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      一種帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的制作方法

      文檔序號(hào):11402271閱讀:269來(lái)源:國(guó)知局
      一種帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的制造方法與工藝

      本實(shí)用新型屬于大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇,屬于大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中一種空氣壓縮器件。



      背景技術(shù):

      大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)和持續(xù)發(fā)展,提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性,降低了飛機(jī)噪聲以及污染物的排放,同時(shí)大幅度提升了飛機(jī)的起飛性能,成為軍民用運(yùn)輸機(jī)的主要?jiǎng)恿Γ且粋€(gè)國(guó)家科技水平和創(chuàng)新能力的重要標(biāo)志。未來(lái)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展將會(huì)進(jìn)一步在提高性能和可靠性、降低污染排放和噪聲等方面做出努力,使其具有更好的經(jīng)濟(jì)性以及更好地滿足航空飛行的舒適性和環(huán)保要求。

      在民用方面,要獲得良好的經(jīng)濟(jì)性,降低發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率是主要途徑,需要提高發(fā)動(dòng)機(jī)的總增壓比、渦輪前溫度和涵道比,即采用“三高”循環(huán)參數(shù)。對(duì)比大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比發(fā)展歷程可知,目前大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比為6~9,即將投人使用的下一代發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比將達(dá)到10左右,未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比將達(dá)到12以上。

      在滿足航空飛行的舒適性和環(huán)保要求方面,飛行噪聲的控制也越來(lái)越重要,而風(fēng)扇噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)主要噪聲來(lái)源之一。由于轉(zhuǎn)子噪聲近似與葉尖速度的4次方成比例,降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的葉尖切線速度可降低風(fēng)扇噪聲。舒適性需求驅(qū)使風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不斷下降,預(yù)計(jì)高涵道比風(fēng)扇的葉尖切線速度將降至260m/s,相應(yīng)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速顯著下降。

      風(fēng)扇葉尖切線速度的不斷降低,會(huì)帶來(lái)兩方面問(wèn)題:一、隨著涵道比的增加,雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不斷降低,為了滿足總體性能要求就必須要增加驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇和增壓級(jí)的低壓渦輪級(jí)數(shù),這樣導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)整體尺寸變大,重量增加,這些問(wèn)題在涵道比 12以上的雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上尤為突出。二、低葉尖切線速度自然決定了風(fēng)扇的壓比有所降低,風(fēng)扇下游的增壓級(jí)的切線速度也非常低,其加功增壓能力嚴(yán)重不足,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的起飛推力明顯降低。

      針對(duì)未來(lái)超高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇涵道比與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速嚴(yán)重不匹配的問(wèn)題,解決該問(wèn)題的途徑通常有:1、采用齒輪驅(qū)動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)(GTF);2、采用三轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī);3、采用空氣渦輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī);4、后風(fēng)扇渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

      這些途徑都在一定程度上推動(dòng)了大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展,但也存在一定的不足:(1)采用齒輪驅(qū)動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),低壓渦輪經(jīng)過(guò)齒輪減速器減速后驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇,使低壓軸轉(zhuǎn)速與風(fēng)扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相匹配,然而齒輪減速器由于其傳遞功率巨大,轉(zhuǎn)速比也較大,導(dǎo)致其設(shè)計(jì)難度很大,往往成為大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的瓶頸,限制了該類型發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比的增大;(2)采用三轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)可以更為合理地在風(fēng)扇、高低壓壓氣機(jī)和高低中壓渦輪間分配功率和匹配轉(zhuǎn)速,驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)的低壓渦輪往往外徑尺寸較大,且無(wú)需驅(qū)動(dòng)低壓壓氣機(jī),使得其可以不經(jīng)過(guò)減速器而直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇,但三轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是顯著的,其結(jié)構(gòu)往往十分復(fù)雜,三個(gè)同心軸系存在著復(fù)雜的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,這些因素使得現(xiàn)今只有少數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)公司采用該類型發(fā)動(dòng)機(jī);(3)采用空氣渦輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇,該類型發(fā)動(dòng)機(jī)在微小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上已得到應(yīng)用,主要解決單軸微小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇與渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速極度不匹配問(wèn)題。該類型發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)壓氣機(jī)后已增壓空氣經(jīng)過(guò)空氣渦輪靜子加速后沖擊空氣渦輪轉(zhuǎn)子,以帶動(dòng)與其連接的風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn),這種方式避免了高轉(zhuǎn)速渦輪直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子,但也存在一些缺陷。一方面,空氣渦輪效率較低,遠(yuǎn)低于渦輪功通過(guò)機(jī)械方式傳至風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的機(jī)械效率;另一方面,該類型發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)級(jí)壓比較高,但參與實(shí)際熱力循環(huán)的燃燒室前總壓比由于空氣渦輪的存在低于該級(jí)壓比,這使得發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)涵的經(jīng)濟(jì)性較差。(4)后風(fēng)扇渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),后風(fēng)扇形式的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)采用獨(dú)立的低壓渦輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇,且渦輪功不需要通過(guò)轉(zhuǎn)軸前傳,避免了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的同心軸系,但其缺點(diǎn)也是顯著的:一方面,一體化不同材料的風(fēng)扇和渦輪難以加工制造,且需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行封嚴(yán)工作以避免燃?xì)馔庑怪镣夂?;另一方面,后風(fēng)扇的形式使得外函增壓不能像前風(fēng)扇形式一樣為內(nèi)涵所用,無(wú)法為提高內(nèi)涵經(jīng)濟(jì)性做出貢獻(xiàn)。這些缺點(diǎn)使得后風(fēng)扇形式渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展早期出現(xiàn)后,即不被廣泛采用。

