本實用新型涉及航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于航空發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

渦輪發(fā)動機(jī)是一種利用旋轉(zhuǎn)的機(jī)件自穿過它的流體中汲取動能的發(fā)動機(jī)形式，是內(nèi)燃機(jī)的一種，在航空領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

渦輪發(fā)動機(jī)中風(fēng)扇結(jié)構(gòu)的作用與壓氣機(jī)的作用類似，空氣流過風(fēng)扇后，分成兩路：一路是內(nèi)涵氣流，空氣繼續(xù)經(jīng)壓氣機(jī)壓縮，在燃燒室和燃油混合燃燒，燃?xì)饨?jīng)渦輪和噴管膨脹，燃?xì)庖愿咚贍顟B(tài)從尾噴口排出，產(chǎn)生推力，流經(jīng)路程為經(jīng)低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪，燃?xì)鈴膰姽芘懦觥?/p>

另一路是外涵氣流，風(fēng)扇后空氣經(jīng)外涵道直接排入大氣或同內(nèi)涵燃?xì)庖黄鹪趪姽芘懦觥u輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)組合了渦輪噴氣和渦輪螺槳發(fā)動機(jī)的優(yōu)點。渦扇發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)換大部分的燃?xì)饽芰框?qū)動風(fēng)扇和壓氣機(jī)的扭矩，其余的轉(zhuǎn)換成推力。渦扇發(fā)動機(jī)的總推力是核心發(fā)動機(jī)和風(fēng)扇產(chǎn)生的推力之和。

可見風(fēng)扇機(jī)構(gòu)對于渦輪發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的推力至關(guān)重要。

為了使得氣流通過風(fēng)扇結(jié)構(gòu)后，能夠獲得更高的速度?，F(xiàn)有技術(shù)中，通過設(shè)計風(fēng)扇結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇導(dǎo)葉的出口氣流角對風(fēng)扇導(dǎo)葉的葉片進(jìn)行預(yù)旋設(shè)計。所謂預(yù)旋，是指對風(fēng)扇導(dǎo)葉進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得壓氣機(jī)第一級動葉片(通常為風(fēng)扇)的進(jìn)口氣流速度方向不平行于發(fā)動機(jī)軸向。

當(dāng)前的風(fēng)扇導(dǎo)葉的葉片造型如圖1所示，一般從根部到尖部中弧線的金屬角過渡規(guī)律相同，即中弧線曲率方向從根到尖相同。

當(dāng)葉根、葉尖都為正預(yù)旋設(shè)計時，會降低葉根動葉做功量。當(dāng)葉根、葉尖都為反預(yù)旋設(shè)計時，會增大葉尖激波強(qiáng)度、增加噪聲。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種不同于現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)扇導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)，能夠降低尖部激波強(qiáng)度的同時，解決壓氣機(jī)進(jìn)口根部反力度過小的問題。

根據(jù)上述目的，本實用新型提供一種用于航空發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，所述風(fēng)扇結(jié)構(gòu)包括：風(fēng)扇外機(jī)匣、輪轂、風(fēng)扇和風(fēng)扇導(dǎo)葉，所述風(fēng)扇位于所述輪轂和所述風(fēng)扇外機(jī)匣之間，與所述輪轂固定連接，所述風(fēng)扇導(dǎo)葉位于所述風(fēng)扇的上游，在所述輪轂和所述風(fēng)扇外機(jī)匣之間與所述輪轂固定鏈接，所述風(fēng)扇導(dǎo)葉的葉尖具有正預(yù)旋，葉根具有反預(yù)旋。

在一實施例中，所述風(fēng)扇導(dǎo)葉的葉中的葉型無預(yù)旋。

在一實施例中，所述風(fēng)扇導(dǎo)葉在關(guān)于其葉中截面對稱的兩個截面上的葉型在相同的葉型線位置具有互為負(fù)數(shù)的金屬角。

在一實施例中，所述風(fēng)扇導(dǎo)葉在關(guān)于其葉中截面對稱的兩個截面上的葉型具有互為負(fù)數(shù)的安裝角互以及相等的彎角。

在一實施例中，所述風(fēng)扇導(dǎo)葉的90％葉高處的葉型的尾緣處的金屬角為-15～-25度，其10％葉高處的葉型的尾緣處的金屬角為15～25度。

在一實施例中，所述風(fēng)扇導(dǎo)葉的90％葉高處的葉型的50％葉型線處的金屬角為-5～-15度，其10％葉高處的葉型的50％葉型線處的金屬角為5～15度。

