專利名稱：航空渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮系統(tǒng)的緊湊氣動(dòng)布局的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一套直接應(yīng)用于航空渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱渦扇發(fā)動(dòng)機(jī))壓縮系統(tǒng)的緊湊氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)方法，能夠在實(shí)現(xiàn)高壓比、高效率、大裕度的同時(shí)，大大減少部件數(shù)目，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，提高壓縮系統(tǒng)的緊湊性，從而提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比。
背景技術(shù)：
渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是目前軍用航空推進(jìn)系統(tǒng)的主流，而推重比是衡量其水平的一個(gè)重要指標(biāo)。近幾十年來，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比得到了大幅度的提升，并且有進(jìn)一步提高的趨勢(shì)。推重比的進(jìn)一步提高，勢(shì)必要求在進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力的同時(shí)，盡可能地減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量。
壓縮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸、零部件數(shù)目以及總重量在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中占有很大比重。提高風(fēng)扇/壓氣機(jī)的級(jí)壓比與級(jí)負(fù)荷，縮減其級(jí)數(shù)，是從提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的有效途徑。目前，相關(guān)工作主要集中在通過一些先進(jìn)部件設(shè)計(jì)方面的探索，如全三維彎掠葉片設(shè)計(jì)、小展弦比葉片設(shè)計(jì)等，以提高葉片的負(fù)荷，減少風(fēng)扇/壓氣機(jī)的級(jí)數(shù)。
在現(xiàn)有的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，首先分別設(shè)計(jì)風(fēng)扇、高壓壓氣機(jī)以及相關(guān)部件。為提高負(fù)荷能力，減少級(jí)數(shù)，風(fēng)扇基本上采用等外徑的流道設(shè)計(jì)，半徑尺寸較大。而與之匹配的高壓壓氣機(jī)的半徑尺寸卻較小。這樣風(fēng)扇出口及壓氣機(jī)進(jìn)口之間不可避免的出現(xiàn)較大高度差，為了保證流通能力和效率，不得不采用光滑連接風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)流路的過渡段。而過渡段的存在使壓縮系統(tǒng)軸向長(zhǎng)度增加，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的整體重量。2004年歐洲啟動(dòng)了高負(fù)荷過渡段氣動(dòng)研究(AIDA)計(jì)劃，旨在縮短過渡段的長(zhǎng)度，但該計(jì)劃主要針對(duì)大涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，難以完全去掉過渡段。
為提高單位重量的推力，先進(jìn)軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比已經(jīng)減小到0.2～0.3。在如此小涵道比的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中，風(fēng)扇出口與高壓進(jìn)口之間的高度差將明顯減少，所以只要合理對(duì)風(fēng)扇和壓氣機(jī)的流道進(jìn)行合理的氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)，就可以將過渡段取消。而現(xiàn)有設(shè)計(jì)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮仍然沿用大高度落差、光滑過度的過渡段，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)軸向長(zhǎng)度和氣動(dòng)損失，對(duì)提高渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比極為不利?；谝陨显?，我們提出了航空渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮系統(tǒng)的緊湊氣動(dòng)布局的設(shè)計(jì)方法這一發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種適用于航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮系統(tǒng)的緊湊氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)方法，能夠大大縮短渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向長(zhǎng)度，減少部件數(shù)目，減輕其重量，因而提高渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比。本發(fā)明中壓縮系統(tǒng)的緊湊氣動(dòng)布局(如圖1)的主要特征是去掉過渡段，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為以下三部分風(fēng)扇、高壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉、高壓壓氣機(jī)主體。
