本发明涉及航空发动机涡轮气动设计，更具体的说是涉及一种低压涡轮气动噪声耦合设计方法。
背景技术：
1、发展可靠、高效、低噪声的发动机是航空工业不懈的追求。低压涡轮作为航空发动机核心部件之一，其气动设计问题始终是贯穿航空发动机设计、制造的核心问题。目前，随着航空发动机风扇和喷流噪声得到大幅控制，涡轮噪声问题逐渐凸显，并日益受到关注。如何通过气动声学设计，从源头上降低声源强度，降低涡轮气动噪声源的声辐射强度，控制气动噪声的传播等，也是涡轮设计研制的重要内容和关键技术之一。
2、多级低压涡轮是民用涡扇发动机的关键部件之一，对其经济性、环境友好性等性能指标有至关重要的影响。目前，民用涡扇发动机的涵道比不断提高，给低压涡轮带来了一系列棘手的技术问题，常规布局的大涵道比涡扇发动机低压涡轮级数不断增加(4-7级)，低压涡轮叶片数显著增多(单排叶片甚至超过150个)，最终导致低压涡轮成为发动机质量最大、且制造和维护成本昂贵的部件，在大涵道比涡扇发动机中，低压涡轮可占至发动机总重的30％左右，生产成本可占发动机总制造成本的15％左右。为了达到降低发动机乃至整架飞机的生产和运营成本的目的，提高气动效率、降低重量成为当前民用发动机低压涡轮部件的重要研究方向之一。此外，涡扇发动机消声短舱的应用和涵道比的增大降低了风扇和喷流噪声，使得低压涡轮噪声问题凸显出来。数据显示，在民用飞机降落阶段，低压涡轮噪声占比显著增加，可超过喷流噪声成为民用飞机的第四大噪声来源，在发动机噪声来源中仅次于风扇排第二位，涡轮噪声问题必然会成为降低民用发动机噪声水平的主要瓶颈。民用飞机需要满足《航空器型号和适航合格审定噪声规定》(ccar-36)和国际民航组织(icao)的噪声限制要求，这些要求都对民用航空发动机低压涡轮的声学设计提出了更高的需求。
3、目前，民用大涵道比涡扇发动机多级低压涡轮内部流动非定常性和三维性强、末几级低压涡轮低雷诺数效应显著等等，这些因素给气动和声学设计都带来了巨大挑战。目前缺乏能同时考虑气动和噪声耦合作用的设计技术和体系，通常先开展气动设计，气动性能达标后进行噪声评估或者试验获得噪声特性；如果噪声指标不达标，那么就将重新开展气动设计，往复迭代数轮，导致设计周期长、设计成本高。
4、因此，提供一种低压涡轮气动噪声耦合设计方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明提供了一种低压涡轮气动噪声耦合设计方法，可用于涡轮气动设计，实现气动和噪声耦合设计，同时达到气动和噪声设计指标要求。
2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
3、一种低压涡轮气动噪声耦合设计方法，包括以下步骤：
4、1)涡轮一维耦合设计:
5、ⅰ：根据发动机总体方案对涡轮部件提出的性能要求、边界条件、约束条件确定涡轮子午流道、涡轮级数以及各级的速度三角形关键参数；
6、ⅱ：涡轮一维噪声评估：基于涡、声扰动与一维直线叶栅干涉模型，通过实验或者理论分析建立尾迹的半经验-半解析模型，通过叶栅声学响应模型获得涡轮叶栅的声压和声功率级；
7、2)二维设计：
8、ⅰ：s2反问题计算：求解包括完全径向平衡方程在内的基本方程组，其计算的结果用以评估一维设计的优劣，反馈一维设计方案的性能，分析并修改一维设计方案；
9、ⅱ：叶片造型：采用参数法生成涡轮叶栅，给定叶型基本几何设计参数，包括：栅距p，轴向弦长ca，安装角γ，喉部宽度o，折转角δ，前/尾缘楔形角进/出口构造角βk,in，βk,out，前/尾缘半径rle，rte，前/尾缘椭圆度ellle，ellte；通过贝塞尔曲线分别生成涡轮的压力面和吸力面；
10、ⅲ：s1流场分析：通过在s1流面分析，获得叶片的负荷分布、叶片损失、气流折转角气动参数；
11、ⅳ：二维噪声分析：在获得了s1叶型后，就可以得到叶片的中弧线分布，采用与基于涡、声扰动与二维曲线叶栅干涉模型进行噪声评估，通过实验或者理论分析建立尾迹的半经验-半解析模型，通过叶栅声学响应模型获得涡轮叶栅的声压和声功率级；
12、3)三维设计：
13、ⅰ：三维叶片造型：在各个造型截面的叶栅型线生成以后，按照一定的扭向规律进行叶片的积叠，进而生成各排的三维叶片数据，同时进行初步的应力校核，实现叶片的弯掠成型；
14、ⅱ：s2正问题计算：在三维叶型已知的情况下，采用流线曲率法或者通流方法对涡轮内部的子午面流动及性能进行求解，计算的结果用以评估最终设计方案的优劣；
15、ⅲ：流场全三维计算：在准三维的s2正问题得到满意的设计结果后，将三维叶型数据输出，利用相关的计算流体力学工具或软件对所设计的涡轮方案进行全三维数值模拟及验证，通过分析涡轮内部的三维流动情况，找出当前设计方案的不足，进而提出进一步改进，指导基于当前方案的优化方案的设计；
16、ⅳ：三维噪声评估：基于三维cfd计算的流场参数和叶片表面脉动压力，采用声类比方法计算获得涡轮转静干涉三维离散噪声。
17、通过采取以上技术方案，本发明的有益效果：
