風(fēng)扇出口導(dǎo)向葉片低噪聲設(shè)計(jì)Ⅰ：方法與優(yōu)化

蔣永松，鄭文濤，趙航，楊明綏，王詠梅

中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng) 110015

隨著民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比的不斷增大，噴流速度降低，噴流噪聲進(jìn)一步減弱[1]，使得風(fēng)扇噪聲在發(fā)動(dòng)機(jī)總噪聲中越來(lái)越突出，無(wú)論在起飛還是降落階段都占有較大的比重，因此，風(fēng)扇的低噪聲設(shè)計(jì)已成為現(xiàn)代大涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研究重點(diǎn)[2-4]。

風(fēng)扇噪聲的一個(gè)最主要噪聲源為轉(zhuǎn)子尾跡與外涵出口導(dǎo)向葉片(Outlet Guide Vanes，OGV)或靜子之間相互干涉所產(chǎn)生的噪聲(轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲)，通過(guò)干涉過(guò)程，將轉(zhuǎn)子尾跡中的渦能轉(zhuǎn)換為向上游和下游傳播的聲能[5-6]。盡管在轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲中也存在寬頻成分，但轉(zhuǎn)子葉片通過(guò)頻率(Blade Passing Frequency，BPF)及其倍頻(或諧波)分量仍是干涉噪聲中最突出的部分[7]。為了降低轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲，最直接的方法是通過(guò)合理選取轉(zhuǎn)子和OGV的葉片數(shù)，使得聲波滿足“Cut-off”準(zhǔn)則[8]，從而減少可傳播的聲模態(tài)。適當(dāng)增加轉(zhuǎn)子和OGV之間的距離，也可以有效降低風(fēng)扇噪聲，當(dāng)軸向距離增大時(shí)，轉(zhuǎn)子的尾跡在到達(dá)靜子前緣時(shí)得到充分摻混和衰減，從而可減小OGV對(duì)尾跡的非定常響應(yīng)，進(jìn)而降低尾跡與OGV的干涉噪聲，這對(duì)高頻噪聲分量的降低效果更顯著，但距離的增大常常受到發(fā)動(dòng)機(jī)重量和性能的限制。

實(shí)際上，OGV的軸向掠形和周向傾斜也是降低轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲的有效手段[9]。Kazin[10]的研究表明，靜子葉片沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向傾斜30°，2倍BPF的純頻噪聲降低了1.5～3.5 dB。Envia和Nallasamy[11]的研究進(jìn)一步表明，適當(dāng)運(yùn)用靜子葉片的掠形和傾斜布置方案，可大幅度降低轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲，他們還提出了降噪設(shè)計(jì)的一條基本準(zhǔn)則，即靜子葉片的葉尖相對(duì)葉根向下游掠形且葉片向轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向傾斜，可以獲得較好的降噪效果。張偉光等[12]在Namba[13]的基礎(chǔ)上采用三維升力面理論建立了可以考慮葉片彎掠組合影響的氣動(dòng)聲學(xué)模型，探討了掠形和傾斜對(duì)于噪聲的影響機(jī)制。

盡管已經(jīng)被研究者大量證實(shí)，通過(guò)OGV的軸向掠形和周向傾斜等技術(shù)能夠有效控制轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲水平，但在目前風(fēng)扇/壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中并未將聲學(xué)評(píng)估作為核心環(huán)節(jié)納入設(shè)計(jì)流程中，沒(méi)有建立氣動(dòng)/聲學(xué)一體化設(shè)計(jì)方法，導(dǎo)致不能在方案初始設(shè)計(jì)階段便對(duì)這些技術(shù)的降噪效果進(jìn)行快速評(píng)估，滿足不了低噪聲設(shè)計(jì)需求。