針對(duì)涵道比在0～0.5的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，本發(fā)明去掉了風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)之間的過渡段。與現(xiàn)有常規(guī)設(shè)計(jì)方案不同，風(fēng)扇采用的是介于等中徑與等內(nèi)徑的流道設(shè)計(jì)形式。同時(shí)，高壓壓氣機(jī)采用大于0.7的輪轂比。通過上述兩項(xiàng)措施，將風(fēng)扇與高壓壓氣機(jī)間的高度差降至高壓壓氣機(jī)第一級(jí)轉(zhuǎn)子進(jìn)口高度的50％以下，使過渡段得以取消。
對(duì)風(fēng)扇，采用1～2級(jí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的3～5級(jí)性能。為取消過渡段，采用了介于等中徑與等內(nèi)徑之間的流道形式，即風(fēng)扇內(nèi)外徑在軸向適度下降，使風(fēng)扇出口內(nèi)徑和高壓壓氣機(jī)內(nèi)徑盡量接近。負(fù)荷較常規(guī)風(fēng)扇高，第一級(jí)和第二級(jí)負(fù)荷系數(shù)都大于0.35。本發(fā)明中風(fēng)扇還采用了另一獨(dú)特設(shè)計(jì)，即取消了風(fēng)扇出口靜葉，其功能由高壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉一并承擔(dān)。
對(duì)高壓壓氣機(jī)的進(jìn)口導(dǎo)葉，由它完成現(xiàn)有設(shè)計(jì)中風(fēng)扇出口靜葉及高壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉的功能。圖2為風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)各葉排的基元葉型及進(jìn)口導(dǎo)葉氣流轉(zhuǎn)向示意圖。C1為進(jìn)口導(dǎo)葉進(jìn)口的絕對(duì)氣流角，C2為進(jìn)口導(dǎo)葉出口的絕對(duì)氣流角，C1與C2間的夾角即為氣流在進(jìn)口導(dǎo)葉中的氣流轉(zhuǎn)角。高壓壓氣機(jī)的進(jìn)口導(dǎo)葉根據(jù)風(fēng)扇出口及高壓進(jìn)口的不同設(shè)計(jì)，可以有多種不同設(shè)計(jì)形式。若C2＜C1，且兩者間夾角小于40°時(shí)，進(jìn)口導(dǎo)葉采用常規(guī)擴(kuò)壓葉柵設(shè)計(jì)；若C2＜C1，且兩者夾角大于40°時(shí)，進(jìn)口導(dǎo)葉需考慮采用串列葉柵或大小葉片的設(shè)計(jì)；若C2＞C1，則采用工作狀況類似渦輪的膨脹式進(jìn)口導(dǎo)葉設(shè)計(jì)，其轉(zhuǎn)角可以大于90°。
對(duì)高壓壓氣機(jī)主體，同樣由于要取消過渡段，高壓壓氣機(jī)采用等外徑流路設(shè)計(jì)，進(jìn)口輪轂比大于0.70。采用3～4級(jí)高壓壓氣機(jī)實(shí)現(xiàn)常規(guī)設(shè)計(jì)的6～9級(jí)高壓壓氣機(jī)的壓比。
現(xiàn)有渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的風(fēng)扇出口承力支板，在本發(fā)明中布置在高壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉葉排的不同周向位置，與已有設(shè)計(jì)方案過渡段的承力支板具有相同的承力作用，為減少承力支板引起的氣流損失，按氣動(dòng)的要求設(shè)計(jì)葉中基元的葉型，并沿展向拉伸成直葉片。
提高風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)負(fù)荷，減少級(jí)數(shù)的主要技術(shù)措施為(1)提高了風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)的葉尖切線速度，風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)的進(jìn)口級(jí)轉(zhuǎn)子葉尖切線速度大于480m/s。
(2)采用了全三維設(shè)計(jì)，具有復(fù)合彎掠特性，是風(fēng)扇/壓氣機(jī)具有高壓比、高效率的同時(shí)保證高喘振裕度。
(3)采用小展弦比葉片設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高喘振裕度，并且增強(qiáng)了轉(zhuǎn)子葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度穩(wěn)定性。


