涡桨飞机螺旋桨气动噪声特性试验研究

2022-07-11胡天翔周若君刘文波刘沛清

民用飞机设计与研究 2022年1期

耿欣胡天翔周若君刘文波刘沛清*

(1. 北京航空航天大学陆士嘉实验室(航空气动声学工信部重点实验室)，北京 100191；2. 航空工业第一飞机设计研究院, 西安 710089)

0 引言

随着航空公司短途航线由涡扇发动机转向涡轮螺旋桨发动机，以及机场周边噪声污染的限制越来越严格，商用螺旋桨飞机的声学特征正成为关键的设计参数。新的国际民用航空组织(ICAO)噪声标准在第1卷第14章的附件16中，将有效感知噪声水平的严格程度提高了7 dB，并适用于2020年后55 t以下的螺旋桨飞机。此外，螺旋桨附近的外部噪声源会通过结构部件传递到客舱内部，从而影响乘客的舒适度。虽然小型的螺旋桨飞机产生的噪声可以忽略，但对于较大的螺旋桨飞机，机舱内噪声和社区噪声仍是一个值得关注的问题，尤其是叶尖螺旋马赫数在超声速条件下工作的高效率桨扇发动机。在螺旋桨飞机的发展过程中，由螺旋桨引起的严重气动噪声和振动问题已成为一个研究的热点。

在引进喷气发动机后，螺旋桨的发展迟滞了几十年，直到20世纪70年代美国国家航空航天局(NASA)恢复螺旋桨的研究活动，并开始进行先进涡轮螺旋桨项目(Advanced Turboprop Project，简称ATP)，旨在探索客运飞机先进螺旋桨的发展潜力。由NASA及其合作伙伴提议并命名为“propfan”的先进螺旋桨概念于1975年发布，比ATP项目正式启动提早了一年。然后对单旋转螺旋桨和对旋螺旋桨的空气动力学和气动声学设计进行了广泛的研究，最终在McDonnell Douglas和波音飞机上进行了全尺寸对转开式转子(contra-rotating open rotors，简称CRORs)的飞行试验。与此同时，欧洲空中客车公司在20世纪80年代早期开始了与螺旋桨相关的研究。在整个20世纪90年代，这种情况一直持续，欧盟资助的研究项目SNAAP、GEMINI、GEMINI II和APIAN主要研究集中在翼装螺旋桨构型中螺旋桨与机体相互作用产生的影响。自2000年代中期以来，航空旅行对全球变暖的影响越来越大，航空公司利润率面临的压力越来越大，人们对螺旋桨技术的关注再次重燃。未来的飞机设计要实现性能上的飞跃，就需要高效的推进系统，先进的螺旋桨提供了一个潜在的解决方案，可以提供比涡扇发动机更高的推进效率。然而，使用螺旋桨有两个主要的缺点：限制飞机的巡航速度和相对较高的噪声排放。

螺旋桨是螺旋桨飞机部件中最主要的噪声源，其流动特性也是较为复杂的。螺旋桨桨叶附近的流动从本质上来讲是三维流场结构，不仅是因为桨毂的存在引起来流的径向位移，也是由于沿径向的当地压力分布导致的。关于流场的涡系结构，本质上有三个涡量较强区域：桨叶翼尖涡，桨叶根部马蹄涡和尾缘涡系。叶尖涡沿着桨尖的螺旋轨迹分布且具有较强的涡量。相比之下，马蹄涡的空间范围要小得多。桨叶尾迹中则包含了一系列通常在一倍弦长距离内就消失的尾缘涡。此外，还经常会出现前缘涡和斜压效应引起的激波旋涡。对于拖拉式螺旋桨，机翼气动面浸入螺旋桨滑流中会产生非定常负载，这可能导致振动和机舱噪声；对于推进式螺旋桨，螺旋桨的流入受到上游支撑尾迹的干扰，导致叶片负载不稳定，增加噪声排放。

由于螺旋桨的旋转会产生周期性的噪声。周期性激发的噪声组成包括厚度噪声和(非)定常载荷噪声。厚度噪声是由周期性通过螺旋桨叶片的体积所引起的空气位移而产生的；定常载荷噪声是由产生升力和阻力(即推力和扭矩分量)的桨叶压力场所决定的；非定常载荷噪声是由不断入射的非均匀流动引起的。而宽频带噪声往往是由桨叶与湍流相互作用引起桨叶载荷的随机变化导致的。

本文针对民用涡桨支线客机的螺旋桨噪声问题及其中涉及到的各个物理问题，开展了气动声学风洞实验研究，并利用片条理论气动性能预测方法与实验结果进行了对比分析。为进一步研究螺旋桨气动噪声的致声机理和降噪技术方面的问题提供参考。

