后排转子直径对对转螺旋桨气动和声学特性的影响

崔盼望; 仝帆; 冯和英; 陈正武; 王大庆

doi:10.13224/j.cnki.jasp.20220179

Chinese

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后排转子直径对对转螺旋桨气动和声学特性的影响

叶轮机械 | 更新时间：2025-03-14

- 后排转子直径对对转螺旋桨气动和声学特性的影响
- Influence of rear rotor diameter on aerodynamic and acoustic characteristics of counter⁃rotating proeller
- 航空动力学报 2022年37卷第8期页码：1749-1760
- 作者机构：
  
  1.中国空气动力研究与发展中心气动噪声控制重点实验室，四川绵阳 621000
  2.湖南科技大学机械设备健康维护湖南省重点实验室，湖南湘潭 411201
- 作者简介：
  
  崔盼望（1996-），男，硕士生，主要从事叶轮机械气动噪声控制研究。
  仝帆（1990-），男，高级工程师，博士，主要研究方向为叶轮机械气动声学、仿生降噪技术。E⁃mail：tongfan@cardc.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金项目(12102451;51875194;11602290;11802114);湖南省教育厅优秀青年基金(20B226)
- DOI：10.13224/j.cnki.jasp.20220179
  中图分类号：
- 稿件说明：
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崔盼望, 仝帆, 冯和英, 等. 后排转子直径对对转螺旋桨气动和声学特性的影响[J]. 航空动力学报, 2022,37(8):1749-1760.

Panwang CUI, Fan TONG, Heying FENG, et al. Influence of rear rotor diameter on aerodynamic and acoustic characteristics of counter⁃rotating proeller[J]. Journal of Aerospace Power, 2022, 37(8): 1749-1760.
崔盼望, 仝帆, 冯和英, 等. 后排转子直径对对转螺旋桨气动和声学特性的影响[J]. 航空动力学报, 2022,37(8):1749-1760. DOI： 10.13224/j.cnki.jasp.20220179.

Panwang CUI, Fan TONG, Heying FENG, et al. Influence of rear rotor diameter on aerodynamic and acoustic characteristics of counter⁃rotating proeller[J]. Journal of Aerospace Power, 2022, 37(8): 1749-1760. DOI： 10.13224/j.cnki.jasp.20220179.

摘要

基于非线性谐波法和声类比模型，研究了不同后排转子直径对对转螺旋桨气动特性和噪声的影响规律。首先，利用单排螺旋桨风洞试验结果验证了数值计算方法的可靠性。随后，以某型对转螺旋桨为研究对象，研究了6种具有不同后排转子直径的对转螺旋桨模型。研究发现，对转螺旋桨后排转子直径“裁剪”会降低后排螺旋桨的拉力系数和功率系数，但对效率的影响不明显。随着后排转子直径的减小，前排转子的叶片通过频率下的噪声几乎没有变化，但高阶噪声变化幅度较大。后排转子减小0.25倍直径，后排转子的叶片通过频率下的噪声降低约为9 dB。后排转子直径“裁剪”不仅可以降低后排转子噪声，在一定程度上也可以降低前排转子的噪声。通过叶片“裁剪”，对转螺旋桨气动噪声降低5~6 dB。对转螺旋桨后排转子直径的减小，减弱了对转螺旋桨叶尖涡干涉和尾迹干涉，并减弱了前后排桨叶的势流场干涉，进而降低了对转螺旋桨的噪声辐射。

Abstract

Based on the nonlinear harmonic method and the acoustic analogy model，the influence of different rear rotor diameters on the aerodynamic and acoustic characteristics of the counter⁃rotating propeller was studied.First，the reliability of the numerical calculation method was verified by the wind tunnel test results of a single propeller.Subsequently，six counter⁃rotating propeller models with different rear rotor diameters were studied for a counter⁃rotating propeller.It was found that the clipping of the diameter of the rear rotor of the counter⁃rotating propeller could reduce the pull coefficient and power coefficient of the rear propeller，but the effect on the efficiency was not obvious.As the diameter of the rear rotor decreased，the noise of the front rotor at the blade passing frequency changed little，but the higher order noise changed more.When the diameter of the rear rotor was reduced by 0.25 times of the diameter，the noise of the blade passing frequency of the rear rotor was reduced by about 9 dB.The clipping of the diameter of the rear rotor can not only reduce the noise of the rear rotor，but also reduce the noise of the front rotor to a certain extent.By clipping the blades，the aerodynamic noise of the counter⁃rotating propeller was reduced by 5~6 dB.The reduction of the diameter of the rear rotor weakened the tip vortex interference and wake interference of the counter⁃rotating propeller，and also mitigated the potential flow field interference between the front and rear blades，which in turn reduced the noise radiation of the counter⁃rotating propeller.

