航空發動機風扇
關注創建者：木青藤 創建時間：2017-02-14
航空發動機風扇的實例教程
1摘要：
采用三維軟件對航空發動機風扇轉子系統進行實體建模，模型導入 ANSYS Workbench 中進行有預應力的模態分析。提取了前6階固有頻率及模態振型進行了分析和處理，發現了模態振型的順序和規律；研究了與之相對應轉子系統的坎貝爾圖，結合發動機的工作轉速和振動安全裕度，比較風扇轉子工作轉速與臨界轉速，進行共振風險分析。
2引言：
隨著航空發動機涵道比和推重比的不斷加強，風扇轉子的質量在整個發動機中所占比例也越來越大。任何的質量不均勻和葉片失效事件都會造成風扇轉子不平衡轉動，轉子系統一旦產生重大的結構載荷和振動，將嚴重影響航空發動機的安全性和可靠性。在工作轉速范圍內，臨界轉速應當偏離工作轉速，盡量避免轉子在受到某種激勵之后產生的共振給轉子帶來的嚴重損壞。轉子系統的各階固有頻率和振型是承受動態載荷結構設計中的重要參數。模態分析可以預估這些參數，得到的計算仿真數據可以為風扇轉子系統振動安全裕度的計算提供理論依據。
本文基于工業上廣泛使用的制圖軟件 SolidWorks對航空發動機風扇轉子系統（包含一個輪 盤和一個主軸的裝配體）進行三維實體建模，并導入ANSYS Workbench中進行有預應力（即離心預應力效應、陀螺力矩效應以及旋轉軟化效應）的模態分析，得到其固有頻率和振型，其結果可為轉子的動態設計提供參考，對改善轉子的動態特性具有重要意義。
3案例描述：
現有一款航空發動機風扇轉子在一系列的轉速條件下運行，請在這些轉速工況下進行模態分析，求解每一種工況下的前6階模態振型和固有頻率，并且輸出坎貝爾圖得到轉子的臨界轉速。
4模型：
幾何模型如下圖所示，軸向有較多的圓角和倒角過渡，為達到較高的網格質量故采用切分處理（不同顏色代表不同零件）。
圖1 模型
圖2 模型正視圖
網格模型如下圖。
展開 還是一個航空發動機的風扇葉片？
額，事出反常必有妖，機智的我選屠龍刀！哦~不，是風扇葉片！雖然這玩意兒長得像把神器，不過到底有什么特別的？怎么就值100萬呢？
筆者又不得不搬出萬年老梗了：“航空發動機是工業皇冠上的明珠”。從設計驗證到加工制造，航發所涉及到的學科范圍之廣、技術難度之高，幾乎是任何產品都望塵莫及的。迄今為止，在商用航空發動機領域，也僅有GE、普惠和羅羅三家公司具備完全自主設計和制造的能力。航發三巨頭掌握著行業最尖端的技術，也掀起了相當激烈的技術競爭。隨著現代運輸業對于飛機燃油經濟性的要求越來越高，為了盡量降低渦扇發動機的內涵排氣損失，就必須把更多功率用到處于冷端的外涵，導致外涵尺寸越做越大，風扇尺寸不斷增加。風扇尺寸大到什么程度呢？下圖為某工程師與GE90發動機的合照，是不是大的有點恐怖？
而現代大涵道比渦扇發動機的瓶頸之一在于，由于結構強度和噪聲問題，風扇葉尖的周向速度不能過分增大。這意味著如果保持風扇葉尖周向速度不變的條件下，增加風扇尺寸則必須降低轉速，那么與風扇剛性相連的低壓渦輪的轉速也會降低。而根據渦輪的工作原理，渦輪做功能力和轉速成正比。那么我們得到了一個更耗能的風扇和更弱雞的低壓渦輪，更小的馬拉更大的車，我太難了！
為了調和這個矛盾，三巨頭紛紛摩拳擦掌，拿出了自己的看家本領。
展開 如表 1 簡要概述了世界航空發動機風 扇葉片的發展歷程，從 1970 年先后投入使用的 JT9D 與 TF39 發動機，到 2022 年將要投入使用的 GE9X，大涵道比渦扇發動機風扇葉片的葉型構造、材料和成形技術等歷經了 50 多年的改進，羅羅、通用和普惠是目前國際上最主要的三大航空發動機制造企業，在風扇葉片方面的研究取得了重大進展，另外國內外一些研究機構也在該領域開展了相關工作，并取得了一定的成果。
表 1 航空發動機風扇葉片發展歷程
1.1 鈦合金窄弦實心風扇葉片
如圖 1 所示為鈦合金窄弦實心風扇葉片，凸肩結構設計可以在一定程度上增加葉片剛性和自振頻率，通過鍛造成形后機加工獲取葉片成品， 20 世紀 60 年代之前，此類風扇葉片得到普遍應用。但是凸肩帶來的問題有流量限制和氣流擾動等，不利于節約發動機的燃油消耗率，不適應風扇葉片的進一步發展，因此無凸肩的寬弦風扇葉片應運而生。
