專利名稱：一種新型單級跨聲速軸流風(fēng)扇的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種單級高氣動負(fù)荷軸流風(fēng)扇。這種風(fēng)扇具有完全跨聲速的進口條件，突破了一些傳統(tǒng)設(shè)計參數(shù)的限制，性能達(dá)到了一個新的水準(zhǔn)。
背景技術(shù)：
用更少的級數(shù)實現(xiàn)更高的加功量是目前航空軸流發(fā)動機風(fēng)扇/壓氣機的一個重要目標(biāo)。這需要風(fēng)扇/壓氣機有著更高的級氣動負(fù)荷和更寬廣的工作范圍。跨聲速風(fēng)扇/壓氣機是目前普遍接受和主要采用的設(shè)計形式。
跨聲速軸流風(fēng)扇/壓氣機，按照目前的定義，指的是風(fēng)扇/壓氣機轉(zhuǎn)子的進口相對來流速度在徑向上為跨聲速分布，即從輪轂處的亞聲相對來流發(fā)展到機匣處的超聲相對來流；而靜子進口來流速度在徑向上都為亞聲。
氣動負(fù)荷系數(shù)是衡量軸流風(fēng)扇/壓氣機的一個重要指標(biāo)，涵蓋了設(shè)計轉(zhuǎn)速、幾何尺寸以及加功總量的綜合影響。目前在役的發(fā)動機，其進口風(fēng)扇級或者進口壓氣機級的負(fù)荷系數(shù)一般在3.5以下。如何進一步提高負(fù)荷系數(shù)是一個重要的設(shè)計目標(biāo)。
D因子是評價氣體流過單排葉柵相對擴壓程度的指標(biāo)。在風(fēng)扇/壓氣機葉柵內(nèi)的逆壓流動條件下，擴壓能力過大，會使的流動容易分離，造成效率和工作裕度的下降。目前的發(fā)動機，其風(fēng)扇/壓氣機葉柵的D因子一般不超過0.4。但是對于D因子的經(jīng)驗限制，也極大束縛了風(fēng)扇/壓氣機的加功能力的進一步提高。如何能夠合理的擴大D因子的許用范圍是設(shè)計高負(fù)荷風(fēng)扇/壓氣機的一個關(guān)鍵設(shè)計目標(biāo)。
反力度是衡量風(fēng)扇/壓氣機級內(nèi)轉(zhuǎn)子和靜子之間的擴壓任務(wù)分配的參數(shù)。其值越大，代表轉(zhuǎn)子在級內(nèi)的擴壓任務(wù)越重；反之越輕。目前的設(shè)計指標(biāo)要求風(fēng)扇反力度尤其是輪轂區(qū)的當(dāng)?shù)胤戳Χ榷紤?yīng)該避免過小。這意味著轉(zhuǎn)子和靜子的擴壓任務(wù)應(yīng)該盡平均分配。對于負(fù)荷系數(shù)較低的傳統(tǒng)設(shè)計來說這是合理的。但如果要突破負(fù)荷系數(shù)3.5的極限，這種分配原則面臨著挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種單級高負(fù)荷軸流風(fēng)扇，該風(fēng)扇的設(shè)計指標(biāo)、設(shè)計參數(shù)和性能參數(shù)都超越了目前按照傳統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則所得的風(fēng)扇。
本發(fā)明用名詞“完全跨聲速軸流風(fēng)扇級”來定義該單級高負(fù)荷軸流風(fēng)扇。該定義的內(nèi)容是一個單級軸流風(fēng)扇，它具有一個轉(zhuǎn)子和一個靜子；它的轉(zhuǎn)子進口相對氣流速度沿徑向為跨聲速分布，它的靜子進口絕對氣流速度沿徑向為跨聲速分布。完全跨聲速軸流風(fēng)扇級的定義區(qū)別于目前通常所定義的跨聲速軸流風(fēng)扇/壓氣機，從根本上刷新了傳統(tǒng)軸流跨聲速風(fēng)扇/壓氣機的概念。
本發(fā)明所提供的風(fēng)扇，其轉(zhuǎn)子進口輪轂比為0.2～0.45，靜子出口輪轂比為0.6～0.8。在其設(shè)計點，葉尖切線速度為400～600米/秒，靜子的進口馬赫數(shù)為0.6～1.5，風(fēng)扇級壓比為2.5～4.0。在其設(shè)計點，級負(fù)荷系數(shù)為3.5～7.0，轉(zhuǎn)子機匣處的D因子為0.35～0.7，靜子輪轂處的D因子為0.4～0.7。其反力度為0.2～0.6。在近輪轂區(qū)，其局部反力度值最小為0～0.2。
本發(fā)明的技術(shù)特征如下1) 轉(zhuǎn)子和靜子的葉片不再用單純的一個幾何參數(shù)來定義掠彎特征，而是由葉片前緣曲線的空間幾何彎掠和最大氣動負(fù)荷線的彎掠共同確定。見圖1、圖2，子午面的坐標(biāo)系為(r，z)，前緣線和最大負(fù)荷線在子午面內(nèi)投影的定義式可用下面的關(guān)系式表示z＝f(α，θ1，θ2，fm，dm，L，r)其中α為前緣線/最大氣動負(fù)荷線的弦線與風(fēng)扇軸線夾角；θ1和θ2分別為前緣線/最大氣動負(fù)荷線在機匣端的切線和在輪轂端的切線與弦線的夾角；fm為前緣線/最大氣動負(fù)荷線的最大撓度；dm為前緣線/最大氣動負(fù)荷線上最大撓度點在其弦線上的投影點和弦線與輪轂交點之間的距離；L為前緣線/最大氣動負(fù)荷線的弦線長度。上述角度順時針方向為正。
見圖3、圖4，S3面的坐標(biāo)系為(r，θ)，前緣線和最大負(fù)荷線在S3面內(nèi)投影的定義式也可用可用下面的方程表示r＝f(α，θ1，θ2，fm，dm，θ)其中α為前緣線/最大氣動負(fù)荷線在輪轂處的半徑和在機匣處的半徑之間的夾角；其它參數(shù)的含意與前緣線/最大負(fù)荷線在子午面投影線定義相同。上述角度以旋轉(zhuǎn)方向為正。
最大氣動負(fù)荷線和最大厚度的徑向分布線近似重合，可以用最大厚度的徑向分布線來近似代替最大氣動負(fù)荷線。
2) 通過控制S1流面上二維葉柵的喉道位置和喉道前吸力面、壓力面曲率來實現(xiàn)葉尖及其附近區(qū)域的槽道斜激波。
見圖5，dmin為葉柵的喉道尺寸，dmax為葉柵出口的流道面積，RP1、RP2為葉柵喉道前葉片壓力面的曲率半徑，RS為葉柵喉道前葉片吸力面的曲率半徑，Lmin為葉柵喉道的吸力面位置和過前緣的來流垂線的距離。圖6為相應(yīng)的流動示意圖和激波結(jié)構(gòu)圖。


