CN112648201B - 具有限定转子上方的腔的风扇外壳的涵道风扇 - Google Patents

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Abstract

提供了一种涵道风扇，该涵道风扇包括风扇外壳，风扇外壳包绕安装到旋转驱动轴的多个风扇叶片。多个叶片限定大于68度的末梢交错角，并且，风扇外壳限定由风扇外壳的内壁限定的环形凹陷部，环形凹陷部接近多个叶片中的每个的叶片末梢而围绕周向方向延伸。环形凹陷部可限定大于末梢弦长的10%的平均凹陷部深度。环形凹陷部还可限定等于凹陷部长度相比于末梢轴向弦长的长度比，该长度比大于1.5。

Description

具有限定转子上方的腔的风扇外壳的涵道风扇
技术领域
本主题大体上涉及具有改进的性能和效率的涵道风扇，并且更特别地，本主题涉及具有用于竖直飞行及悬停操作模式的涵道风扇的改进的风扇外壳。
背景技术
具有低流量系数(例如，小于0.36)的涵道风扇典型地具有非常高的叶片末梢交错角(例如，大于70度)。在这样的高交错角下，叶片末梢区段几乎与周向方向或风扇旋转方向对准，并且因而几乎垂直于通过涵道风扇的主空气流。因此，存在通过限定于叶片末梢与相邻的涵道表面之间的末梢空隙的强的反向空气流或空隙流。另外，后面的叶片末梢涡流引起涵道表面处的反向空气流。这些空隙流和叶片末梢涡流可能导致明显的操作损失和效率低下。
例如，性能损失可与在转子末梢处的大量流再循环相关联，这些流再循环可能对涵道表面边界层造成强烈的不利影响。具体地，这种反向空气流和叶片末梢涡流有效地阻塞近末梢的一次流，从而引起位于风扇的下游的涵道-壁边界层被分离或保持很少的通流动量或没有通流动量。照此，边界层即使在大体上仍被附接时也具有大量流动区阻塞，并且，边界层缺乏足够的动量来避免稍后在不利的压力梯度(例如，与增大的涵道区相关联)的存在下分离。
对于某些常规的低流量系数的涵道风扇，较大的末梢空隙可为理想的。例如，具有大的末梢空隙的风扇在几何上简单，易于实现/制备，并且被预期为具有很少的重量带来的不利(penalty)或不具有重量带来的不利。另外，叶片末梢摩擦和与摩擦有关的问题或故障的风险较小。此外，这样的设计具有较大的容许制备及制造公差，因此，零件和组件更便宜，并且，在材料选择方面具有较大的灵活性。然而，位于叶片末梢与涵道内表面之间的大的末梢空隙加剧不利的相互作用，从而导致在性能和操作稳定性两者方面带来严重不利。较小的末梢空隙可至少在不存在入口流畸变的情况下，减少与在涵道附近的边界层破坏有关的问题，但可能增大叶片撞击的可能性，并且可能使风扇的机械设计复杂化。
由于下游涵道中的反向流和边界层阻塞大大地减小风扇流量和推力，因而例如在可能导致变化的入口流畸变的悬停操作或其它操作场景期间，对此条件的不足的公差可能导致流量和推力的突变。具有扩散下游区段的风扇涵道(其对于许多应用也是理想的)加剧了这种现象。
因此，具有改进的悬停性能和操作稳定性的涵道风扇将是有用的。更具体地，具有用于降低边界层破坏、空隙流以及叶片末梢涡流的不利影响的特征的涵道风扇将是特别地有益的。
发明内容
本发明的方面和优点将在下文的描述中部分地阐明，或可根据描述而显而易见，或可通过实践本发明而得知。
在一个示范性实施例中，提供了一种涵道风扇，该涵道风扇限定轴向方向、径向方向以及周向方向，涵道风扇包括：风扇外壳，其围绕周向方向延伸，并且限定流动通路；驱动轴，其定位于风扇外壳内，并且可围绕轴向方向旋转；多个叶片，其可操作地联接到驱动轴，并且基本上沿着径向方向朝向风扇外壳延伸，多个叶片限定大于68度的末梢交错角；以及凹陷部，其由风扇外壳的内壁限定，凹陷部接近多个叶片中的每个的叶片末梢而围绕周向方向延伸。
涵道风扇可包括凹陷部，凹陷部限定沿着径向方向测量的平均凹陷部深度，平均凹陷部深度大于多个叶片的末梢半径的0.5%。凹陷部可限定沿着轴向方向测量的凹陷部长度，其中，凹陷部长度可大于末梢轴向弦长加上多个叶片的末梢半径的1%。多个叶片的末梢交错角可大于大约74度。平均凹陷部深度可大于多个叶片的末梢半径的1%。凹陷部长度可大于末梢轴向弦长加上多个叶片的末梢半径的2%。多个叶片的末梢交错角可大于大约80度。平均凹陷部深度可大于多个叶片的末梢半径的1.5%。凹陷部长度可大于末梢轴向弦长加上多个叶片的末梢半径的3%。多个叶片中的每个的叶片末梢可与在位于凹陷部的前部的内壁与位于凹陷部的后部的内壁之间延伸的参考表面基本上对准。多个叶片中的每个的叶片末梢可至少部分地定位于凹陷部内。环形凹陷部可为轴对称的。
在另一示范性实施例中，提供了一种涵道风扇，该涵道风扇限定轴向方向、径向方向以及周向方向，涵道风扇包括：风扇外壳，其围绕周向方向延伸，并且限定流动通路；驱动轴，其定位于风扇外壳内，并且可围绕轴向方向旋转；多个叶片，其可操作地联接到驱动轴，并且基本上沿着径向方向朝向风扇外壳延伸，涵道风扇的多个叶片以基于小于0.4的叶片末梢速度的流量系数操作；以及凹陷部，其由风扇外壳的内壁限定，凹陷部接近多个叶片中的每个的叶片末梢而围绕周向方向延伸。
