本發(fā)明屬于大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種帶箍噴氣自驅(qū)動風(fēng)扇及其工作方法，屬于大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)中一種空氣壓縮器件。

背景技術(shù)：

大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的出現(xiàn)和持續(xù)發(fā)展，提高了發(fā)動機(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)的主要動力，是一個國家科技水平和創(chuàng)新能力的重要標(biāo)志。未來大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的發(fā)展將會進(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)動機(jī)耗油率是主要途徑，需要提高發(fā)動機(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)。對比大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的涵道比發(fā)展歷程可知，目前大涵道比發(fā)動機(jī)的涵道比為6～9,即將投人使用的下一代發(fā)動機(jī)的涵道比將達(dá)到10左右,未來發(fā)動機(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越重要，而風(fēng)扇噪聲是發(fā)動機(jī)主要噪聲來源之一。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，會帶來兩方面問題：一、隨著涵道比的增加，雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(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)動風(fēng)扇和增壓級的低壓渦輪級數(shù)，這樣導(dǎo)致發(fā)動機(jī)整體尺寸變大，重量增加，這些問題在涵道比12以上的雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(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)動機(jī)的起飛推力明顯降低。

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

這些途徑都在一定程度上推動了大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的發(fā)展，但也存在一定的不足：(1)采用齒輪驅(qū)動渦扇發(fā)動機(jī)，低壓渦輪經(jīng)過齒輪減速器減速后驅(qū)動風(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)動機(jī)發(fā)展的瓶頸，限制了該類型發(fā)動機(jī)涵道比的增大；(2)采用三轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(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)動風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)的低壓渦輪往往外徑尺寸較大，且無需驅(qū)動低壓壓氣機(jī)，使得其可以不經(jīng)過減速器而直接驅(qū)動風(fēng)扇，但三轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)的缺點(diǎn)是顯著的，其結(jié)構(gòu)往往十分復(fù)雜，三個同心軸系存在著復(fù)雜的轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題，這些因素使得現(xiàn)今只有少數(shù)發(fā)動機(jī)公司采用該類型發(fā)動機(jī)；(3)采用空氣渦輪驅(qū)動風(fēng)扇，該類型發(fā)動機(jī)在微小型渦扇發(fā)動機(jī)上已得到應(yīng)用，主要解決單軸微小型渦扇發(fā)動機(jī)風(fēng)扇與渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速極度不匹配問題。該類型發(fā)動機(jī)通過壓氣機(jī)后已增壓空氣經(jīng)過空氣渦輪靜子加速后沖擊空氣渦輪轉(zhuǎn)子，以帶動與其連接的風(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)動機(jī)壓氣機(jī)級壓比較高，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壓比，這使得發(fā)動機(jī)內(nèi)涵的經(jīng)濟(jì)性較差。(4)后風(fēng)扇渦扇發(fā)動機(jī)，后風(fēng)扇形式的渦扇發(fā)動機(jī)采用獨(dú)立的低壓渦輪驅(qū)動風(fēng)扇，且渦輪功不需要通過轉(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涣硪环矫?，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)動機(jī)在渦扇發(fā)動機(jī)發(fā)展早期出現(xiàn)后，即不被廣泛采用。

面對未來超高涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇涵道比與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速嚴(yán)重不匹配的問題，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)動機(jī)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出一種帶箍噴氣自驅(qū)動風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，利用氣動力實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞，解決風(fēng)扇與驅(qū)動部件轉(zhuǎn)動速度不協(xié)調(diào)的問題，消除了沉重的齒輪傳動系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單，重量輕等特點(diǎn)。其工作原理如同人們生活中常見的自旋轉(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)動旋翼直升機(jī)。

槳尖噴氣驅(qū)動旋翼直升機(jī)通過翼尖高速噴流產(chǎn)生反作用力驅(qū)動旋翼旋轉(zhuǎn)，與軸驅(qū)動旋翼相比，消除了沉重的齒輪傳動系統(tǒng)與反扭矩系統(tǒng)，有效減小了系統(tǒng)的復(fù)雜性，具有簡單易用、結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕的特點(diǎn)。同時槳葉旋轉(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)中葉以來各國進(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)，因此沒有得到大范圍應(yīng)用。另一種是從噴氣發(fā)動機(jī)或空氣壓縮機(jī)尾部引出氣體，氣體通過管道流經(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結(jié)構(gòu)的要求，是噴氣旋翼產(chǎn)生噴流的主要方式。美國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際F112小型渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)混合排氣，通過槳葉內(nèi)的管道在槳尖噴出，驅(qū)動旋翼高速旋轉(zhuǎn)，為飛行器X-50垂直起降提供拉力的典型。

