本发明涉及风洞风扇设计领域，具体地，涉及一种适用于亚声速风洞的高效率低噪声轴流风扇设计方法。
背景技术：
1、亚声速风洞多采用风扇作为其动力系统，以驱动气流在风洞回路内连续稳定运行。随着人们对飞行器声学品质、飞行模式的需求增多，飞行器需要在亚声速风洞内开展的试验类型越来越丰富，对风洞的运行工况要求越来越复杂，这就要求风洞试验段在既定风速下的背景噪声低、不同风速下的流场指标好、运行功率低，由此要求亚声速风洞的风扇在多工况运行时，具备高效率和低噪声的特点。常规的亚声速风洞轴流风扇设计时，在风扇级的总体参数选择上，主要以实现风扇最大功率运行点的高效率为目标，忽略了其他运行工况下风扇是否失速、风扇桨叶通道是否速度过大而产生无法忽视的自噪声等问题，由此导致风扇无法在所有运行工况下维持较高的气动效率和稳定性、风扇自噪声难以控制而增加回路声学处理、实施风扇噪声被动降噪等问题，对亚声速风洞的运行安全的确保及运行能耗的控制带来不利影响。
技术实现思路
1、本发明的目的是解决亚声速风洞多工况运行的轴流风扇在风扇级总体参数设计时，无法确保所有工况气动效率高和自噪声难以控制的问题。
2、为实现上述目的，本发明提供了一种适用于亚声速风洞的高效率低噪声轴流风扇设计方法，所述方法包括：
3、步骤一：汇总风扇设计指标，获得不同工况对应的压升：δp1、δp2、...、δpn，n为工况数量，以及不同工况对应的体积流量：q1、q2、...、qn，从不同工况对应的压升以及不同工况对应的体积流量中筛选获得：风扇声学设计点的压升δpa及风扇声学设计点对应的体积流量qa、风扇最大流量工况的压升δpm、风扇最大流量工况对应的体积流量qm、风扇最大载荷工况的压升δpp、风扇最大载荷工况对应的体积流量qp、风扇运行最高功率工况对应的压升δpl和风扇运行最高功率工况对应的体积流量ql；
4、步骤二：给定风扇效率η0，基于风扇效率η0确定风扇最大运行功率fl，基于的风扇最大运行功率fl选择风扇内置电机，基于风扇内置电机的尺寸确定放置电机的整流罩平直段尺寸及轮毂的直径dxb；
5、步骤三：获得风扇声学衬里所要求的风扇桨叶通道轴向气流速度ua的设计限制条件，基于体积流量qa和风扇桨叶通道轴向气流速度ua的设计限制条件，确定风扇的直径d；
6、步骤四：基于风扇的直径d和放置电机的整流罩平直段及轮毂的直径dxb，确定风扇的桨毂比xb；
7、步骤五：基于风扇的桨毂比xb，确定桨叶展向平均无量纲位置xb0.5s的桨叶弦长cb0.5s；
8、步骤六：基于桨叶展向平均无量纲位置xb0.5s的桨叶弦长cb0.5s，确定桨叶展向不同位置xbx的桨叶弦长cbx；
9、步骤七：根据体积流量qm，结合风扇桨叶叶尖气流速度vm的设计限制条件，确定风扇的最高转速nm；
10、步骤八：结合空气密度ρ及给定的风扇效率η0，计算风扇最大流量工况增压系数km及计算最大载荷工况的增压系数kp；基于风扇最大流量工况增压系数km及最大载荷工况的增压系数kp确定增压系数比ck；
11、步骤九：基于风扇最大流量工况，根据风扇最大流量工况增压系数km确定桨叶展向平均无量纲位置xb0.5s处的气流诱导旋转系数εm0.5s；
12、步骤十：基于风扇最大流量工况，根据体积流量qm确定桨叶展向平均无量纲位置xb0.5s处的前进比λm0.5s；
13、步骤十一：基于风扇最大流量工况，根据桨叶展向平均无量纲位置xb0.5s处的前进比λm0.5s，确定桨叶展向平均无量纲位置xb0.5s处的前进角θm0.5s；
14、步骤十二：基于风扇最大流量工况，根据桨叶展向平均无量纲位置xb0.5s处的前进角θm0.5s，确定桨叶展向平均无量纲位置xb0.5s处的桨叶实度σbm0.5s与桨叶升力系数clbm0.5s的乘积σbm0.5s*clbm0.5s；