涵道风扇的凹陷部可限定沿着径向方向测量的平均凹陷部深度，平均凹陷部深度大于多个叶片的末梢半径的0.5%。凹陷部还可限定沿着轴向方向测量的凹陷部长度，其中，凹陷部长度可大于末梢轴向弦长加上多个叶片的末梢半径的2%。涵道风扇的流量系数可小于0.25。平均凹陷部深度可大于多个叶片的末梢半径的1.5%。多个叶片中的每个的叶片末梢可至少部分地定位于凹陷部内。环形凹陷部可为轴对称的。
在另一示范性实施例中，提供了一种涵道风扇，该涵道风扇限定轴向方向、径向方向以及周向方向，涵道风扇包括：风扇外壳，其围绕周向方向延伸，并且限定流动通路；驱动轴，其定位于风扇外壳内，并且可围绕轴向方向旋转；多个叶片，其可操作地联接到驱动轴，并且基本上沿着径向方向朝向风扇外壳延伸；以及凹陷部，其接近多个叶片中的每个的叶片末梢而由风扇外壳的内壁限定，其中，凹陷部限定沿着径向方向测量的平均凹陷部深度，平均凹陷部深度大于多个叶片的末梢半径的1.0%。
涵道风扇的凹陷部可限定沿着轴向方向测量的凹陷部长度，其中，凹陷部长度可大于末梢轴向弦长加上多个叶片的末梢半径的2%。多个叶片可限定大于68度的末梢交错角。平均末梢空隙可限定于多个叶片中的每个的叶片末梢与风扇外壳的内壁之间，平均末梢空隙大于由多个叶片中的每个的叶片末梢界定的半径的1%。环形凹陷部可为轴对称的。多个叶片中的每个的叶片末梢可至少部分地定位于凹陷部内。多个叶片中的每个的叶片末梢可至少部分地定位于凹陷部内。
技术方案1. 一种涵道风扇，其限定轴向方向、径向方向以及周向方向，所述涵道风扇包括：
风扇外壳，其围绕所述周向方向延伸，并且限定流动通路；
驱动轴，其定位于所述风扇外壳内，并且可围绕所述轴向方向旋转；
多个叶片，其可操作地联接到所述驱动轴，并且基本上沿着所述径向方向朝向所述风扇外壳延伸，所述多个叶片限定大于68度的末梢交错角；以及
凹陷部，其由所述风扇外壳的内壁限定，所述凹陷部接近所述多个叶片中的每个的叶片末梢而围绕所述周向方向延伸。
技术方案2. 根据任一前述技术方案所述的涵道风扇，其特征在于，所述凹陷部限定沿着所述径向方向测量的平均凹陷部深度，所述平均凹陷部深度大于所述多个叶片的末梢半径的0.5%。
技术方案3. 根据任一前述技术方案所述的涵道风扇，其特征在于，所述凹陷部限定沿着所述轴向方向测量的凹陷部长度，其中，所述凹陷部长度大于末梢轴向弦长加上所述多个叶片的所述末梢半径的1%。
技术方案4. 根据任一前述技术方案所述的涵道风扇，其特征在于，所述多个叶片的所述末梢交错角大于大约74度。
技术方案5. 根据任一前述技术方案所述的涵道风扇，其特征在于，所述平均凹陷部深度大于所述多个叶片的所述末梢半径的1%。
技术方案6. 根据任一前述技术方案所述的涵道风扇，其特征在于，所述凹陷部长度大于末梢轴向弦长加上所述多个叶片的所述末梢半径的2%。
技术方案7. 根据任一前述技术方案所述的涵道风扇，其特征在于，所述多个叶片的所述末梢交错角大于大约80度。
技术方案8. 根据任一前述技术方案所述的涵道风扇，其特征在于，所述平均凹陷部深度大于所述多个叶片的所述末梢半径的1.5%。
技术方案9. 根据任一前述技术方案所述的涵道风扇，其特征在于，所述凹陷部长度大于所述末梢轴向弦长加上所述多个叶片的所述末梢半径的3%。
技术方案10. 根据任一前述技术方案所述的涵道风扇，其特征在于，所述多个叶片中的每个的所述叶片末梢与参考表面基本上对准，所述参考表面在位于所述凹陷部的前部的所述内壁与位于所述凹陷部的后部的所述内壁之间延伸。
技术方案11. 根据任一前述技术方案所述的涵道风扇，其特征在于，所述多个叶片中的每个的所述叶片末梢至少部分地定位于所述凹陷部内。
技术方案12. 根据任一前述技术方案所述的涵道风扇，其特征在于，所述环形凹陷部是轴对称的。
技术方案13. 一种涵道风扇，其限定轴向方向、径向方向以及周向方向，所述涵道风扇包括：
风扇外壳，其围绕所述周向方向延伸，并且限定流动通路；
驱动轴，其定位于所述风扇外壳内，并且可围绕所述轴向方向旋转；
多个叶片，其可操作地联接到所述驱动轴，并且基本上沿着所述径向方向朝向所述风扇外壳延伸，所述涵道风扇的所述多个叶片以基于小于0.4的叶片末梢速度的流量系数操作；以及
凹陷部，其由所述风扇外壳的内壁限定，所述凹陷部接近所述多个叶片中的每个的叶片末梢而围绕所述周向方向延伸。
技术方案14. 根据任一前述技术方案所述的涵道风扇，其特征在于，所述凹陷部限定沿着所述径向方向测量的平均凹陷部深度，所述平均凹陷部深度大于所述多个叶片的末梢半径的0.5%。
技术方案15. 根据任一前述技术方案所述的涵道风扇，其特征在于，所述凹陷部限定沿着所述轴向方向测量的凹陷部长度，其中，所述凹陷部长度大于末梢轴向弦长加上所述多个叶片的所述末梢半径的2%。
技术方案16. 根据任一前述技术方案所述的涵道风扇，其特征在于，所述涵道风扇的所述流量系数小于0.25。
技术方案17. 根据任一前述技术方案所述的涵道风扇，其特征在于，所述平均凹陷部深度大于所述多个叶片的所述末梢半径的1.5%。
技术方案18. 根据任一前述技术方案所述的涵道风扇，其特征在于，所述多个叶片中的每个的所述叶片末梢至少部分地定位于所述凹陷部内。
技术方案19. 根据任一前述技术方案所述的涵道风扇，其特征在于，所述环形凹陷部是轴对称的。
技术方案20. 一种涵道风扇，其限定轴向方向、径向方向以及周向方向，所述涵道风扇包括：
风扇外壳，其围绕所述周向方向延伸，并且限定流动通路；