在風(fēng)扇/壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)流程中，通常將通流與葉片造型設(shè)計(jì)作為核心環(huán)節(jié)，二者相互迭代形成葉片幾何構(gòu)型，然后通過(guò)二維或三維氣動(dòng)性能評(píng)估，得到滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的壓氣機(jī)可行氣動(dòng)方案。為了強(qiáng)化聲學(xué)設(shè)計(jì)在大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的作用，本文在氣動(dòng)設(shè)計(jì)核心環(huán)節(jié)中引入聲學(xué)快速預(yù)測(cè)方法，從通流設(shè)計(jì)結(jié)果中提取參數(shù)，采用管道聲學(xué)與三維升力面理論相結(jié)合的解析模型預(yù)測(cè)噪聲水平，實(shí)現(xiàn)聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的快速反饋，真正構(gòu)建氣動(dòng)/聲學(xué)的一體化設(shè)計(jì)方法和流程。為此，本文一方面針對(duì)某型大涵道比風(fēng)扇/增壓級(jí)，通過(guò)研究OGV軸向掠形和周向傾斜對(duì)轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲的影響，建立設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)風(fēng)扇噪聲影響的關(guān)系圖譜，根據(jù)這些圖譜，確定低噪聲OGV的基本設(shè)計(jì)參數(shù)；另一方面，在氣動(dòng)/聲學(xué)的一體化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展基于遺傳算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步達(dá)到OGV低噪聲設(shè)計(jì)目的。

1 快速預(yù)測(cè)方法

本文的快速預(yù)測(cè)方法是指從氣動(dòng)聲學(xué)原理出發(fā)建立的預(yù)測(cè)噪聲產(chǎn)生和傳播的解析方法，氣動(dòng)聲學(xué)中這類方法通常都基于Lighthill的聲類比理論[1]進(jìn)行發(fā)展。在聲類比理論中，氣動(dòng)問(wèn)題與聲學(xué)問(wèn)題各自單獨(dú)處理，在數(shù)學(xué)意義上，通過(guò)對(duì)氣體動(dòng)力學(xué)的基本方程進(jìn)行重構(gòu)便可得到聲學(xué)變量的線性波動(dòng)方程，方程左端描述聲波的傳播，右端代表氣動(dòng)聲源，當(dāng)通過(guò)測(cè)量、數(shù)值計(jì)算或其他理論建模方法獲得聲源項(xiàng)后，則可以通過(guò)聲源分布與傳播特征(格林函數(shù))的卷積運(yùn)算，得到聲波方程的形式解。本文采用管道聲學(xué)與三維升力面理論相結(jié)合方法[13-15]，建立風(fēng)扇轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲的解析預(yù)測(cè)模型。

1.1 管道聲學(xué)模型

在風(fēng)扇和壓氣機(jī)中，轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲問(wèn)題實(shí)際上是運(yùn)動(dòng)介質(zhì)中固體邊界的發(fā)聲問(wèn)題，根據(jù)廣義Lighthill理論中的FW-H方程[6,16]，在觀測(cè)點(diǎn)x及t時(shí)刻，轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲的聲壓表達(dá)式p′(x,t)可寫(xiě)為

(1)

式中：y為聲源位置；τ為遲滯時(shí)間；s(τ)為求解問(wèn)題區(qū)域v(τ)的包圍面；s(y)為葉片表面；fi為葉片表面的壓力載荷；T為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)間；yi為觀察坐標(biāo)；G為運(yùn)動(dòng)介質(zhì)波動(dòng)方程在相應(yīng)問(wèn)題中的基本解，即Green函數(shù)。將柱坐標(biāo)系應(yīng)用于任意形狀管道Green函數(shù)中，得到圓環(huán)管道內(nèi)的Green函數(shù)表達(dá)式

(2)

在本文的分析中，建立與文獻(xiàn)[17]中類似的坐標(biāo)系，如圖1所示，則有

圖1 轉(zhuǎn)/靜子在某半徑處沿周向展開(kāi)示意圖

fi=Δpni=Δp(cosαS,sinαS)

(3)

式中：Δp為葉片表面的壓力差；αS為靜子與軸向夾角。這樣一來(lái)，如果能求得葉片表面的載荷分布，轉(zhuǎn)子和靜子相互干涉產(chǎn)生的噪聲場(chǎng)即可用式(1)給出。

將式(2)和式(3)代入式(1)，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的代數(shù)運(yùn)算后，使用管道聲模態(tài)表示的轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲的聲場(chǎng)表達(dá)式為

