CN105134409B - 超高负荷超低转速大涵道比风扇转子气动设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及大涵道比涡轮风扇发动机的风扇气动设计方法，属叶轮机械技术领域。步骤1、根据流量、总压比,采用S2通流分析确定关键设计参数，载荷系数选择0.7‑1.0之间；步骤2、根据S2通流分析所确定的转子进出口参数分布，进行若干个S1流面二维叶型（7）设计；步骤3、将上步设计的二维叶型沿径向积叠即形成转子三维叶片（11）、根据选定的叶片数构成风扇转子（12）；步骤4、计算机仿真进行风扇转子（12）三维流场模拟或采用试验进行性能测试，得到风扇性能曲线，检验设计是否达标要求并进行改进设计。本发明提出一种超高负荷、超低转速大涵道风扇转子叶片气动设计方法，在保证风扇气动性能前提下有效降低风扇噪声和减轻重量。
Description
技术领域
本发明涉及大涵道比涡轮风扇发动机的风扇气动设计方法，属叶轮机械技术领域。
背景技术
大型民用客机都采用大涵道比涡轮风扇发动机作为飞机的动力装置；发动机噪声是其重要评价指标，安装在发动机进口的大尺寸风扇(专业名称：大涵道比风扇)对噪声的贡献占整机噪声的三分之一左右；降低风扇转速是降低其噪声的有效方法；并且转速降低可减小对风扇叶片结构强度要求、叶片可设计得更轻薄，进而减轻风扇重量。对于齿轮驱动风扇，可通过增加齿轮减速比降低风扇转速、保持与其相连的压气机增压级和低压涡轮转速不变。
风扇增压比由发动机总体要求确定。由载荷系数表达式(1)，在风扇增压比一定时，降低转速必然会增大载荷系数。
上式上，载荷系数；Lu：轮缘功；u(＝rω)：轮缘速度；ω：转动角速度；T1 *：风扇进口总温；Cp：定压比热；总压比；效率。
通常情况下载荷系数增加，叶片通道扩张度增加，风扇设计难度增大。王松涛、胡应交在其申请的专利“一种高负荷超、跨音速轴流压气机气动设计方法”(专利申请号：CN201210369706)中，针对超音和跨音高压比压气机转子，提出利用子午流道收缩控制叶片通道扩张度，降低设计难度。此方法可有效降低转子设计难度，但是如果转子子午流道收缩程度过大，会影响与其相配静子及后面级设计。
发明内容
本发明目的在于提出一种超高负荷、超低转速大涵道风扇转子叶片气动设计方法，在保证风扇气动性能前提下有效降低风扇噪声和减轻重量。
一种超高负荷超低转速大涵道比风扇转子气动设计方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、根据给定的流量、总压比,采用S2通流分析确定关键设计参数，关键设计参数包括：转速、叶片扭向、叶片进出口叶根和叶尖半径、叶片数、转子进出口流体参数分布；以及载荷系数载荷系数数值的选择要使得转子出口相对速度W2大于进口相对速度W1，此时载荷系数选择0.7-1.0之间；
上式，载荷系数；Lu：轮缘功；u(＝rω)：轮缘速度；ω：转动角速度；T1 *：风扇进口总温；Cp：定压比热；总压比；效率；
步骤2、根据S2通流分析所确定的转子进出口参数分布，进行若干个S1流面二维叶型(7)设计，所述转子进出口流体参数沿叶高分布包括速度三角形、流体总压、总温、静压；
步骤3、将上步设计的二维叶型沿径向积叠即形成转子三维叶片(11)、根据选定的叶片数构成风扇转子(12)；
步骤4、应用计算机仿真方法进行所设计的风扇转子(12)三维流场模拟或采用试验对所设计的风扇进行性能测试，得到风扇性能曲线，检验设计是否达到指标要求；如没有达到，则根据对当前设计结果分析进行改进设计。
所述的超高负荷超低转速大涵道比风扇转子气动设计方法，其特征在于：所述步骤2中在二维叶型设计时候采用标准系列叶型，或采用反问题方法进行叶型设计，或优化方法进行叶型设计。
本发明的超高负荷超低转速大涵道风扇转子气动设计步骤与常规风扇转子相同。其中步骤1中需要根据经验选定载荷系数，再由前述(1)式计算出转速。常规设计转子出口相对速度W2小于进口相对速度W1，载荷系数约为0.3左右，超出此值随载荷系数增加设计难度增大。本发明突破常规，提出转子出口相对速度W2大于进口相对速度W1、并考虑静子进口绝对速度和静子气流转角不宜过大载荷系数在0.7-1.0之间的超高负荷设计理念，并从理论分析和设计实例验证其可行性。所提超高负荷转子叶片采用超出常规的载荷系数、降低转子转速，由于叶栅后段流道呈收敛形状，可抑制流动分离，实现低损失、高效率。由于转子转速低，转子叶片可采用轻质材料减小重量。
本项发明与现有技术比较有以下优点：1)实现大涵道比风扇转子高效率低转速设计；2)低转速可降低风扇噪声；3)低转速可减薄叶片、减小风扇整体重量。
本项发明所述超高负荷超低转速大涵道风扇与常规风扇结构相同，主要包括：轮毂、外机匣和转子叶片。所述超高负荷超低转速大涵道风扇转子性能与结构特征在于：风扇转速低、噪声低；叶片弯度大、较轻薄，风扇整体重量轻。所提出的超高负荷超低转速大涵道比风扇转子叶片气动设计方法可直接应用于工程实际中的大涵道比风扇设计，辅之以采用流动控制技术的与之配合静子设计，可实现大涵道比风扇具有标志性意义的改进。
附图说明
图1风扇转子进出口速度三角形；
图2风扇转子叶栅；