15、步骤十三：获得最大载荷工况的桨叶展向平均无量纲位置xb0.5s的桨叶最大升力系数clpb0.5max，基于最大载荷工况的桨叶展向平均无量纲位置xb0.5s的桨叶最大升力系数clpb0.5max，获得最大流量工况时桨叶升力系数clbm0.5s最大值clbm0.5max；
16、步骤十四：基于乘积σbm0.5s*clbm0.5s和最大流量工况时桨叶升力系数clbm0.5s最大值clbm0.5max，计算获得桨叶展向平均无量纲位置xb0.5s处的桨叶实度σbm0.5s；
17、步骤十五：基于桨叶展向平均无量纲位置xb0.5s处的桨叶实度σbm0.5s及桨叶弦长cb0.5s，计算获得桨叶数目bb，对计算出的桨叶数目bb进行近似向上取最接近偶数处理；
18、步骤十六：根据近似向上取偶数获得的桨叶数目bb，获得桨叶反算实度σbm0.5sf；
19、步骤十七：基于桨叶反算实度σbm0.5sf，计算获得桨叶展向平均无量纲位置xb0.5s处的桨叶升力重算系数clbm0.5sc；
20、步骤十八：基于桨叶展向平均无量纲位置xb0.5s处的桨叶升力重算系数clbm0.5sc，确定最大流量工况时，止旋片展向平均位置xv0.5s处的止旋片升力系数clvm0.5s；
21、步骤十九：基于风扇的最高转速nm，结合风扇声学设计点的压升δpa和风扇声学设计点对应的体积流量qa，确定风扇声学设计点的转速na；基于桨叶数目bb，确定风扇止旋片的数目bv；
22、步骤二十：基于桨叶数目bb、最大流量工况时桨叶升力系数clmb0.5s、风扇止旋片的数目bv和止旋片展向平均位置xv0.5s处的止旋片升力系数clvm0.5s，确定止旋片展向平均位置xv0.5s处的止旋片弦长cv0.5s；
23、步骤二十一：基于cv0.5s，确定止旋片整个展向位置的弦长cv；
24、步骤二十二：基于获得的参数完成亚声速风洞轴流风扇的设计。
25、其中，获得的参数包括：轮毂的直径dxb、风扇的直径d、桨叶展向不同位置xbx的桨叶弦长cbx、止旋片整个展向位置的弦长cb0.5s、桨叶数目bb、止旋片的数目bv和风扇的最高转速nm。
26、在一些实施例中，风扇最大运行功率fl的计算方式为：
27、；
28、风扇的直径d的计算方式为：
29、；
30、风扇的桨毂比xb的计算方式为：
31、；
32、桨叶展向平均无量纲位置xb0.5s的桨叶弦长cb0.5s的计算方式为：
33、。
34、在一些实施例中，桨叶展向不同位置xbx的桨叶弦长cbx的计算方式为：
35、；
36、其中，xbx的取值从xb开始，每间隔0.05取一次值，直至取到1，如xbx=xb,xb+0.05,..., 1,若上述取值中有与xb0.5s相等的值则不另外取值，若没有则还需要取值xbx=xb0.5s，ab为常数，xb为桨毂比；
37、风扇的最高转速nm的计算方式为：
38、；
39、风扇最大流量工况增压系数km的计算方式为：
40、；
41、最大载荷工况的增压系数kp的计算方式为：
42、；
43、增压系数比ck的计算方式为：
44、。
45、在一些实施例中，桨叶展向平均无量纲位置xb0.5s处的气流诱导旋转系数εm0.5s的计算方式为：
46、；
47、桨叶展向平均无量纲位置xb0.5s处的前进比λm0.5s的计算方式为：
48、；
49、桨叶展向平均无量纲位置xb0.5s处的前进角θm0.5s的计算方式为：
50、。
51、在一些实施例中，桨叶展向平均无量纲位置xb0.5s处的桨叶实度σbm0.5s与桨叶升力系数clbm0.5s的乘积σbm0.5s*clbm0.5s的计算方式为：
52、；