圖1為前緣曲線和最大負(fù)荷線子午面投影示意圖；圖2為前緣曲線和最大負(fù)荷線在子午面內(nèi)幾何參數(shù)定義示意圖；圖3為前緣曲線和最大負(fù)荷線S3面投影示意圖；圖4為前緣曲線和最大負(fù)荷線在S3面內(nèi)幾何參數(shù)定義示意圖；圖5為轉(zhuǎn)子葉尖S1面葉柵幾何控制參數(shù)示意圖；圖6為轉(zhuǎn)子葉尖S1面葉柵流動和激波結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為單級風(fēng)扇A靜子吸力面吸氣槽位置示意圖；圖8為單級風(fēng)扇A靜子輪轂處的吸氣槽位置示意圖；圖9為單級風(fēng)扇A轉(zhuǎn)子葉尖的相對馬赫數(shù)分布圖；
圖10為單級風(fēng)扇A壓比-流量特性線；圖11為單級風(fēng)扇A效率-流量特性線；圖12為單轉(zhuǎn)子B的吸力面吸氣槽示意圖；圖13為單轉(zhuǎn)子B的輪轂吸氣槽示意圖；圖14為單轉(zhuǎn)子B的葉尖相對馬赫數(shù)分布圖；圖15為單轉(zhuǎn)子B的壓比-流量特性線；圖16為單轉(zhuǎn)子B的效率-流量特性線。
具體實施例方式
下面舉例說明本發(fā)明的具體實施方式
。
本發(fā)明的實例一根據(jù)上述風(fēng)扇的特征，設(shè)計了一個單級軸流風(fēng)扇(后面稱之為風(fēng)扇A)。風(fēng)扇A的設(shè)計參數(shù)如表1所示。
表1 風(fēng)扇A的設(shè)計參數(shù)