18、分别在涡轮气动设计的一维、二维和三维气动设计阶段，引入噪声评估流程，实现在不同气动设计阶段对涡轮气动噪声进行评估，通过在不同气动设计阶段，通过气动和噪声的迭代设计，实现全设计流程的气动-噪声耦合设计。
19、进一步的，步骤1)确定速度三角形具体过程包括：根据涡轮各级输出功，采用载荷系数μ、流量系数反力度ω、轴向速比ka以及动叶出口进口直径比这五个独立参数确定涡轮级的速度三角形。
20、进一步的，步骤1)确定子午流道具体过程包括：低压涡轮进口总参数由设计方案给定，根据经验预估或采用损失模型估算涡轮各级效率，可逐级得到低压涡轮各级出口总温和总压参数，涡轮级进口总参数由上一级涡轮出口确定，除第一级进口外，将上一级涡轮出口尺寸作为下一级涡轮进口尺寸，设定第一级涡轮进口轴向马赫数m0和中径，从而得到涡轮进口轮毂和机匣尺寸；利用各涡轮级动叶出口进口直径比得到动叶进口叶中截面尺寸同时认为气流通过导叶后总参数保持不变，进而求得各级动叶进口环面积以及轮毂和机匣尺寸，并且该涡轮级导叶出口尺寸等于动叶进口尺寸；最后设定各涡轮级动静叶轴向间隙尺寸和各级间轴向间隙尺寸，各涡轮级轮毂和机匣型线均有四个坐标点可以确定，分别将这两组坐标点连接起来便得到多级低压涡轮子午流道初步形式。
21、进一步的，步骤1)边界条件包括涡轮进口的燃气流量、总温、总压、气流角，约束条件包括部件轴向和径向尺寸、出口气动条件约束、结构强度的要求。
22、进一步的，在步骤1)涡轮一维噪声评估中需要的流场参数和叶栅结构参数，包括转速，马赫数、弦长、栅距、叶片数和平均安装角，均由涡轮一维气动设计程序直接输出得到。
23、进一步的，步骤2)s2反问题计算输出包括：轮各级的流量、效率、膨胀比、功率性能参数、以及各排叶片进出口的气动参数径向分布。
24、进一步的，在步骤2)二维噪声评估中需要的流场参数和叶栅结构参数，包括转速，马赫数、弦长、栅距、叶片数和叶片的中弧线分布，这些参数均由涡轮叶片造型和s1流场分析后直接得到。
25、进一步的，步骤3)积叠中心选取为前/尾缘中心或者重心处。
26、由此可知，本发明提供了一种低压涡轮气动噪声耦合设计方法，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
27、1)在涡轮气动设计一维、二维和三维全流程设计的各个阶段，引入噪声评估，实现在不同设计阶段对于涡轮气动和噪声性能的综合评估，实现气动和噪声的耦合设计。
28、2)相比于传统的涡轮气动设计流程，本发明在一维、二维设计阶段快速评估噪声，可以减少噪声评估的计算量，实现气动和噪声设计的快速迭代。
1.一种低压涡轮气动噪声耦合设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种低压涡轮气动噪声耦合设计方法，其特征在于，步骤1)确定速度三角形具体过程包括：根据涡轮各级输出功，采用载荷系数μ、流量系数反力度ω、轴向速比ka以及动叶出口进口直径比这五个独立参数确定涡轮级的速度三角形。
3.根据权利要求1所述的一种低压涡轮气动噪声耦合设计方法，其特征在于，步骤1)确定子午流道具体过程包括：低压涡轮进口总参数由设计方案给定，根据经验预估或采用损失模型估算涡轮各级效率，可逐级得到低压涡轮各级出口总温和总压参数，涡轮级进口总参数由上一级涡轮出口确定，除第一级进口外，将上一级涡轮出口尺寸作为下一级涡轮进口尺寸，设定第一级涡轮进口轴向马赫数m0和中径，从而得到涡轮进口轮毂和机匣尺寸；利用各涡轮级动叶出口进口直径比得到动叶进口叶中截面尺寸同时认为气流通过导叶后总参数保持不变，进而求得各级动叶进口环面积以及轮毂和机匣尺寸，并且该涡轮级导叶出口尺寸等于动叶进口尺寸；最后设定各涡轮级动静叶轴向间隙尺寸和各级间轴向间隙尺寸，各涡轮级轮毂和机匣型线均有四个坐标点可以确定，分别将这两组坐标点连接起来便得到多级低压涡轮子午流道初步形式。
4.根据权利要求1所述的一种低压涡轮气动噪声耦合设计方法，其特征在于，步骤1)边界条件包括涡轮进口的燃气流量、总温、总压、气流角，约束条件包括部件轴向和径向尺寸、出口气动条件约束、结构强度的要求。
5.根据权利要求1所述的一种低压涡轮气动噪声耦合设计方法，其特征在于，在步骤1)涡轮一维噪声评估中需要的流场参数和叶栅结构参数，包括转速，马赫数、弦长、栅距、叶片数和平均安装角，均由涡轮一维气动设计程序直接输出得到。
6.根据权利要求1所述的一种低压涡轮气动噪声耦合设计方法，其特征在于，步骤2)s2反问题计算输出包括：轮各级的流量、效率、膨胀比、功率性能参数、以及各排叶片进出口的气动参数径向分布。
7.根据权利要求1所述的一种低压涡轮气动噪声耦合设计方法，其特征在于，在步骤2)二维噪声评估中需要的流场参数和叶栅结构参数，包括转速，马赫数、弦长、栅距、叶片数和叶片的中弧线分布，这些参数均由涡轮叶片造型和s1流场分析后直接得到。
8.根据权利要求1所述的一种低压涡轮气动噪声耦合设计方法，其特征在于，步骤3)积叠中心选取为前/尾缘中心或者重心处。
