一种涡轮叶片排干涉单音噪声准三维线化计算方法

技术领域

本发明属于叶轮机械气动声学领域，具体涉及一种涡轮叶片排干涉单音噪声准三维线化计算方法。

背景技术

在航空发动机领域，随着涵道比的逐渐增大，低压涡轮逐渐成为航空发动机的重要噪声源之一。而长期以来对涡轮噪声研究的不足造成涡轮噪声预测能力不足，因此急需发展相应的涡轮噪声预测模型和计算方法。

为了适应新一代发动机高效、低噪的设计目标，本领域前辈提出了基于传统涡轮设计流程的低压涡轮气动/声学一体化设计思路，即将声学设计耦合到气动设计过程。因此为了满足涡轮气动-声学一体化设计要求，需要在涡轮气动设计的各个阶段发展相应的声学评估手段，而本发明就是适用于通流气动设计阶段的涡轮叶片排干涉单音噪声计算方法。

由于叶轮机械的叶片排干涉噪声产生机理相同，可以考虑将适用于风扇/压气机的叶片排干涉单音噪声计算模型应用到涡轮上，但是相对于风扇/压气机叶片，涡轮叶片一个典型的几何特征是大转折角。因此，模型一定要考虑到涡轮大转折角特征，使模型假设更贴合于涡轮真实几何形状。

现有技术中，《一种轴流涡轮精细化声学实验装置及实验方法》(专利号：CN112268708A)，《一种低压涡轮噪声试验方法及其改进方法》(CN108760329A)以涡轮气动噪声实验装置和实验方法为主，偏重于解决真实涡轮声学实验方法中存在的问题，与本发明内容没有特定的联系。本发明是针对涡轮通流气动设计结果，即在涡轮叶片三维详细设计参数(气动参数和几何参数)未知的条件下，提出的涡轮叶片排干涉单音噪声计算方法。在以申请专利中，没有找到与本发明相关的内容。

发明内容

要解决的技术问题：

为了弥补涡轮噪声预测能力不足，本发明提出一种涡轮叶片排干涉单音噪声准三维线化计算方法。本发明以涡轮叶片排为对象，基于Hanson二维叶珊单音噪声预测模型、Tylor和Sofrin管道声模态传播与截止理论和Goldsterin管道声学理论，并针对叶片大转折角特征，提出“分段线化”思想和适合于涡轮尾迹特征的修正尾迹模型，同时引入片条理论，得到一种涡轮叶片排单音噪声准三维线化计算方法，为开展航空发动机涡轮气动-声学一体化设计奠定一定的基础。

本发明的技术方案是：一种涡轮叶片排干涉单音噪声准三维线化计算方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤1：基于涡轮通流阶段气动设计结果，得到N个不同展向高度处截面的进出口气动参数和几何参数，N的个数以气动设计结果为准；

步骤2：对不同展向高度处的截面进行“分段线化”处理，得到各截面沿轴向划分的片段I和片段II；

步骤3：建立经过系数修正的上游叶片尾迹模型，即尾迹速度损失分布；尾迹速度损失分布均满足高斯分布：

其中，w

上游尾迹强度在真实叶片通道内流动时会发生明显变化，因此针对片段I和片段II需要提出对应的尾迹速度损失分布，即对w

步骤4：基于Hanson叶轮机单音噪声预测模型，结合步骤3得到的修正尾迹模型，以步骤1得到的参数作为输入，分别计算各个展向截面的叶片各片段的非定常气动载荷，然后将不同展向高度的二维叶珊上的气动载荷合并，以此作为整个准三维叶片表面的非定常气动载荷力分布；

步骤5：基于步骤4得到的准三维叶片表面的非定常气动载荷力分布，结合Tylor和Sofrin管道声模态传播与截止理论和Goldsterin管道声学理论，计算不同谐波频率下的涡轮叶片排单音噪声的“截通”模态及对应的声功率，将该频率下所有的模态声功率进行叠加，就可以得到该频率对应的总声功率。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤1的截面数N和各个截面的几何参数和气动参数均来自于通流设计结果；

本发明的进一步技术方案是：所述步骤2的分段线化的方法为：

首先，通过涡轮通流气动设计确定各截面的五个几何参数，其中，前缘点为A点、尾缘点为C点、进气角为θ

然后，由A、C、θ

最后，将AB段和BC段进行线化假设，完成线化。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤3中，与片段I和片段II相对应的修正尾迹模型分别是：

I：

II：

式中，C

本发明的进一步技术方案是：所述步骤4中，上游尾迹在下游叶片表面引起的上洗速度和叶片表面的非定常气动力载荷之间的关系沿用Hanson模型中的核函数，如下式所示：

式中，KSS、KRS、KSR、KRR分别为上游静子叶片载荷对本身的影响系数、下游转子叶片载荷对上游静子叶片载荷的影响系数、上游静子叶片载荷对下游转子叶片载荷的影响系数，下游转子叶片载荷对本身的影响；LS和LR分别代表静子叶片和转子叶片表面的气动载荷力分布；WS和WR分别代表静子叶片表面和转子叶片表面的上洗速度分布。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤5中，结合Tylor和Sofrin管道声模态传播与截止理论和Goldsterin单音噪声管道声模态理论，计算不同谐波频率下的涡轮叶片排单音噪声的各个“截通”模态的声功率，将所有“截通”模态进行叠加即可得到该频率下的总声功率。