驱动轴，其定位于所述风扇外壳内，并且可围绕所述轴向方向旋转；
多个叶片，其可操作地联接到所述驱动轴，并且基本上沿着所述径向方向朝向所述风扇外壳延伸；以及
凹陷部，其接近所述多个叶片中的每个的叶片末梢而由所述风扇外壳的内壁限定，其中，所述凹陷部限定沿着所述径向方向测量的平均凹陷部深度，所述平均凹陷部深度大于所述多个叶片的末梢半径的1.0%。
技术方案21. 根据任一前述技术方案所述的涵道风扇，其特征在于，所述凹陷部限定沿着所述轴向方向测量的凹陷部长度，其中，所述凹陷部长度大于末梢轴向弦长加上所述多个叶片的末梢半径的2%。
技术方案22. 根据任一前述技术方案所述的涵道风扇，其特征在于，所述多个叶片限定大于68度的末梢交错角。
技术方案23. 根据任一前述技术方案所述的涵道风扇，其特征在于，平均末梢空隙限定于所述多个叶片中的每个的所述叶片末梢与所述风扇外壳的所述内壁之间，所述平均末梢空隙大于由所述多个叶片中的每个的所述叶片末梢界定的半径的1%。
技术方案24. 根据任一前述技术方案所述的涵道风扇，其特征在于，所述环形凹陷部是轴对称的。
技术方案25. 根据任一前述技术方案所述的涵道风扇，其特征在于，所述多个叶片中的每个的所述叶片末梢至少部分地定位于所述凹陷部内。
技术方案26. 根据任一前述技术方案所述的涵道风扇，其特征在于，所述多个叶片中的每个的所述叶片末梢至少部分地定位于所述凹陷部内。
本发明的这些及其它特征、方面以及优点将参考下文的描述和所附权利要求书而变得更好理解。结合到本说明书中并且组成本说明书的部分的附图示出本发明的实施例，并且，附图连同描述一起用来解释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员而言的本发明的完整且能够实现的公开内容，包括其最佳模式。
图1提供根据本主题的示范性实施例的示范性涵道风扇的局部透视图。
图2提供根据本主题的示范性实施例的图1的示范性涵道风扇的成排的风扇叶片的示意图。
图3提供在常规叶片末梢上的空隙流的示意图。
图4提供根据本主题的示范性实施例的图1的示范性涵道风扇的叶片的叶片末梢的示意侧视图。
图5提供根据本主题的示范性实施例的具有备选的凹陷部形状的涵道风扇的示意正视图。
图6提供根据本主题的示范性实施例的具有备选的凹陷部形状的涵道风扇的示意正视图。
图7提供根据本主题的示范性实施例的具有备选的凹陷部形状的涵道风扇的示意正视图。
本说明书和附图中的参考字符的重复使用旨在表示本发明的相同或相似的特征或元件。
具体实施方式
现在将详细地参考本发明的实施例，在附图中示出这些实施例的一个或多个示例。每个示例通过对本发明的解释的方式而非通过对本发明的限制的方式被提供。实际上，将对本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可在本发明中作出各种修改和改变。例如，被示出或描述为一个实施例的部分的特征可与另一实施例一起用于产生再一另外的实施例。因而，旨在本发明涵盖如归于所附权利要求书的范围内的这样的修改和改变及其等同物。
如本文中所使用的，术语“第一”、“第二”以及“第三”可以被可互换地用于将一个构件与另一个区分开，并且不旨在表明个别构件的位置或重要性。术语“上游”和“下游”指相对于流体途径中的流体流的相对方向。例如，“上游”指流体流自的方向，并且，“下游”指流体流至的方向。另外，诸如“近似地”、“基本上”或“大约” 之类的近似术语指处于百分之十的误差容限内。
本公开的方面涉及一种涵道风扇，该涵道风扇包括风扇外壳，风扇外壳包绕安装到旋转驱动轴的多个风扇叶片。多个叶片限定大于68度的末梢交错角，并且，风扇外壳限定由风扇外壳的内壁限定的环形凹陷部，环形凹陷部接近多个叶片中的每个的叶片末梢而围绕周向方向延伸。环形凹陷部可限定大于末梢弦长的10%的平均凹陷部深度。环形凹陷部还可限定等于凹陷部长度相比于末梢轴向弦长的长度比，该长度比大于1.5。
图1提供根据本公开的示范性实施例的涵道风扇100的局部透视图。如所示出的，涵道风扇100限定轴向方向A、径向方向R以及周向方向C。涵道风扇100大体上包括基本上管状的风扇外壳102，风扇外壳102环绕周向方向C延伸，并且限定用于接收空气流106的环形入口104。更具体地，风扇外壳102可限定流动通路108，并且，涵道风扇100可包括定位于风扇外壳102内的风扇组件110，风扇组件110用于通过流动通路108吸入并推动空气流106。
仍然参考图1的示范性实施例，风扇组件110包括驱动轴112，驱动轴112可旋转地定位于流动通路108内，并且可围绕轴向方向A旋转。驱动轴112可以可操作地联接到驱动马达114，驱动马达114构造成用于选择性地使驱动轴112旋转。虽然驱动轴112在本文中被示出为可操作地联接到驱动马达114，但应当意识到，根据备选实施例，驱动轴112可机械地联接到任何其它合适的驱动机构，诸如，燃气涡轮发动机的一个或多个轴或另一合适的旋转部件。