圖 1 窄弦實心風扇葉片
1.2 鈦合金寬弦空心風扇葉片
寬弦空心風扇葉片最早由英國和美國等國家的航空發動機公司提出，如圖 2 所示，弦長的增加避免了窄弦葉片凸肩帶來的效率損失，同時提高了耐疲勞性能及抗外物損傷能力。如圖 3 所示為鈦合金寬弦空心風扇葉片從概念的提出到演化過程示意圖。對開式結構和蜂窩夾芯式結構 的概念先后由美國通用電氣和英國羅羅公司在 20 世紀 70 年代提出。對開式結構由兩片鈦面板和加強筋組成，在流體壓力和模具溫度的共同作用下實現葉片構件之間的擴散連接。
展開 飛機渦輪發動機中的渦輪風扇是主要的飛行噪聲源之一。過量的噪聲可能會引發一系列健康問題，例如聽力障礙、睡眠紊亂和壓力疾病。聲學建模可以幫助您優化渦輪風扇發動機的設計，減少噪音污染及其負面影響。我們將通過噴射管教程模型，闡明使用聲學建模方法的好處。
為什么降噪對于渦輪風扇發動機很重要？
如果您乘坐過商用飛機，所在的航班很可能是由渦輪風扇發動機驅動的。渦輪風扇發動機的工作原理是：將部分捕獲的空氣送入壓縮機，空氣經壓縮后進入燃燒室，和燃料混合燃燒，排出燃氣可產生飛行推力。
圖1 渦輪風扇發動機的示意圖。
圖片由 K. Aainsqatsi 提供。在CCBY-SA 3.0 許可下使用，通過 Wikimedia Commons 分享。
圖2 真實的渦輪風扇發動機。
圖片由 Sanjay Acharya 提供。在CCBY-SA 3.0許可下使用，通過 Wikimedia Commons 分享。
近年來，渦輪風扇發動機的設計得到了極大改進，尤其是降噪。知道為什么嗎？再次想象一下你正在乘坐飛機——發動機一路在耳邊喧囂可不是什么愉快的經歷。對于機場附近的居民來說，飛機著陸和起飛時的巨大噪音會擾亂睡眠作息。因此，降低飛機及其發動機產生的噪音成為了航空業關注的焦點。為了演示具體的操作流程，我們來看一看簡化的噴射管教學模型。
展開 飛機渦輪發動機中的渦輪風扇是主要的飛行噪聲源之一。過量的噪聲可能會引發一系列健康問題，例如聽力障礙、睡眠紊亂和壓力疾病。聲學建?？梢詭椭鷥灮瘻u輪風扇發動機的設計，減少噪音污染及其負面影響。我們將通過噴射管教程模型，闡明使用聲學建模方法的好處。
為什么降噪對于渦輪風扇發動機很重要
如果您乘坐過商用飛機，所在的航班很可能是由渦輪風扇發動機驅動的。渦輪風扇發動機的工作原理是：將部分捕獲的空氣送入壓縮機，空氣經壓縮后進入燃燒室，和燃料混合燃燒，排出燃氣可產生飛行推力。
上圖：渦輪風扇發動機的示意圖。圖片由 K. Aainsqatsi 提供。在 CC BY-SA 3.0 許可下使用，通過 Wikimedia Commons 分享。下圖：真實的渦輪風扇發動機。圖片由 Sanjay Acharya 提供。在 CC BY-SA 3.0 許可下使用，通過 Wikimedia Commons 分享。
近年來，渦輪風扇發動機的設計得到了極大改進，尤其是降噪。知道為什么嗎？再次想象一下你正在乘坐飛機——發動機一路在耳邊喧囂可不是什么愉快的經歷。對于機場附近的居民來說，飛機著陸和起飛時的巨大噪音會擾亂睡眠作息。因此，降低飛機及其發動機產生的噪音成為了航空業關注的焦點。
減少航空發動機渦輪風扇的過量噪音為解決該問題提供了一個可行的思路。利用 COMSOL Multiphysics? 軟件，您可以分析和優化渦輪風扇發動機的輻射噪聲，從而實現降噪目標。為了演示具體的操作流程，我們來看一看簡化的噴射管教學模型。
通過分析風扇噪聲優化渦輪風扇發動機的設計
為了高效地分析渦輪風扇航空發動機，我們可以專注于具體的設計單元。在此例中，研究對象是航空發動機渦輪風扇中的環形流管造成的噪音輻射。首先建立一個軸對稱模型幾何，使其對稱軸與發動機的中心線重合。
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(a) 實驗環形燃燒室的 CAD 模型；(b) 表面網格