      面對(duì)未來(lái)超高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇涵道比與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速嚴(yán)重不匹配的問(wèn)題,以及基于上述四種途徑的不足和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,在原有雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上,本實(shí)用新型提出一種帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇結(jié)構(gòu),利用氣動(dòng)力實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞,解決風(fēng)扇與驅(qū)動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)速度不協(xié)調(diào)的問(wèn)題,消除了沉重的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,重量輕等特點(diǎn)。其工作原理如同人們生活中常見(jiàn)的自旋轉(zhuǎn)灌溉裝置,自旋轉(zhuǎn)噴泉相類似,更為專業(yè)和貼切的實(shí)例當(dāng)屬槳尖噴氣驅(qū)動(dòng)旋翼直升機(jī)。

      槳尖噴氣驅(qū)動(dòng)旋翼直升機(jī)通過(guò)翼尖高速噴流產(chǎn)生反作用力驅(qū)動(dòng)旋翼旋轉(zhuǎn),與軸驅(qū)動(dòng)旋翼相比,消除了沉重的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)與反扭矩系統(tǒng),有效減小了系統(tǒng)的復(fù)雜性,具有簡(jiǎn)單易用、結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕的特點(diǎn)。同時(shí)槳葉旋轉(zhuǎn)慣量大,飛機(jī)飛行穩(wěn)定,易于操縱。由于槳尖噴氣飛機(jī)理論上的優(yōu)點(diǎn),20世紀(jì)中葉以來(lái)各國(guó)進(jìn)行了大量的探索,并取得了一定的研究成果,不少飛機(jī)試飛成功。

      產(chǎn)生翼尖噴流的方式有兩種:一是在翼尖安裝噴氣發(fā)動(dòng)機(jī),如XH-20,H-26,YH-32 直升機(jī),這種方式噪聲大,耗油率高,且翼尖發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的離心力使旋翼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度面臨極大挑戰(zhàn),因此沒(méi)有得到大范圍應(yīng)用。另一種是從噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)或空氣壓縮機(jī)尾部引出氣體,氣體通過(guò)管道流經(jīng)旋翼槳轂、中空槳葉,最后從旋翼翼尖噴口噴出,產(chǎn)生反作用驅(qū)動(dòng)力,如XV-1、XV-9A、XV-17以及一些超輕型直升機(jī),這種方式降低了噪聲水平與對(duì)結(jié)構(gòu)的要求,是噴氣旋翼產(chǎn)生噴流的主要方式。美國(guó)NASA研制的新概念可停轉(zhuǎn)旋翼飛行器X-50就是利用威廉姆斯國(guó)際F112小型渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)混合排氣,通過(guò)槳葉內(nèi)的管道在槳尖噴出,驅(qū)動(dòng)旋翼高速旋轉(zhuǎn),為飛行器X-50垂直起降提供拉力的典型。

