● 摘要
涡扇发动机风扇级的性能对发动机总性能有着至关重要的影响，而叶型是决定风扇性能的最重要的参数之一。风扇在工作过程中，叶片会在气动力、离心力和热应力的共同作用下产生复杂的变形，叶型会从加工的形状（冷态叶型）变为工作转速下的叶型（热态叶型）。所以保证风扇叶片在工作点的形状和设计点的相同或接近是实现其设计性能指标的关键环节。叶片的反扭就是从热态叶型到冷态叶型的反推过程。本文采用了流固耦合方法，发展完善了叶片反扭设计的算法流程，编程实现了无耦合、定常—静态单向弱耦合、定常—静态双向强耦合和非定常—瞬态双向强耦合等四种叶片反扭设计的流固耦合方法，研究了叶片在不同工况下的变形对气动性能的影响。在流固界面间进行信息交换时，使用了投影—形函数插值方法。以NASA Rotor67跨音风扇叶片和某宽弦空心跨音的大风扇叶片为算例，使用上述四种叶片反扭设计方法，完成了叶片从气动设计的热态叶型到加工制造的冷态叶型的设计。着重研究了非定常—瞬态双向强耦合方法，并对两个叶片的反扭设计结果进行了对比分析研究。研究结果表明：投影—形函数插值方法的精度较高。流固耦合系统中的流固两场之间是相互影响和相互制约的，叶片变形会使流场的分布发生变化，而流场的分布尤其是压力分布变化后又会反过来对结构的变形产生一定的影响，故单纯地只考虑流体对固体或固体对流体的影响都会使计算的结果产生偏差。因此在对气动力非线性和叶片几何非线性耦合的强非线性的叶轮机静态气动弹性问题进行流固耦合分析时，需要进行流/固间的双向强耦合计算，这在宽弦空心的情况体现地更加显著。使用这四种方法设计得到的冷态叶型与气动设计的热态叶型存在相当大的差异，并且叶型的弯掠状况对求解得到的冷态叶型有很大的影响。无耦合反扭设计方法得到的冷态叶型较之有耦合方法的差异很大。在带耦合的反扭设计方法中，非定常—瞬态双向强耦合方法考虑了流体流动和叶片变形之间的相互影响，体现出了气动力作用和几何非线性大变形耦合的强非线性影响，比其它三种方法精度更高。鉴于此本文提倡用本方法设计得到的冷态叶型去加工制造，以提高叶片在工作过程中的可控性和对工作过程中出现的故障的可预测性。