目前人們對航空乘坐舒適性和環境的要求越來越高，降低航空發動機噪聲成為當前研究熱點。隨著航空發動機涵道比的增加，噴射噪聲的降低，大風扇成為主要噪聲源，其中動靜干涉是最主要影響部分。動靜葉的相互干涉使流場具有很強的非定常特性，尾跡、泄漏流等使得流場出現周期性變換，產生較大離散單音噪聲；黏性作用引起的尾跡，在向下游傳播中不斷受到下游勢流的影響，同時，由于動葉尾跡不斷脫落掃過靜葉，使得靜葉表面出現非定常的壓力脈動，會對靜葉表面的邊界層、渦脫落等產生影響，靜葉表面的壓力脈動是主要的噪聲源。
在聲學試驗方面，文獻[1-3]研究發現，通過合適匹配傾掠角以及靜葉數目，可以顯著降低一階葉片通過頻率（blade passing frequency）單音噪聲和總聲壓級，對于單音噪聲最大可降6dB.
在聲學預測上，Ferrecchia等通過二維數值計算得到動葉尾跡在靜葉通道的發展分布規律，進而對動靜干涉噪聲進行預測，結果表明單音噪聲與動葉尾跡虧損速度大小以及尾跡的寬度有直接聯系；Nark等采用經驗公式，將噪聲源分為動靜葉、靜葉尾跡近場、后管道區域分別進行預測，對遠場和近場的一階和二階單音噪聲預測結果較好；Peters等則首次將噪聲源區分為動葉尾跡、靜葉前緣勢流、輪轂機匣二次流、以及葉頂泄漏流；Cooper等通過在旋流中對不同傾角、掠角的靜葉進行研究，使用尾跡發展模型以及準三維片條理論，提出了一種漸進式聲學預測方法以及尾跡干涉數學模型。
在獲取動葉尾跡分布方面，Ottavy等通過粒子速度成像儀來獲得尾跡脈動；Sentker等獲得了一級半低壓壓氣機中徑位置S1流面以及不同S3流面的尾跡速度和湍流度的詳細分布，研究了進口導葉尾跡在進入靜葉通道后與動葉尾跡干涉的耦合作用；王英鋒等通過在動靜葉表面埋設壓力傳感器，獲得動靜葉表面的壓力脈動，分析了動靜間距對動靜干涉的非定常作用；段肖瓏通過對3種不同彎角的動葉進行動靜干涉數值研究，得到了動葉尾跡在動靜級間的發展歷程，以及不同彎角的動葉對動靜級間流場壓力脈動強度的影響，并對其聲學模態進行了相關預測。
本文采用試驗和數值方法，分析不同傾角靜葉對動靜干涉的聲學特性以及動靜級間流場的影響。
聲學測試得到靜葉傾角為-25°~25°時動靜干涉噪聲譜，提取噪聲譜中各階單音噪聲，得出傾角對單音噪聲以及總聲壓級的影響；同時，對±25°和0°3種不同靜葉傾角進行數值模擬，獲得動靜級間以及靜葉的非定常特性，探討傾角對靜葉表面壓力脈動的影響以及動靜級間動葉尾跡的發展歷程。
1 研究對象
本文以上海交通大學1.5級低速低壓軸流壓氣機為研究對象，壓氣機設計轉速為3 000r/min,輪轂比為0.7,共有3排葉片、13個導葉、21個動葉和21個靜葉。
定義靜葉積疊線與通過靜葉轉軸徑向線的夾角為靜葉傾角ξ；ξ<0時，定義為前傾，ξ>0為后傾（與轉子轉動方向相同），文中ξ∈（-25° 25°）；ξ=0為直靜葉。通過固定在機匣上的把手轉動機匣從而帶動靜葉繞固定軸旋轉調節傾角，試驗臺以及靜葉傾角驅動機構如圖1所示，圖2為試驗測得前傾25°，直0°，后傾25°的性能曲線。圖中，π為壓比，η為效率，φ為流量系數。由圖可見，在低速情況下靜葉傾斜對試驗臺整體性能曲線影響不大?！緢D1.2】
2 噪聲測試及結果分析
限于試驗臺的尺寸太大，噪聲測量在上海交通大學航空航天學院室外大空間進行，測試簡圖如圖3所示。試驗嚴格按照風機和羅茨鼓風機噪聲測量方法GB/T 2888-2008進行，測點至聲源點間距為1倍和2倍標準長度時，其A聲壓級的差值大于5dB（A），滿足現場測量條件。麥克風與試驗臺轉軸處于同一水平面，測點距離以動靜交接面為圓心半徑1m的圓上，麥克風位置角度θ為45°~135°。試驗用麥克風型號為B&K 4189,不確定度為0.2dB,最大輸入聲壓級為146dB,滿足試驗測試精度和量程要求，采集系統選用NI PXI 1033系列機箱及PXI-4472多通道數據采集卡?！緢D3】
