和固體壁面采用絕熱壁面和無滑移邊界條件。

2 仿真結果及分析

2.1 對風扇轉子特性的影響

原型風扇（ORI）、端部局部正彎造型風扇（NB）和端部局部反彎造型風扇（PB）的特性圖，如圖1所示。相比于原型風扇，局部正/反彎造型風扇的絕熱效率均有提升，且局部反彎造型提升效率效果優于局部正彎造型，局部反彎造型風扇絕熱效率提升最大約4%。局部反彎造型風扇的總壓比相比原型風扇有一定程度下降，總壓比下降最大約2%；局部正彎造型風扇的總壓比與原型風扇相差不大。與原型風扇相比，局部正/反彎造型都使風扇的穩定工作范圍增大，且局部正彎風扇的穩定工作范圍增大更多，增大約4%。

圖1 風扇特性

2.2 最大效率工況對比分析

原型風扇、端部局部正彎造型風扇、端部局部反彎造型風扇最大效率工況葉片吸力面靜壓云圖和極限流線分布圖，分別如圖2、圖3所示。從圖中可以看出，與原型風扇相比，葉片正/反彎曲軸流風扇葉頂尾緣高壓區的范圍明顯增加，一定程度上提高了葉尖指向葉根的壓力梯度，抑制附面層內低能流體由葉根到葉尖的徑向遷移，且分離線位置明顯前移，減少了流動損失，提高工作效率。

圖2 最大效率工況葉片吸力面靜壓云圖

圖3 最大效率工況葉片吸力面極限流線圖

原型風扇、端部局部正彎造型風扇、端部局部反彎造型風扇90%葉高馬赫數云圖，如圖4所示。從圖中可以看出，與原型風扇相比，局部正/反彎造型風扇的槽道激波強度明顯降低，葉頂尾緣分離區的范圍也顯著減小。相比于局部正彎風扇，局部反彎風扇槽道激波強度最低，減弱了激波對附面層的干擾。局部正/反彎風扇尾跡分離損失明顯降低，有利于增強轉子穩定性，并使得絕熱效率提升。

圖4 最大效率工況90%葉高截面馬赫數云圖

2.3 近失速工況對比分析

原型風扇、端部局部正彎造型風扇、端部局部反彎造型風扇近失速工況90%葉高處馬赫數云圖和壁面靜壓分布圖，分別如圖5、圖6所示。與原型風扇相比，局部正彎造型風扇葉頂尾緣分離區范圍明顯減小，葉頂槽道激波前馬赫數最大，即激波強度最大，由激波造成的損失最大，從而限制局部正彎造型風扇絕熱效率的提升；局部反彎造型風扇葉頂尾緣分離區范圍明顯減小，且槽道最弱，絕熱效率提升較高，穩定工作范圍增大。

圖5 近失速工況90%葉高截面馬赫數云圖

圖6 近失速工況90%葉高壁面靜壓分布圖

3 結論

通過數值模擬研究，詳細對比了端部造型對跨聲速風扇內部流場結構的影響，得到如下結論：1）與原型風扇相比，局部反彎造型風扇絕熱效率明顯提高，總壓比有小幅下降；局部正彎造型風扇絕熱效率小幅提高，總壓比相差不大；局部正/反彎造型風扇均增大跨聲速風扇的穩定工作范圍。2）最大效率工況下，相比于原型風扇，局部正/反彎造型風扇明顯減小葉頂尾緣區域分離區范圍，且葉中槽道激波強度顯著降低，絕熱效率得到提升。3）近失速工況下，相比于原型風扇，局部正/反彎造型風扇葉頂尾緣區域分離區范圍顯著減小，流動損失降低，風扇絕熱效率提升，穩定工作范圍增大。