      本實(shí)用新型提出的一種帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇與第二種槳尖噴氣驅(qū)動(dòng)旋翼作用機(jī)制完全相同。通過(guò)對(duì)引氣量的控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與涵道比的調(diào)節(jié),使得發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性兼得成為可能。對(duì)該結(jié)構(gòu)噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與涵道比的控制可以有效擴(kuò)大新型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)非設(shè)計(jì)點(diǎn)性能和穩(wěn)定工作范圍,以適應(yīng)不同的飛行機(jī)動(dòng)性能要求。另外帶箍風(fēng)扇消除葉尖間隙帶來(lái)的損失,提高了風(fēng)扇部件的氣動(dòng)效率,且?guī)Ч磕苡行p少風(fēng)扇葉片彎曲應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力,從根本上解決了顫振等問(wèn)題。



      技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

      發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足,針對(duì)未來(lái)超高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速嚴(yán)重不匹配,以及對(duì)于齒輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇等形式的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和效率低等問(wèn)題,本實(shí)用新型在雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用基礎(chǔ)上提出一種帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇,可以應(yīng)用在未來(lái)超高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中,相比常規(guī)意義上的雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)而言,可以進(jìn)一步增大渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比,提高風(fēng)扇部件效率,以增加推力、降低耗油率,顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性。

      技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的,本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為:

      一種帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇,包括風(fēng)扇輪轂氣室、風(fēng)扇葉片、箍狀集氣環(huán)和噴管,所述風(fēng)扇輪轂氣室是由所述風(fēng)扇葉片葉根處輪轂線環(huán)繞風(fēng)扇中心轉(zhuǎn)軸線而形成的軸對(duì)稱回轉(zhuǎn)面裝置;

      所述風(fēng)扇葉片環(huán)繞所述風(fēng)扇輪轂氣室周向均勻布置,所述風(fēng)扇葉片的葉尖處通過(guò)一中空閉環(huán)結(jié)構(gòu)連接成一體,形成所述的箍狀集氣環(huán)裝置;所述風(fēng)扇葉片為中空結(jié)構(gòu),內(nèi)部的風(fēng)扇葉片中空腔室與所述輪轂氣室以及所述箍狀集氣環(huán)為一體式貫通結(jié)構(gòu);

      所述箍狀集氣環(huán)內(nèi)部周向均勻布置有若干數(shù)量的噴管,所述噴管的進(jìn)出口指向與風(fēng)扇在通流增壓時(shí)的主流方向一致。

      進(jìn)一步的,所述噴管的出口方向與風(fēng)扇中心轉(zhuǎn)軸線存有夾角,夾角范圍為45°~85°之間;

      進(jìn)一步的,所述箍狀集氣環(huán)周向均勻分布有18~180個(gè)噴管,噴管橫截面形狀為圓形或方形,所述噴管為收擴(kuò)噴管。

      進(jìn)一步的,所述箍狀集氣環(huán)的外形包括環(huán)形箍狀結(jié)構(gòu)和橢圓形箍狀結(jié)構(gòu)。

      進(jìn)一步的,箍環(huán)結(jié)構(gòu)寬度等于風(fēng)扇葉尖處葉型軸向弦長(zhǎng)的80~120%,高度為整個(gè)葉片平均徑向高度的1%~5%。

      進(jìn)一步的,風(fēng)扇葉片外形幾何參數(shù)與常規(guī)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)相同。

      進(jìn)一步的,風(fēng)扇輪轂氣室是由風(fēng)扇葉片葉根處的輪轂線環(huán)繞風(fēng)扇中心轉(zhuǎn)軸線形成的中空腔室,風(fēng)扇輪轂氣室的軸向長(zhǎng)度約等于葉片葉根處的軸向弦長(zhǎng)1.1~1.2倍,徑向半徑等于風(fēng)扇葉片葉根處半徑。

      進(jìn)一步的,所述風(fēng)扇輪轂氣室通過(guò)銜接環(huán)、引氣導(dǎo)流器與外部高壓氣源連通。

      根據(jù)上述的一種帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的工作方法,包括以下步驟:

      1)高壓氣體經(jīng)引氣導(dǎo)流器、銜接環(huán)進(jìn)入風(fēng)扇輪轂氣室;

      2)所述高壓氣體經(jīng)由風(fēng)扇輪轂氣室、風(fēng)扇葉片中空腔室,最終匯入葉尖處的箍狀集氣環(huán)裝置;