試驗測試方案：ξ從-25°~25°每5°為1種方案，共11個；在壓氣機一側從45°~135°布置7個麥克風，每個數據點重復測量7次。
圖4所示為θ=120°時ξ=0°和ξ=20°的某次噪聲測量頻譜。圖中，f為頻率，SPL（Sound PressureLevel）為聲壓級。由圖可見，隨著ξ的增加，一階單音 噪聲出現了很明顯的降低，約16.3dB,但是在二階、三階葉片通過頻率（Blade Passing Frequen-cy,BPF）上則出現了增加，傾斜葉片對于一階BPF的抑制效果很明顯?！緢D4】
圖5為聲壓級測量結果云圖。寬頻噪聲SPL集中在102.9~103.9dB,總體變化很??；單音噪聲最大出現在±10°傾角范圍內，當傾角正負變化時，都使得單音噪聲出現了相應程度的降低，單音噪聲是總聲壓級的決定因素，并且使總聲壓級出現降低。圖6為提取噪聲頻譜前三階單音噪聲云圖?！緢D5】
由圖6（a）可見，它與單音噪聲以及總聲壓的云圖分布基本相同，可以認為導致總聲壓級不同的主要原因來源于一階單音噪聲，同樣可以看出，通過傾斜靜葉，使得二階單音噪聲也出現了降低，后傾靜葉對于一階、二階單音噪聲的降低效果要明顯好于前傾?！緢D6】
圖7是總聲壓級減去寬頻聲壓級的云圖，即單音噪聲使總聲壓級的增加值。在|ξ|<10°時，BPF使得總聲壓級的增加值都超過了4dB,其中，直靜葉時單音噪聲對總聲壓級的增加值最大；在|ξ|>10°時，隨著ξ的增大，單音噪聲使得總聲壓級的增加遠小于|ξ|<10°時的值；可以看出，后傾ξ>10°的域值和范圍要大于前傾ξ<-10°的，后傾對于單音噪聲的降低效果更明顯。
定義聲壓級b在總聲壓級c所占比例為αb_c=100.1b/100.1c=100.1（b-c）圖8（a）是單音噪聲所占比例αBPF_total,更為清晰地描述了單音噪聲占總聲壓級的比例。在傾角|ξ|<10°區域，單音噪聲對總聲壓級所占比率都要大于50%,在傾角0°更是到達大于70%.圖8（b）是一階單音噪聲所占比例α1st_total.在|ξ|<10°時一階單音噪聲對總聲壓級的貢獻甚至可達50%,在|ξ|>10°的大部分區域，一階單音噪聲所占比例降到30%以下，對于傾斜靜葉降低一階單音噪聲的效果非常明顯。通過調節ξ達到改變總聲壓級的目的，主要是通過降低一階單音噪聲來實現，后傾靜葉的控制效果優于前傾?！緢D7.8】
3 數值計算及分析
3.1 數值方法
數值計算選3種靜葉傾角，分別對應靜葉傾角為ξ=-25°（前傾25°）、0°（直0°）、25°（后傾25°）。
為了降低計算量，將導葉數由13改為14并將其弦長縮小，保證稠度不變，葉片數比為導葉∶動葉∶靜葉=2∶3∶3,采用8個通道進行計算。
本文采用H-O-H結構化網格，3種不同算例網格采用完全相同的拓撲結構和網格數，8通道共計380萬網格節點，網格示意圖如圖9所示?！緢D9】
數值模擬計算采用NUMECA/FINE,湍流模型采用S-A模型，差分格式采用二階迎風格式，四階Runge-Kutta法迭代求解，采用多重網格技術進行求解。
非定常計算動靜交界面采用Domain Scal-ing方法，使用雙時間步，內時間步設置迭代步數為100,外時間步則把每個靜葉柵距流道劃分為64個時間步，對應物理時間步長約為Δt=1.488×10-5s,計算5圈各監控值均出現周期性波動。邊界條件為進口軸向進氣，總溫293K,總壓101.325kPa,出口給定靜壓，保證3種算例流量均為4.9kg/s,葉片表面和固體表面均采用無滑移邊界條件和絕熱壁面條件。
3.2 靜葉表面的均方根壓力脈動
根據FW-H方程，四極子和單極子源項在實際風扇和壓氣機中可以忽略，只剩下偶極子項，方程可以簡化為【1】