(4)

式中：m=sB-qV,q=0,±1,±2…,V為靜子葉片數(shù);Ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻;B為轉(zhuǎn)子葉片數(shù);BΩ為轉(zhuǎn)子葉片通過(guò)頻率;s為諧波數(shù)，其中各諧波的模態(tài)幅值表達(dá)式為

(5)

式中：Δps為各諧波的非定常載荷；κn,m為系數(shù)。

盡管式(4)給出了聲場(chǎng)表達(dá)式，但靜子葉片上Δps仍未知，本文使用三維升力面理論方法進(jìn)行求解[13]。這種方法可以考慮現(xiàn)代風(fēng)扇/壓氣機(jī)中復(fù)合彎掠的復(fù)雜三維造型設(shè)計(jì)，可以評(píng)估掠形等因素對(duì)風(fēng)扇噪聲的影響。該方法中，將靜子葉片假設(shè)為無(wú)限薄、無(wú)彎度且沿葉高方向扭曲的平板，非定常載荷分布Δps建立與上洗速度的關(guān)系，即

(6)

式中：K為積分核，表征葉柵的影響；w為來(lái)流在靜子上的上洗速度，通過(guò)求解該積分方程得到Δps[13-14]，從而求得干涉聲場(chǎng)。應(yīng)該注意的是，本文中轉(zhuǎn)子葉片尾緣距OGV前緣2倍轉(zhuǎn)子弦長(zhǎng)以上，OGV前緣處氣流已近似軸向均勻，并且OGV安裝角較小，約為15°，如圖2所示。基于以上兩點(diǎn)，認(rèn)為滿足三維升力面理論的基本假設(shè)。

圖2 OGV安裝角示意圖

1.2 轉(zhuǎn)子尾跡模型

為了求解式(6)，本文采用Majjigi和Gliebe[18]建立的尾跡模型作為上洗速度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，Majjigi和Gliebe的研究指出，轉(zhuǎn)子尾跡剖面滿足高斯分布，其Fourier變換為

(7)

式中：δ為半尾跡速度寬度；wc為尾跡中心速度。δ和wc除了與風(fēng)扇轉(zhuǎn)子和靜子的幾何參數(shù)相關(guān)外，還與轉(zhuǎn)子的氣動(dòng)參數(shù)有關(guān)，在本文的研究中，這些參數(shù)均取自于通流設(shè)計(jì)和造型設(shè)計(jì)過(guò)程。

本文只考慮轉(zhuǎn)子尾跡對(duì)靜子葉片的激勵(lì)發(fā)聲機(jī)理，在靜子坐標(biāo)系下看，該激勵(lì)具有周期性，其頻率為葉片通過(guò)頻率及其諧波，因而將絕對(duì)坐標(biāo)系下的尾跡速度寫(xiě)成傅里葉級(jí)數(shù)形式[17]，可以得到

(8)

式中：ν為靜子葉片的標(biāo)號(hào)；

(9)

ws=Wssin(αS+αCL)·

(10)

其中：αCL為尾跡與軸向夾角；yRD、ySD為轉(zhuǎn)子尾緣、靜子前緣在展開(kāi)平面的y方向坐標(biāo)；xRS則表示轉(zhuǎn)子尾緣到靜子前緣的距離，如圖1所示，這些參數(shù)都是半徑r的函數(shù)，下標(biāo)H為葉根處對(duì)應(yīng)參數(shù)。通過(guò)以上各參數(shù)，可以真實(shí)反應(yīng)現(xiàn)代風(fēng)扇/壓氣機(jī)周向彎曲和軸向掠形等對(duì)風(fēng)扇噪聲的影響。

2 氣動(dòng)/聲學(xué)一體化設(shè)計(jì)