1 实验设置

1.1 螺旋桨模型

试验中所使用的螺旋桨为电机驱动的六叶可调距螺旋桨，在0.7R处调整安装角，表示翼型的几何弦线与旋转平面之间的夹角。试验模型包括整流罩、螺旋桨转子两部分，六叶螺旋桨直径D=4.42 m，模化比7.4，即转子模型直径D=0.6 m，试验模型外形轮廓完全模拟真实螺旋桨技术状态，图1为缩比模型桨的示意图。叶片采用碳纤维复合材料，表面平整光滑，强度满足需求，根部由圆柱段和倒楔组成，用于与桨毂叶组件连接，桨叶按气动设计的剖面分为多个截面进行过渡层铺设计。

图1 缩比模型桨外形图

1.2 风洞实验

本实验所使用的风洞为北航D5低湍流低噪声气动声学风洞。该风洞位于北京航空航天大学沙河校区，是一座开闭两用风洞。开口条件下，实验段的尺寸为1 m(宽)×1 m(高)×2 m(长)，闭口实验段尺寸为1 m(宽)×1 m(高)×2.5 m(长)。风洞稳定段和实验段的截面收缩比为9∶1。该风洞在开口条件下最大气流速度为80 m/s，在闭口条件下最大气流速度为100 m/s。实验段核心区湍流度小于0.08%。风洞风扇采用380 V交流电机驱动，载变频器驱动下，该电机可以在0 r/min～750 r/min范围内实现无极变速。电机的最大输出功率为210 kw。风洞的平面结构如图2所示。

图2 北航D5风洞平面结构图

1.3 测量设备

实验测量了螺旋桨产生的气动力，以及远场的声辐射。螺旋桨性能(推力、扭矩)是通过安装在螺旋桨和电机之间的六分量杆式应变天平测量的。天平测力的输出信号通过滑环装置导入数据采集系统。该数据采集系统由模数转换器、信号放大器和数据采集计算机组成。测试采样率为1 kHz，每个测试点的采样时间为60 s。

用5个远场麦克风测量螺旋桨的声发射信号，如图3所示。使用Brüel & Kjær 12通道声振动分析系统测量远场噪声，包括一个12通道紧凑型LAN-XI模块和1/2英寸自由场麦克风(4189型)。自由场传声器灵敏度为50 mV/Pa，动态范围为14.6 dB～146 dB。在采样频率为65 536 Hz的时间间隔内，测量了声信号50 s。远场麦克风阵列允许麦克风放置在远离螺旋桨盘几何中心2.5 m的位置，轴向指向性角度在50°～145°(间隔5°)之间。在径向0.7 r/R位置处桨叶角设置为36°。电机转速恒定为2 300 rpm，自由来流速度范围是9 m/s～35 m/s。

(a) 螺旋桨气动性能实验测量

(b) 螺旋桨气动噪声实验测量图3 螺旋桨风洞实验测量

2 气动性能结果分析

实验测量结果与螺旋桨片条理论(Blade element momentum theory，简称BEMT)预测结果对比如图4所示。可以看出，片条理论方法对螺旋桨拉力系数的预测精度在前进比大于1.2时较为合理；由于螺旋桨的转速是固定的，前进比的变化是通过改变来流速度来实现的。因此，低前进比条件对应于叶片截面上的低雷诺数。当前进比小于1.2时，拉力系数曲线的非线性变得更加明显。

(a) 拉力系数对比

(b) 功率系数对比

与拉力系数吻合较好的情况相比，即使在大前进比时，片条理论预测的功率系数和推进效率也有更显著的偏差。实验中螺旋桨的最大推进效率位于前进比等于1.35时，而在片条理论预测结果中，由于低估了功率系数，在更大的前进比处出现最大推进效率。功率系数在更大的前进比时差异显著，而拉力则被很好地预测。这表明即使在这一范围，在片条理论分析中黏性效应仍然被低估。

3 噪声特性结果分析

图5提供了声压级水平曲线(SPL)相对于频率的频谱图。声学测量结果还提供了电机(未安装桨叶状态)和风洞背景噪声。通过比较，三种来流速度情况下，桨叶通过频率(BPF=230 Hz)处均出现了离散纯音尖峰，三种前进比条件下对应的声压级幅值(SPL)分别为69.85 dB、74.11 dB和71.18 dB。从气动性能曲线中拉力系数随前进比的变化趋势可以看出，当前进比为0.74时，叶片处于失速状态，表面流动相对较为复杂，拉力系数处于非线性段。同时，在此前进比下，宽带噪声的幅值最大，这与螺旋桨叶片表面复杂流场引起的湍流噪声有关。在较大的来流速度下，BPF的高次谐波特征明显。

(a) J=0.74

(b) J=0.91

图6显示了螺旋桨一阶基频噪声的指向性频谱图(在1BPF处)。当方位角在50°～130°之间时，随着前进比的增加，SPL值先增大后减小。在远场位置轴向方位角为100°时，前进比为1.09对应的SPL值最大为74.08 dB，相比于前进比为1.43时对应的SPL值大6.71 dB。此外，位于桨盘上游位置的总声压级水平大于桨盘下游位置的总声压级水平，主要是因为螺旋桨桨盘前后的相对速度发生了变化，导致了声传播距离的延迟和加速现象。