其中：ρ′為密度擾動；G為格林函數；x,y分別為觀測點和聲源坐標；t為觀測點接聲時間；T為葉片轉動周期；τ為聲源時間；c0為聲速；s（τ）為葉片固體壁面；fi為葉片表面受到的非定常力；fT、fD分別為軸向推力和周向阻力；（r,φ，z）為葉片上圓柱坐標。
定義均方根壓力如下：【2】
其中，p-為當地靜壓均值。圖10所示為靜葉表面的均方根壓力脈動圖。圖中，縱坐標H為葉高，橫坐標S代表以前緣為起點的葉片表面弧長，T.E.代表靜葉尾緣，L.E.代表前緣，P.S.代表壓力面，S.S.代表吸力面。
由圖可見，直靜葉的壓力脈動集中于前緣附近的壓力面，前傾和后傾靜葉則集中于靜葉前緣；相比與直靜葉，后傾在擾動范圍上出現了較大的降低，前傾靜葉變化相對較小。所有靜葉前緣的壓力擾動最大，而且最大擾動區域出現在從葉根到近80%葉高靠近前緣壓力面的區域。這是因為動葉尾跡區域的速度虧損造成尾跡掃過靜葉前緣時進氣角明顯增大，使得前緣壓力面一側的靜壓顯著升高，正沖角下前緣的繞流也使吸力面一側的靜壓明顯降低，因此造成了靜葉前緣處靜壓的劇烈波動?！緢D10】
3.3 傾角對動葉尾跡的相位調節
為了捕獲傾角對動葉尾跡形態的干擾，同時避免下游勢流對動葉尾跡干擾過大，以靜葉前緣為基準，沿z軸在離靜葉前緣2mm的動靜級間約85%的軸向位置布置一條監控直線L,如圖11所示?！緢D11】
在L上從葉根到葉頂共布置65個監控點，其中點P對應監控線的中徑位置。
圖12是L上軸向速度vz時空圖。圖中，T為時間周期。從尾跡發展歷程可以看出，速度虧損區主要集中于80%葉高以下區域，前傾靜葉使得尾跡相位發生了翻轉，后傾使動葉尾跡在時間上實現了有效拉長，使得動葉尾跡掃過整個靜葉的時間加長，由此尾跡作用在靜葉上的脈動分布更為均勻，從而有效降低由于動葉尾跡造成的靜葉壓力脈動，這與RMS壓力分布相符合?！緢D12】
為了進一步說明不同傾角對動葉尾跡相位的調整作用，將監控直線L上的其他監控點與P點做互相關分析，可得動葉尾跡在L處的具體相位形態，如圖13所示。圖中，φ為相位。圖中清晰說明了3種不同傾角動葉尾跡中心線的形態，其中正相位代表尾跡超前于中徑處P點到達，負相位代表落后于P點。在直線L上，50%葉高以下區域前傾靜葉的尾跡相位離靜葉前緣線最近，在50%葉高以上區域直靜葉最近；后傾靜葉在尾跡相位正負上與直靜葉保持一致，但是相位差出現了極大增加，尤其是在葉根和葉頂區域。
根據軸向速度的時空圖，尾跡速度虧損區集中在80%以下葉高范圍，前傾靜葉在50%~80%葉高區域尾跡相位角要小于直靜葉，在50%以下區域則要大于直靜葉，后傾靜葉在整個葉高范圍內都實現了較大的尾跡相位偏轉。
由此看出，通過調整靜葉的傾角，能夠通過靜葉勢流和級間旋流的干涉作用影響尾跡發展方向，從而達到對動葉尾跡相位的調整。尾跡相位拉長能夠降低在動葉尾跡對靜葉表面的脈動影響，從而降低靜葉表面的非定常脈動力，后傾靜葉對動葉尾跡的相位調整作用要優于前傾?！緢D13】
4 結論
本文對不同靜葉傾角對動靜干涉噪聲的影響進行了噪聲試驗測試，并且針對3個特殊靜葉傾角進行了詳細數值計算.研究了下游靜葉傾角對靜葉表面的壓力脈動以及對動葉尾跡相位調整的作用.聲學測試以及數值分析表明：
（1）下游傾斜靜葉對低速低壓壓氣機的性能影響較??；（2）傾斜靜葉能夠有效降低動靜干涉一階單音噪聲，后傾靜葉的控制效果要優于前傾，寬頻聲壓級基本保持不變；在靜葉傾角±10°內單音噪聲遠大于寬頻噪聲，在傾斜靜葉角度選擇上應盡量避開該區域；（3）靜葉表面壓力脈動集中在前緣，動葉尾跡的速度虧損區集中在80%葉高以下范圍，靜葉的傾斜對動葉尾跡相位起到了較大的調整作用；前傾使得尾跡下半部更貼近靜葉前緣，后傾則使得尾跡在相位上實現了有效拉長，后傾靜葉對于尾跡相位調整要優于前傾，這與聲學試驗測量結果保持一致.
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