CN114992165A - 一种风扇末级静子可调节的自适应发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种风扇末级静子可调节的自适应发动机，包括位于进口段机匣内的自适应风扇，所述自适应风扇用于调节自适应发动机的涵道比，包括自适应后风扇，所述自适应后风扇设置在前风扇的气流后方，且位于第二分流环内前端；所述自适应后风扇包括至少1级后风扇叶片，每一级所述后风扇叶片均包括后风扇转子和后风扇静子，且末级的所述后风扇叶片的所述后风扇静子为可调风扇静子，所述可调风扇静子经做动机构转动固定在所述第二分流环上。本发明设计的自适应发动机可以实现自适应风扇对涵道比的调节同时风扇部件轴向长度、重量以及零件数都会减少。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机设计技术领域，具体为一种风扇末级静子可调节的自适应发动机。
背景技术
目前，随着航空发动机设计技术的不断发展及更新，下一代军用战斗机将朝超音速巡航马赫数更高，作战半径更远的方向发展。军用战斗机应用自适应发动机，相比常规涡扇发动机来说，其可以通过关键部件几何调节，实现热力循环参数宽范围调节，使得发动机在超声速巡航工况单位推力更高，在亚声速巡航工况耗油率更低。其中，自适应风扇是自适应发动机重要的几何可调节部件，其通过一定形式的调节，可以改变流入发动机第二外涵的气流流量，从而实现涵道比的调节。
目前，现有的自适应发动机的自适应风扇部件由前风扇和后风扇组成，前风扇设计有静子，后风扇由可调导叶、转子和静子组成，其通过后风扇导叶的调节，改变流入后风扇和第二外涵的流量，以实现涵道比的调节。但是，由于前风扇与后风扇之间设有风扇静子(包括前风扇静子和后风扇可调导叶)，其使得风扇沿气流方向轴向长度、发动机重量、发动机零件数等都会增加，造成与发动机轻质化、高可靠性的发展方向相背的问题。此外，后风扇可调节导叶安装位置的径向高度狭小，使得后风扇可调节导叶的做动机构设计难度大，也不利于后期发动机维护。
因此，有必要对现有的自适应发动机进行改进
发明内容
针对现有自适应发动机风扇部件沿气流方向轴向长度、发动机重量增大、发动机零件增多等不利影响，本发明设计了一种风扇末级静子可调节的自适应发动机，其可以实现自适应风扇对涵道比调节的同时，控制风扇部件沿气流方向轴向长度、发动机重量、发动机零件数不会显著增加。
实现发明目的的技术方案如下：一种风扇末级静子可调节的自适应发动机，包括位于进口段机匣内的自适应风扇，所述自适应风扇用于调节自适应发动机的涵道比，包括自适应后风扇，所述自适应后风扇设置在前风扇的气流后方，且位于第二分流环与轮毂形成的流道中；
所述自适应后风扇包括至少1级后风扇叶片，每一级所述后风扇叶片均包括后风扇转子和后风扇静子，且末级的所述后风扇叶片的所述后风扇静子为可调风扇静子，所述可调风扇静子经做动机构转动固定在所述第二分流环上。
进一步的，所述做动机构位于所述第二分流环内，且所述做动机构的径向高度小于所述第二分流环上设置所述做动机构位置的径向高度。
进一步的，定义所述后风扇转子上最大厚度位置与前缘位置之间的距离为a，定义所述后风扇转子的弦长为b，a与b的比例范围为(35～50)：100时，所述自适应后风扇的流量裕度范围为10～20°。
进一步的，定义所述后风扇转子上最大厚度位置与前缘位置之间的距离为a，定义所述后风扇转子的弦长为b，a与b的比例范围为(35～50)：100时，，且所述后风扇转子攻角范围为﹣15°～﹢5°时，所述自适应后风扇的流量裕度范围为10～20°。