為了強(qiáng)化聲學(xué)設(shè)計(jì)在大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇設(shè)計(jì)中的作用，本文在氣動(dòng)設(shè)計(jì)核心環(huán)節(jié)中引入聲學(xué)快速預(yù)測(cè)方法評(píng)估，組成氣動(dòng)/聲學(xué)一體化設(shè)計(jì)流程，如圖3所示。特別地，目前大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲源中，風(fēng)扇與OGV之間的轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲占有較大比重，因此，聲學(xué)快速預(yù)測(cè)方法是指第1節(jié)所講的轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲解析預(yù)測(cè)方法。該方法分別以通流設(shè)計(jì)和造型設(shè)計(jì)的輸出作為幾何和氣動(dòng)參數(shù)的輸入，在通流與葉片造型完成迭代設(shè)計(jì)后，便能快速開(kāi)展噪聲水平的評(píng)估。

由于轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲主要是由轉(zhuǎn)子尾跡對(duì)靜子非定常沖擊而引起的噪聲，因此，在轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲快速預(yù)測(cè)方法中，首先根據(jù)轉(zhuǎn)子負(fù)荷，建立轉(zhuǎn)子尾跡的表達(dá)式，并將其轉(zhuǎn)換為靜子坐標(biāo)系下的上洗速度；以管道聲學(xué)理論為基礎(chǔ)，根據(jù)廣義聲類比理論，結(jié)合風(fēng)扇/壓氣機(jī)聲模態(tài)的特點(diǎn)，推導(dǎo)出均勻運(yùn)動(dòng)介質(zhì)中轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲的聲壓表達(dá)式；由于轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲的聲場(chǎng)表達(dá)式中，可根據(jù)葉片表面的無(wú)穿透條件，由上洗速度與其誘導(dǎo)的聲速度建立求解非定常載荷的積分方程，完成非定常載荷的求解過(guò)程，從而得到管道內(nèi)由轉(zhuǎn)子尾跡與靜子相互干涉產(chǎn)生的聲場(chǎng)，進(jìn)一步求得聲壓級(jí)、相位和前、后傳聲功率等。

圖3 氣動(dòng)/聲學(xué)一體化設(shè)計(jì)流程

在圖3所示的氣動(dòng)/聲學(xué)一體化設(shè)計(jì)流程下，可以快速研究風(fēng)扇/壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的變化對(duì)噪聲的影響，得出變化規(guī)律，形成設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)然，由于解析方法所進(jìn)行的簡(jiǎn)化造成了快速預(yù)測(cè)過(guò)程不可避免的固有缺陷，在氣動(dòng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行氣動(dòng)性能評(píng)估和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可行性評(píng)估后，還需使用高精度方法進(jìn)行聲學(xué)更為詳細(xì)的評(píng)估。

3 低噪聲設(shè)計(jì)參數(shù)化

在建立了針對(duì)轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲的聲學(xué)和氣動(dòng)一體化設(shè)計(jì)方法后，可以開(kāi)展低噪聲設(shè)計(jì)的參數(shù)化研究，以某型大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇/增壓級(jí)試驗(yàn)件作為研究對(duì)象，系統(tǒng)分析OGV的軸向掠形和周向傾斜對(duì)轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲的影響。該試驗(yàn)件由風(fēng)扇轉(zhuǎn)子、外涵OGV和帶有進(jìn)口導(dǎo)葉的四級(jí)增壓級(jí)組成，其中風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片數(shù)為22，OGV葉片數(shù)為70。圖4給出了軸向掠形角α和周向傾斜角β在文中的定義。圖4(a)中，OGV的軸向掠形角α為葉尖和葉根在子午面上投影中點(diǎn)的連線與徑向的夾角，當(dāng)葉尖相對(duì)于葉根更偏向于下游時(shí)，定義掠形角為正，反之則為負(fù)。圖4(b)中，OGV的周向傾斜角β為沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸線從前往后看積疊線與徑向線的夾角，當(dāng)OGV在周向沿風(fēng)扇轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向傾斜時(shí)，定義傾斜角β為正，反之為負(fù)。

圖4 軸向掠形和周向傾斜的定義

3.1 軸向掠形對(duì)風(fēng)扇噪聲的影響

針對(duì)掠形對(duì)轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲的影響，本文分別選取了-30°、-20°、-10°、0°、10°、20°和30°共7種不同OGV掠形角進(jìn)行分析。在掠形的過(guò)程中，保證OGV與轉(zhuǎn)子的平均距離不變。在改變掠形角時(shí)，分別以O(shè)GV葉尖和葉根的中點(diǎn)為基點(diǎn)，平移原設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的葉尖和葉根流路，分別形成尖部和根部流路，與此同時(shí)，周向傾角保持為0°。