风扇组件110可进一步包括多个叶片120，这些叶片120可操作地联接到驱动轴112，并且基本上沿着径向方向R朝向风扇外壳102延伸。根据所示出的实施例，叶片120是风扇叶片，但应当意识到，根据备选实施例，涵道风扇100可包括任何其它合适的叶片或翼型件，诸如，涡轮叶片、压缩机叶片等等。叶片120可按任何合适的方式联接到驱动轴112。例如，根据所示出的实施例，叶片120沿着周向方向C以间隔开的方式联接到盘(未显示)。盘可被可旋转的前机舱122覆盖，根据空气动力学而设定前机舱122的轮廓，以促进空气流106通过多个叶片120并且通过流动通路108。
对于所描绘的实施例，多个叶片120是可按任何合适的方式(例如，经由燕尾件、压配合、焊接、机械紧固件等等)安装到盘或驱动轴112的固定桨距式叶片。然而，根据备选实施例，风扇组件110可为可变桨距式风扇组件，其包括叶片变桨机构123(参见例如图5-7)，叶片变桨机构123用于选择性地使多个风扇叶片120中的每个围绕变桨轴线P旋转。另外，根据所示出的实施例，风扇组件110可包括多个周向地隔开的导叶或支柱124，这些导叶或支柱124是固定的，并且在风扇外壳102与涵道风扇100的包绕驱动轴112的固定部分之间延伸。
涵道风扇100大体上可在任何合适的应用中使用，并且可包括改变和修改，与此同时其保持处于本主题的范围内。例如，出于在下文中更详细描述的原因，涵道风扇100可包括叶片120，叶片120具有高交错角，使得涵道风扇100可特别地适合于以低流量系数操作。就此而言，涵道风扇100可特别地适合于悬停应用、个人移动装置应用或适合于竖直起飞及着陆(VTOL)飞行器。然而，应当意识到，根据备选实施例，涵道风扇100可容纳用于执行任何其它合适的功能的任何其它合适的类型的旋转叶片。就此而言，例如，本主题的方面可扩展到燃气涡轮发动机的压缩机126或涡轮128(两者在图1中示意性地示出)或扩展到任何其它合适的涵道风扇。根据这样的实施例，涵道风扇100可为如下的燃气涡轮发动机的风扇：可包括核心发动机，核心发动机包括压缩机126和涡轮128。因而，应当意识到，图1中所示出的示范性的涵道风扇100仅通过示例的方式被提供，并且，在其它示范性实施例中，涵道风扇100可具有任何其它合适的构造，并且，本主题可适用于其它类型的涡轮机械。
现在还参考图2，将描述示范性涵道风扇100的成排叶片120的示意图。如所显示的，每个叶片120包括翼型件130，翼型件130具有与吸力侧134相反的压力侧132。每个翼型件130的相反的压力侧132和吸力侧134从叶片根部138沿着叶展136径向地延伸到叶片末梢140(参见图1)。如所描绘的，叶片根部138是叶片120的径向最内部分，并且，叶片末梢140是叶片120的径向最外部分。因而，叶片根部138接近驱动轴112而定位于机舱122的内壁处或其附近，并且，叶片末梢140终止于风扇外壳102处或其附近。而且，将容易理解的是，如大体上在本领域中众所周知的，叶片根部138可限定突出部，该突出部具有燕尾形或其它形状，以便接纳于位于盘上的成互补形状的狭槽中，以使叶片120联接到盘或驱动轴112。
如在图2中进一步显示的，翼型件130的压力侧132和吸力侧134在前缘142与相反的后缘144之间延伸。翼型件130限定弦线146，弦线146在相反的前缘142与后缘144之间延伸。如将容易理解的，弦线146可限定于每个叶展位置处。因而，翼弦146的长度可沿着叶展136变化。当在本文中使用时，术语“末梢弦长”148或仅仅“弦长”旨在指弦线146在翼型件130的叶片末梢140处的平均长度。另外，术语“平均值”在用于指多个风扇叶片120的特性时旨在指针对多个风扇叶片120中的每个的该特性的数学平均值。就此而言，弦长可被称为平均弦长，以补偿风扇叶片120之间的微小改变。另外，术语“末梢轴向弦长”(参见图2中的参考标号149)可在本文中用于指末梢弦长乘以末梢交错角的余弦，在叶展136的外5%内选取，并且针对多个叶片120来求平均值。因而，末梢轴向弦长是末梢翼弦投影在X-R平面上的长度，即，末梢翼弦沿主流(或轴向)方向A的长度。
如图2中所显示的，叶片桨距150限定于成排叶片120内的相邻的叶片120之间。叶片桨距150是叶片120在给定的叶展136处的周向间距。换言之，叶片桨距150是在给定的叶展136位置处的周向长度除以叶片120的数量，并且相应地可沿着叶展136变化。例如，叶展136可包括多个叶展位置，并且，每个位置可对应于叶展136的分数或百分率。
仍然参考图2，多个叶片120可限定交错角152，交错角152可被优化，以改进涵道风扇100的性能和/或可操作性。交错角152可在叶展136的特定横截面或区域处限定为弦线146与轴向方向A(例如，空气流106的主要方向)之间的角。具体地，如本文中所使用的，“末梢交错角”或有时仅仅“交错角”或“交错”旨在指沿着径向方向R在叶展136的外5%内的最小交错角152。换言之，末梢交错角由每个叶片120的叶展136的远侧区域(例如，最靠近风扇外壳102的内壁164的区域)限定。
如上文中所解释的，涵道风扇100可构造成用于以低流量系数(例如，小于0.4、小于0.3、小于0.2或更低)操作。一般而言，风扇流量系数是无量纲参数，其计算为通过风扇的体积流量，该体积流量由风扇迎风(frontal)面积和叶片末梢的旋转速度的乘积归一化。为了实现这样的低流量系数，根据示范性实施例，每个叶片120可具有大于大约68度的末梢交错角152。根据再一些其它实施例，末梢交错角152可大于大约74度、大于大约80度或甚至更大至达90度。也可使用其它末梢交错角152，但一般而言，对于低流量系数的风扇，较高的交错角常常是理想的，以便实现最佳的性能和可操作性。
