航空发动机风扇噪声仿真

如果有100万，你打算买什么呢？

一辆宝马7系？一套乡村别墅？100箱茅台？还是一个航空发动机的风扇叶片？

额，事出反常必有妖，机智的我选屠龙刀！哦~不，是风扇叶片！虽然这玩意儿长得像把神器，不过到底有什么特别的？怎么就值100万呢？

笔者又不得不搬出万年老梗了：“航空发动机是工业皇冠上的明珠”。从设计验证到加工制造，航发所涉及到的学科范围之广、技术难度之高，几乎是任何产品都望尘莫及的。迄今为止，在商用航空发动机领域，也仅有GE、普惠和罗罗三家公司具备完全自主设计和制造的能力。航发三巨头掌握着行业最尖端的技术，也掀起了相当激烈的技术竞争。随着现代运输业对于飞机燃油经济性的要求越来越高，为了尽量降低涡扇发动机的内涵排气损失，就必须把更多功率用到处于冷端的外涵，导致外涵尺寸越做越大，风扇尺寸不断增加。风扇尺寸大到什么程度呢？下图为某工程师与GE90发动机的合照，是不是大的有点恐怖？

而现代大涵道比涡扇发动机的瓶颈之一在于，由于结构强度和噪声问题，风扇叶尖的周向速度不能过分增大。这意味着如果保持风扇叶尖周向速度不变的条件下，增加风扇尺寸则必须降低转速，那么与风扇刚性相连的低压涡轮的转速也会降低。而根据涡轮的工作原理，涡轮做功能力和转速成正比。那么我们得到了一个更耗能的风扇和更弱鸡的低压涡轮，更小的马拉更大的车，我太难了！

为了调和这个矛盾，三巨头纷纷摩拳擦掌，拿出了自己的看家本领。GE死磕传统双转子技术，其嫡系CFM公司的LEAP系列发动机使用了携带各种黑科技的Advanced高效风扇和逆天的超大号七级铝钛合金低压涡轮；罗罗更狠，两根轴不行就再加一根，成就了其招牌的三转子发动机——Trent系列；最极致的则是普惠，推出了行星齿轮传动风扇发动机PW1000G系列，通过齿轮让风扇转的慢，而低压涡轮则能以三倍风扇转速旋转，风扇和低压涡轮同时达到了各自最佳的运行工况；2011年，美国《时代周刊》称PW1000G是“2011年航空业最重大的发展”，随后PW1000G陆续装机并服役。但2015年普惠母公司却出售了旗下顶尖的直升机公司西科斯基……你品，你细品。

“人生已经如此的艰难，有些事情就不要拆穿”

罗罗和普惠的方案的确能从根本上解决风扇转速的问题，但是设计都太过超前和复杂，差点拖垮了这两家公司，若不是英美政府及时出手，估计咱们就可以拿茅台去换发动机了。

经过上述艰苦卓绝的历程，三巨头将大涵道比涡扇发动机的效率提高到另一个水准，而这些发动机的涵道比也高达10:1以上，其中PW1100G的涵道比更是达到了12.5:1，其外涵风扇提供的推力也超过了发动机整机的80%。而就部件而言，风扇无疑是设计优化的重中之重，各家公司也都八仙过海各显神通。NASA这个老母鸡更是延续了不断下金蛋的本领，不但自己研究，还伙同一众公司，对风扇设计进行了大量的基础研究。比如针对风扇噪声，NASA就和GE、普惠、霍尼韦尔等公司合作进行了一系列的基础研究。

航空发动机风扇噪声的来源和分类众多，不过其决定因素仍为其气动负荷，也就是叶尖切线速度和压比。但为了维持足够的推力，并避免巨大的激波噪声，三巨头们纷纷把最大爬升工况的风扇叶尖切线速度设定为略超音速。降噪也只能在不恶化气动性能的条件下进行，仿佛“带着脚铐跳舞”。下图列出了NASA研究中的若干降噪方案，分别为使用斜向上的短舱入口设计（使噪声向天空辐射而不是地面）、主动噪声控制技术、声衬（被动控制）、前掠风扇叶片、弯掠出口导叶。其中叶片的弯掠技术可以降低转静干涉而使噪声降低，且无需增加额外的装置，深受各大航空发动机制造商青睐。

尽管NASA做了很多实验研究，但在设计流程中，风扇噪声的优化迭代还是要靠仿真软件。针对风扇噪声仿真对标这个细分课题，NASA也有专门的研究。其中较为著名的就是NASA主导，普惠、GE和霍尼韦尔分别参与的静音风扇研究项目。NASA做了一系列实验，并把实验数据公布与众，引诱众多软件厂商前来对标。

作为气动噪声仿真领域的扛把子，PowerFLOW怎会错过这样的机会。于是针对NASA SDT（NASA/GE Source Diagnostic Test）项目，PowerFLOW进行了一系列仿真计算，相关结果发表于AIAA。本文展示了其中一部分研究成果，即针对三种不同的出口导叶方案（基本型、低叶片数方案、后掠的低噪声方案）进行了研究分析。

下图分别展示了三个不同方案下，仿真和实验得到的沿短舱外侧、平行于短舱轴线不同位置处的总声压级的对比。可以看到，PowerFLOW预测的噪声指向性分布与实验基本一致，且绝对值的差异均在2.5dB之内。

如果进一步的比较方案效果的话，结果更令人惊讶，PowerFLOW预测的低噪声方案和低叶片数方案相对于基准方案的降噪效果与实验的差异基本保持在1dB之内，如下图所示。

而在本次仿真中，还观测到了一个非常有趣的现象。我们知道，虽然风扇的各个叶片在设计时遵从了相同的安装角，但由于加工和装配误差，每个叶片的实际安装角会略有不同。而这种装配误差却可能会减弱转静干涉引起的谐频噪声。工程上也有人专门对安装角进行一定的周向变动，形成“错频效应”来降低谐频噪声。不过在本案例中，研究的是加工装配误差引起的错频效应。我们把安装角的微小随机扰动加入到仿真中，下图左给出了原始安装角（灰色）和随机扰动安装角（红色）的对比。下图右给出了仿真与实验的频谱对比，可见安装角经过随机扰动的调整后，仿真的谐频噪声和实验更加接近。这也是首次在CFD仿真中观察到了这一现象。

在发动机短舱内壁安装声衬，利用亥姆霍兹共振器原理可削弱风扇噪声，减少其向外部的传递。该技术在很多民用涡扇发动机上均有应用。但由于声衬的蜂窝结构细小繁多，难以使用传统CFD工具进行评估。以往对于声衬技术的研究和优化，通常采用半经验的方法，但声衬在较高声压级的条件下，以及湍流边界层掠过时表现出来较强的非线性，使得经验公式失效；而新型的声学材料也会使经验参数改变，难以满足现有的设计开发需求。

而基于LBM+VLES的技术优势，使用PowerFLOW不仅可以对单个或一组蜂窝进行直接数值模拟，对蜂窝结构的声学特性进行精准的评估和优化，也可以通过声学多孔介质对安装声衬后的发动机的降噪效果进行模拟分析。

风扇设计，作为民用涡扇发动机领域内最难的方向之一，引无数英雄前赴后继。一个看似不起眼的风扇却凝结了几乎整个工业领域内最尖端的技术，百万宝贝，你值得拥有。

大风扇呀吱悠悠的转，这里的噪声不简单，宽频和谐频一起来捣蛋......介绍完了机身和风扇噪声，后续为您带来喷流噪声和飞发一体化的噪声设计优化，敬请期待。

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