53、桨叶展向平均无量纲位置xb0.5s处的桨叶实度σbm0.5s的计算方式为：
54、。
55、在一些实施例中，桨叶数目bb的计算方式为：
56、；
57、桨叶反算实度σbm0.5sf的计算方式为：
58、。
59、在一些实施例中，桨叶展向平均无量纲位置xb0.5s处的桨叶升力重算系数clbm0.5sc的计算方式为：
60、。
61、在一些实施例中，止旋片展向平均位置xv0.5s处的止旋片升力系数clvm0.5s的计算方式为：
62、；
63、其中，kvb为常数。
64、在一些实施例中，止旋片展向平均位置xv0.5s处的止旋片弦长cv0.5s的计算方式为：
65、。
66、在一些实施例中，止旋片整个展向位置的弦长cv的计算方式为：cv=cv0.5s。
67、本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
68、常规的亚声速风洞的轴流风扇，在进行具有降噪要求及多工况运行的轴流风扇风扇级总体参数设计时，由于最大运行功率运行工况耗能高、风扇载荷大、运行风险大，设计师常以该工况作为设计点，追求此工况风扇的气动效率及运行稳定性，将声学运行工况点作为重要设计校核点，其他运行工况点作为次要设计校核点。该种设计方法，容易造成其余运行工况的风扇性能不是最佳，如风扇的最大载荷工况出现叶片失速及风扇失稳运行的几率大幅度增加，风扇声学运行工况对应的风扇通道流速超出声学衬里的最佳流速范围，导致声学衬里自噪声猛增、风扇噪声无法有效控制等。本发明提出的风扇级总体设计方法，首先确保风扇的低噪声特性，其次考虑最大载荷工况的风扇运行稳定性，在此基础上，权衡最大运行工况和其余工况的风扇桨叶、止旋片升力系数选择、弦长优化及数目匹配，以确保亚声速风洞的轴流风扇在声学运行工况噪声低，在其余所有运行工况气动效率高，提升亚声速风洞的声学及流场品质。
1.一种适用于亚声速风洞的高效率低噪声轴流风扇设计方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的一种适用于亚声速风洞的高效率低噪声轴流风扇设计方法，其特征在于，风扇最大运行功率fl的计算方式为：
3.根据权利要求1所述的一种适用于亚声速风洞的高效率低噪声轴流风扇设计方法，其特征在于，桨叶展向不同位置xbx的桨叶弦长cbx的计算方式为：
4.根据权利要求1所述的一种适用于亚声速风洞的高效率低噪声轴流风扇设计方法，其特征在于，桨叶展向平均无量纲位置xb0.5s处的气流诱导旋转系数εm0.5s的计算方式为：
5.根据权利要求1所述的一种适用于亚声速风洞的高效率低噪声轴流风扇设计方法，其特征在于，桨叶展向平均无量纲位置xb0.5s处的桨叶实度σbm0.5s与桨叶升力系数clbm0.5s的乘积σbm0.5s*clbm0.5s的计算方式为：
6.根据权利要求1所述的一种适用于亚声速风洞的高效率低噪声轴流风扇设计方法，其特征在于，桨叶数目bb的计算方式为：
7.根据权利要求1所述的一种适用于亚声速风洞的高效率低噪声轴流风扇设计方法，其特征在于，桨叶展向平均无量纲位置xb0.5s处的桨叶升力重算系数clbm0.5sc的计算方式为：
8.根据权利要求1所述的一种适用于亚声速风洞的高效率低噪声轴流风扇设计方法，其特征在于，止旋片展向平均位置xv0.5s处的止旋片升力系数clvm0.5s的计算方式为：
9.根据权利要求1所述的一种适用于亚声速风洞的高效率低噪声轴流风扇设计方法，其特征在于，止旋片展向平均位置xv0.5s处的止旋片弦长cv0.5s的计算方式为：
10.根据权利要求1所述的一种适用于亚声速风洞的高效率低噪声轴流风扇设计方法，其特征在于，止旋片整个展向位置的弦长cv的计算方式为：cv=cv0.5s。