值得注意的是，如上文中所提到的，由于存在与在风扇外壳处的边界层流、叶片涡流以及在风扇外壳附近的反向流(参见图3)有关的状况，高交错角可能与降低的效率和性能相关联。就此而言，高交错角和低流量系数与由于二次流导致的增加的端壁分离和较高的端壁损失相关联。因此，本主题的方面针对于使这些流体动力学问题对高交错、低流量系数的涵道风扇的不利影响最小化。虽然将在下文中描述示范性解决方案，但应当意识到，可对这样的解决方案作出改变和修改，与此同时其保持处于本主题的范围内。
现在具体地参考图4，风扇外壳102可限定环形凹陷部160，环形凹陷部160可构造成用于接收空隙流(例如，由参考标号162标示)，以防止与主空气流106的负面相互作用。更具体地，限定风扇外壳102的径向最内表面并且限定流动通路108的内壁164可将环形凹陷部160限定为沿着径向方向R定位于叶片末梢140与风扇外壳102之间的周向凹槽或狭槽。
如所示出的，参考表面170可限定为在位于环形凹陷部160的前部的内壁164与位于环形凹陷部160的后部的内壁164之间延伸的表面。就此而言，参考表面170可大体上遵循就好像不存在环形凹陷部160时内壁164的轮廓(例如，类似于常规的风扇外壳)。根据所示出的实施例，叶片末梢140与参考表面170基本上对准。以此方式，空隙流162大体上被推动通过环形凹陷部160，而不是与在流动通路108内的一次空气流106相反地流动。值得注意的是，由于和叶片与风扇外壳102摩擦或撞击有关的问题，在常规的涵道风扇设计中，叶片末梢140的这样的定位将是不可能的。
虽然所示出的实施例显示叶片末梢140沿着参考表面170延伸，但应当意识到，根据备选实施例，叶片120可延伸任何合适的长度而到达环形凹陷部160中。例如，叶片末梢140可至少部分地定位于环形凹陷部160内。根据再一些其它实施例，叶片末梢140可只定位于环形凹陷部160的外部。另外，末梢空隙172可沿着径向方向R限定于每个叶片末梢140与风扇外壳102之间。例如，所有叶片的平均末梢空隙172都可大于末梢弦长的10%。在备选实施例中，平均末梢空隙172可大于末梢弦长的15%、大于20%、大于30%或更大。根据示范性实施例，所有叶片120的平均末梢空隙172都可小于1英寸。在备选实施例中，平均末梢空隙172可小于大约0.25英寸、小于大约0.1英寸或更小。
根据示范性实施例，末梢空隙可为相对于叶片末梢半径174(参见图5)而限定的空隙比。如本文中所使用的，末梢半径174可大体上指针对多个叶片120的平均末梢半径174。例如，空隙比可限定为平均末梢空隙(如在上文中测量的那样)相比于由叶片120中的每个的叶片末梢140界定的半径。另外或备选地，空隙比可限定为平均末梢空隙相比于叶展136。根据示范性实施例，关于叶片末梢半径174的空隙比可大于1%、大于2%、大于3%或更大。其它空隙比在保持处于本主题的范围内时也是可能的。
值得注意的是，环形凹陷部160的尺寸可变化，与此同时其保持处于本主题的范围内。具体地，计算流体动力学或其它合适的流动分析可用于针对特定应用而确定环形凹陷部160的理想的轮廓和几何结构。本文中所描述的示范性的构造和几何结构不旨在限制本主题的范围。
如所示出的，环形凹陷部160大体上由前壁180、后壁182以及端壁184限定，前壁180、后壁182以及端壁184全都环绕风扇外壳102周向地延伸。如所显示的，环形凹陷部160限定基本上矩形的横截面，使得内壁164在内壁164的前部部分与前壁180之间的过渡部处、在前壁180与端壁184之间的过渡部处、在端壁184与后壁182之间的过渡部处以及在后壁182与内壁164的下游部分之间的过渡部处转过约90度。然而，应当意识到，根据备选实施例，前壁180和后壁182可从内壁164以多于或小于90度的角度延伸。另外，根据示范性实施例，壁180-184可弯曲或被提供有平缓的半径。因而，环形凹陷部160的几何结构可变化，与此同时其保持处于本主题的范围内。
仍然参考图4，环形凹陷部160可限定在参考表面170与风扇外壳102(例如，端壁184)之间沿着径向方向R测量的平均凹陷部深度190。具体地，例如，平均凹陷部深度是如沿着叶片120的整个弦线146在参考表面170与风扇外壳102之间测量的凹陷部深度的平均值。平均凹陷部深度190可具有用于容纳叶片末梢涡流和/或空隙流162的针对特定应用的任何合适的大小。例如，平均凹陷部深度190可限定为叶片120的平均末梢弦长148的百分率。根据示范性实施例，平均凹陷部深度大于末梢弦长的10%。然而，其它合适的深度是可能的，并且处于本主题的范围内。例如，凹陷部深度可大于末梢弦长的15%、大于20%、大于30%或更大。
根据示范性实施例，凹陷部深度190还可相对于叶片末梢半径174而限定。如上文中所解释的，末梢半径174可大体上指针对多个叶片120的平均末梢半径174。根据示范性实施例，凹陷部深度190可大于叶片末梢半径174的0.5%。根据再一些其它实施例，凹陷部深度190可大于叶片末梢半径174的1%、大于1.5%、大于2%、大于5%或更大。另外或备选地，凹陷部深度190可小于叶片末梢半径174的10%、小于叶片末梢半径174的5%或小于叶片末梢半径174的3%。应当意识到，凹陷部深度190可变化，与此同时其保持处于本主题的范围内。