在一實施例中，所述風(fēng)扇導(dǎo)葉的90％葉高處的葉型的安裝角為5～25度，其10％葉高處的葉型的安裝角為-5～-25度。

在一實施例中，所述風(fēng)扇導(dǎo)葉的70％葉高處的葉型的安裝角為0.5～15度，其30％葉高處的葉型的安裝角為-0.5～-15度。

在一實施例中，所述風(fēng)扇導(dǎo)葉的90％葉高處和10％葉高處的葉型的彎角為8～30度。

在一實施例中，所述風(fēng)扇導(dǎo)葉的70％葉高處和30％葉高處的葉型的彎角為0.5～20度。

本實用新型通過風(fēng)扇導(dǎo)葉葉尖的正預(yù)旋設(shè)計和葉根的負(fù)預(yù)旋設(shè)計，在降低葉尖激波強(qiáng)度、降低噪聲的同時提高葉根動葉做功量。

附圖說明

圖1示出了傳統(tǒng)風(fēng)扇導(dǎo)葉的葉片造型示意圖；

圖2示出了傳統(tǒng)的航空發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇布局結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖3示出了本實用新型風(fēng)扇導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4示出了從葉根到葉尖5個截面葉型的示意圖；

圖5示出了帶雙向預(yù)旋的風(fēng)扇導(dǎo)葉的速度三角形的示意圖。

為清楚起見，以下給出附圖標(biāo)記的簡要說明：

20：風(fēng)扇布局結(jié)構(gòu)

201、301：風(fēng)扇導(dǎo)葉

202：風(fēng)扇轉(zhuǎn)子

203：輪轂

204：風(fēng)扇外機(jī)匣

221：風(fēng)扇導(dǎo)葉的頁尾型線

222：風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的頁尾型線

302：風(fēng)扇導(dǎo)葉的葉尖的截面葉型

303：風(fēng)扇導(dǎo)葉的葉根截面葉型

311：葉尖截面葉型的中弧線

312：葉根截面葉型的中弧線

401：弦長

402：安裝角

403：葉型彎角

501：正預(yù)旋處的速度三角形

502：無預(yù)旋處的速度三角形

503：負(fù)預(yù)旋處的速度三角形

具體實施方式

本實用新型技術(shù)方案區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)，風(fēng)扇進(jìn)口導(dǎo)葉通過中弧線設(shè)計，為風(fēng)扇動葉片尖部提供正預(yù)旋，用以降低激波強(qiáng)度；為風(fēng)扇動葉片根部提供反預(yù)旋，用以提高做功量。

其中，正預(yù)旋：風(fēng)扇葉片進(jìn)口氣流的絕對速度的周向分量與風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)方向相同；反預(yù)旋：風(fēng)扇葉片進(jìn)口氣流的絕對速度的周向分量與風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)方向相反稱之為反預(yù)旋。

現(xiàn)有的風(fēng)扇結(jié)構(gòu)請參看圖2，圖2示出了傳統(tǒng)的航空發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇布局結(jié)構(gòu)的示意圖。傳統(tǒng)的風(fēng)扇結(jié)構(gòu)20包括位于上游的風(fēng)扇導(dǎo)葉201和位于風(fēng)扇導(dǎo)葉201下游的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子202。

傳統(tǒng)的風(fēng)扇布局結(jié)構(gòu)20還包括輪轂203、風(fēng)扇外機(jī)匣204。風(fēng)扇導(dǎo)葉201和風(fēng)扇轉(zhuǎn)子202位于輪轂203和風(fēng)扇外機(jī)匣204之間。

風(fēng)扇導(dǎo)葉201的頁尾型線221與輪轂203固定連接，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子202的頁尾型線222與輪轂203固定連接。其中，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子202能夠繞著與輪轂203相同的軸做圓周運動。氣流依次流過風(fēng)扇導(dǎo)葉201和風(fēng)扇轉(zhuǎn)子202，從而實現(xiàn)對氣球的增壓。