本發(fā)明提出的一種帶箍噴氣自驅(qū)動風(fēng)扇與第二種槳尖噴氣驅(qū)動旋翼作用機(jī)制完全相同。通過對引氣量的控制實(shí)現(xiàn)了對噴氣自驅(qū)動風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與涵道比的調(diào)節(jié)，使得發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性兼得成為可能。對該結(jié)構(gòu)噴氣自驅(qū)動風(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)動性能要求。另外帶箍風(fēng)扇消除葉尖間隙帶來的損失，提高了風(fēng)扇部件的氣動效率，且?guī)Ч磕苡行p少風(fēng)扇葉片彎曲應(yīng)力、振動應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，從根本上解決了顫振等問題。

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，針對未來超高涵道比渦扇發(fā)動機(jī)低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速嚴(yán)重不匹配，以及對于齒輪驅(qū)動風(fēng)扇等形式的發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和效率低等問題，本發(fā)明在雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)的應(yīng)用基礎(chǔ)上提出一種帶箍噴氣自驅(qū)動風(fēng)扇及其工作方法，可以應(yīng)用在未來超高涵道比渦扇發(fā)動機(jī)中，相比常規(guī)意義上的雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)而言，可以進(jìn)一步增大渦扇發(fā)動機(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)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種帶箍噴氣自驅(qū)動風(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的80～120％，高度為整個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度約等于葉片葉根處的軸向弦長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)動風(fēng)扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；

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：本發(fā)明提供的帶箍噴氣自驅(qū)動風(fēng)扇及其工作方法，在雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)的應(yīng)用中有如下優(yōu)點(diǎn)：

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

2、通過對引氣量的控制，實(shí)現(xiàn)對噴氣自驅(qū)動風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速與涵道比的調(diào)節(jié)，使得發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性兼得成為可能。另外對于該結(jié)構(gòu)噴氣自驅(qū)動風(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)動風(fēng)扇來說，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)扇部件的流動損失，提高發(fā)動機(jī)性能。

5、葉片帶箍結(jié)構(gòu)可以對葉片進(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題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的帶箍噴氣自驅(qū)動風(fēng)扇在雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用示意圖：其中1-帶箍噴氣自驅(qū)動風(fēng)扇；2-多級低壓壓氣機(jī)；3-多級高壓壓氣機(jī)；4-燃燒室；5-多級高壓渦輪；6-多級低壓渦輪；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為本發(fā)明所述的一種環(huán)形箍狀結(jié)構(gòu)噴氣自驅(qū)動風(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為本發(fā)明所述的一種橢圓形箍狀結(jié)構(gòu)噴氣自驅(qū)動風(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為本發(fā)明所述的箍狀結(jié)構(gòu)噴氣自驅(qū)動風(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為本發(fā)明所述的一種環(huán)形箍狀結(jié)構(gòu)噴氣自驅(qū)動風(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為本發(fā)明所述的一種基于環(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的相對馬赫數(shù)以及相對總壓的分布云示意圖。

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馬赫數(shù)分布云示意圖。

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。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

在傳統(tǒng)雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上，引入該新型帶箍噴氣自驅(qū)動風(fēng)扇1。相比傳統(tǒng)雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(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)動風(fēng)扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，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)動風(fēng)扇的應(yīng)用實(shí)施例是以雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)為原型，在其基礎(chǔ)上做進(jìn)一步地具體說明。

如圖1所示，與雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)原型相比較，除帶箍噴氣自驅(qū)動風(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-多級低壓壓氣機(jī)；3-多級高壓壓氣機(jī)；4-燃燒室；5-多級高壓渦輪；6-多級低壓渦輪；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)動機(jī)中的內(nèi)涵氣流經(jīng)風(fēng)扇靜子葉片，進(jìn)入多級低壓壓氣機(jī)2、多級高壓壓氣機(jī)3，氣流壓力會得到進(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)過多級高壓渦輪5、多級低壓渦輪6膨脹做功。渦輪的功率提取分別通過高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸8、低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸9傳遞給多級高壓壓氣機(jī)3和多級低壓壓氣機(jī)2。

在雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上，引入該帶箍噴氣自驅(qū)動風(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度，不同尺寸的風(fēng)扇以及不同的風(fēng)扇葉型都會導(dǎo)致風(fēng)扇葉尖處葉型的軸向長度有所變化，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的100％，對于本實(shí)施例所述的風(fēng)扇，該寬度值約為187mm。

工作中，通過引氣導(dǎo)流器10的作用，將多級高壓壓氣機(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)動風(fēng)扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，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)用對象對應(yīng)的箍環(huán)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)會有所不同。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，風(fēng)扇內(nèi)部高壓氣流流經(jīng)橢圓形箍狀集氣環(huán)時，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的軸向長度約等于葉片葉根處的軸向弦長1.1～1.2倍，徑向半徑等于風(fēng)扇葉片12葉根處半徑。對于本實(shí)施例中的尺寸風(fēng)扇，風(fēng)扇輪轂氣室17軸向長度為200mm，徑向半徑在294mm～379mm之間。

風(fēng)扇輪轂氣室17通過銜接環(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)過程中，該一體式貫通結(jié)構(gòu)也會隨之一起旋轉(zhuǎn)；銜接環(huán)18是固定不轉(zhuǎn)的，通過封嚴(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)18兩部件通過密封閥連接；外部高壓氣源依據(jù)該帶箍噴氣自驅(qū)動風(fēng)扇的具體應(yīng)用場合會有所不同，本實(shí)施應(yīng)用是以雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)為背景，所以高壓引氣源來自于核心機(jī)多級高壓壓氣機(jī)3。

對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表示噴管出口處靜壓、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)生的動力扭矩大小就可以表示為|N_動|＝|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)生的總動力扭矩值與該結(jié)構(gòu)風(fēng)扇在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程所受到的周向氣動阻力扭矩值達(dá)到平衡時，那么就能夠說明該結(jié)構(gòu)風(fēng)扇能夠依靠噴管射流作用驅(qū)動自身旋轉(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)扇在通流增壓時的外部流場單通道數(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)動機(jī)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)相同，具體為：風(fēng)扇葉片數(shù)為18個，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，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)生的動力扭矩，以及風(fēng)扇在通流增壓時流場的變化。

通過表1可見，實(shí)際計(jì)算得到總的動力扭矩數(shù)值與總的阻力扭矩(內(nèi)、外阻力扭矩)達(dá)到了動態(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)動風(fēng)扇周向動、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)扇與沒有箍環(huán)噴射結(jié)構(gòu)的常規(guī)風(fēng)扇的一個流場變化并加以對比分析，以此說明該帶箍噴氣風(fēng)扇的整體氣動性能的優(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時的葉片下游流場的相對馬赫數(shù)以及相對總壓的分布云圖。

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馬赫數(shù)分布云圖。在左側(cè)曲線圖中可見常規(guī)風(fēng)扇和噴氣風(fēng)扇的主流通道出口氣流絕對馬赫數(shù)沿徑向分布的數(shù)值比較，對于噴氣風(fēng)扇來說，其下游出口氣流參數(shù)勢必會受到上游進(jìn)口射流的擾動，在90％展向范圍內(nèi)，噴氣風(fēng)扇主流通道出口氣流的絕對馬赫數(shù)要低于原始風(fēng)扇出口氣流絕對馬赫數(shù)，但是數(shù)值相差很小，同一徑向高度的絕對馬赫數(shù)最大差值在0.06以內(nèi)，總體徑向絕對馬赫數(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)域的絕對總壓分布要明顯高于下部絕對總壓，但是對于整體徑向絕對總壓分布來說，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，所以噴氣對于風(fēng)扇主流通道出口的絕對總壓的影響范圍較小。

考慮到高壓噴射氣流會不會對上游風(fēng)扇葉片氣動性能產(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越來越明顯，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，但是對于50％展向位置的葉片表面靜壓分布來說，只有吸力面的靜壓分布變化比較明顯。就整體靜壓數(shù)值變化來說，差異還是比較小的，而且總的葉片表面靜壓分布變化趨勢也是完全相同的，所以對于上游葉片總體氣動性能來說，高壓射流所帶來的負(fù)面影響不大。

總的來說，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，對風(fēng)扇的總體氣動性能影響不大，整體結(jié)構(gòu)實(shí)施是可行的。

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