      3)所述高壓氣體經(jīng)所述箍狀集氣環(huán)裝置內(nèi)的若干收擴(kuò)噴管高速噴出,產(chǎn)生反推力,利用噴流產(chǎn)生的反作用力矩,驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng);

      4)風(fēng)扇吸入空氣并進(jìn)行壓縮,實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇通流增壓的作用。

      有益效果:本實(shí)用新型提供的帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇及其工作方法,在雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用中有如下優(yōu)點(diǎn):

      1、與齒輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇等形式的發(fā)動(dòng)機(jī)相比,帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇消除了沉重的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,重量輕等特點(diǎn)。

      2、通過(guò)對(duì)引氣量的控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速與涵道比的調(diào)節(jié),使得發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性兼得成為可能。另外對(duì)于該結(jié)構(gòu)噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與涵道比的控制可以有效擴(kuò)大新型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)非設(shè)計(jì)點(diǎn)性能和穩(wěn)定工作范圍,以適應(yīng)不同的飛行機(jī)動(dòng)性能要求。

      3、該環(huán)向帶箍結(jié)構(gòu)可以適用于任何高涵道比風(fēng)扇葉型,相比于直接在風(fēng)扇葉片內(nèi)部添加噴管利用射流驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇來(lái)說(shuō),不用考慮風(fēng)扇葉片數(shù)量以及葉片厚度的限制。

      4、采用帶箍結(jié)構(gòu)的噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇,可以有效減少轉(zhuǎn)子葉片與機(jī)匣之間的葉尖間隙泄漏流,從而減少風(fēng)扇部件的流動(dòng)損失,提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

      5、葉片帶箍結(jié)構(gòu)可以對(duì)葉片進(jìn)行限幅、調(diào)頻和減振,有效的減少風(fēng)扇葉片在工作狀態(tài)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力,減輕了葉片本身的重量,從根本上解決了顫振等問(wèn)題。

      附圖說(shuō)明

      圖1為本實(shí)用新型所述的帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇在雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用示意圖:其中1-帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇;2-多級(jí)低壓壓氣機(jī);3-多級(jí)高壓壓氣機(jī);4-燃燒室; 5-多級(jí)高壓渦輪;6-多級(jí)低壓渦輪;7-尾噴管;8-高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸;9-低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸;10- 引氣導(dǎo)流器。

      圖2為本實(shí)用新型所述的一種環(huán)形箍狀結(jié)構(gòu)噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇正面?zhèn)纫晥D:其中11- 噴管;12-風(fēng)扇葉片;13-風(fēng)扇輪轂;15-箍狀集氣環(huán)。

      圖3為本實(shí)用新型所述的一種橢圓形箍狀結(jié)構(gòu)噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇正面?zhèn)纫晥D:其中11- 噴管;12-風(fēng)扇葉片;13-風(fēng)扇輪轂;15-箍狀集氣環(huán)。

      圖4為本實(shí)用新型所述的箍狀結(jié)構(gòu)噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇背面?zhèn)纫晥D:其中11-噴管;12- 風(fēng)扇葉片;13-風(fēng)扇輪轂;15-箍狀集氣環(huán)。

      圖5為本實(shí)用新型所述的一種環(huán)形箍狀結(jié)構(gòu)噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇二維結(jié)構(gòu)示意圖:其中 10-引氣導(dǎo)流器;11-噴管;12-風(fēng)扇葉片;13-風(fēng)扇輪轂;14-風(fēng)扇中心轉(zhuǎn)軸線;15-橢圓形箍狀集氣環(huán);16-風(fēng)扇葉片中空腔室;17-風(fēng)扇輪轂氣室;18-銜接環(huán)。

      圖6為本實(shí)用新型所述的一種基于環(huán)形箍狀結(jié)構(gòu)的噴管射流示意圖:11-噴管;12- 風(fēng)扇葉片;14–風(fēng)扇中心轉(zhuǎn)軸線;15-箍狀集氣環(huán)。

      圖7為實(shí)施例的內(nèi)管路壁面所受到的氣流阻力扭矩隨流量變化的關(guān)系示意圖。

      圖8為實(shí)施例的葉片下游流場(chǎng)的相對(duì)馬赫數(shù)以及相對(duì)總壓的分布云示意圖,其中,圖8(a)為相對(duì)馬赫數(shù)的分布云圖,圖8(b)為相對(duì)總壓的分布云圖。

