CN101092970A

CN101092970A - 一种新型单级跨声速轴流风扇

Info

Publication number: CN101092970A
Application number: CN 200710119376
Authority: CN
Inventors: 李秋实; 周盛; 宋西镇
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2007-07-23
Filing date: 2007-07-23
Publication date: 2007-12-26

Abstract

本发明涉及一种新型跨声速轴流风扇级，其特征是风扇转子(3)进口气流相对速度从叶根到叶尖为跨声速；静子(4)进口气流绝对速度从叶根到叶尖也为跨声速，即在近轮毂(2)处超声，在近机匣(1)处亚声。静子内的激波增压为其特点之一。该风扇具有高的级气动负荷系数，平均负荷系数大于3.5；在设计点，叶尖切线速度为400～600米/秒，工作压比为2.5～4.0。在转子叶尖D因子为0.35～0.7，在静子叶根D因子为0.4～0.7。

Description

一种新型单级跨声速轴流风扇

技术领域

本发明涉及到一种单级高气动负荷轴流风扇。这种风扇具有完全跨声速的进口条件，突破了一些传统设计参数的限制，性能达到了一个新的水准。

背景技术

用更少的级数实现更高的加功量是目前航空轴流发动机风扇/压气机的一个重要目标。这需要风扇/压气机有着更高的级气动负荷和更宽广的工作范围。跨声速风扇/压气机是目前普遍接受和主要采用的设计形式。

跨声速轴流风扇/压气机，按照目前的定义，指的是风扇/压气机转子的进口相对来流速度在径向上为跨声速分布，即从轮毂处的亚声相对来流发展到机匣处的超声相对来流；而静子进口来流速度在径向上都为亚声。

气动负荷系数是衡量轴流风扇/压气机的一个重要指标，涵盖了设计转速、几何尺寸以及加功总量的综合影响。目前在役的发动机，其进口风扇级或者进口压气机级的负荷系数一般在3.5以下。如何进一步提高负荷系数是一个重要的设计目标。

D因子是评价气体流过单排叶栅相对扩压程度的指标。在风扇/压气机叶栅内的逆压流动条件下，扩压能力过大，会使的流动容易分离，造成效率和工作裕度的下降。目前的发动机，其风扇/压气机叶栅的D因子一般不超过0.4。但是对于D因子的经验限制，也极大束缚了风扇/压气机的加功能力的进一步提高。如何能够合理的扩大D因子的许用范围是设计高负荷风扇/压气机的一个关键设计目标。

反力度是衡量风扇/压气机级内转子和静子之间的扩压任务分配的参数。其值越大，代表转子在级内的扩压任务越重；反之越轻。目前的设计指标要求风扇反力度尤其是轮毂区的当地反力度都应该避免过小。这意味着转子和静子的扩压任务应该尽平均分配。对于负荷系数较低的传统设计来说这是合理的。但如果要突破负荷系数3.5的极限，这种分配原则面临着挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种单级高负荷轴流风扇，该风扇的设计指标、设计参数和性能参数都超越了目前按照传统设计准则所得的风扇。

本发明用名词“完全跨声速轴流风扇级”来定义该单级高负荷轴流风扇。该定义的内容是：一个单级轴流风扇，它具有一个转子和一个静子；它的转子进口相对气流速度沿径向为跨声速分布，它的静子进口绝对气流速度沿径向为跨声速分布。完全跨声速轴流风扇级的定义区别于目前通常所定义的跨声速轴流风扇/压气机，从根本上刷新了传统轴流跨声速风扇/压气机的概念。

本发明所提供的风扇，其转子进口轮毂比为0.2～0.45，静子出口轮毂比为0.6～0.8。在其设计点，叶尖切线速度为400～600米/秒，静子的进口马赫数为0.6～1.5，风扇级压比为2.5～4.0。在其设计点，级负荷系数为3.5～7.0，转子机匣处的D因子为0.35～0.7，静子轮毂处的D因子为0.4～0.7。其反力度为0.2～0.6。在近轮毂区，其局部反力度值最小为0～0.2。

本发明的技术特征如下：

1) 转子和静子的叶片不再用单纯的一个几何参数来定义掠弯特征，而是由叶片前缘曲线的空间几何弯掠和最大气动负荷线的弯掠共同确定。见图1、图2，子午面的坐标系为(r，z)，前缘线和最大负荷线在子午面内投影的定义式可用下面的关系式表示：

z＝f(α，θ1，θ2，f_m，d_m，L，r)

