大涵道比涡扇发动机风扇长短叶片结构.pdf

本发明公开了一种大涵道比涡扇发动机风扇结构，属于民用航空发动机风扇结构设计技术领域，其关键在于在风扇中采用长短叶片结构，可以有效地解决目前大涵道比压气机风扇转子叶尖设计难以及稠度与加功量不匹配的问题，同时提升气动性能。本发明通过在转子或静子叶片中部以上加装中间轮毂(mid-hub)，将短叶片通过扩散焊接技术连接在中间轮毂上，来实现长短叶片结构。转子中可以直接采用阻尼凸台作为中间轮毂，具有很强的工程可实现性。如此，在风扇叶片根部稠度最佳的情况下增加叶尖稠度，可以有效缩小根尖稠度差值，解决稠度不匹配的问题，既可以减小叶尖由于负荷高而产生的附面层分离，也可以缓减根部由于稠度太大而出现的气流堵塞。

权利要求书
1.  大涵道比涡扇发动机风扇长短叶片结构，由长叶片，中间轮毂和短叶片组成，其 特征在于：在风扇结构设计中采用长短叶片结构，以减小转子叶尖设计难的问题， 同时解决叶栅稠度在根部和尖部不匹配的问题。

2.  根据权利要求1所述的大涵道比涡扇发动机风扇长短叶片结构，其特征在于：在 转子中采用长短叶片结构时，短叶片2安装在阻尼凸台3上；为防止阻尼凸台间 的相互摩擦对短叶片根部造成危害性形变，故将阻尼凸台的接触通过扩散焊接连 接，在叶身中部形成一个环形轮毂(mid-hub)。

3.  根据权利要求1所述的大涵道比涡扇发动机风扇长短叶片结构，其特征在于：在 静子中采用长短叶片结构时，在风扇静叶1/2-2/3叶高处安装中间轮毂7，在中 间轮毂上采用扩散焊接的方式安装短叶片6，由于静子件不需要旋转，径向应力 较小，可以采用与轮毂处叶片安装方式相同的榫头连接。

4.  根据权利要求1所述的大涵道比涡扇发动机风扇长短叶片结构，其特征在于：在 静子中采用长短叶片结构时，位于上游的转子叶顶区域只需对气流加功，使得气 流相对速度增加，但不需要有对其进行扩压；叶顶区域的扩压作用可以在静子中 完成；简而言之，减小反力度，如此，转子叶尖负荷降低，减小其设计难度。

