超高負(fù)荷超低轉(zhuǎn)速大涵道比風(fēng)扇轉(zhuǎn)子氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及大涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，屬葉輪機(jī)械技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 大型民用客機(jī)都采用大涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的動(dòng)力裝置；發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲 是其重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口的大尺寸風(fēng)扇（專業(yè)名稱：大涵道比風(fēng)扇）對(duì)噪聲的 貢獻(xiàn)占整機(jī)噪聲的三分之一左右；降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速是降低其噪聲的有效方法；并且轉(zhuǎn)速降低 可減小對(duì)風(fēng)扇葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求、葉片可設(shè)計(jì)得更輕薄，進(jìn)而減輕風(fēng)扇重量。對(duì)于齒輪驅(qū)動(dòng) 風(fēng)扇，可通過(guò)增加齒輪減速比降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、保持與其相連的壓氣機(jī)增壓級(jí)和低壓渦輪轉(zhuǎn) 速不變。
[0003] 風(fēng)扇增壓比由發(fā)動(dòng)機(jī)總體要求確定。由載荷系數(shù)表達(dá)式（1)，在風(fēng)扇增壓比一定 時(shí)，降低轉(zhuǎn)速必然會(huì)增大載荷系數(shù)。
[0005] 上式上，#;載荷系數(shù)；Lu:輪緣功；u( = Γω):輪緣速度；ω :轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；T Λ風(fēng) 扇進(jìn)口總溫；Cp :定壓比熱；總壓比；'?:效率。
[0006] 通常情況下載荷系數(shù)增加，葉片通道擴(kuò)張度增加，風(fēng)扇設(shè)計(jì)難度增大。王松濤、 胡應(yīng)交在其申請(qǐng)的專利"一種高負(fù)荷超、跨音速軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法"（專利【申請(qǐng)?zhí)枴?CN201210369706)中，針對(duì)超音和跨音高壓比壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子，提出利用子午流道收縮控制葉片 通道擴(kuò)張度，降低設(shè)計(jì)難度。此方法可有效降低轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)難度，但是如果轉(zhuǎn)子子午流道收縮 程度過(guò)大，會(huì)影響與其相配靜子及后面級(jí)設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明目的在于提出一種超高負(fù)荷、超低轉(zhuǎn)速大涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)方 法，在保證風(fēng)扇氣動(dòng)性能前提下有效降低風(fēng)扇噪聲和減輕重量。
[0008] -種超高負(fù)荷超低轉(zhuǎn)速大涵道比風(fēng)扇轉(zhuǎn)子氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下步 驟：
[0009] 步驟1、根據(jù)給定的流量、總壓比，采用S2通流分析確定關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，關(guān)鍵設(shè) 計(jì)參數(shù)包括：轉(zhuǎn)速、葉片扭向、葉片進(jìn)出口葉根和葉尖半徑、葉片數(shù)、轉(zhuǎn)子進(jìn)出口流體參數(shù)分 布；以及載荷系數(shù)茇載荷系數(shù)彥數(shù)值的選擇要使得轉(zhuǎn)子出口相對(duì)速度^大于進(jìn)口相對(duì)速 度W1，此時(shí)載荷系數(shù)選擇〇. 7-1. 0之間；
[0011] 上式，吞:載荷系數(shù)；Lu:輪緣功；u( = r?):輪緣速度；ω :轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；τ Λ風(fēng)扇 進(jìn)口總溫；Cp :定壓比熱； < :總壓比； 效率；
[0012] 步驟2、根據(jù)S2通流分析所確定的轉(zhuǎn)子進(jìn)出口參數(shù)分布，進(jìn)行若干個(gè)Sl流面二維 葉型（7)設(shè)計(jì)，所述轉(zhuǎn)子進(jìn)出口流體參數(shù)沿葉高分布包括速度三角形、流體總壓、總溫、靜 壓；
[0013] 步驟3、將上步設(shè)計(jì)的二維葉型沿徑向積疊即形成轉(zhuǎn)子三維葉片（11)、根據(jù)選定 的葉片數(shù)構(gòu)成風(fēng)扇轉(zhuǎn)子（12);
[0014] 步驟4、應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真方法進(jìn)行所設(shè)計(jì)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子（12)三維流場(chǎng)模擬或采用試 驗(yàn)對(duì)所設(shè)計(jì)的風(fēng)扇進(jìn)行性能測(cè)試，得到風(fēng)扇性能曲線，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否達(dá)到指標(biāo)要求；如沒(méi)有 達(dá)到，則根據(jù)對(duì)當(dāng)前設(shè)計(jì)結(jié)果分析進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。