有益效果

本发明的有益效果在于：

1.该计算方法基于通流气动设计结果，不需要知道涡轮叶片三维详细气动参数和几何参数，即可对该设计工况下的声学效应进行有效评估；

2.该计算方法提出的“分段线化”理论是针对涡轮叶片大转折角的几何特征提出的。不同于风扇/压气机的线性假设，从原理上，“分段线性”更贴近于涡轮叶片真实几何形状。这是本发明最重要的思想之一。

3.该计算方法提出的修正尾迹模型是经过对多个真实涡轮案例进行数值模型拟合平均得到的结果。修正的意义在于，相对于Hanson二维叶珊模型中的原始尾迹速度损失分布，由于涡轮叶片的尾缘半径较大和气流加速流动，涡轮叶片尾迹的宽度和尾迹最大损失深度都会发生明显变化，因此为了加强模型对涡轮的适用性，需要对尾迹模型进行系数修正。

4.该计算方法引入的Goldstein管道声模态理论在叶轮机气动声学研究领域得到广泛应用，它考虑了航空发动机叶轮机内部重要的管道效应，即在管道边界的条件下，声波只能以特定的“截通”模态在管道中传播。

附图说明

图1：涡轮叶片排干涉单音噪声准三维线化计算方法流程图；

图2：涡轮叶片“片条化”示意图；

图3：涡轮叶片某截面“分段线化”示意图；

图4：涡轮叶片排“分段线性”尾迹干涉示意图；

图5：是本发明具体实施方式中涡轮实验台的基本参数表1；

图6：是本发明具体实施方式中涡轮的通流气动设计完成后得到的几何参数表2；

图7：是本发明具体实施方式中，以西北工业大学气动力学与气动声学实验室的涡轮试验台为例，将其通流气动设计结果作为输入的计算结果表3；

图8：是不同叶片排间隙下的计算结果比较示意图。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参见图1-图5，本发明提出的技术方案为：基于Hanson二维叶珊单音噪声预测模型、Tylor和Sofrin管道声模态传播与截止理论和Goldsterin管道声学理论，针对叶片大转折角特征，提出“分段线化”思想，提出适合于涡轮尾迹特征的修正尾迹模型，并引入片条理论，将二维叶珊理论发展到准三维阶段，得到一种涡轮叶片排单音噪声准三维线化计算方法，其主要计算流程如图1所示，详细主要包括以下步骤：

1.基于涡轮通流气动设计结果，得到N个不同展向高度处截面的进出口气动参数和几何参数。为了便于说明，这次以西北工业大学气动力学与气动声学实验室的涡轮试验台为例，表1给出了该涡轮实验台的基本参数，该涡轮的通流气动设计完成后得到的几何参数如表2所示。表中：inlet-angle和outlet-angle定义为气流方向与轴线的夹角，turningangle定义为前两个角的差值。此外，静子进口总压为116.52375kpa，转子出口静压为106.2748kpa，进口马赫数为0.12。

2.对涡轮叶片不同展向高度的截面进行“分段线化”处理，以某个半径截面为例，如图3所示。图中：A点为前缘点、C点为尾缘点、θ

3.对某级涡轮叶片排下游叶片而言，分别提出适用于I和II的经过系数修正的上游叶片尾迹模型，即尾迹速度损失分布。

尾迹速度损失分布均满足高斯分布：

其中w

I：

II：

4.基于Hanson叶轮机单音噪声预测模型，结合步骤3提出的修正尾迹模型，分别计算各个展高截面的I和II的非定常气动载荷，然后将不同展高的二维叶珊上I和II的气动载荷合并，从而得到整个准三维叶片表面的非定常气动载荷力分布。其中，上游尾迹在下游叶片表面引起的上洗速度和叶片表面的非定常气动力载荷之间的关系沿用Hanson模型中的核函数，如下式所示：

其中，该部分详细内容见Hanson二维叶珊单音噪声预测模型，这里不详细描述。

5.得到叶片表面气动力载荷分布以后，结合Tylor和Sofrin管道声模态传播与截止理论和Goldsterin单音噪声管道声模态理论，计算不同谐波频率下的“截通”模态的声功率，将所有“截通”模态的声功率进行叠加就可得到该频率下的总声功率。下面给出Tylor和Sofrin管道声模态传播与截止理论和Goldsterin单音噪声管道声模态理论的基本方程。以西北工业大学气动力学与气动声学实验室的涡轮试验台为例，将其通流气动设计结果作为输入，计算结果如表3所示。值得注意的是，在该设计工况下，1BPF在管道中被“截止”。表中，BPF表示叶片通过频率，m表示周向模态，n表示径向模态，Real Amplitude和ImagAmplitude分别代表各模态幅值的实部和虚部，PWL为该频率下的总声功率。为了进一步说明该计算方法可以评估设计细节带来的噪声变化，图5给出了不同叶片排间隙下的计算结果比较。结果说明，该计算方法可以预测不同几何设计变化带来的噪声变化。

Tyler和Sofrin给出了干涉旋转压力模态的轴向波数形式：

定义

式中p表示静子或畸变引起的空间谐波数，当上式成立时即满足“截止”条件。

Goldsterin单音噪声管道声模态理论给出某个叶片某频率下(m，n)阶模态振幅，其表达式是：

其中Ω是后面叶片排的转动频率，如果后面的叶片排是静子，则Ω＝0。则V个叶片的该频率下(m，n)模态振幅为：

计算得到模态振幅之后，就可以计算出该模态对应的声功率：

式中，符号±和

即为根据叶片表面非定常压力脉动计算管道声模态幅值及其声功率级的通用计算公式。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。