設(shè)前緣線和最大負(fù)荷線在子午面的投影為二次曲線，其方程可以表示為z2+2Azr+Br2+2Cz+2Dr+E＝0設(shè)原點在前緣輪轂處。根據(jù)已知可得A＝0.5(ctgθ1-ctgθ2)；B=L(dm-fmctgθ2)+dm×fm(ctgθ2-ctgθ1)-dm2fm2]]>C=-L2]]>
D=L2ctgθ2]]>E＝0可用同樣的方程形式表示前緣線和最大負(fù)荷線在S3面的投影。
經(jīng)過數(shù)值優(yōu)化，最后得到最優(yōu)的前緣和最大負(fù)荷線的組合形式。
圖7、圖8分別表示的是風(fēng)扇靜子吸力面和靜子通道內(nèi)輪轂上的吸氣槽位置示意。
風(fēng)扇A轉(zhuǎn)子葉尖的葉型幾何控制參數(shù)如表2所示。
表2 風(fēng)扇A轉(zhuǎn)子葉尖葉型的幾何控制參數(shù)(單位m)

圖9表示的是風(fēng)扇A轉(zhuǎn)子葉尖的馬赫數(shù)分布圖。
風(fēng)扇A的數(shù)值計算結(jié)果如表3所示。
表3 風(fēng)扇A的數(shù)值計算結(jié)果

圖10和圖11為風(fēng)扇A的壓比-流量、效率-流量特性線。
從最后得到的結(jié)果上來看，風(fēng)扇A達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)，取得了較為滿意的結(jié)果。
本發(fā)明的實例二根據(jù)上述風(fēng)扇的特征，設(shè)計了一個氣動負(fù)荷更高的軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)子(后面稱之為轉(zhuǎn)子B)。
轉(zhuǎn)子B的設(shè)計參數(shù)如表4所示。
表4 轉(zhuǎn)子B的設(shè)計參數(shù)

設(shè)轉(zhuǎn)子B前緣線和最大負(fù)荷線在子午面的投影為二次曲線，其方程可以表示為z2+2Azr+Br2+2Cz+2Dr+E＝0設(shè)原點在前緣輪轂處。根據(jù)已知可得A＝0.5(ctgθ1-ctgθ2)；B=L(dm-fmctgθ2)+dm×fm(ctgθ2-ctgθ1)-dm2fm2]]>C=-L2]]>D=L2ctgθ2]]>E＝0可用同樣的方程形式表示前緣線和最大負(fù)荷線在S3面的投影。
經(jīng)過數(shù)值優(yōu)化，最后得到最優(yōu)的前緣和最大負(fù)荷線的組合形式。
圖12、圖13分別表示的是轉(zhuǎn)子B吸力面和轉(zhuǎn)子通道內(nèi)機匣上的吸氣槽位置示意。圖14表示的是轉(zhuǎn)子B葉尖的馬赫數(shù)分布圖。
轉(zhuǎn)子B轉(zhuǎn)子葉尖的葉型幾何控制參數(shù)如表5所示。
表5 轉(zhuǎn)子B葉尖葉型的幾何控制參數(shù)(單位m)