5.  根据权利要求1所述的大涵道比涡扇发动机风扇长短叶片结构，其特征在于：短 叶片位于每个叶栅通道中部。

6.  根据权利要求1所述的大涵道比涡扇发动机风扇长短叶片结构，其特征在于：短 叶片各个半径处的叶片型线与长叶片相同半径处的叶型相同，不需要单独设计。

说明书大涵道比涡扇发动机风扇长短叶片结构
技术领域
本发明涉及一种高负荷风扇结构设计方法，可以有效地解决目前大涵道比压气机 风扇转子叶尖设计难的问题，主要用于民用航空涡扇发动机。
背景技术
涡轮风扇发动机由于具有良好的经济性、安全性、可靠性和维修性，受到民用航 空领域的青睐。根据计算式：sfc＝3600·f/(Fs·(1+B))可知，民用涡扇发动机须要不断 提升涵道比B来降低耗油率且保证足够的推力。大尺寸风扇是大涵道比涡扇发动机的 特有结构。例如现今在波音787系列大型客机中普遍采用的Trent-1000涡扇发动机， 其风扇直径2840mm，风扇叶片长达1065mm；同样GE90-115B发动机的风扇直径更 是长达3260mm。
风扇转子在工作时要承受较大的离心负荷、气动负荷、热负荷以及振动负荷，故 而叶片长度的增加将带来很多问题。首先，由于转子叶片是悬臂梁结构，所以长叶片 有非常突出的振动问题，在正常工作过程中，高性能风扇转子叶片的振动问题更为突 出。为了解决该问题，工程上多采用在风扇叶身中部以上增加阻尼凸台的方式来解决。 阻尼凸台能够增加叶片两端夹持刚性，提高自振频率，同时相邻叶片凸台工作面相互 摩擦吸收振动能量，进而达到减振目的。阻尼凸台的采用也已经在发动机风扇叶片上 得到了广泛应用。例如公告号为EP2236755A2和US8182228B2的专利文献分别公布 减振凸台的设计方法。
除此之外，在气动方面，大涵道比风扇转子叶片存在叶根和叶尖稠度不匹配，叶 根处稠度一般很大，而叶尖处的稠度却非常小；此外，还存在稠度和负荷不匹配的问 题，叶尖处负荷大稠度小，相反叶根处负荷小稠度却很大。高性能的压气机设计通常 选用较高的轴向马赫数和较小的进口轮毂比数值，这将导致风扇转子叶尖和叶根处稠 度相差更大。根部区域较大的稠度致使气流通道堵塞，导致流动损失增加，效率下降。 而风扇转子根部由于轮毂比较小，根据轮缘功Lu＝u·Δwu(其中u是切向速度，ΔWu 为进出口相对速度切向分量的变化量)可知其做功能力下降较多，为达到设计要求， 叶片其他叶高处需要承担更大的负荷。相比较而言，叶尖处切向速度较大，因而做功 能力很强；但是由于叶尖处稠度较小，在偏离设计点工作时基元级速度三角形变形严 重，易产生气流分离进而导致失速。例如发动机在低换算转速工作中，多级轴流压气 机的旋转失速和喘振等不稳定工况首先会在第一级(也就是风扇级)发生。增加叶尖 处稠度，即使得实际稠度大于所需的稠度(也叫稠度储备)可以推迟气流发生分离， 进而扩大稳定工作范围。但同时也会增大轮毂处稠度而造成更大程度的堵塞。对于大 涵道比风扇叶片的设计，尤其是叶尖处的设计，一直是困扰着设计工作者们的难题。 目前常采用宽展弦比的方法来解决这一难题，但轴向尺寸、振动强度也相应增加，而 且这种设计方法具有一定局限性，对于目前设计的超长叶片，宽叶片已经不能很好的 解决以上问题，所以迫切需要一种新风扇结构，在保证性能的前提下降低其设计难度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够解决稠度与加功量不匹配的问题，可 以降低风扇叶片叶尖设计难度的大涵道比轴流风扇结构。
本发明的内容是：在风扇转子或静子叶身1/2-2/3之间的某一高度位置处安装短 叶片，可以在负荷一定的情况下减小风扇叶片数，缓解根部堵塞状况，同时有效控制 叶顶吸力面气流分离，改善叶片尖部单个通道内流场。
下面详细阐述本发明的结构。本发明的风扇长短叶片结构由长叶片、中间轮毂/阻 尼凸台及短叶片组成。将该结构运用于转子，直接将短叶片安装在阻尼凸台上，短叶 片叶型与长叶片相同半径处的叶型相同，而且不改变长叶片叶型，方便在工程应用领 域实现；工作时为防止阻尼凸台间的相互摩擦对短叶片根部造成危害性形变，故将阻 尼凸台的接触也通过扩散焊接连接；如此，相当于在叶身中部形成一个环形轮毂 (mid-hub)。将该结构运用于静子，需要在1/2-2/3叶身高度之间安装一圈中间轮毂， 然后再中间轮毂上安装短叶片。短叶片各个半径处的叶片型线与长叶片相同半径处的 叶型相同。短叶片通过扩散焊接技术焊接在中间轮毂/阻尼凸台上，位于叶栅通道中间 位置。
根据稠度定义式：其中b为叶片弦长，t为叶栅稠度。不改变叶片型线，b 也相应不变。稠度其中N为长叶片的叶片数。通过在中间轮毂/阻尼凸台上安 装短叶片，叶尖和叶根处的稠度差值由原来的变为 有效地减小根尖稠度差，使得根尖稠度匹配。
在转子中采用长短叶片结构，可以在叶根处稠度最佳的情况下，叶尖稠度也能与 加功量相匹配，在缓减根部气流堵塞的同时，减小叶顶处叶片吸力面气流分离，有效 改善单个通道流场，有利于提升效率并降低叶尖设计难度。同时，由于叶尖稠度增大， 其加功量也相应增加。在负荷一定的情况下可以适当地减少叶片数，平衡由于增加短 叶片引起的重量增加，使得风扇整体重量不会有较大变化。
在位于转子后面的静子中采用长短叶片结构，使得静子叶顶处有更强的扩压能力。 设计上游转子时，叶顶区域只对气流加功，使得气流相对速度增加，但不需要有对其 进行扩压。叶顶区域的扩压作用可以在静子中完成。简而言之，减小反力度。这样由 于减小了动叶叶顶处的Δwu，其叶顶处气流需要的加功量减少同样减小其设计难度。
本发明的效益是，在保证风扇性能的前提下有效降低风扇转子设计难度。同时， 由于短叶片的引入，解决了长叶片叶根和叶尖稠度不匹配及稠度与加功量不匹配的问 题，有利于提升风扇效率及压比等性能参数。
附图说明
图1.风扇动叶排长短叶片结构示意图
图2.转子增加短叶片前后叶尖流场示意图
(a)小稠度(b)大稠度
图3.风扇静叶排长短叶片结构示意图
对于图中标号及符号的说明：转子长叶片1、转子短叶片2、转子阻尼凸台3、轮 毂4、静子长叶片5、静子短叶片6、中间轮毂7、机匣8、气流攻角i、进口相对速度 Win、出口相对速度Wout、进出口相对速度切向变化量Δwu。
具体实施方式
该技术用于大涵道比涡扇压气机风扇级设计中，既可以在转子叶排结构中采用长 短叶片技术，也可以在静子叶排中采用该技术。
在风扇动叶结构中采用长短叶片技术，即在风扇动叶阻尼台上采用扩散焊接的方 式安装短叶片，短叶片叶型与长叶片相同半径处的叶型相同。从图2中可以看出，靠 近叶顶处由于切向速度u比较大，故正攻角i较大，此时易引起叶背的气流分离。但如 果减小栅距则可以增加稠度，通道内吸压力面之间压力梯度增大；由于分离流在发展 过程中遇到较大的逆压梯度，进而周向发展得以控制，有效缓减二次流引起气流对通 道的堵塞。靠近叶根处，适当减小叶片数，相当于减小了叶片占据流道的空间，气流 的流通面积增加，有效缓减根部堵塞。综上，动叶中引入短叶片，缓减流道内的堵塞 状态，有利于提高效率，同时扩大了风扇稳定工作范围。
在风扇静叶结构中采用大小叶片技术，即在风扇静叶1/2-2/3叶高处安装一圈中 间轮毂，如图3所示，类似于动叶中的阻尼台，在中间轮毂上采用扩散焊接的方式安 装短叶片，由于静子件不需要旋转，径向应力较小，可以采用与轮毂处叶片安装方式 相同的榫头连接。同样，短叶片叶型与长叶片相同半径处的叶型相同。此时，动叶靠 近叶顶区域内的叶型只需对气流加功，而不需要实现较大的增压，增压过程在静子内 完成。也就是说减小风扇动叶的反力度。如此做，可以有效地减小动叶叶尖设计难度。 另外，动叶叶顶处由于不需要较大的转折角，可以适当减小叶顶区域稠度，进而减小 动叶叶根承受的载荷。