进一步的，所述可调风扇静子反向转动20°时，所述自适应发动机的涵道比增大50％～100％；所述可调风扇静子正向转动10°时，所述自适应发动机的涵道比减小10％～40％。
进一步的，所述自适应后风扇为一级后风扇叶片。
进一步的，所述前风扇设置在所述进口段机匣内，且位于所述第二分流环的气流前方；
所述前风扇包括至少1级前风扇叶片，每一级所述前风扇叶片包括前风扇转子和前风扇静子，所述前风扇转子固定在轮盘上，所述前风扇静子固定在所述进口段机匣内壁上。
优选的，所述前风扇还包括可调导叶，所述可调导叶位于第一级前风扇叶片的气流前方，且所述可调导叶转动固定在所述进口段机匣内壁上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明设计的风扇末级静子可调节的自适应发动机，一方面降低了可调导叶或可调静叶片的做动机构的设计难度，做动机构更易于布置和维护；另一方面可以增大发动机涵道比调节范围；第三方面，去除了前风扇与后风扇之间调节导叶的设置，将末级的所述后风扇叶片的所述后风扇静子设计为可调风扇静子，能够减少减少一排叶片(即前风扇与后风扇之间调节导叶)，进而使得风扇轴向长度、重量以及零件数均减少，有利于发动机减重。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为具体实施方式中风扇末级静子可调节的自适应发动机的结构示意图；
图2为具体实施方式中后风扇转子上最大厚度位置与前缘位置之间的距离a，以及后风扇转子的弦长b的示意图；
图3为图2中a：b＝35：100和a：b＝50：100情况下后风扇转子叶形示意图；
图4为具体实施方式中自适应发动机的后风扇的后风扇转子在90％转速压比－流量的特性曲线；
图5具体实施方式中自适应发动机的可调风扇静子的反向转动20°和正向转动10°的调节示意图；
其中，1.前风扇；1－1.前风扇转子；1－2.前风扇静子；1－3、可调导叶；3.自适应风扇；4.后风扇转子；5.自适应后风扇；6.后风扇静子；7.第一分流环；8.第二外涵；9.第一外涵；10.后涵道引射器；11.外涵喷管；12.第二分流环；13.做动机构；14.压气机；15.主燃烧室；16.高压涡轮；17.低压涡轮；18.加力燃烧室；19.主喷管。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
本具体实施方式公开了一种风扇末级静子可调节的自适应发动机，如图1所示，自适应发动机包括自适应风扇3、第一分流环7、第二外涵8、第一外涵9、后涵道引射器10、外涵喷管11、第二分流环12、压气机14、主燃烧室15、高压涡轮16、低压涡轮17、加力燃烧室18、主喷管19，上述各部件的位置及连接关系与现有的涡轮发动机相同，在此不再对其进行一一说明。
其中，如图1所示，自适应风扇3位于进口段机匣内，所述自适应风扇3用于调节自适应发动机的涵道比，包括前风扇1、后风扇5。所述自适应后风扇5设置在前风扇1的气流后方，且位于第二分流环12与轮毂形成的流道中。自适应风扇调节自适应发动机的涵道比的原理是：气体经前风扇1进入机匣后，根据需求自适应后风扇5工作调整进入后风扇5和第二外涵8的空气的比例，以达到要求的涵道比。
上述自适应后风扇5的一种结构中，所述自适应后风扇5包括至少1级后风扇叶片，如图1所示，每一级所述后风扇叶片均包括后风扇转子4和后风扇静子6，且末级的所述后风扇叶片的所述后风扇静子6为可调风扇静子，所述可调风扇静子经做动机构13转动固定在所述第二分流环12上。为了实现风扇轴向长度、重量以及零件数均减少，有利于发动机减重的目的，如图1所示，本具体实施方式中择优选择自适应后风扇5为一级后风扇叶片。同时需要说明的是，本具体实施方式的每一级的后风扇转子4和后风扇静子6都有多个，多个后风扇转子4均匀设置在轮盘上，多个后风扇静子6在第二分流环12的内壁上周向均匀布置。