圖1本發(fā)明的航空渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮系統(tǒng)的緊湊氣動(dòng)布局示意圖。
圖2本發(fā)明的各葉排的基元葉型。
圖3風(fēng)扇出口及高壓壓氣機(jī)進(jìn)口的速度矢量示意圖。
圖中1.風(fēng)扇輪轂2.風(fēng)扇機(jī)匣3.風(fēng)扇第一級(jí)轉(zhuǎn)子4.風(fēng)扇第一級(jí)靜子5.風(fēng)扇第二級(jí)轉(zhuǎn)子6.承力支板 7.高壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉8.低壓壓氣機(jī)傳動(dòng)軸9.分流環(huán)10.高壓壓氣機(jī)第一級(jí)轉(zhuǎn)子 11.高壓壓氣機(jī)第一級(jí)靜子14.高壓壓氣機(jī)傳動(dòng)軸 16.高壓壓氣機(jī)輪轂 17.高壓壓氣機(jī)第三級(jí)靜子18.高壓壓氣機(jī)機(jī)匣具體實(shí)施方式
為更清楚地描述本發(fā)明，本具體實(shí)施方式
以一個(gè)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮系統(tǒng)的緊湊設(shè)計(jì)方案為例，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
表1為壓縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。由表可知，本實(shí)例的涵道比為0.262，屬于應(yīng)用于小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮系統(tǒng)。風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)的葉尖切線速度均為500m/s。風(fēng)扇取消了出口靜葉，其第一級(jí)轉(zhuǎn)子(3)采用了等中徑設(shè)計(jì)，而第一級(jí)靜子(4)的流道形式介于等中徑與等內(nèi)徑之間，第二級(jí)轉(zhuǎn)子(5)為等內(nèi)徑設(shè)計(jì)。為了平衡風(fēng)扇各級(jí)的設(shè)計(jì)難度，第一級(jí)和第二級(jí)取相等的負(fù)荷系數(shù)，都為0.4，從而第一級(jí)的級(jí)壓比為2.44，第二級(jí)壓比為1.64。高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)口輪轂比取0.73，采用等外徑的流道設(shè)計(jì)形式。中間級(jí)比進(jìn)口級(jí)及出口級(jí)負(fù)荷系數(shù)稍高，三級(jí)的負(fù)荷系數(shù)分別為0.50、0.51、0.50，相應(yīng)的各級(jí)壓比為2.11，1.86，1.66。
表1壓縮系統(tǒng)風(fēng)扇/高壓壓氣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

按照上述設(shè)計(jì)約束，即可得出風(fēng)扇及高壓壓氣機(jī)的流道幾何形狀，如圖1。風(fēng)扇第二級(jí)轉(zhuǎn)子(5)出口的輪轂半徑為216.53mm，而高壓第一級(jí)轉(zhuǎn)子(10)進(jìn)口的輪轂半徑為202.52mm，而高壓第一級(jí)轉(zhuǎn)子(10)進(jìn)口的高度為86.76mm，風(fēng)扇出口與高壓進(jìn)口間高度差與高壓第一級(jí)轉(zhuǎn)子(10)進(jìn)口的高度的比值為6.92％，小于50％，因而可以取消風(fēng)扇與高壓壓氣機(jī)之間的過渡段。
此時(shí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子出口在高壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉(7)葉中界面處的Ma數(shù)為0.73，絕對(duì)氣流角為37.7°，若高壓壓氣機(jī)第一級(jí)轉(zhuǎn)子(10)的進(jìn)氣條件為軸向進(jìn)氣，則高壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉(7)進(jìn)出口的氣流速度矢量圖如圖3，C1為高壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉(7)進(jìn)口絕對(duì)速度，C2為其出口絕對(duì)速度。高壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉(7)需實(shí)現(xiàn)的氣流轉(zhuǎn)角為37.7°，小于40°，故可以采用常規(guī)擴(kuò)壓葉片設(shè)計(jì)，而無需采用能夠?qū)崿F(xiàn)較大氣流轉(zhuǎn)角的膨脹式進(jìn)口導(dǎo)葉。
承力支板(6)的葉中基元葉型按氣動(dòng)的要求設(shè)計(jì)，并沿展向拉伸成直葉片。并且如圖2所示，布置在高壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉葉排(7)的不同周向位置。
權(quán)利要求