其中α为前缘线/最大气动负荷线的弦线与风扇轴线夹角；θ1和θ2分别为前缘线/最大气动负荷线在机匣端的切线和在轮毂端的切线与弦线的夹角；f_m为前缘线/最大气动负荷线的最大挠度；d_m为前缘线/最大气动负荷线上最大挠度点在其弦线上的投影点和弦线与轮毂交点之间的距离；L为前缘线/最大气动负荷线的弦线长度。上述角度顺时针方向为正。

见图3、图4，S3面的坐标系为(r，θ)，前缘线和最大负荷线在S3面内投影的定义式也可用可用下面的方程表示：

r＝f(α，θ1，θ2，f_m，d_m，θ)

其中α为前缘线/最大气动负荷线在轮毂处的半径和在机匣处的半径之间的夹角；其它参数的含意与前缘线/最大负荷线在子午面投影线定义相同。上述角度以旋转方向为正。

最大气动负荷线和最大厚度的径向分布线近似重合，可以用最大厚度的径向分布线来近似代替最大气动负荷线。

2) 通过控制S1流面上二维叶栅的喉道位置和喉道前吸力面、压力面曲率来实现叶尖及其附近区域的槽道斜激波。

见图5，d_min为叶栅的喉道尺寸，d_max为叶栅出口的流道面积，R_P1、R_P2为叶栅喉道前叶片压力面的曲率半径，R_S为叶栅喉道前叶片吸力面的曲率半径，L_min为叶栅喉道的吸力面位置和过前缘的来流垂线的距离。图6为相应的流动示意图和激波结构图。

附图说明

图1为前缘曲线和最大负荷线子午面投影示意图；

图2为前缘曲线和最大负荷线在子午面内几何参数定义示意图；

图3为前缘曲线和最大负荷线S3面投影示意图；

图4为前缘曲线和最大负荷线在S3面内几何参数定义示意图；

图5为转子叶尖S1面叶栅几何控制参数示意图；

图6为转子叶尖S1面叶栅流动和激波结构示意图；

图7为单级风扇A静子吸力面吸气槽位置示意图；

图8为单级风扇A静子轮毂处的吸气槽位置示意图；

图9为单级风扇A转子叶尖的相对马赫数分布图；

图10为单级风扇A压比-流量特性线；

图11为单级风扇A效率-流量特性线；

图12为单转子B的吸力面吸气槽示意图；

图13为单转子B的轮毂吸气槽示意图；

图14为单转子B的叶尖相对马赫数分布图；

图15为单转子B的压比-流量特性线；

图16为单转子B的效率-流量特性线。

具体实施方式

下面举例说明本发明的具体实施方式。

本发明的实例一：

根据上述风扇的特征，设计了一个单级轴流风扇(后面称之为风扇A)。风扇A的设计参数如表1所示。

表1 风扇A的设计参数

设计点指标			几何参数
设计点指标			几何参数		叶尖切线速度	495.32	m/s	进口轮毂比	0.37
流量	25	kg/s	出口轮毂比	0.76	叶尖切线速度	495.32	m/s	进口轮毂比	0.37
流量	25	kg/s	出口轮毂比	0.76	压比	3		叶片数	14
效率	0.85				压比	3		叶片数	14
效率	0.85				负荷系数	0.53

设前缘线和最大负荷线在子午面的投影为二次曲线，其方程可以表示为：

z²+2Azr+Br²+2Cz+2Dr+E＝0

设原点在前缘轮毂处。根据已知可得：

A＝0.5(ctgθ1-ctgθ2)；

B = \frac{L (d_{m} - f_{m} ctgθ 2) + d_{m} \times f_{m} (ctgθ 2 - ctgθ 1) {- d_{m}}^{2}}{{f_{m}}^{2}}

C = - \frac{L}{2}

D = \frac{L}{2} ctgθ 2

E＝0

可用同样的方程形式表示前缘线和最大负荷线在S3面的投影。

经过数值优化，最后得到最优的前缘和最大负荷线的组合形式。

图7、图8分别表示的是风扇静子吸力面和静子通道内轮毂上的吸气槽位置示意。

风扇A转子叶尖的叶型几何控制参数如表2所示。

表2 风扇A转子叶尖叶型的几何控制参数(单位：m)

d_min	d_max	R_P1	R_P2	R_S	L_min
d_min	d_max	R_P1	R_P2	R_S	L_min	0.0437	0.0589	1.8	1.07	0.93	0.0101

图9表示的是风扇A转子叶尖的马赫数分布图。

风扇A的数值计算结果如表3所示。

表3 风扇A的数值计算结果

叶尖切线速度	495.32	m/s
叶尖切线速度	495.32	m/s	流量	25.9	kg/s
压比	3.08		流量	25.9	kg/s
压比	3.08		效率	0.87
负荷系数	0.52		效率	0.87
负荷系数	0.52		静子叶根进口马赫数	1.15