      圖9為實(shí)施例的計(jì)算域出口截面沿徑向分布的絕對(duì)馬赫數(shù)、總壓比分布曲線以及全通道出口截面整體的絕對(duì)馬赫數(shù)分布云示意圖,其中,圖9(a)為計(jì)算域出口截面沿徑向分布的絕對(duì)馬赫數(shù)、總壓比分布曲線分布云圖,圖9(b)為全通道出口截面整體的絕對(duì)馬赫數(shù)分布云圖。

      圖10為實(shí)施例的不同展向高度上的葉片表面靜壓分布示意圖,其中,圖10(a)為 5%展向位置處,圖10(b)為50%展向位置處,圖10(c)為90%展向位置處。

      具體實(shí)施方式

      下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作更進(jìn)一步的說(shuō)明。

      在傳統(tǒng)雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上,引入該新型帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇1。相比傳統(tǒng)雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),在結(jié)構(gòu)上主要增加了引氣導(dǎo)流器10、銜接環(huán)18、風(fēng)扇輪轂氣室17、風(fēng)扇葉片中空腔室16以及在風(fēng)扇葉尖處與葉片貫通一體的箍狀集氣環(huán)15等裝置。

      將核心機(jī)多級(jí)高壓壓氣機(jī)3處引出的高壓氣體經(jīng)引氣導(dǎo)流器10、銜接環(huán)18的作用進(jìn)入風(fēng)扇輪轂氣室17,隨后輪轂氣室17中的高壓氣流進(jìn)入與輪轂氣室相通的風(fēng)扇葉片中空腔室16并最終匯入葉尖處的箍狀集氣環(huán)裝置15,集氣環(huán)裝置15內(nèi)部周向均勻布置有相當(dāng)數(shù)量的收擴(kuò)噴管11,且噴管中心軸線與風(fēng)扇轉(zhuǎn)子中心轉(zhuǎn)軸線14有一定夾角,高壓氣流經(jīng)收擴(kuò)噴管高速噴出產(chǎn)生反推力,利用噴流產(chǎn)生的反作用力矩,驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而風(fēng)扇可以吸入大量空氣并進(jìn)行壓縮,實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇通流增壓的作用。

      實(shí)施例

      帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的應(yīng)用實(shí)施例是以雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為原型,在其基礎(chǔ)上做進(jìn)一步地具體說(shuō)明。

      如圖1所示,與雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)原型相比較,除帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇1結(jié)構(gòu)不同外,其余結(jié)構(gòu)基本相同,主要包括:2-多級(jí)低壓壓氣機(jī);3-多級(jí)高壓壓氣機(jī);4-燃燒室;5-多級(jí)高壓渦輪;6-多級(jí)低壓渦輪;7-尾噴管;8-高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸;9-低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸。

      該結(jié)構(gòu)雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中的內(nèi)涵氣流經(jīng)風(fēng)扇靜子葉片,進(jìn)入多級(jí)低壓壓氣機(jī)2、多級(jí)高壓壓氣機(jī)3,氣流壓力會(huì)得到進(jìn)一步提升,隨后高壓氣流進(jìn)入燃燒室4,產(chǎn)生的高溫燃?xì)庀群蠼?jīng)過(guò)多級(jí)高壓渦輪5、多級(jí)低壓渦輪6膨脹做功。渦輪的功率提取分別通過(guò)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸8、低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸9傳遞給多級(jí)高壓壓氣機(jī)3和多級(jí)低壓壓氣機(jī)2。

      在雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上,引入該帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇1結(jié)構(gòu);如圖4、圖5所示,其風(fēng)扇轉(zhuǎn)子整體結(jié)構(gòu)包含風(fēng)扇輪轂13、風(fēng)扇葉片12、噴管11、箍狀集氣環(huán)15、風(fēng)扇輪轂氣室17、風(fēng)扇葉片中空腔室16以及與風(fēng)扇輪轂氣室連通的銜接環(huán)18和引氣導(dǎo)流器10等。其中在圖2與圖3所示的剖面圖中,a表示箍狀集氣環(huán)15的最大高度值,其值約為整個(gè)葉片高度值的1.5%~2%。在本實(shí)施例中該箍狀集氣環(huán)高度值為葉片高度的 1.5%,即10mm。b表示箍狀集氣環(huán)15的寬度值,其值等于該風(fēng)扇葉尖處葉型的軸向長(zhǎng)度,不同尺寸的風(fēng)扇以及不同的風(fēng)扇葉型都會(huì)導(dǎo)致風(fēng)扇葉尖處葉型的軸向長(zhǎng)度有所變化,所以箍狀集氣環(huán)15的寬度值視具體風(fēng)扇尺寸和葉型而定,箍狀集氣環(huán)寬度等于所述風(fēng)扇葉片葉尖處葉型的軸向弦長(zhǎng)的100%,對(duì)于本實(shí)施例所述的風(fēng)扇,該寬度值約為 187mm。