另外，环形凹陷部可限定在前壁180与后壁182之间沿着轴向方向A测量的凹陷部长度192。凹陷部长度192可具有例如用于容纳叶片末梢涡流和/或空隙流162的针对特定应用的任何合适的大小。例如，长度比可限定为凹陷部长度192相比于叶片120的末梢轴向弦长149。根据示范性实施例，长度比大于1.5。然而，其它合适的长度比是可能的，并且处于本主题的范围内。例如，长度比可大于2、大于2.5、大于3或更大。
涵道风扇100在本文中根据本主题的各种示范性实施例而被描述。所描述的每个实施例可具有一个或多个特征、特性或尺寸，这些特征、特性或尺寸可根据另外的示范性实施例在涵道风扇上可互换地被实现，与此同时其保持处于本主题的范围内。例如，涵道风扇100在本文中被描述为具有处于各种范围内的特定交错角152、凹陷部深度190、凹陷部长度192、流量系数以及其它特征或特性。应当意识到，示范性的涵道风扇可包括处于任何指定的范围内并且成任何合适的组合的这样的特征或特性，与此同时其保持处于本主题的范围内。
例如，涵道风扇100可具有大于68度、大于74度、大于80度或更大的交错角152。另外或备选地，环形凹陷部160可具有与叶片末梢半径174相比而大于0.5%、大于1%、大于1.5%或更大的凹陷部深度190。另外或备选地，环形凹陷部160可具有大于末梢轴向弦长149加上叶片末梢半径174的百分率(诸如，叶片末梢半径174的1%、2%、3%或更大)的凹陷部长度192。另外或备选地，涵道风扇可具有小于0.4、小于0.3、小于0.2或更低的流量系数。其它范围、特征组合以及另外的示范性的涵道风扇是可能的，并且处于本主题的范围内。
现在参考图5至图7，将根据本主题的各种备选实施例而描述涵道风扇100。由于所描述的实施例之间的相似性，类似的参考标号将用于指相同或类似的特征。如所示出的，环形凹陷部160可由具有不均匀、变化或以其它方式非轴对称的轮廓的壁(例如，诸如壁180-184)限定。示范性的轮廓和特征在下文中被描述为结合到涵道风扇100中。然而，应当意识到，可对所描述的实施例作出改变和修改，与此同时其保持处于本主题的范围内。就此而言，例如，本发明的范围不旨在限于所描述的具体的几何结构、特征或构造。
具体地，如图5中所显示的，端壁184可限定波浪状轮廓(大体上由参考标号200标示)。具体地，如所示出的，端壁184可限定呈周向波浪的形式的波浪状轮廓200，然而，可使用任何波状起伏形状、蜿蜒形状、不规则形状或其它合适的形状。另外，应当意识到，这样的波浪状轮廓200可结合于或限定于前壁180、后壁182或端壁184中的任一个或多个中。其它合适的形状可包括例如锯齿状形状(例如，如在图6中由参考标号202标示)、曲线形状等等。
现在具体地参考图7，涵道风扇100可进一步包括从端壁184延伸的多个狭槽210。狭槽210中的一个或多个可与泄放腔212处于流体连通。以此方式，狭槽210可用于在通过狭槽210的期望的周向位置处从环形凹陷部160泄放空隙流162。根据再一些其它示范性实施例，狭槽可完全地被移除，并且，简单的端口可限定于端壁184中，并且放置成与泄放腔212或周边环境处于流体连通。
使涵道内表面在转子末梢上面局部地凹陷以产生开放、相对大、轴对称的腔并且将转子末梢放在原始(非凹陷的)表面的半径处或其附近允许使用大得多的空隙，同时实现紧密空隙构造(例如，在竖直飞行及悬停条件下)的性能和可操作性。就此而言，通过提供环形凹陷部，叶片末梢可几乎与位于腔的正上游和下游的涵道表面或内壁164径向地对准。照此，位于叶片末梢与相邻的涵道表面或内壁164之间的空气动力学有效的空隙接近零，从而改进性能和可操作性。另外，预期的是，本主题的方面可改进入口流畸变公差。
根据一个理论和示范性实施例，本主题的方面旨在使末梢空隙流和涡流重新定位到位于主流动流外部的区域，即，重新定位到环形凹陷部中的空间。为了有效，腔可足够大，使得末梢涡流停留于腔中，并且不会最终离开或滚出(roll out)到下游涵道壁上。因而，有效的腔可在轴向范围和径向深度两者上相对大。而且，由于末梢空隙全都位于主流路上方的腔中，因而叶片末梢可与位于腔的上游和下游的涵道壁径向地对准。这允许叶片末梢使在涵道壁附近的流动活跃，从而增加动量，从而为下游边界层输送更强的流。
具有低流量系数的涵道风扇大体上需要相对紧密的叶片末梢空隙，以便实现良好的空气动力学性能，但这可能是不可能的或不实际的。另外，可实现关于大得多的物理空隙的更好的空气动力学性能，因为，叶片末梢的自环形凹陷部的内表面起的空隙可为大的，而叶片末梢区段使更多的近外壳的流动活跃(energize)。例如，环形凹陷部的大的轴向长度和径向深度特别地适合于容纳由如本文中所描述的高交错角风扇叶片生成的叶片末梢涡流。对于在具有入口涵道流畸变情况下的风扇操作，其还可提供更大的性能/稳定性容限。
通常，大的转子上方的(over-rotor)腔在常规上已被避免使用，这是因为其被预料到会显著地使空气动力性能劣化。然而，具有高叶片末梢交错角的具有低流量系数的涵道式悬停风扇可产生直接对抗涵道壁流的末梢流及涡流作用。至少在竖直飞行及悬停操作条件下，这样的风扇设计可得益于大的腔，因为此时叶片末梢与涵道之间的相对大的空隙是理想。