由于在壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法中，軸向的掠形需要在通流設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)子午流面上的計(jì)算站形狀進(jìn)行控制，計(jì)算站的改變就需要進(jìn)行通流設(shè)計(jì)與葉片造型設(shè)計(jì)的迭代設(shè)計(jì)，從而生成葉片幾何，然后再由二者最終的輸出作為噪聲快速預(yù)測(cè)方法的輸入，這也是發(fā)展氣動(dòng)/聲學(xué)一體化設(shè)計(jì)方法的原因。

圖5 軸向掠形對(duì)前傳噪聲的影響

圖5和圖6分別給出了快速預(yù)測(cè)方法獲得的軸向掠形對(duì)前傳和后傳各階BPF噪聲聲功率的影響，圖中以掠形角α=0°時(shí)對(duì)應(yīng)的參考聲功率(Reference Sound Power Level，PWLref)作為參考基準(zhǔn)，由聲功率(PWL)相對(duì)變化量PWL-PWLref表示降噪量，該值為正時(shí)表示噪聲增加，為負(fù)時(shí)表示噪聲降低，由于風(fēng)扇在轉(zhuǎn)子和靜子葉片數(shù)的選取上滿足Cut-off條件，因此1階BPF被截止。從圖中可以看出，隨著B(niǎo)PF階數(shù)的增加，對(duì)噪聲的影響也越大，負(fù)角度的掠形會(huì)造成噪聲增加，正角度的掠形可以減少噪聲。

總的來(lái)說(shuō)，OGV掠形對(duì)轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲有重要影響，掠形30°能降低2階BPF噪聲10 dB左右，而且對(duì)高階BPF的降噪效果更明顯。

3.2 周向傾角對(duì)風(fēng)扇噪聲的影響

與研究掠形對(duì)轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲影響一樣，分別選取-30°、-20°、-10°、0°、10°、20°和30°共7種不同OGV傾斜角進(jìn)行分析，同時(shí)保證軸向掠形角為0°。但與掠形不同的是，在壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法中，周向的傾斜可以在保持S2通流設(shè)計(jì)不變的情況下，通過(guò)葉片造型過(guò)程中的周向積疊來(lái)完成。

圖7和圖8分別給出了周向傾角對(duì)前傳和后傳噪聲的影響?？梢钥闯觯琌GV的周向傾角對(duì)噪聲的影響比軸向掠形小。與掠形不同的是，周向傾角對(duì)低階BPF噪聲的影響比對(duì)高階BPF的影響大?？傮w來(lái)講，當(dāng)傾角為30°時(shí)，2階BPF噪聲的降噪量只有7 dB左右。

圖8 周向傾角對(duì)后傳噪聲的影響

3.3 軸向掠形與周向傾角對(duì)噪聲的組合影響

為了研究軸向掠斜與周向傾斜對(duì)噪聲的組合影響，圖9和圖10分別給出了OGV在不同傾斜角條件下前傳和后傳噪聲隨不同掠形角的變化曲線，圖11和圖12分別給出了OGV在不同掠形角條件下前傳和后傳噪聲隨不同傾斜角的變化曲線。圖中以原型(Original，ORI)OGV設(shè)計(jì)狀態(tài)，即(α,β)=(10°,0°)，對(duì)應(yīng)聲功率PWLref作為參考基準(zhǔn)。從圖中可以看出，正的軸向掠形總能大幅減少噪聲，噪聲的減少量近似與掠形角成線性關(guān)系變化；另外，正的周向傾角能夠在一定程度上強(qiáng)化掠形的降噪效果，當(dāng)(α,β)=(30°,10°)時(shí)，2階和3階BPF噪聲都能達(dá)到10 dB以上降噪量，當(dāng)(α,β)=(20°,10°)時(shí)，2階和3階BPF噪聲也能達(dá)到10 dB左右的降噪量，略高于掠形角α=30°。但當(dāng)傾角β>10°后，OGV周向傾的強(qiáng)化作用幾乎不再增加；負(fù)向的傾角會(huì)弱化掠形的降噪效果，在傾角β=-30°條件下，即使是α=30°的大掠形角，也不能取得任何降噪收益。