关键词

Keywords

references

MOENS F ， GARDAREIN P . Numerical simulation of the propeller/wing interactions for transport aircraft [R]. AIAA⁃2001⁃2404 ， 2001 .

KELLER D ， RUDNIK R . Numerical investigation of engine effects on a transport aircraft with circulation control [J]. Journal of Aircraft ， 2015 ， 52 （ 2 ）: 421 ⁃ 438 .

VAN DEN BORNE P C M ， HENGST J V . Investigation of propeller slipstream effects on the Fokker 50 through inflight pressure measurements [R]. AIAA⁃90⁃3084 ， 1990 .

KINGAN M J ， PARRY A B . Acoustic theory of the many⁃bladed contra⁃rotating propeller:the effects of sweep on noise enhancement and reduction [J]. Journal of Sound and Vibration ， 2020 ， 468 : 89 ⁃ 115 .

PARRY A B ， KINGAN M J . Acoustic theory of the many⁃bladed contra⁃rotating propeller:physics of the wake interaction noise critical sources [J]. Journal of Fluid Mechanics ， 2019 , 880 : 1 ⁃ 12 .

SMITH D J . The sustainable and green engine （SAGE）:aircraft engine of the future? [J]. The International Journal of Entrepreneurship and Innovation ， 2016 ， 17 （ 4 ）: 256 ⁃ 262 .

EKOULE C M . Advanced open rotor far⁃field tone noise [D]. Southampton,UK : University of Southampton ， 2017 .

HAGER R D ， VRABEL D . Advanced turboprop project [R]. NASA SP⁃495 ， 1988 .

WHITLOW J B ， SIEVERS G K . NASA advanced turboprop research and concept validation program [R]. NASA TM⁃100891 ， 1988 .

HORVÁTH C ， ENVIA E ， PODBOY G G . Limitations of phased array beamforming in open rotor noise source imaging [J]. AIAA Journal ， 2014 ， 52 （ 8 ）: 1810 ⁃ 1817 .

孙晓峰 , 胡宗安 . 桨扇的气动弹性力学和气动声学 [J]. 航空动力学报 , 1987 ， 2 （ 4 ）: 299 ⁃ 302 .

SUN Xiaofeng ， HU Zongan . On aeroelasticity and aeroacoustics of propfan [J]. Journal of Aerospace Power ， 1987 ， 2 （ 4 ）: 299 ⁃ 302 . （in Chinese）

李晓东，孙晓峰 , 胡宗安 , 等 . 考虑飞机舱壁影响的螺旋桨声场时域预测法 [J]. 航空学报 , 1993 , 14 （ 11 ）: 585 ⁃ 591 .

LI Xiaodong ， SUN Xiaofeng ， HU Zongan , et al . A time domain method for propeller noise prediction including aircraft fuselage effect [J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica ， 1993 , 14 （ 11 ）: 585 ⁃ 591 . （in Chinese）

刘沛清 . 空气旋桨理论及其应用 [M]. 北京：北京航空航天大学出版社， 2006 .

严成忠 . 开式转子发动机 [M]. 北京：航空工业出版社， 2016 .

夏贞锋，杨永 . 对转开式转子非定常气动干扰特性分析 [J]. 航空动力学报， 2014 ， 29 （ 4 ）: 835 ⁃ 843 .

XIA Zhenfeng ， YANG Yong . Characteristic analysis of unsteady aerodynamic interactions of control rotating open rotor [J]. Journal of Aerospace Power ， 2014 ， 29 （ 4 ）: 835 ⁃ 843 . （in Chinese）

史文博 , 李杰 . 对转螺旋桨流场气动干扰数值模拟 [J]. 航空动力学报， 2019 ， 34 （ 4 ）: 829 ⁃ 837 .