1.一種航空渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮系統(tǒng)的緊湊氣動(dòng)布局，其特征是，涵道比為0～0.5，壓縮系統(tǒng)由風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)組成，去掉了風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)之間的過渡段和風(fēng)扇出口靜子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的緊湊氣動(dòng)布局，其特征是高壓壓氣機(jī)由進(jìn)口導(dǎo)葉(7)和高壓壓氣機(jī)主體(11～18)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的緊湊氣動(dòng)布局，其特征是，取消了風(fēng)扇出口靜子葉排，高壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉(7)緊鄰上游風(fēng)扇轉(zhuǎn)子(5)及下游高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子(10)，使風(fēng)扇出口靜子、高壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉(7)、承力支板(6)在軸向融為一排葉柵。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的緊湊氣動(dòng)布局，其特征是，風(fēng)扇出口與高壓壓氣機(jī)第一級(jí)轉(zhuǎn)子(10)進(jìn)口間氣流減速，且平均絕對(duì)氣流轉(zhuǎn)角小于40°，高壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉(7)采用常規(guī)擴(kuò)壓葉柵。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的緊湊氣動(dòng)布局，其特征是，風(fēng)扇出口與高壓壓氣機(jī)第一級(jí)轉(zhuǎn)子(10)進(jìn)口間氣流減速，且平均絕對(duì)氣流轉(zhuǎn)角大于40°，高壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉(7)采用串列葉柵設(shè)計(jì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的緊湊氣動(dòng)布局，其特征是，風(fēng)扇出口與高壓壓氣機(jī)第一級(jí)轉(zhuǎn)子(10)進(jìn)口間氣流加速，且平均絕對(duì)氣流轉(zhuǎn)角大于40°，高壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉(7)采用工作方式類似渦輪的膨脹式葉片設(shè)計(jì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的緊湊氣動(dòng)布局，其特征是，承力支板(6)穿插于高壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉(7)葉排的若干個(gè)周向位置處，為減少承力支板(6)引起的氣流損失，按氣動(dòng)要求設(shè)計(jì)其葉中基元葉型，并沿展向拉伸成直葉片。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的緊湊氣動(dòng)布局，其特征是，風(fēng)扇采用介于等中徑與等內(nèi)徑的流道形式，級(jí)數(shù)為1～2級(jí)，壓比為3～5，平均級(jí)負(fù)荷系數(shù)大于0.35。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的緊湊氣動(dòng)布局，其特征是，高壓壓氣機(jī)第一級(jí)轉(zhuǎn)子(10)進(jìn)口輪轂比大于0.7，級(jí)數(shù)為3～4級(jí)，壓比為6～10，平均級(jí)負(fù)荷系數(shù)大于0.30。
全文摘要
本發(fā)明是一種航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮系統(tǒng)的緊湊氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)方法。該發(fā)明去掉了現(xiàn)有渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)之間的過渡段和風(fēng)扇出口靜子；高壓壓氣機(jī)的進(jìn)口導(dǎo)葉采用適度轉(zhuǎn)角的擴(kuò)壓葉柵或者大轉(zhuǎn)角的膨脹式葉柵，使得風(fēng)扇出口靜子、高壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉、外涵的承力支板在軸向融為一排葉柵，并實(shí)現(xiàn)三者的壓縮功能。同時(shí)風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)采用高負(fù)荷設(shè)計(jì)方法，能夠用較少的級(jí)數(shù)實(shí)現(xiàn)相同的增壓比。與現(xiàn)有的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮系統(tǒng)相比，本發(fā)明部件數(shù)明顯減少，緊湊性大為提高，能夠極大提高航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比。
文檔編號(hào)F04D29/40GK101092966SQ20071011937
公開日2007年12月26日 申請(qǐng)日期2007年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月23日
發(fā)明者周盛, 侯安平, 闕曉斌, 徐全勇 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)