CN103573469A - 一种涡扇发动机的风扇气动布局结构和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种进口带非全叶高增压转子的涡扇发动机的风扇气动布局结构及方法，属于航空发动机风扇技术领域，其关键在于在风扇进口轮盘上沿周向均布若干旋转的非全叶高增压转子叶片以对风扇进口轮盘附近气流进行增压，通过合理设计风扇进口非全叶高增压转子，有效提高风扇的流通能力，同时有效提高风扇内涵压比。该发明可直接用于高性能涡扇发动机，能够在不增加发动机外形尺寸的前提下降低涡扇发动机的重量、耗油率以及噪声水平。
Description
技术领域
本发明涉及一种涡扇发动机风扇气动布局结构和方法，尤其涉及一种进口带非全叶高增压转子的涡扇发动机风扇气动布局结构和方法，能够在维持风扇效率和外径基本不变的前提下大幅度提高风扇流通能力和风扇内涵压比，特别适用于高性能航空燃气涡轮风扇发动机。
背景技术
风扇是航空涡扇发动机中尺寸和重量最大的部件之一，其性能的好坏不仅直接决定了发动机的推重比和耗油率等性能参数，而且，对涡扇发动机整机的稳定性和可靠性也有重大影响。在发动机尺寸不变的前提下，提高单位面积迎风流量意味着风扇的加功量增大，发动机可以产生更大的推力，因此单位面积迎风流量是衡量发动机整体推进性能的一个重要参数，提高单位面积迎风流量可提高发动机的流通能力，减小发动机直径和重量。
减小风扇进口轮毂比和增大风扇轴向来流马赫数是提高单位面积迎风流量的两种有效途径。然而轴向马赫数的增加会进一步增加叶片尖部进口相对马赫数，在叶片通道内形成较强的激波，导致激波/附面层相互作用加剧，严重时会使得叶片通道内出现大尺度的开式分离，损失急剧增加，限制了压气机的效率和稳定工作裕度的提升。降低风扇进口轮毂比会使得风扇反力度降低，风扇静子叶片根部负荷增加，设计难度加大；另一方面，为满足尖部稠度要求而选择的叶片数会造成转子根部的稠度增大，降低风扇进口轮毂比会导致在小尺寸轮盘上叶片排列困难，增加了风扇转子加工难度。因此，亟需寻求一种能够有效提高航空发动机风扇单位面积迎风流量的气动布局。
发明内容
针对现有技术的缺点和不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种设计合理、既实现风扇流通能力和内涵增压比提高，又能保证风扇效率和外径基本不变的新型发动机风扇气动布局结构和方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种涡扇发动机的风扇气动布局结构，包括由风扇转子叶片和风扇转子轮盘组成的风扇转子、风扇静子叶片和风扇外机匣，其特征在于，所述风扇气动布局结构还包括非全叶高风扇增压转子，所述非全叶高风扇增压转子包括非全叶高增压转子轮盘以及沿周向均布在非全叶高增压转子轮盘外圆周上的多个非全叶高增压转子叶片，所述非全叶高风扇增压转子和风扇转子同轴布置，且所述非全叶高风扇增压转子位于所述风扇转子的进口轮盘处，所述非全叶高增压转子叶片的数量与风扇转子叶片的数量相同，所述非全叶高增压转子叶片周向与风扇转子叶片交错排列，且所述非全叶高风扇增压转子的旋转方向以及旋转速度与风扇转子相同；所述非全叶高增压转子叶片的径向高度、叶片根部轴向弦长均不超过所述风扇转子叶片的对应尺寸的一半，且所述非全叶高增压转子叶片的前缘线与旋转轴之间的夹角为30°～60°，所述非全叶高增压转子叶片的尾缘线与风扇转子前缘线相互平行，所述非全叶高风扇增压转子用以对所述风扇转子叶片根部附近气流进行增压。
本发明的进口带非全叶高增压转子的涡扇发动机风扇气动布局结构，采用非全叶高风扇增压转子对风扇转子根部附近气流进行增压，以增加风扇内涵压比和风扇根部附近的流通能力。
优选的，本发明所述非全叶高增压转子叶片的径向高度为风扇转子叶片高度的15%～30%。
优选的，本发明所述非全叶高增压转子叶片的根部轴向弦长为风扇转子叶片根部弦长的30%～50%。
优选的，本发明所述非全叶高增压转子叶片的叶片尖部轴向弦长为其根部轴向弦长的5%～15%。
优选的，本发明所述非全叶高增压转子叶片与风扇转子叶片之间的最小距离为风扇转子叶顶轴向弦长的3%～5%。