SHI Wenbo ， LI Jie . Numerical simulation of contra⁃rotating propeller flowfield aerodynamic interactions [J]. Journal of Aerospace Power ， 2019 ， 34 （ 4 ）: 829 ⁃ 837 . （in Chinese）

闫文辉，汤斯佳，王奉明，等 . 共轴对转螺旋桨的非定常气动干扰 [J]. 航空动力学报 , 2021 , 36 （ 7 ）: 1398 ⁃ 1405 .

YAN Wenhui ， TANG Sijia ， WANG Fengming ， et al . Unsteady aerodynamic interactions of contra rotating propeller [J]. Journal of Aerospace Power ， 2021 ， 36 （ 7 ）: 1398 ⁃ 1405 . （in Chinese）

PETERS A ， SPAKOVSZKY Z S . Rotor interaction noise in counter‑rotating propfan propulsion systems [J]. Journal of Turbomachinery ， 2012 ， 134 （ 1 ）: 011002.1 ⁃ 011002.12 .

WOODWARD R P . Noise of two high⁃speed model counter⁃rotating propellers at takeoff/approach conditions [J]. Journal of Aircraft ， 1992 ， 29 （ 4 ）: 679 ⁃ 685 .

KHALID S A ， WOJNO J P , LURIE D P . Open rotor designs for low noise and high efficiency [R]. ASME Paper GT2013⁃94736 , 2013 .

ELSON T . Computational aerodynamics for open rotor tip vortex interaction noise prediction [D]. Cranfield,UK : Cranfield University ， 2015 .

KHALID S A ， LURIE D ， BREEZE⁃STRINGFELLOW A ， et al . Open rotor engine aeroacoustic technology final report [R]. DOT/FAA/AEE/2014⁃04 , 2013 .

VANZANTE D . Previous open rotor research in the US [R]. Lausanne，Switzerland ： European Union X⁃Noise Seminar ， 2011 .

周莉，是介，王占学 . 开式转子发动机研究进展 [J]. 推进技术 , 2019 , 40 （ 9 ）: 1921 ⁃ 1932 .

ZHOU Li ， SHI Jie ， WANG Zhanxue . Research progress in open rotor engine [J]. Journal of Propulsion Technology , 2019 , 40 （ 9 ）: 1921 ⁃ 1932 . （in Chinese）

DITTMAR J H ， STANG D B . Noise reduction for model counter⁃rotating propeller at cruise by reducing aft⁃propeller diameter [R]. Indianapolis,US : 113th Meeting of the Acoustical Society of America ， 1987 .

赵帅，段卓毅，李杰，等 . 涡桨飞机螺旋桨滑流气动干扰效应及流动机理 [J]. 航空学报 , 2019 , 40 （ 4 ）: 163 ⁃ 174 .

ZHAO Shuai ， DUAN Zhuoyi ， LI Jie ， et al . Interference effects and flow mechanism of propeller slipstream for turboprop aircraft [J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica ， 2019 , 40 （ 4 ）: 163 ⁃ 174 . （in Chinese）

王科雷，祝小平，周洲，等 . 低雷诺数分布式螺旋桨滑流气动影响 [J]. 航空学报 2016 , 37 （ 9 ）: 2669 ⁃ 2678 .

WANG Kelei ， ZHU Xiaoping ， ZHOU Zhou ， et al . Distributed electric propulsion slipstream aerodynamic effects at low Reynolds number [J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica ， 2016 , 37 （ 9 ）: 2669 ⁃ 2678 . （in Chinese）

许和勇，叶正寅 . 螺旋桨非定常滑流数值模拟 [J]. 航空动力学报 , 2011 , 26 （ 1 ）: 148 ⁃ 153 .

XU Heyong ， YE Zhengyin . Numerical simulation of unsteady propeller slip stream [J]. Journal of Aerospace Power ， 2011 , 26 （ 1 ）: 148 ⁃ 153 . （in Chinese）

杨小川，王运涛，王光学，等 . 螺旋桨非定常滑流的高效数值模拟研究 [J]. 空气动力学报 , 2014 , 32 （ 3 ）: 289 ⁃ 294 .