      工作中,通過(guò)引氣導(dǎo)流器10的作用,將多級(jí)高壓壓氣機(jī)3處高壓氣體引入至與銜接環(huán)18相連接的風(fēng)扇輪轂氣室17中,由于風(fēng)扇葉片中空腔室16、輪轂氣室17以及箍狀集氣環(huán)15為一體式貫通結(jié)構(gòu),所以進(jìn)入風(fēng)扇輪轂氣室17的高壓氣體最終會(huì)匯入到箍狀集氣環(huán)15中,在箍狀集氣環(huán)15中周向均勻分布有18~180個(gè)收擴(kuò)噴管11,噴管11 進(jìn)出口中心軸線與風(fēng)扇中心轉(zhuǎn)軸線14有一定夾角,高壓氣流經(jīng)收擴(kuò)噴管11高速噴出產(chǎn)生反推力,從而利用噴管噴流產(chǎn)生的反作用力矩,驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而風(fēng)扇可以吸入大量空氣并進(jìn)行壓縮,實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇通流增壓的作用。

      箍狀集氣環(huán)15的外形包括環(huán)形箍狀結(jié)構(gòu)和橢圓形箍狀結(jié)構(gòu),在應(yīng)用實(shí)施方面,不同的應(yīng)用對(duì)象對(duì)應(yīng)的箍環(huán)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)會(huì)有所不同。由于在本實(shí)施例中該結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中,故選定為橢圓形箍狀結(jié)構(gòu)比較合適,在圖5中看見(jiàn),風(fēng)扇內(nèi)部高壓氣流流經(jīng)橢圓形箍狀集氣環(huán)時(shí),相比于環(huán)形結(jié)構(gòu),橢圓形結(jié)構(gòu)可以使得高壓氣流流入噴管時(shí)偏轉(zhuǎn)平緩,損失小于環(huán)形箍狀集氣環(huán);另一方面橢圓形結(jié)構(gòu)使得其集氣環(huán)外表面與流體的實(shí)際接觸面積要比環(huán)形結(jié)構(gòu)的要小,這樣由于與流體由于摩擦作用產(chǎn)生的阻力扭矩相對(duì)較小。最后,采用橢圓形箍狀結(jié)構(gòu),在風(fēng)扇實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,其迎風(fēng)面積要比采用環(huán)形箍狀結(jié)構(gòu)風(fēng)扇的迎風(fēng)面積小。

      風(fēng)扇輪轂氣室17是由風(fēng)扇葉片12葉根處的輪轂線環(huán)繞風(fēng)扇中心轉(zhuǎn)軸線14形成的中空腔室,風(fēng)扇輪轂氣室17的軸向長(zhǎng)度約等于葉片葉根處的軸向弦長(zhǎng)1.1~1.2倍,徑向半徑等于風(fēng)扇葉片12葉根處半徑。對(duì)于本實(shí)施例中的尺寸風(fēng)扇,風(fēng)扇輪轂氣室17軸向長(zhǎng)度為200mm,徑向半徑在294mm~379mm之間。

      風(fēng)扇輪轂氣室17通過(guò)銜接環(huán)18、引氣導(dǎo)流器10與外部高壓氣源連通。由于箍狀集氣環(huán)15、風(fēng)扇葉片中空腔室16以及風(fēng)扇輪轂氣室17為一體式貫通結(jié)構(gòu),在風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)過(guò)程中,該一體式貫通結(jié)構(gòu)也會(huì)隨之一起旋轉(zhuǎn);銜接環(huán)18是固定不轉(zhuǎn)的,通過(guò)封嚴(yán)篦齒和軸承與旋轉(zhuǎn)著的風(fēng)扇輪轂氣室17相連接;引氣導(dǎo)流器10與銜接環(huán)18兩部件通過(guò)密封閥連接;外部高壓氣源依據(jù)該帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的具體應(yīng)用場(chǎng)合會(huì)有所不同,本實(shí)施應(yīng)用是以雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為背景,所以高壓引氣源來(lái)自于核心機(jī)多級(jí)高壓壓氣機(jī)3。