图10和图11为风扇A的压比-流量、效率-流量特性线。

从最后得到的结果上来看，风扇A达到了设计目标，取得了较为满意的结果。

本发明的实例二：

根据上述风扇的特征，设计了一个气动负荷更高的轴流风扇转子(后面称之为转子B)。

转子B的设计参数如表4所示。

表4 转子B的设计参数

设计点指标			几何参数
设计点指标			几何参数		叶尖切线速度	495.32	m/s	进口轮毂比	0.37
流量	25	kg/s	出口轮毂比	0.76	叶尖切线速度	495.32	m/s	进口轮毂比	0.37
流量	25	kg/s	出口轮毂比	0.76	压比	3.7		叶片数	14
效率	0.89				压比	3.7		叶片数	14
效率	0.89				负荷系数	0.6

设转子B前缘线和最大负荷线在子午面的投影为二次曲线，其方程可以表示为：

z²+2Azr+Br²+2Cz+2Dr+E＝0

设原点在前缘轮毂处。根据已知可得：

A＝0.5(ctgθ1-ctgθ2)；

B = \frac{L (d_{m} - f_{m} ctgθ 2) + d_{m} \times f_{m} (ctgθ 2 - ctgθ 1) {- d_{m}}^{2}}{{f_{m}}^{2}}

C = - \frac{L}{2}

D = \frac{L}{2} ctgθ 2

E＝0

图12、图13分别表示的是转子B吸力面和转子通道内机匣上的吸气槽位置示意。图14表示的是转子B叶尖的马赫数分布图。

转子B转子叶尖的叶型几何控制参数如表5所示。

表5 转子B叶尖叶型的几何控制参数(单位：m)

d_min	d_max	R_P1	R_P2	R_S	L_min
d_min	d_max	R_P1	R_P2	R_S	L_min	0.0395	0.063	1.992	0.749	4.32	0.0355

转子B的数值计算结果如表6所示。

表6 风扇A的数值计算结果

叶尖切线速度	495.32	m/s
叶尖切线速度	495.32	m/s	流量	25.9	kg/s
压比	3.87		流量	25.9	kg/s
压比	3.87		效率	0.902
负荷系数	0.62		效率	0.902
负荷系数	0.62		转子叶根出口绝对马赫数	1.29

图15和图16为转子B的压比-流量、效率-流量特性线。

从最后得到的结果上来看，转子B达到了设计目标，取得了较为满意的结果。

Claims

1.一种单级轴流风扇，它具有：

一个进口相对气流速度跨声的转子，其设计点叶尖切线速度为400～600米/秒，转子进口轮毂比为0.2～0.45；

一个进口绝对气流速度跨声的静子，其静子出口轮毂比为0.6～0.8；

上述转子和静子组成的单级轴流风扇用名词“完全跨声速轴流风扇级”来定义；

上述整级轴流风扇具有高的气动负荷，级负荷系数为3.5～7.0。

上述整级轴流风扇，其特征在于：转子和静子叶片具有几何弯掠和气动弯掠的复合掠弯特点；

上述整级轴流风扇，其特征在于：转子叶尖及其附近区域内，其加功方式为复合加功；

上述整级轴流风扇，其特征在于：叶片吸力面和端壁区采用附面层控制。

2.如权利要求1所述的单级轴流风扇，其特征在于静子的进口马赫数为0.6～1.5。

3.如权利要求1所述的单级轴流风扇，其特征在于设计点风扇级压比为2.5～4.0。

4.如权利要求1所述的单级轴流风扇，其特征在于转子机匣处的D因子为0.35～0.7，静子轮毂处的D因子为0.4～0.7。

5.如权利要求1所述的单级轴流风扇，其特征在于风扇转子的掠弯空气动力学特征是由前缘曲线的空间几何弯掠和最大气动负荷线的弯掠共同确定。

6.如权利要求1所述的单级轴流风扇，其特征在于风扇静子的掠弯空气动力学特征是由前缘曲线的空间几何弯掠和最大气动负荷线的弯掠共同确定。

7.如权利要求1所述的单级轴流风扇，其特征在于具有低的平均反力度，其值为0.2～0.6；在近轮毂区，其局部反力度值最小为0～0.2。

8.如权利要求1所述的单级轴流风扇，其特征在于：

复合加功方式之一为气流通过激波减速产生扭速；

复合加功方式之二为气流通过激波改变流动方向产生扭速。

9.如权利要求1所述的单级轴流风扇，其特征在于：在S1流面的槽道内，在设计点实现进口斜激波。

10.如权利要求1所述的单级轴流风扇，其特征在于：

转子吸力面及其上方的机匣采用附面层吸除控制；

静子吸力面及其轮毂采用附面层吸除控制。