YANG Xiaochuan ， WANG Yuntao ， WANG Guangxue ， et al . Numerical simulation of unsteady propeller slipstream [J]. Acta Aerodynamic Sinica ， 2014 , 32 （ 3 ）: 289 ⁃ 294 . （in Chinese）

李鹏，招启军 . 倾转旋翼典型飞行状态气动特性的CFD分析 [J]. 航空动力学报 , 2016 , 31 （ 2 ）: 421 ⁃ 431 .

LI Peng ， ZHAO Qijun . CFD analyses of aerodynamic characteristics of tilt⁃rotor under typical flight conditions [J]. Journal of Aerospace Power ， 2016 , 31 （ 2 ）: 421 ⁃ 431 . （in Chinese）

王顺杰，程玉胜，高鑫 . 水下对转螺旋桨空化线谱频率预报与数值模拟 [J]. 兵工学报， 2013 ， 34 （ 3 ）: 310 ⁃ 317 .

WANG Shunjie ， CHENG Yusheng ， GAO Xin . Prediction and numerical simulation of cavitation noise line‑spectrum frequency induced by underwater counter⁃rotation propeller [J]. Acta Armamentarii ， 2013 ， 34 （ 3 ）: 310 ⁃ 317 . （in Chinese）

曾赛，杜选民，范威 . 水下对转桨非空化线谱噪声分析与数值研究 [J]. 兵工学报， 2015 ， 36 （ 6 ）: 1052 ⁃ 1060 .

ZENG Sai ， DU Xuanmin ， FAN Wei . Numerical simulation and analysis of non⁃cavitation noise line⁃spectrum frequency of underwater counter⁃rotation propeller [J]. Acta Armamentarii ， 2015 ， 36 （ 6 ）: 1052 ⁃ 1060 . （in Chinese）

王雷，刘波 . 非线性谐波法在对转压气机中的校验分析 [J]. 航空动力学报 , 2012 , 27 （ 7 ）: 1448 ⁃ 1455 .

WANG Lei ， LIU Bo . Validation of nonlinear harmonic method in dual⁃stage counter⁃rotating compressor [J]. Journal of Aerospace Power ， 2012 , 27 （ 7 ）: 1448 ⁃ 1455 . （in Chinese）

药晓江，董景新，尚婕，等 . 非线性谐波法在叶轮机械非定常计算中的应用 [J]. 推进技术， 2016 , 37 （ 4 ）: 632 ⁃ 639 .

YAO Xiaojiang ， DONG Jingxin ， SHANG Jie ， et al . Application of non⁃linear harmonic in turbomarchinery 3D flow field unsteady simulation [J]. Journal of Propulsion Technology ， 2016 , 37 （ 4 ）: 632 ⁃ 639 . （in Chinese）

王晓东，康顺 . 低速轴流涡轮非定常数值模拟的非线性谐波法 [J]. 工程热物理学报 , 2009 , 30 （ 6 ）: 949 ⁃ 952 .

WANG Xiaodong ， KANG Shun . Nonlinear harmonic method in unsteady numerical simulation on a low speed axial turbine [J]. Journal of Engineering Thermophysics ， 2009 , 30 （ 6 ）: 949 ⁃ 952 . （in Chinese）

DECONINCK T ， CAPRON A ， HIRSCH C ， et al . Prediction of near⁃ and far⁃field noise generated by contra⁃rotating open rotors [J]. International Journal of Aeroacoustics ， 2012 ， 11 （ 2 ）: 219 ⁃ 238 .

FERRANTE P ， VILMIN S ， HIRSCH C ， et al . Integrated “CFD⁃Acoustic” computational approach to the simulation of a contra rotating open rotor at angle of attack [R]. AIAA⁃2013⁃2242 , 2013 .

WEI Chunhua ， JIAO Lingrui ， TONG Fan ， et al . Pressure field measurements on large‑scale propeller blades using pressure‑sensitive paint [J]. Acta Mechanica Sinica , 2022 , 38 （ 2 ）: 121366.1 ‑ 121366.11 .

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