      對(duì)于噴管射流原理而言,反推力與推力大小相等、方向相反,其計(jì)算公式可表示為 |F′|=|F|=|M·V+(P-P)·A|,其中F表示推力、F′表示反推力,M表示噴管出口射流的質(zhì)量流量、V表示噴管出口射流速度、P表示噴管出口處?kù)o壓、P表示噴管出口外界背壓、 A表示噴管出口截面面積。如圖6中所示,噴管射流方向與風(fēng)扇中心轉(zhuǎn)軸線存在一定夾角α,則與風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)方向相反方向的反推力大小可表示為|U′|=|F′|sinα=|F|sinα=|U|,那么周向反推力U′所產(chǎn)生的動(dòng)力扭矩大小就可以表示為|N動(dòng)|=|U′|·R,R表示噴管出口射流點(diǎn)所在風(fēng)扇徑向半徑的大小。如果周向由噴管射流作用產(chǎn)生的總動(dòng)力扭矩值與該結(jié)構(gòu)風(fēng)扇在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程所受到的周向氣動(dòng)阻力扭矩值達(dá)到平衡時(shí),那么就能夠說(shuō)明該結(jié)構(gòu)風(fēng)扇能夠依靠噴管射流作用驅(qū)動(dòng)自身旋轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇通流增壓的作用。

      為了驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的可行性,運(yùn)用CFD數(shù)值模擬進(jìn)行計(jì)算分析,實(shí)際CFD數(shù)值模擬共分為兩部分計(jì)算,一部分為在引氣條件下風(fēng)扇葉片內(nèi)流管路的數(shù)值模擬;另一部分為在引氣條件下該結(jié)構(gòu)風(fēng)扇在通流增壓時(shí)的外部流場(chǎng)單通道數(shù)值模擬。計(jì)算條件給定為:轉(zhuǎn)速3570轉(zhuǎn)/分(RPM),進(jìn)口總壓101325Pa、總溫288K,背壓90000Pa,引氣總壓1.6MPa、總溫635K。

      該實(shí)施例所采用的風(fēng)扇葉片外形幾何參數(shù)與常規(guī)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)相同,具體為:風(fēng)扇葉片數(shù)為18個(gè),展弦比為1.75,進(jìn)口輪轂比為0.3,進(jìn)口葉尖直徑為 1.95m;在進(jìn)口總壓0.1MPa、總溫288K條件下,該風(fēng)扇在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速3570RPM運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),其質(zhì)量流量約為545kg/s,總壓比為1.45。

      內(nèi)流管路的CFD數(shù)值模擬主要是分析在特定轉(zhuǎn)速和引氣總壓條件下,內(nèi)管路壁面所受到的氣流阻力扭矩隨流量變化的關(guān)系,如圖7曲線所示。

      外部單通道流場(chǎng)CFD數(shù)值模擬主要是分析在特定轉(zhuǎn)速、背壓和引氣總壓條件下,該結(jié)構(gòu)風(fēng)扇外表面壁面所受到的阻力扭矩以及在射流條件下所產(chǎn)生的動(dòng)力扭矩,以及風(fēng)扇在通流增壓時(shí)流場(chǎng)的變化。

      通過(guò)表1可見(jiàn),實(shí)際計(jì)算得到總的動(dòng)力扭矩?cái)?shù)值與總的阻力扭矩(內(nèi)、外阻力扭矩) 達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡,考慮到箍環(huán)風(fēng)扇外表面阻力扭矩在實(shí)際的CFD數(shù)值模擬計(jì)算中存在一定誤差,所以在特定引氣總壓條件下,動(dòng)力扭矩的模擬計(jì)算數(shù)值要比阻力扭矩的要大,其差值約占總阻力扭矩的7.9%,以此抵消或減小誤差的影響。

      表1帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇周向動(dòng)、阻力扭矩平衡關(guān)系