圖9 不同傾角條件下軸向掠形對(duì)前傳噪聲的影響

圖10 不同傾角條件下軸向掠形對(duì)后傳噪聲的影響

圖11 不同掠形角條件下周向傾角對(duì)前傳噪聲的影響

圖12 不同掠形角條件下周向傾角對(duì)后傳噪聲的影響

4 低噪聲OGV優(yōu)化設(shè)計(jì)

實(shí)際上，前述的降噪效果都是在保證OGV與風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的平均軸向距離不變的情況下得到的。受原風(fēng)扇/增壓級(jí)試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)限制，只能在固定葉尖子午投影位置的原則下開(kāi)展低噪聲OGV設(shè)計(jì)，這無(wú)疑大大增加了低噪聲設(shè)計(jì)的難度，主要表現(xiàn)在兩點(diǎn)：第一，固定了OGV葉尖子午投影位置，在一定程度上就固定了OGV與轉(zhuǎn)子葉片間的最大距離，通過(guò)加大兩者距離來(lái)降低干涉噪聲的手段因此受到了限制；第二，固定了OGV葉尖子午投影位置，想要加大掠形角，就需要將OGV根部前移，這又勢(shì)必導(dǎo)致OGV與轉(zhuǎn)子葉片間的距離減小，掠形的降噪收益與距離減小導(dǎo)致的噪聲增加形成尖銳矛盾。

為了緩解這樣的矛盾，選擇以O(shè)GV軸向掠形α=20°，周向傾斜β=10°為基準(zhǔn)，采用基于遺傳算法[19]的優(yōu)化方法，進(jìn)一步開(kāi)展了低噪聲OGV的優(yōu)化設(shè)計(jì)，尋求通過(guò)非均勻軸向掠形[20]和周向傾斜進(jìn)一步提升聲學(xué)收益。優(yōu)化過(guò)程中，固定OGV葉尖、根軸向位置，將葉片的前緣子午投影定義為6階貝塞爾函數(shù)，如圖13所示，葉片周向積疊軸定義為3階貝塞爾函數(shù)，如圖14所示，分別各自以控制點(diǎn)軸向及周向偏移量為優(yōu)化變量，以降噪量為優(yōu)化目標(biāo)。為降低對(duì)風(fēng)扇氣動(dòng)性能的影響，保證OGV的負(fù)荷水平不發(fā)生變化，優(yōu)化過(guò)程中葉片的子午弦長(zhǎng)保持與原方案一致。

在優(yōu)化過(guò)程中，種群規(guī)模設(shè)定為16，最大遺傳代數(shù)為200，雜交類型為均勻雜交，雜交率設(shè)為0.5，變異率為0.02。圖15給出了使用遺傳算法得到的優(yōu)化結(jié)果解集，圖中給出了4種不同權(quán)重的優(yōu)化結(jié)果，如Eq03Eh07表示前傳噪聲降噪量的權(quán)重為30%和后傳噪聲降噪量為70%的組合，其他方案以此類推。從結(jié)果中選取相對(duì)較優(yōu)的2個(gè)方案，分別命名為優(yōu)化方案A(OptimizedA，OPT-A)和優(yōu)化方案B(OptimizedB，OPT-B)，相對(duì)于優(yōu)化基準(zhǔn)方案(α,β)=(20°,10°)，OPT-A前傳噪聲與后傳噪聲分別降低2.2 dB和1.0 dB，OPT-B前傳與后傳噪聲分別降低0.5 dB和1.8 dB；相對(duì)于原OGV方案，OPT-A前傳噪聲與后傳噪聲分別降低9.4 dB和8.8 dB，OPT-B前傳與后傳噪聲分別降低8.7 dB和9.6 dB。