本发明的另外的方面由下文的条款的主题提供：
1. 一种涵道风扇，其限定轴向方向、径向方向以及周向方向，涵道风扇包括：风扇外壳，其围绕周向方向延伸，并且限定流动通路；驱动轴，其定位于风扇外壳内，并且可围绕轴向方向旋转；多个叶片，其可操作地联接到驱动轴，并且基本上沿着径向方向朝向风扇外壳延伸，多个叶片限定大于68度的末梢交错角；以及凹陷部，其由风扇外壳的内壁限定，凹陷部接近多个叶片中的每个的叶片末梢而围绕周向方向延伸。
2. 任何前述条款的涵道风扇，其中，凹陷部限定沿着径向方向测量的平均凹陷部深度，平均凹陷部深度大于多个叶片的末梢半径的0.5%。
3. 任何前述条款的涵道风扇，其中，凹陷部限定沿着轴向方向测量的凹陷部长度，其中，凹陷部长度大于末梢轴向弦长加上多个叶片的末梢半径的1%。
4. 任何前述条款的涵道风扇，其中，多个叶片的末梢交错角大于大约74度。
5. 任何前述条款的涵道风扇，其中，平均凹陷部深度大于多个叶片的末梢半径的1%。
6. 任何前述条款的涵道风扇，其中，凹陷部长度大于末梢轴向弦长加上多个叶片的末梢半径的2%。
7. 任何前述条款的涵道风扇，其中，多个叶片的末梢交错角大于大约80度。
8. 任何前述条款的涵道风扇，其中，平均凹陷部深度大于多个叶片的末梢半径的1.5%。
9. 任何前述条款的涵道风扇，其中，凹陷部长度大于末梢轴向弦长加上多个叶片的末梢半径的3%。
10. 任何前述条款的涵道风扇，其中，多个叶片中的每个的叶片末梢与参考表面基本上对准，该参考表面在位于凹陷部的前部的内壁与位于凹陷部的后部的内壁之间延伸。
11. 任何前述条款的涵道风扇，其中，多个叶片中的每个的叶片末梢至少部分地定位于凹陷部内。
12. 任何前述条款的涵道风扇，其中，环形凹陷部是轴对称的。
13. 一种涵道风扇，其限定轴向方向、径向方向以及周向方向，涵道风扇包括：风扇外壳，其围绕周向方向延伸，并且限定流动通路；驱动轴，其定位于风扇外壳内，并且可围绕轴向方向旋转；多个叶片，其可操作地联接到驱动轴，并且基本上沿着径向方向朝向风扇外壳延伸，涵道风扇的多个叶片以基于小于0.4的叶片末梢速度的流量系数操作；以及凹陷部，其由风扇外壳的内壁限定，凹陷部接近多个叶片中的每个的叶片末梢而围绕周向方向延伸。
14. 任何前述条款的涵道风扇，其中，凹陷部限定沿着径向方向测量的平均凹陷部深度，平均凹陷部深度大于多个叶片的末梢半径的0.5%。
15. 任何前述条款的涵道风扇，其中，凹陷部限定沿着轴向方向测量的凹陷部长度，其中，凹陷部长度大于末梢轴向弦长加上多个叶片的末梢半径的2%。
16. 任何前述条款的涵道风扇，其中，涵道风扇的流量系数小于0.25。
17. 任何前述条款的涵道风扇，其中，平均凹陷部深度大于多个叶片的末梢半径的1.5%。
18. 任何前述条款的涵道风扇，其中，多个叶片中的每个的叶片末梢至少部分地定位于凹陷部内。
19. 任何前述条款的涵道风扇，其中，环形凹陷部是轴对称的。
20. 一种涵道风扇，其限定轴向方向、径向方向以及周向方向，涵道风扇包括：风扇外壳，其围绕周向方向延伸，并且限定流动通路；驱动轴，其定位于风扇外壳内，并且可围绕轴向方向旋转；多个叶片，其可操作地联接到驱动轴，并且基本上沿着径向方向朝向风扇外壳延伸；以及凹陷部，其接近多个叶片中的每个的叶片末梢而由风扇外壳的内壁限定，其中，凹陷部限定沿着径向方向测量的平均凹陷部深度，平均凹陷部深度大于多个叶片的末梢半径的1.0%。
21. 任何前述条款的涵道风扇，其中，凹陷部限定沿着轴向方向测量的凹陷部长度，其中，凹陷部长度大于末梢轴向弦长加上多个叶片的末梢半径的2%。
22. 任何前述条款的涵道风扇，其中，多个叶片限定大于68度的末梢交错角。
23. 任何前述条款的涵道风扇，其中，平均末梢空隙限定于多个叶片中的每个的叶片末梢与风扇外壳的内壁之间，平均末梢空隙大于由多个叶片中的每个的叶片末梢界定的半径的1%。
24. 任何前述条款的涵道风扇，其中，环形凹陷部是轴对称的。
25. 任何前述条款的涵道风扇，其中，多个叶片中的每个的叶片末梢至少部分地定位于凹陷部内。
26. 任何前述条款的涵道风扇，其中，多个叶片中的每个的叶片末梢至少部分地定位于凹陷部内。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员都能够实践本发明，包括制作并使用任何装置或系统和执行任何结合的方法。本发明的可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其它示例。如果这样的其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果这些示例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等同结构要素，则这些示例旨在处于权利要求书的范围内。

Claims (26)

1.一种涵道风扇，其限定轴向方向、径向方向以及周向方向，所述涵道风扇包括：
风扇外壳，其围绕所述周向方向延伸，并且限定流动通路；