图3超高负荷超低转速风扇转子叶根、叶中、叶尖截面叶型和叶栅；
图4超高负荷超低转速风扇转子外形；
图5超高负荷风扇转子特性，其中(a)总压比特性曲线(b)效率特性曲线；
图中标号名称：1.常规风扇转子进出口速度三角形、2.最大扩压度风扇转子进出口速度三角形、3.超高负荷风扇转子进出口速度三角形、4.常规风扇转子叶栅、5.最大扩压度风扇转子叶栅、6.超高负荷风扇转子叶栅、7.二维叶型、8.叶根截面叶栅、9.叶中截面叶栅、10.叶尖截面叶栅。11.风扇转子叶片、12.风扇转子。
具体实施方法
以下结合图1至图5说明本发明超高负荷超低转速大涵道比风扇转子气动设计方法。①根据给定的流量、压比，采用S2通流分析确定关键设计参数，关键设计参数包括：转速、叶片扭向、叶片进出口叶根和叶尖半径、叶片数、转子进出口流体参数分布；以及载荷系数,其数值的选择要达到转子出口相对速度W2大于进口相对速度W1。②根据S2通流设计所确定的转子进出口参数分布(包括速度三角形)，进行若干个S1流面二维叶型7设计(此处仅给出典型的叶根、叶中、叶尖叶型)，可采用标准系列叶型、或采用反问题、或优化方法进行叶型设计。③将这些二维叶型沿径向积叠即形成转子三维叶片11、根据选定的叶片数构成风扇转子12。④应用计算机仿真方法进行所设计的风扇转子12三维流场模拟或采用试验对所设计的风扇进行性能测试，得到图5所示的风扇性能曲线，检验设计是否达到指标要求；如没有达到，则根据对当前设计结果分析进行改进设计。
以下通过转子进出口速度三角形分析论证超高负荷转子设计可行性。常规设计转子出口相对速度W2小于进口相对速度W1、载荷系数数值在0.3左右，对应的速度三角形如图1中的常规风扇转子进出口速度三角形1。增加载荷系数(载荷系数大于0.3属于高载荷设计)、转速下降，转子进出口速度三角形由图1中的常规风扇转子进出口速度三角形1向图1中最大扩压度转子进出口速度三角形2(此种情况W2最小、转子流道扩压度最大)过渡，转子设计难度不断增大。但是如果再进一步增加载荷系数，转子进出口速度三角形变成图1中转子进出口速度三角形3，此种情况即属于超高负荷。超高负荷风扇转子进出口速度三角形3的特征为：轮缘速度u很小、扭速ΔCu大、转子气流转角Δβ很大。
载荷系数增加、转速减小(u减小)的初始阶段，W2减小、叶片通道扩张度增加，叶片设计难度增加；直至转子出口相对速度W2为轴向，此种情况W2最小、叶片通道扩张度最大。载荷系数进一步增加、转速进一步减小，W2不减反增、叶片通道扩张度下降，叶片设计难度反而下降。
图2中的常规风扇转子叶栅4、最大扩压度风扇转子叶栅5、超高负荷风扇转子叶栅6分别对应于图1中的常规风扇转子进出口速度三角形1、最大扩压度风扇转子进出口速度三角形2、超高负荷风扇转子进出口速度三角形3。随着转速下降，叶片弯度增加，在超高负荷情况下，叶片后部流道呈收缩(涡轮)状。
根据以上分析，所提超高负荷转子叶片采用超出常规的载荷系数、降低转子转速，由于叶栅后段流道呈收敛形状，可抑制流动分离，实现低损失、高效率。由于转子转速低，转子叶片可采用轻质材料减小重量。
按以上所述设计方法，进行一台高度为8000m、流量为214.9kg/s、增压比为1.66的超高负荷超低转速风扇转子设计。关键参数见以下两表。
其外形如图4所示；叶根、叶中、叶尖截面叶型和叶栅如图3所示；通过计算机仿真得到其特性如图5所示。由图5可知：在设计流量下增压比为1.72(与设计指标相近)、效率达到0.96(高出常规设计所能达到的效率)。
Claims (3)
1.一种超高负荷超低转速大涵道比风扇转子气动设计方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、根据给定的流量、总压比,采用S2通流分析确定关键设计参数，关键设计参数包括：转速、叶片扭向、叶片进出口叶根和叶尖半径、叶片数、转子进出口流体参数分布；以及载荷系数载荷系数数值的选择要使得转子出口相对速度W2大于进口相对速度W1，叶栅通道后段呈收敛形状，此时载荷系数选择0.7-1.0之间；
上式，载荷系数；Lu：轮缘功；u(＝rω)：轮缘速度；ω：转动角速度；T1 *风扇进口总温；Cp：定压比热；总压比；效率；
步骤2、根据S2通流分析所确定的转子进出口参数分布，进行若干个S1流面二维叶型(7)设计，所述转子进出口流体参数沿叶高分布包括速度三角形、流体总压、总温、静压；
步骤3、将上步设计的二维叶型沿径向积叠即形成转子三维叶片(11)、根据选定的叶片数构成风扇转子(12)；
步骤4、应用计算机仿真方法进行所设计的风扇转子(12)三维流场模拟或采用试验对所设计的风扇进行性能测试，得到风扇性能曲线，检验设计是否达到指标要求；如没有达到，则根据对当前设计结果分析进行改进设计。
2.根据权利要求1所述的超高负荷超低转速大涵道比风扇转子气动设计方法，其特征在于：所述步骤2中在二维叶型设计时候采用标准系列叶型，或采用反问题方法进行叶型设计，或优化方法进行叶型设计。
3.根据权利要求1所述的超高负荷超低转速大涵道比风扇转子气动设计方法，其特征在于：所述载荷系数选择0.82。
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