本實用新型的關(guān)鍵點在于對風(fēng)扇導(dǎo)葉201的造型的改進(jìn)。請參看圖3，圖3示出了本實用新型風(fēng)扇導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)示意圖。

風(fēng)扇導(dǎo)葉301的葉片尖部截面葉型302，風(fēng)扇導(dǎo)葉301的葉片根部截面葉型303彎曲的方向相反，也就是產(chǎn)生不同方向的預(yù)旋。

可以看到葉片尖部截面葉型302的中弧線311的彎曲方向朝向紙面里面，而葉片根部截面葉型303的中弧線312的彎曲方向朝向紙面外面，這樣就實現(xiàn)了風(fēng)扇導(dǎo)葉葉尖和葉根不同方向的預(yù)旋。

在一實施例中，風(fēng)扇導(dǎo)葉301的葉片中部截面葉型304無預(yù)旋。

為了更清楚表現(xiàn)出本實用新型的雙預(yù)旋風(fēng)扇導(dǎo)葉設(shè)計，請參看圖4，圖4分別給出了從葉根到葉尖5個截面葉型的示意圖。

結(jié)合表1雙預(yù)旋風(fēng)扇進(jìn)口導(dǎo)葉葉型金屬角參數(shù)和表2雙預(yù)旋風(fēng)扇進(jìn)口導(dǎo)葉 葉片造型參數(shù)，進(jìn)一步對本實用新型的雙預(yù)旋設(shè)計進(jìn)行說明，其中葉高是指風(fēng)扇導(dǎo)葉的葉片高度。

表1雙預(yù)旋風(fēng)扇進(jìn)口導(dǎo)葉葉型金屬角參數(shù)

表2雙預(yù)旋風(fēng)扇進(jìn)口導(dǎo)葉葉片造型參數(shù)

給出各參數(shù)的定義如下：

弦長：截面葉型中，從葉型前緣線到葉型尾緣線直線距離，請參看圖4中的弦長401；

安裝角：截面葉型在豎直方向上與發(fā)動機(jī)軸線的夾角，請參見圖4中的安裝角402；

葉型彎角：截面葉型中，前緣線切線與尾緣線切線的夾角，請參見圖4中的葉型彎角403；

金屬角：中弧線切線與發(fā)動機(jī)軸線的夾角。

圖4中，A-A、B-B、C-C、D-D、E-E截面分別為風(fēng)扇導(dǎo)葉10％、30％、50％、70％、90％葉片高度處的橫截面。

很直觀地可以看出來，截面葉型的偏轉(zhuǎn)方向是由向一面偏轉(zhuǎn)向另一面逐步偏轉(zhuǎn)的，葉尖的A-A截面葉型的偏轉(zhuǎn)角度與葉根E-E的偏轉(zhuǎn)角度方向相反，即實現(xiàn)了葉尖和葉根具有不同方向的預(yù)旋設(shè)計。

在一實施例中，風(fēng)扇導(dǎo)葉的葉尖具有正預(yù)旋，葉根具有反預(yù)旋。風(fēng)扇導(dǎo)葉的預(yù)旋是由截面葉型的金屬角決定的。

參考表1，其中金屬角1-7是在中弧線上對應(yīng)于弦長投影百分比處的金屬角。

可以看到風(fēng)扇導(dǎo)葉以其葉中截面C-C對稱的上半部分截面葉型的金屬角都為負(fù)數(shù)，代表上半部分截面葉型都為正預(yù)旋設(shè)計。而風(fēng)扇導(dǎo)葉以其葉中截面C-C對稱的下半部分截面葉型的金屬角都為正數(shù)，代表下半部分截面葉型都為負(fù)預(yù)旋設(shè)計。

而在葉中截面C-C上無預(yù)旋設(shè)計。

在一實施例中，風(fēng)扇導(dǎo)葉在關(guān)于其葉中截面C－C對稱的兩個截面上的葉型在相同的葉型線位置具有互為負(fù)數(shù)的金屬角。相同的葉型位置是指，各自葉型線上在各自弦長線上的投影的長度占總弦長長度比例相等的位置。此時，風(fēng)扇導(dǎo)葉是對稱分布的。