在自适应后风扇5的一个改进实施例中，为了满足做动机构13的布置需求，使所述做动机构13位于所述第二分流环12内，且所述做动机构13的径向高度小于所述第二分流环12上设置所述做动机构13位置的径向高度；例如当做动机构13的径向高度为6mm时，此时要求第二分流环12上安装做动机构13的位置的径向高度为7～10mm，优选为8mm。
当末级的所述后风扇叶片的所述后风扇静子6设置为可调风扇静子时，此时需要对后风扇转子4进行适应性调节，本具体实施方式中对后风扇转子4采用宽流量裕度设计理念，使得自适应后风扇5在较大流通能力变化的状态下都能稳定工作，本具体实施方式通过以下三种措施实现所述自适应后风扇5的流量裕度范围为10～20°：
一种方法为：定义所述后风扇转子上最大厚度位置与前缘位置之间的距离为a，定义所述后风扇转子的弦长为b，现有通用设计中a与b的比例范围为(20～30)：100，此时后风扇的流量裕度范围为5～10°，在本发明中，如图2和图3所示，a与b的比例范围为(35～50)：100，此时所述自适应后风扇5的流量裕度范围为10～20°。
第二种方法为：现有通用设计中后风扇转子4的攻角范围为±5°，此时后风扇的流量裕度范围为5～10°，在本发明中使所述后风扇转子4攻角范围为﹣15°～﹢5°，此时所述自适应后风扇5的流量裕度范围为10～20°。
第三种方法为上述第一种方法与第二种方法结合，即a与b的比例范围为(35～50)：100，且所述后风扇转子攻角范围为﹣15°～﹢5°时，所述自适应后风扇的流量裕度范围为10～20°。
参见如图4中所展示了自适应后风扇5的后风扇转子4在90％转速下的压比－流量特性曲线，其明显高于常规设计，为可调风扇静子调节时后风扇稳定工作奠定了基础。
上述结构的风扇末级静子可调节的自适应发动机，如图5所示，为0.2小分流状态下自适应后风扇5的后风扇转子4和可调风扇静子的50％叶高的叶片形状。其中，在所述可调风扇静子反向转动20°时，所述自适应发动机的涵道比增大50％～100％；所述可调风扇静子正向转动10°时，所述自适应发动机的涵道比减小10％～40％。本具体实施方式中，定义顺着飞机飞行的方向看去，后风扇转子4(或前风扇转子1－1)顺时针旋转时，从可调风扇静子(或前风扇静子1－2、可调导叶1－3)的高半径位置向低半径位置看，可调风扇静子绕积叠轴反向转动(也可称之为逆时针旋转)为调节角度关闭，可调风扇静子绕积叠轴正向转动(也可称之为顺时针旋转)为调节角度打开，可调风扇静子在初始调节角度的基础上可以关闭，可调风扇静子在初始调节角度的基础上也可以打开。
上述自适应后风扇5的一种结构中，如图1所示，所述前风扇1设置在所述进口段机匣内，且位于所述第二分流环12的气流前方。所述前风扇1包括至少1级前风扇叶片，每一级所述前风扇叶片包括前风扇转子1－1和前风扇静子1－2，所述前风扇转子1－1固定在轮盘上，所述前风扇静子1－2固定在所述进口段机匣内壁上。优选的，如图1所示，所述前风扇还包括可调导叶1－3，所述可调导叶1－3位于第一级前风扇叶片的气流前方，且所述可调导叶1－3转动固定在所述进口段机匣内壁上。同时需要说明的是，本具体实施方式的每一级的前风扇转子1－1、前风扇静子1－2、可调导叶1－3都有多个，多个前风扇转子1－1均匀设置在轮盘上，多个前风扇静子1－2和可调导叶1－3在进口段机匣内壁上周向均匀布置。
本具体实施方式中，自适应发动机调节涵道比的过程为：