      最后,在相同邊界條件設(shè)置下運(yùn)用CFD模擬了有箍環(huán)噴射風(fēng)扇與沒(méi)有箍環(huán)噴射結(jié)構(gòu)的常規(guī)風(fēng)扇的一個(gè)流場(chǎng)變化并加以對(duì)比分析,以此說(shuō)明該帶箍噴氣風(fēng)扇的整體氣動(dòng)性能的優(yōu)劣性。

      如圖8所示帶箍噴氣結(jié)構(gòu)風(fēng)扇在射流角α為70度、單通道噴射流量2kg/s、射流速度Ma=2時(shí)的葉片下游流場(chǎng)的相對(duì)馬赫數(shù)以及相對(duì)總壓的分布云圖。

      在圖9中,分別展示了計(jì)算域出口截面沿徑向分布的絕對(duì)馬赫數(shù)、總壓比分布曲線以及全通道出口截面整體的絕對(duì)馬赫數(shù)分布云圖。在左側(cè)曲線圖中可見(jiàn)常規(guī)風(fēng)扇和噴氣風(fēng)扇的主流通道出口氣流絕對(duì)馬赫數(shù)沿徑向分布的數(shù)值比較,對(duì)于噴氣風(fēng)扇來(lái)說(shuō),其下游出口氣流參數(shù)勢(shì)必會(huì)受到上游進(jìn)口射流的擾動(dòng),在90%展向范圍內(nèi),噴氣風(fēng)扇主流通道出口氣流的絕對(duì)馬赫數(shù)要低于原始風(fēng)扇出口氣流絕對(duì)馬赫數(shù),但是數(shù)值相差很小,同一徑向高度的絕對(duì)馬赫數(shù)最大差值在0.06以內(nèi),總體徑向絕對(duì)馬赫數(shù)分布規(guī)律趨于相同;右側(cè)曲線展示了進(jìn)出口總壓比沿徑向的分布,結(jié)果顯示在轉(zhuǎn)速3570RPM、背壓 90000Pa條件下的常規(guī)風(fēng)扇與噴氣風(fēng)扇的總增壓比數(shù)值基本都在1.2以上分布。對(duì)于90%展向位置以上的范圍內(nèi),由于高壓噴射氣流的影響,導(dǎo)致出口段該區(qū)域的絕對(duì)總壓分布要明顯高于下部絕對(duì)總壓,但是對(duì)于整體徑向絕對(duì)總壓分布來(lái)說(shuō),90%展向位置以內(nèi)的常規(guī)風(fēng)扇總壓比分布和噴氣風(fēng)扇的總壓比分布規(guī)律基本趨于相同,所以噴氣對(duì)于風(fēng)扇主流通道出口的絕對(duì)總壓的影響范圍較小。

      考慮到高壓噴射氣流會(huì)不會(huì)對(duì)上游風(fēng)扇葉片氣動(dòng)性能產(chǎn)生影響,分析了不同展向高度上的葉片表面靜壓分布,如圖10所示。在5%展向位置處,噴氣風(fēng)扇葉片表面靜壓分布與常規(guī)風(fēng)扇葉片表面靜壓分布完全相同,隨著展向位置的不斷增大,其葉片表面靜壓分布的差異也會(huì)越來(lái)越明顯,比如90%展向位置處的葉片表面靜壓分布在壓力面和吸力面都出現(xiàn)了明顯變化,但是對(duì)于50%展向位置的葉片表面靜壓分布來(lái)說(shuō),只有吸力面的靜壓分布變化比較明顯。就整體靜壓數(shù)值變化來(lái)說(shuō),差異還是比較小的,而且總的葉片表面靜壓分布變化趨勢(shì)也是完全相同的,所以對(duì)于上游葉片總體氣動(dòng)性能來(lái)說(shuō),高壓射流所帶來(lái)的負(fù)面影響不大。

      總的來(lái)說(shuō),該帶箍噴氣結(jié)構(gòu)風(fēng)扇相較于常規(guī)風(fēng)扇,雖然某些參數(shù)在數(shù)值上出現(xiàn)了差異,但是其數(shù)值相差微小,對(duì)風(fēng)扇的總體氣動(dòng)性能影響不大,整體結(jié)構(gòu)實(shí)施是可行的。

      以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式,應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō),在不脫離本發(fā)明原理的前提下,還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾,這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。

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