优选的，本发明所述非全叶高增压转子叶片周向与风扇转子叶片交错排列，所述非全叶高增压转子叶片朝风扇转子旋转反方向错位15%～30%栅距。
根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种涡扇发动机的风扇气动布局方法，所述涡扇发动机包括风扇转子，其特征在于，在所述风扇转子的进口处同轴布置非全叶高风扇增压转子，所述非全叶高风扇增压转子的叶片数量与风扇转子的叶片数量相同，且所述非全叶高风扇增压转子的旋转方向以及旋转速度与风扇转子相同，所述非全叶高风扇增压转子的叶片径向高度、叶片根部轴向弦长均不超过所述风扇转子叶片的对应尺寸的一半，且所述非全叶高风扇增压转子的叶片前缘线与旋转轴之间的夹角为30°～60°，所述非全叶高增压转子叶片的尾缘线与风扇转子前缘线相互平行，所述非全叶高风扇增压转子用于对所述风扇转子叶片根部附近气流进行增压。
优选的，所述非全叶高风扇增压转子的叶片径向高度为风扇转子叶片高度的15%～30%；优选的，所述非全叶高风扇增压转子的叶片根部轴向弦长为风扇转子叶片根部弦长的30%～50%；优选的，所述非全叶高风扇增压转子的叶片尖部轴向弦长为其根部轴向弦长的5%～15%。优选的，所述非全叶高风扇增压转子的叶片与风扇转子叶片之间的最小距离为风扇转子叶顶轴向弦长的3%～5%。
优选的，所述非全叶高风扇增压转子的叶片周向与风扇转子叶片交错排列，所述非全叶高风扇增压转子的叶片朝风扇转子旋转反方向错位15%～30%栅距。
与涡扇发动机风扇传统结构布局相比，在风扇进口轮盘沿周向均布与风扇同轴同速旋转的非全叶高增压转子后，能够提高风扇根部附近流量和压比，具有如下优点及效果：①提高了风扇内涵压比，能够保证发动机性能基本不变的前提下减小低压压气机或者高压压气机的级数，实现发动机减重，或者能够保证涡扇发动机压缩系统不变的前提下提高总增压比，从而降低涡扇发动机的耗油率；②提高了风扇轮毂附近的流量，能够在保证风扇进口外径不变的前提下提高涡扇发动机涵道比，从而降低涡扇发动机重量、耗油率和噪声水平；③提高了风扇的流通能力，在保证发动机性能指标不变的前提下有效减小发动机直径和重量。
附图说明
图1为本发明的带非全叶高增压转子的风扇子午流道示意图。
标号说明：非全叶高增压转子叶片1、非全叶高增压转子轮盘2、风扇转子叶片3、风扇转子轮盘4、风扇外机匣5，风扇静子叶片6，风扇旋转轴7，风扇内涵道8，风扇外涵道9。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，本实施例用于高性能航空涡扇发动机的风扇气动布局结构中，包括风扇转子叶片3、风扇转子轮盘4、风扇静子叶片6和风扇外机匣5，为了提高风扇轮毂附近的流量和增压比，在风扇转子进口设计了一由非全叶高转子叶片1和非全叶高转子轮盘2组成的非全叶高增压转子，非全叶高增压转子的的叶片数与风扇转子叶片数相同，且与风扇转子以相同的转速绕的风扇旋转轴7同向旋转。进一步地，非全叶高增压转子叶片的径向高度为风扇转子叶片高度的15%～30%，非全叶高增压转子叶片的前缘线与旋转轴之间的夹角为30°～60°，非全叶高增压转子叶片根部轴向弦长为风扇转子叶片根部弦长的30%～50%，非全叶高增压转子叶片尖部轴向弦长为其根部轴向弦长的5%～15%。进一步地，本发明所述非全叶高增压转子叶片与风扇转子叶片之间的最小距离为风扇转子叶顶轴向弦长的3%～5%。进一步地，本发明所述非全叶高增压转子叶片周向与风扇转子叶片交错排列，所述非全叶高增压转子叶片朝风扇转子旋转反方向错位15%～30%栅距。此外，如图1所示，从气体流动方向上可以看出，非全叶高转子轮盘2进口处的径向高度小于其出口处的径向高度，类似地，风扇转子轮盘4进口处的径向高度也小于其出口处的径向高度。非全叶高转子轮盘2的出口处的边缘和风扇转子轮盘4进口处的边缘是等高的，二者通过螺栓等连接件固定连接在一起的，且非全叶高转子轮盘2和风扇转子轮盘4的外表面整体是气动光滑的。