當前，《在“神威·太湖之光”超級計算機上隱式航空發動機整機的大規模并行模擬》的最新研究，則驗證了在“神威·太湖之光”超級計算機上，利用完全隱式非結構化求解器，進行航空渦輪風扇發動機全三維流動和燃燒的大規模模擬的可行性，為實現全發動機的高精度數值模擬提供技術突破及理論支持。
2025年10月23日，Altair 將攜手全球頂尖企業與技術專家，帶來一場跨技術、跨行業、跨區域的數字孿生活動，助力企業從“概念”走向“落地”，通過數字孿生技術釋放真實商業價值。
本次會議邀請了來自日本三菱汽車、Rolls Royce航空發動機、西門子工業軟件、Mendix等全球知名企業的技術專家，在線分享他們如何利用數字孿生技術推動創新研發、提高投資回報率
</p><p> 首先整個航空發動機包含風扇、壓氣機、燃燒室、渦輪等多個部件，使得整機仿真對網格和計算規模的要求遠超以往；其次，部件復雜幾何、高速相對運動以及無處不在的多尺度流動，對網格功能與性能提出苛刻的要求；第三，核心能量轉化部件燃燒室內多相、噴霧、燃燒、傳熱、聲學等多物理化學過程強烈耦合，給求解器開發帶來極大難度。
<p>根據上次收集到的問卷，本案例利用Fluent對三維航空發動機尾噴管氣動特性展開了初步仿真計算，并介紹了FMG初始化方法。后續可以通過該方法對各種不同的機尾噴管進行仿真優化，應用于聲隱身、紅外隱身、艦載機擋板適配等領域。</p><p><strong>1 workbench 設置</strong></p><p>本案例計算模型簡單，且為瞬態計算，僅需選擇Fluent（帶網格劃分模塊即可），相關的workbench
<p><strong>前言</strong></p><p><br></p><p><strong>航空發動機的燃燒室</strong></p><p><br></p><p>燃燒室位于高壓壓氣機下游，高壓渦輪上游。燃燒室的主要作用是把燃料中的化學能經過燃燒釋放出來，轉變為熱能，使進入發動機的空氣總焓增加，變為燃氣。高能的燃氣就具備了在渦輪和尾噴管做功的能力。從工程熱力學的角度，燃燒室屬于能量的注入和轉換的裝置
渦輪風扇發動機 - 風扇和壓縮機部分與殼體
渦扇發動機是基本燃氣渦輪發動機的最現代變體。在渦扇發動機中，核心發動機前部由風扇包圍，后部由附加渦輪機包圍。風機和風機渦輪機由許多葉片組成，如核心壓縮機和核心渦輪機，并連接到一個附加的軸。
- 模型已在 Siemens NX 上創建。
- 通過將 CSYS 與 CSYS 作為接口對齊來創建約束
最后，有相關需求歡迎通過公眾號
<p>航空航天發動機中的燃燒現象是一種復雜的物理化學過程，包括流動、霧化、相變、傳熱傳質、點火熄火、化學反應、污染物排放、熱聲振蕩和冷卻等多個過程，加上燃燒的非定常性和高湍流度，使得準確模擬燃燒過程變得異常困難。在傳統CFD模擬需要考慮的質量守恒方程、動量守恒方程和能量方程之外，燃燒還需要考慮組分守恒方程以及多相流、相變、熱聲耦合等多個模型，其中任何一個過程模擬的失真，都將影響最終的燃燒計算。</p
航空航天發動機中的燃燒現象是一種復雜的物理化學過程，包括流動、霧化、相變、傳熱傳質、點火熄火、化學反應、污染物排放、熱聲振蕩和冷卻等多個過程，加上燃燒的非定常性和高湍流度，使得準確模擬燃燒過程變得異常困難。在傳統CFD模擬需要考慮的質量守恒方程、動量守恒方程和能量方程之外，燃燒還需要考慮組分守恒方程以及多相流、相變、熱聲耦合等多個模型，其中任何一個過程模擬的失真，都將影響最終的燃燒計算。積鼎科技CFDPro
整機全三維仿真技術作為加快航空發動機研發的數字引擎，可在虛擬數字空間實現發動機整機全三維性能高精度快速預測，解決發動機整機匹配問題，縮短研發周期、降低研制風險和成本，實現從傳統設計到預測設計的模式轉變，加速航空發動機研發進程。
圖1 項目研究方案
傳統航空發動機的研制采用的是“設計、試驗驗證、修改設計、再試驗”反復迭代的串行研制模式，特別是整機性能更是需要通過大量的試驗進行驗證，這將導致驗證周期長