在一實施例中，風(fēng)扇導(dǎo)葉的A-A截面處的葉型的尾緣處的金屬角為-15～-25度，其E-E截面處的葉型的尾緣處的金屬角為15～25度。

在一實施例中，風(fēng)扇導(dǎo)葉的B-B截面處的葉型的尾緣處的金屬角為-5～-15度，D-D截面處的葉型的尾緣處的金屬角為5～15度。

請參看表2，在每個橫截面上的葉型的弦長基本相同，弦長的長短表征了葉型的整體大小。一般按照實際中發(fā)動機(jī)既有結(jié)構(gòu)的大小來確定弦長的長短，要使得風(fēng)扇導(dǎo)葉能夠安裝進(jìn)既有的發(fā)動機(jī)機(jī)構(gòu)中。

在一實施例中，上半部分的截面葉型沿著發(fā)動機(jī)軸線向上偏置，下半部分的截面葉型沿著發(fā)動機(jī)軸線向下偏置。更優(yōu)地，風(fēng)扇導(dǎo)葉在關(guān)于其葉中截面C －C對稱的兩個截面上的葉型具有互為負(fù)數(shù)的安裝角互以及相等的彎角。

參看表2，在一實施例中，A-A截面葉型的安裝角為5～25度，E-E截面葉型的安裝角為-5～-25度，更優(yōu)地，A-A截面葉型的安裝角為7.11度，E-E截面葉型的安裝角為-10.13度。

在一實施例中，B-B截面葉型的安裝角為0.5～15度，D-D截面葉型的安裝角為-0.5～-15度，更優(yōu)地，B-B截面葉型的安裝角為1.21度，D-D截面葉型的安裝角為-2.29度。

在一實施例中，風(fēng)扇導(dǎo)葉以其葉中截面C-C對稱的截面上的葉型彎角相等，葉型彎角代表了截面葉型的彎曲程度。

在一實施例中，A-A截面葉型的葉型彎角為8～30度，E-E截面葉型彎角為8～30度，更優(yōu)地，A-A截面葉型彎角為14.34度，E-E截面葉型彎角為14.34度。

在一實施例中，B-B截面葉型的葉型彎角為0.5～20度，D-D截面葉型彎角為0.5～20度，更優(yōu)地，B-B截面葉型彎角為4.64度，D-D截面葉型彎角為4.64度。

在航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇級設(shè)計中，對于風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片的進(jìn)口相對速度，有：

由式(1)可知，進(jìn)口相對速度w₁與來流軸向速度c_1a、圓周速度u、和來流周向速度c_1u相關(guān)。在來流軸向速度c_1a與轉(zhuǎn)速一定的情況下，切向速度u與葉高半徑位置線性相關(guān)。由于葉尖位置切向速度最大，因此來流相對速度較高。為了降低進(jìn)口相對速度w₁，通常采用增加來流切向速度c_1u的辦法，即正預(yù)旋設(shè)計。

對于運動反力度Ω_K，有：

由式(2)可知，當(dāng)u和Δw_u一定時(因而葉片加功量也一定)，若增加c_1u，則反力度Ω_K降低，若減少c_1u，則Ω_K增大。在壓氣機(jī)設(shè)計時常遇到風(fēng)扇葉根反力度過小的麻煩，就可以通過減少來流切向速度c_1u，即采用反預(yù)旋設(shè)計來解決。

請參看圖5，圖5示出了帶雙向預(yù)旋的風(fēng)扇導(dǎo)葉的速度三角形的示意圖， 圖5中零預(yù)旋設(shè)計用虛線表示，采用預(yù)旋設(shè)計的用實線表示?？梢钥吹?，在葉尖設(shè)計有正預(yù)旋處的速度三角形501的c_1u＞0，在葉中無預(yù)旋設(shè)計處的速度三角形502的c_1u＝0，在葉根設(shè)計有負(fù)預(yù)旋處的速度三角形503的c_1u＜0。

根據(jù)式(1)、式(2)，風(fēng)扇葉尖正預(yù)旋可減少來流相對速度w₁，從而降低尖部激波強(qiáng)度，提高效率并減少激波噪聲強(qiáng)度。葉根反預(yù)旋可提高葉根反力度，解決壓氣機(jī)進(jìn)口根部反力度過小的問題。

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