驱动轴，其定位于所述风扇外壳内，并且可围绕所述轴向方向旋转；
多个叶片，其可操作地联接到所述驱动轴，并且基本上沿着所述径向方向朝向所述风扇外壳延伸，所述多个叶片限定大于68度的末梢交错角，其中，所述末梢交错角指沿着所述径向方向在叶展的外5％内的最小交错角，且‘交错角’被限定为在叶片的弦线与轴向方向之间的角；以及
凹陷部，其由所述风扇外壳的内壁限定，所述凹陷部接近所述多个叶片中的每个的叶片末梢而围绕所述周向方向延伸。
2.根据权利要求1所述的涵道风扇，其特征在于，所述凹陷部限定沿着所述径向方向测量的平均凹陷部深度，所述平均凹陷部深度大于所述多个叶片的末梢半径的0.5％。
3.根据权利要求2所述的涵道风扇，其特征在于，所述凹陷部限定沿着所述轴向方向测量的凹陷部长度，其中，所述凹陷部长度大于末梢轴向弦长加上所述多个叶片的所述末梢半径的1％。
4.根据权利要求3所述的涵道风扇，其特征在于，所述多个叶片的所述末梢交错角大于大约74度。
5.根据权利要求4所述的涵道风扇，其特征在于，所述平均凹陷部深度大于所述多个叶片的所述末梢半径的1％。
6.根据权利要求5所述的涵道风扇，其特征在于，所述凹陷部长度大于末梢轴向弦长加上所述多个叶片的所述末梢半径的2％。
7.根据权利要求6所述的涵道风扇，其特征在于，所述多个叶片的所述末梢交错角大于大约80度。
8.根据权利要求7所述的涵道风扇，其特征在于，所述平均凹陷部深度大于所述多个叶片的所述末梢半径的1.5％。
9.根据权利要求8所述的涵道风扇，其特征在于，所述凹陷部长度大于所述末梢轴向弦长加上所述多个叶片的所述末梢半径的3％。
10.根据权利要求3所述的涵道风扇，其特征在于，所述多个叶片中的每个的所述叶片末梢与参考表面基本上对准，所述参考表面在位于所述凹陷部的前部的所述内壁与位于所述凹陷部的后部的所述内壁之间延伸。
11.根据权利要求3所述的涵道风扇，其特征在于，所述多个叶片中的每个的所述叶片末梢至少部分地定位于所述凹陷部内。
12.根据权利要求3所述的涵道风扇，其特征在于，所述凹陷部围绕所述周向方向延伸，且是轴对称的。
13.一种涵道风扇，其限定轴向方向、径向方向以及周向方向，所述涵道风扇包括：
风扇外壳，其围绕所述周向方向延伸，并且限定流动通路；
驱动轴，其定位于所述风扇外壳内，并且可围绕所述轴向方向旋转；
多个叶片，其可操作地联接到所述驱动轴，并且基本上沿着所述径向方向朝向所述风扇外壳延伸，所述涵道风扇的所述多个叶片以基于小于0.4的叶片末梢速度的流量系数操作；以及
凹陷部，其由所述风扇外壳的内壁限定，所述凹陷部接近所述多个叶片中的每个的叶片末梢而围绕所述周向方向延伸。
14.根据权利要求13所述的涵道风扇，其特征在于，所述凹陷部限定沿着所述径向方向测量的平均凹陷部深度，所述平均凹陷部深度大于所述多个叶片的末梢半径的0.5％。
15.根据权利要求14所述的涵道风扇，其特征在于，所述凹陷部限定沿着所述轴向方向测量的凹陷部长度，其中，所述凹陷部长度大于末梢轴向弦长加上所述多个叶片的所述末梢半径的2％。
16.根据权利要求15所述的涵道风扇，其特征在于，所述涵道风扇的所述流量系数小于0.25。
17.根据权利要求16所述的涵道风扇，其特征在于，所述平均凹陷部深度大于所述多个叶片的所述末梢半径的1.5％。
18.根据权利要求13所述的涵道风扇，其特征在于，所述多个叶片中的每个的所述叶片末梢至少部分地定位于所述凹陷部内。
19.根据权利要求13所述的涵道风扇，其特征在于，所述凹陷部围绕所述周向方向延伸，且是轴对称的。
20.一种涵道风扇，其限定轴向方向、径向方向以及周向方向，所述涵道风扇包括：
风扇外壳，其围绕所述周向方向延伸，并且限定流动通路；
驱动轴，其定位于所述风扇外壳内，并且可围绕所述轴向方向旋转；
多个叶片，其可操作地联接到所述驱动轴，并且基本上沿着所述径向方向朝向所述风扇外壳延伸；以及
凹陷部，其接近所述多个叶片中的每个的叶片末梢而由所述风扇外壳的内壁限定，其中，所述凹陷部限定沿着所述径向方向测量的平均凹陷部深度，所述平均凹陷部深度大于所述多个叶片的末梢半径的1.0％。
21.根据权利要求20所述的涵道风扇，其特征在于，所述凹陷部限定沿着所述轴向方向测量的凹陷部长度，其中，所述凹陷部长度大于末梢轴向弦长加上所述多个叶片的末梢半径的2％。
22.根据权利要求21所述的涵道风扇，其特征在于，所述多个叶片限定大于68度的末梢交错角，其中，所述末梢交错角指沿着所述径向方向在叶展的外5％内的最小交错角，且‘交错角’被限定为在叶片的弦线与轴向方向之间的角。
23.根据权利要求20所述的涵道风扇，其特征在于，平均末梢空隙限定于所述多个叶片中的每个的所述叶片末梢与所述风扇外壳的所述内壁之间，所述平均末梢空隙大于由所述多个叶片中的每个的所述叶片末梢界定的半径的1％。
24.根据权利要求20所述的涵道风扇，其特征在于，所述凹陷部围绕所述周向方向延伸，且是轴对称的。
25.根据权利要求20所述的涵道风扇，其特征在于，所述多个叶片中的每个的所述叶片末梢至少部分地定位于所述凹陷部内。
26.根据权利要求6所述的涵道风扇，其特征在于，所述多个叶片中的每个的所述叶片末梢至少部分地定位于所述凹陷部内。
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