工作时，非全叶高增压转子与风扇转子一起旋转，对风扇进口根部附近气流进行增压，通过风扇静子叶片6整流后分别进入发动机内涵8和外涵9，由于非全叶高增压转子的出口平均半径大于其进口半径，其类似在转子进口轮盘附近增加了一级斜流压气机转子，该增压转子能够对风扇转子进口根部30%叶高范围内的气流进行增压，一方面能够有效提高风扇内涵增压比，从而减小增压级或者高压压气机的级数，减小发动机压缩系统的零部件数；另一方面，非全叶高增压转子增加了风扇转子进口根部30%叶高范围内流量，增加了风扇的流通能力，近似于在不增加风扇外径的前提下提高了涡扇发动机的涵道比，从而有效减低了发动机的重量、耗油率和噪声水平。
综上所述，本发明采用进口带非全叶高增压转子的风扇气动布局，可直接用于涡扇发动机，能够在不增加发动机外形尺寸的前提下降低涡扇发动机的重量、耗油率以及噪声水平。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种涡扇发动机的风扇气动布局结构，包括由风扇转子叶片和风扇转子轮盘组成的风扇转子、风扇静子叶片和风扇外机匣，其特征在于，所述风扇气动布局结构还包括非全叶高风扇增压转子，所述非全叶高风扇增压转子包括非全叶高增压转子轮盘以及沿周向均布在非全叶高增压转子轮盘外圆周上的多个非全叶高增压转子叶片，所述非全叶高风扇增压转子和风扇转子同轴布置，且所述非全叶高风扇增压转子位于所述风扇转子的进口轮盘处，所述非全叶高增压转子叶片的数量与风扇转子叶片的数量相同，所述非全叶高增压转子叶片周向与风扇转子叶片交错排列，且所述非全叶高风扇增压转子的旋转方向以及旋转速度与风扇转子相同；所述非全叶高增压转子叶片的径向高度、叶片根部轴向弦长均不超过所述风扇转子叶片的对应尺寸的一半，且所述非全叶高增压转子叶片的前缘线与旋转轴之间的夹角为30°～60°，所述非全叶高增压转子叶片的尾缘线与风扇转子前缘线相互平行，所述非全叶高风扇增压转子用于对所述风扇转子叶片根部附近气流进行增压。
2.根据权利要求1所述的风扇气动布局结构，其特征在于，所述非全叶高增压转子叶片的径向高度为风扇转子叶片高度的15%～30%。
3.根据权利要求1、2所述的风扇气动布局结构，其特征在于，所述非全叶高增压转子叶片的根部轴向弦长为风扇转子叶片根部弦长的30%～50%。
4.根据权利要求1、2或3所述的风扇气动布局结构，其特征在于，所述非全叶高增压转子叶片的叶片尖部轴向弦长为其根部轴向弦长的5%～15%。
5.根据上述任一项权利要求所述的风扇气动布局结构，其特征在于，所述非全叶高增压转子叶片与风扇转子叶片之间的最小距离为风扇转子叶顶轴向弦长的3%～5%。
6.根据上述任一项权利要求所述的风扇气动布局结构，其特征在于，所述非全叶高增压转子叶片周向与风扇转子叶片交错排列，所述非全叶高增压转子叶片朝风扇转子旋转反方向错位15%～30%栅距。
7.一种涡扇发动机的风扇气动布局方法，所述涡扇发动机包括风扇转子，其特征在于，在所述风扇转子的进口处同轴布置非全叶高风扇增压转子，所述非全叶高风扇增压转子的叶片数量与风扇转子的叶片数量相同，且所述非全叶高风扇增压转子的旋转方向以及旋转速度与风扇转子相同，所述非全叶高风扇增压转子的叶片径向高度、叶片根部轴向弦长均不超过所述风扇转子叶片的对应尺寸的一半，且所述非全叶高风扇增压转子的叶片前缘线与旋转轴之间的夹角为30°～60°，所述非全叶高增压转子叶片的尾缘线与风扇转子前缘线相互平行，所述非全叶高风扇增压转子用以对所述风扇转子叶片根部附近气流进行增压。
8.根据权利要求7所述的风扇气动布局方法，其特征在于，所述非全叶高风扇增压转子的叶片径向高度为风扇转子叶片高度的15%～30%；优选的，所述非全叶高风扇增压转子的叶片根部轴向弦长为风扇转子叶片根部弦长的30%～50%；优选的，所述非全叶高风扇增压转子的叶片尖部轴向弦长为其根部轴向弦长的5%～15%。优选的，所述非全叶高风扇增压转子的叶片与风扇转子叶片之间的最小距离为风扇转子叶顶轴向弦长的3%～5%。
9.根据权利要求7或8所述的风扇气动布局方法，其特征在于，所述非全叶高风扇增压转子的叶片周向与风扇转子叶片交错排列，所述非全叶高风扇增压转子的叶片朝风扇转子旋转反方向错位15%～30%栅距。
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