[0015] 所述的超高負(fù)荷超低轉(zhuǎn)速大涵道比風(fēng)扇轉(zhuǎn)子氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述步 驟2中在二維葉型設(shè)計(jì)時(shí)候采用標(biāo)準(zhǔn)系列葉型，或采用反問(wèn)題方法進(jìn)行葉型設(shè)計(jì)，或優(yōu)化 方法進(jìn)行葉型設(shè)計(jì)。
[0016] 本發(fā)明的超高負(fù)荷超低轉(zhuǎn)速大涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子氣動(dòng)設(shè)計(jì)步驟與常規(guī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子相同。 其中步驟1中需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定載荷系數(shù)，再由前述（1)式計(jì)算出轉(zhuǎn)速。常規(guī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子出 口相對(duì)速度W2小于進(jìn)口相對(duì)速度W1，載荷系數(shù)約為0. 3左右，超出此值隨載荷系數(shù)增加設(shè)計(jì) 難度增大。本發(fā)明突破常規(guī)，提出轉(zhuǎn)子出口相對(duì)速度W2大于進(jìn)口相對(duì)速度W1、并考慮靜子 進(jìn)口絕對(duì)速度和靜子氣流轉(zhuǎn)角不宜過(guò)大載荷系數(shù)在0. 7-1. 0之間的超高負(fù)荷設(shè)計(jì)理念，并 從理論分析和設(shè)計(jì)實(shí)例驗(yàn)證其可行性。所提超高負(fù)荷轉(zhuǎn)子葉片采用超出常規(guī)的載荷系數(shù)、 降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，由于葉柵后段流道呈收斂形狀，可抑制流動(dòng)分離，實(shí)現(xiàn)低損失、高效率。由于 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低，轉(zhuǎn)子葉片可采用輕質(zhì)材料減小重量。
[0017] 本項(xiàng)發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較有以下優(yōu)點(diǎn)：1)實(shí)現(xiàn)大涵道比風(fēng)扇轉(zhuǎn)子高效率低轉(zhuǎn)速 設(shè)計(jì)；2)低轉(zhuǎn)速可降低風(fēng)扇噪聲；3)低轉(zhuǎn)速可減薄葉片、減小風(fēng)扇整體重量。
[0018] 本項(xiàng)發(fā)明所述超高負(fù)荷超低轉(zhuǎn)速大涵道風(fēng)扇與常規(guī)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)相同，主要包括：輪 轂、外機(jī)匣和轉(zhuǎn)子葉片。所述超高負(fù)荷超低轉(zhuǎn)速大涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子性能與結(jié)構(gòu)特征在于：風(fēng)扇 轉(zhuǎn)速低、噪聲低；葉片彎度大、較輕薄，風(fēng)扇整體重量輕。所提出的超高負(fù)荷超低轉(zhuǎn)速大涵道 比風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法可直接應(yīng)用于工程實(shí)際中的大涵道比風(fēng)扇設(shè)計(jì)，輔之以采用 流動(dòng)控制技術(shù)的與之配合靜子設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)大涵道比風(fēng)扇具有標(biāo)志性意義的改進(jìn)。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1風(fēng)扇轉(zhuǎn)子進(jìn)出口速度三角形；
[0020] 圖2風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉柵；
[0021] 圖3超高負(fù)荷超低轉(zhuǎn)速風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉根、葉中、葉尖截面葉型和葉柵；
[0022] 圖4超高負(fù)荷超低轉(zhuǎn)速風(fēng)扇轉(zhuǎn)子外形；
[0023] 圖5超高負(fù)荷風(fēng)扇轉(zhuǎn)子特性，其中（a)總壓比特性曲線（b)效率特性曲線；
[0024] 圖中標(biāo)號(hào)名稱：1.常規(guī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子進(jìn)出口速度三角形、2.最大擴(kuò)壓度風(fēng)扇轉(zhuǎn)子進(jìn)出 口速度三角形、3.超高負(fù)荷風(fēng)扇轉(zhuǎn)子進(jìn)出口速度三角形、4.常規(guī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉柵、5.最大擴(kuò) 壓度風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉柵、6.超高負(fù)荷風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉柵、7.二維葉型、8.葉根截面葉柵、9.葉中截面 葉柵、10.葉尖截面葉柵。11.風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片、12.風(fēng)扇轉(zhuǎn)子。
[0025] 具體實(shí)施方法
[0026] 以下結(jié)合圖1至圖5說(shuō)明本發(fā)明超高負(fù)荷超低轉(zhuǎn)速大涵道比風(fēng)扇轉(zhuǎn)子氣動(dòng)設(shè)計(jì)方 法。①根據(jù)給定的流量、壓比，采用S2通流分析