目前,斜切口短舱进气道已广泛应用于现代大涵道比航空发动机,以降低来流攻角对发动机性能的影响。然而,这一几何构型在优化起飞性能的同时,也引入了显著的非均匀进气条件,即在进气道出口(风扇/压气机进口)形成稳态周向总压畸变。随着发动机推重比与涵道比的不断提升,以及短舱长度的进一步缩短,此类由斜切口诱发的稳态畸变问题将愈发突出,成为影响巡航段性能与稳定性的关键因素
[1-2]。
为揭示该问题的根源,已有大量研究聚焦于进气道几何参数与畸变流场的关联。斜切口进气道的核心设计参数(如下垂角和斜切角)对进气道内流动分离、二次流结构及最终的出口畸变图谱具有决定性影响
[3]。例如,Peters等
[4]指出,短舱长度缩短会加剧进气道内壁面的流动加速,其与转子前缘高马赫数区的相互作用是制约短进气道设计的关键机制。
这种由几何构型决定的稳态畸变会对下游风扇/压气机的气动性能产生深刻影响,畸变流场不仅直接改变风扇进口的攻角分布,还会通过进气道-转子之间的复杂干涉诱发额外的动态响应
[5-6]。此外,畸变流场同样会显著改变风扇的噪声产生与传播模态。Bu等
[7]指出,短舱轴向长度缩短使风扇噪声逐渐成为飞机主要噪声源,其控制难度也同步增加。实验研究显示,斜切口短舱进气道内的声场呈现显著周向非均匀分布
[8]。Doherty和Namgoong
[9]指出,微弱的稳态畸变也会显著改变噪声源机制,诱发声压级周向差异。数值研究进一步证实,稳态畸变会影响声传播的周向模态组成与能量衰减
[10-11]。为识别与解析此类声学模态,多种先进测量技术被应用于风扇实验研究
[12-14]。均匀进气条件下,TA36单级压气机平台转子-畸变干涉效应对噪声产生具有重要影响,传统转静干涉理论已难以全面描述该噪声机制
[15-16]。因此,深入研究畸变影响下压气机的气动和噪声特性,是评估进气道与压气机耦合特征的前提。
北京航空航天大学流体与声学工程实验室设计了一种适用于地面压气机测试的斜切口进气道,并对其产生的畸变流场开展了实验研究,揭示了下垂角与斜切角对稳态畸变的作用机制及该畸变在管道内的衰减规律,获得了该进气道的静压畸变图谱,如
图1 [17]所示,其中,
Cp 为压力系数,SL(Scarfed Intake Based on Length)进气道为斜切口进气道,STD(Standard)进气道为标准进气道。
综上所述,尽管现有研究已分别揭示了斜切口进气道的几何影响、气动影响及声学影响,但多数研究受限于数值模拟或单一物理场的测量。在真实几何与工作条件下,将畸变流场与气动性能及声学模态响应进行系统性关联的实验研究仍显不足。为此,本文基于北京航空航天大学流体与声学工程实验室的TA29单级低速风扇实验台
[18],在前期畸变流场测量工作
[17]的基础上,旨在通过实验系统研究畸变对风扇气动性能及噪声模态特性的综合影响,重点探究畸变对风扇噪声模态分布的影响机制,以期为短舱进气道-风扇的一体化低噪声设计提供数据支持与理论参考。