当自适应发动机需要自适应风扇将分流比调大，以调大发动机涵道比时，可调风扇静子调节角度逐渐关小，自适应风扇5的流通能力减小，前风扇1吸入的气流更多的流入第二外涵8，然后由外涵喷管11排入大气中。
当自适应发动机需要自适应风扇将分流比调小，以调小发动机涵道比时，可调风扇静子调节角度逐渐打开，自适应后风扇5的流通能力增大，前风扇1吸入的气流更多的流入自适应后风扇5。流入自适应后风扇5的气流，当后涵道引射器10关小时，流入第一外涵9的气流减小，使得后风扇排出的气流更多的流入压气机14中，增大发动机核心流通能力，提高推力。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明设计的风扇末级静子可调节的自适应发动机，一方面降低了可调导叶或可调静叶片的做动机构的设计难度，做动机构更易于布置和维护；另一方面可以增大发动机涵道比调节范围；第三方面，去除了前风扇与后风扇之间调节导叶的设置，将末级的所述后风扇叶片的所述后风扇静子设计为可调风扇静子，能够减少减少一排叶片(即前风扇与后风扇之间调节导叶)，进而使得风扇轴向长度、重量以及零件数均减少，有利于发动机减重。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (8)
1.一种风扇末级静子可调节的自适应发动机，包括位于进口段机匣内的自适应风扇，其特征在于：所述自适应风扇用于调节自适应发动机的涵道比，包括自适应后风扇，所述自适应后风扇设置在前风扇的气流后方，且位于第二分流环与轮毂形成的流道中；
所述自适应后风扇包括至少1级后风扇叶片，每一级所述后风扇叶片均包括后风扇转子和后风扇静子，且末级的所述后风扇叶片的所述后风扇静子为可调风扇静子，所述可调风扇静子经做动机构转动固定在所述第二分流环上。
2.根据权利要求1所述的风扇末级静子可调节的自适应发动机，其特征在于：所述做动机构位于所述第二分流环内，且所述做动机构的径向高度小于所述第二分流环上设置所述做动机构位置的径向高度。
3.根据权利要求1所述的风扇末级静子可调节的自适应发动机，其特征在于：定义所述后风扇转子上最大厚度位置与前缘位置之间的距离为a，定义所述后风扇转子的弦长为b，a与b的比例范围为(35～50)∶100时，所述自适应后风扇的流量裕度范围为10～20°。
4.根据权利要求1所述的风扇末级静子可调节的自适应发动机，其特征在于：定义所述后风扇转子上最大厚度位置与前缘位置之间的距离为a，定义所述后风扇转子的弦长为b，a与b的比例范围为(35～50)∶100时，且所述后风扇转子攻角范围为﹣15°～﹢5°时，所述自适应后风扇的流量裕度范围为10～20°。
5.根据权利要求1所述的风扇末级静子可调节的自适应发动机，其特征在于：所述可调风扇静子反向转动20°时，所述自适应发动机的涵道比增大50％～100％；所述可调风扇静子正向转动10°时，所述自适应发动机的涵道比减小10％～40％。
6.根据权利要求1所述的风扇末级静子可调节的自适应发动机，其特征在于：所述自适应后风扇为一级后风扇叶片。
7.根据权利要求1所述的风扇末级静子可调节的自适应发动机，其特征在于：所述前风扇设置在所述进口段机匣内，且位于所述第二分流环的气流前方；
所述前风扇包括至少1级前风扇叶片，每一级所述前风扇叶片包括前风扇转子和前风扇静子，所述前风扇转子固定在轮盘上，所述前风扇静子固定在所述进口段机匣内壁上。
8.根据权利要求7所述的风扇末级静子可调节的自适应发动机，其特征在于：所述前风扇还包括可调导叶，所述可调导叶位于第一级前风扇叶片的气流前方，且所述可调导叶转动固定在所述进口段机匣内壁上。
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