轉(zhuǎn)子B的數(shù)值計算結(jié)果如表6所示。
表6 風(fēng)扇A的數(shù)值計算結(jié)果

圖15和圖16為轉(zhuǎn)子B的壓比-流量、效率-流量特性線。
從最后得到的結(jié)果上來看，轉(zhuǎn)子B達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)，取得了較為滿意的結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種單級軸流風(fēng)扇，它具有一個進口相對氣流速度跨聲的轉(zhuǎn)子，其設(shè)計點葉尖切線速度為400～600米/秒，轉(zhuǎn)子進口輪轂比為0.2～0.45；一個進口絕對氣流速度跨聲的靜子，其靜子出口輪轂比為0.6～0.8；上述轉(zhuǎn)子和靜子組成的單級軸流風(fēng)扇用名詞“完全跨聲速軸流風(fēng)扇級”來定義；上述整級軸流風(fēng)扇具有高的氣動負(fù)荷，級負(fù)荷系數(shù)為3.5～7.0。上述整級軸流風(fēng)扇，其特征在于轉(zhuǎn)子和靜子葉片具有幾何彎掠和氣動彎掠的復(fù)合掠彎特點；上述整級軸流風(fēng)扇，其特征在于轉(zhuǎn)子葉尖及其附近區(qū)域內(nèi)，其加功方式為復(fù)合加功；上述整級軸流風(fēng)扇，其特征在于葉片吸力面和端壁區(qū)采用附面層控制。
2.如權(quán)利要求1所述的單級軸流風(fēng)扇，其特征在于靜子的進口馬赫數(shù)為0.6～1.5。
3.如權(quán)利要求1所述的單級軸流風(fēng)扇，其特征在于設(shè)計點風(fēng)扇級壓比為2.5～4.0。
4.如權(quán)利要求1所述的單級軸流風(fēng)扇，其特征在于轉(zhuǎn)子機匣處的D因子為0.35～0.7，靜子輪轂處的D因子為0.4～0.7。
5.如權(quán)利要求1所述的單級軸流風(fēng)扇，其特征在于風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的掠彎空氣動力學(xué)特征是由前緣曲線的空間幾何彎掠和最大氣動負(fù)荷線的彎掠共同確定。
6.如權(quán)利要求1所述的單級軸流風(fēng)扇，其特征在于風(fēng)扇靜子的掠彎空氣動力學(xué)特征是由前緣曲線的空間幾何彎掠和最大氣動負(fù)荷線的彎掠共同確定。
7.如權(quán)利要求1所述的單級軸流風(fēng)扇，其特征在于具有低的平均反力度，其值為0.2～0.6；在近輪轂區(qū)，其局部反力度值最小為0～0.2。
8.如權(quán)利要求1所述的單級軸流風(fēng)扇，其特征在于復(fù)合加功方式之一為氣流通過激波減速產(chǎn)生扭速；復(fù)合加功方式之二為氣流通過激波改變流動方向產(chǎn)生扭速。
9.如權(quán)利要求1所述的單級軸流風(fēng)扇，其特征在于在S1流面的槽道內(nèi)，在設(shè)計點實現(xiàn)進口斜激波。
10.如權(quán)利要求1所述的單級軸流風(fēng)扇，其特征在于轉(zhuǎn)子吸力面及其上方的機匣采用附面層吸除控制；靜子吸力面及其輪轂采用附面層吸除控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型跨聲速軸流風(fēng)扇級，其特征是風(fēng)扇轉(zhuǎn)子(3)進口氣流相對速度從葉根到葉尖為跨聲速；靜子(4)進口氣流絕對速度從葉根到葉尖也為跨聲速，即在近輪轂(2)處超聲，在近機匣(1)處亞聲。靜子內(nèi)的激波增壓為其特點之一。該風(fēng)扇具有高的級氣動負(fù)荷系數(shù)，平均負(fù)荷系數(shù)大于3.5；在設(shè)計點，葉尖切線速度為400～600米/秒，工作壓比為2.5～4.0。在轉(zhuǎn)子葉尖D因子為0.35～0.7，在靜子葉根D因子為0.4～0.7。
文檔編號F04D29/32GK101092970SQ20071011937
公開日2007年12月26日 申請日期2007年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月23日
發(fā)明者李秋實, 周盛, 宋西鎮(zhèn) 申請人:北京航空航天大學(xué)