圖13 OGV軸向掠形參數(shù)化示意圖

圖14 OGV周向傾斜參數(shù)化示意圖

圖15 基于遺傳算法的優(yōu)化結(jié)果

葉片子午投影如圖16所示，X和R分別為軸向和徑向無(wú)量綱坐標(biāo)。圖17和圖18分別給出了經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后掠形角和傾斜角沿葉高的分布，與原方案10°的掠形角相比，兩優(yōu)化方案沿葉高具有非常不均勻的掠形角分布，OPT-A方案的掠形角變化范圍為-3°～35°，OPT-B方案的變化范圍為-3°～26°，但兩優(yōu)化方案傾斜角之間的差異比較小，圖19給出了稠度沿葉高的分布，由于在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中保證了子午弦長(zhǎng)不變，所以優(yōu)化方案稠度變化不大，在一定程度上保證了OGV的氣動(dòng)性能與原方案基本一致。各方案的三維結(jié)構(gòu)如圖20所示，圖中黑色為風(fēng)扇轉(zhuǎn)子及原方案的OGV，深灰色為OPT-A方案的OGV，淺灰色為OPT-B方案的OGV。

由于氣動(dòng)/聲學(xué)一體化設(shè)計(jì)過(guò)程中使用的噪聲快速預(yù)測(cè)方法對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行了大量簡(jiǎn)化和近似，如將真實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)管道簡(jiǎn)化為等直徑環(huán)管、葉片簡(jiǎn)化為無(wú)彎度和無(wú)厚度的平板等，這些簡(jiǎn)化和近似無(wú)疑會(huì)增大預(yù)測(cè)誤差，因此，針對(duì)這2個(gè)低噪聲方案，將在第2篇[21]文章中開(kāi)展聲學(xué)性能的詳細(xì)評(píng)估，并同時(shí)給出氣動(dòng)性能的對(duì)比。

圖16 OGV各方案的子午投影

圖17 掠形角沿葉高的分布

圖18 傾斜角沿葉高的分布

圖19 稠度沿葉高的分布

圖20 OGV優(yōu)化方案葉片三維構(gòu)型

5 結(jié) 論

本文利用三維升力面與管道聲學(xué)理論，結(jié)合尾跡模型，直接從氣動(dòng)設(shè)計(jì)輸出提取參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了噪聲水平的快速評(píng)估，建立了氣動(dòng)/聲學(xué)一體化設(shè)計(jì)方法。采用該方法，對(duì)風(fēng)扇/增壓級(jí)的轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲水平進(jìn)行了快速評(píng)估，系統(tǒng)研究了軸向掠形角與周向傾斜角對(duì)噪聲水平的影響，優(yōu)選出掠形角與傾斜角的最佳組合，并以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步采用遺傳算法對(duì)OGV開(kāi)展參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終獲得了2個(gè)低噪聲優(yōu)化方案。

1) OGV掠形對(duì)轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲有重要影響，葉尖向遠(yuǎn)離風(fēng)扇轉(zhuǎn)子方向掠形能明顯降低轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲。掠形20°～30°能降低2階BPF噪聲10 dB左右，而且對(duì)高階BPF的降噪效果更明顯。

2) 周向傾相對(duì)掠形對(duì)轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲的影響較小，葉尖向風(fēng)扇轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向傾斜能減弱轉(zhuǎn)/靜干涉噪聲。當(dāng)傾斜30°時(shí)，對(duì)2階BPF噪聲的降噪量7 dB左右，但對(duì)高階BPF的降噪效果并不顯著。

3) 對(duì)不同掠形和不同傾斜角度的研究表明，在一定掠形角下(特別是正向掠形)，OGV傾斜10°后，繼續(xù)增加傾角的降噪效果減弱，軸向掠形30°、周向傾斜10°，2階和3階BPF噪聲都能達(dá)到10 dB以上降噪量。

4) 以軸向掠形20°、周向傾斜10°為基礎(chǔ)，通過(guò)遺傳算法獲得2個(gè)低噪聲OGV優(yōu)化方案，經(jīng)初步評(píng)估，相對(duì)于原型方案，前傳與后傳噪聲的降噪量達(dá)到8 dB左右。