一种带箍喷气自驱动风扇及其工作方法与流程

本发明属于大涵道比涡扇发动机技术领域，具体涉及一种带箍喷气自驱动风扇及其工作方法，属于大涵道比涡扇发动机中一种空气压缩器件。

背景技术：

大涵道比涡扇发动机的出现和持续发展，提高了发动机的经济性，降低了飞机噪声以及污染物的排放，同时大幅度提升了飞机的起飞性能，成为军民用运输机的主要动力，是一个国家科技水平和创新能力的重要标志。未来大涵道比涡扇发动机的发展将会进一步在提高性能和可靠性、降低污染排放和噪声等方面做出努力，使其具有更好的经济性以及更好地满足航空飞行的舒适性和环保要求。

在民用方面，要获得良好的经济性，降低发动机耗油率是主要途径，需要提高发动机的总增压比、涡轮前温度和涵道比，即采用“三高”循环参数。对比大涵道比涡扇发动机的涵道比发展历程可知，目前大涵道比发动机的涵道比为6～9,即将投人使用的下一代发动机的涵道比将达到10左右,未来发动机的涵道比将达到12以上。

在满足航空飞行的舒适性和环保要求方面，飞行噪声的控制也越来越重要，而风扇噪声是发动机主要噪声来源之一。由于转子噪声近似与叶尖速度的4次方成比例，降低风扇转子的叶尖切线速度可降低风扇噪声。舒适性需求驱使风扇转速不断下降，预计高涵道比风扇的叶尖切线速度将降至260m/s，相应的风扇转速显著下降。

风扇叶尖切线速度的不断降低，会带来两方面问题：一、随着涵道比的增加，双转子涡扇发动机低压转子转速不断降低，为了满足总体性能要求就必须要增加驱动风扇和增压级的低压涡轮级数，这样导致发动机整体尺寸变大，重量增加，这些问题在涵道比12以上的双转子涡扇发动机上尤为突出。二、低叶尖切线速度自然决定了风扇的压比有所降低，风扇下游的增压级的切线速度也非常低，其加功增压能力严重不足，导致发动机的起飞推力明显降低。

针对未来超高涵道比涡扇发动机的风扇涵道比与风扇转速严重不匹配的问题，解决该问题的途径通常有：1、采用齿轮驱动涡扇发动机(GTF)；2、采用三转子涡扇发动机；3、采用空气涡轮驱动风扇发动机；4、后风扇涡扇发动机。

这些途径都在一定程度上推动了大涵道比涡扇发动机的发展，但也存在一定的不足：(1)采用齿轮驱动涡扇发动机，低压涡轮经过齿轮减速器减速后驱动风扇，使低压轴转速与风扇转子转速相匹配，然而齿轮减速器由于其传递功率巨大，转速比也较大，导致其设计难度很大，往往成为大涵道比涡扇发动机发展的瓶颈，限制了该类型发动机涵道比的增大；(2)采用三转子涡扇发动机可以更为合理地在风扇、高低压压气机和高低中压涡轮间分配功率和匹配转速，驱动风扇运转的低压涡轮往往外径尺寸较大，且无需驱动低压压气机，使得其可以不经过减速器而直接驱动风扇，但三转子涡扇发动机的缺点是显著的，其结构往往十分复杂，三个同心轴系存在着复杂的转子动力学问题，这些因素使得现今只有少数发动机公司采用该类型发动机；(3)采用空气涡轮驱动风扇，该类型发动机在微小型涡扇发动机上已得到应用，主要解决单轴微小型涡扇发动机风扇与涡轮转子转速极度不匹配问题。该类型发动机通过压气机后已增压空气经过空气涡轮静子加速后冲击空气涡轮转子，以带动与其连接的风扇运转，这种方式避免了高转速涡轮直接驱动风扇转子，但也存在一些缺陷。一方面，空气涡轮效率较低，远低于涡轮功通过机械方式传至风扇转子的机械效率；另一方面，该类型发动机压气机级压比较高，但参与实际热力循环的燃烧室前总压比由于空气涡轮的存在低于该级压比，这使得发动机内涵的经济性较差。(4)后风扇涡扇发动机，后风扇形式的涡扇发动机采用独立的低压涡轮驱动风扇，且涡轮功不需要通过转轴前传，避免了复杂结构的同心轴系，但其缺点也是显著的：一方面，一体化不同材料的风扇和涡轮难以加工制造，且需要复杂的结构进行封严工作以避免燃气外泄至外函；另一方面，后风扇的形式使得外函增压不能像前风扇形式一样为内涵所用，无法为提高内涵经济性做出贡献。这些缺点使得后风扇形式涡扇发动机在涡扇发动机发展早期出现后，即不被广泛采用。

面对未来超高涵道比涡扇发动机的风扇涵道比与风扇转速严重不匹配的问题，以及基于上述四种途径的不足和结构的复杂性，在原有双转子涡扇发动机的基础上，本发明提出一种带箍喷气自驱动风扇结构，利用气动力实现扭矩传递，解决风扇与驱动部件转动速度不协调的问题，消除了沉重的齿轮传动系统，具有结构简单，重量轻等特点。其工作原理如同人们生活中常见的自旋转灌溉装置，自旋转喷泉相类似，更为专业和贴切的实例当属桨尖喷气驱动旋翼直升机。

桨尖喷气驱动旋翼直升机通过翼尖高速喷流产生反作用力驱动旋翼旋转，与轴驱动旋翼相比，消除了沉重的齿轮传动系统与反扭矩系统，有效减小了系统的复杂性，具有简单易用、结构质量轻的特点。同时桨叶旋转惯量大，飞机飞行稳定，易于操纵。由于桨尖喷气飞机理论上的优点，20世纪中叶以来各国进行了大量的探索，并取得了一定的研究成果，不少飞机试飞成功。

产生翼尖喷流的方式有两种：一是在翼尖安装喷气发动机，如XH-20，H-26，YH-32直升机，这种方式噪声大，耗油率高，且翼尖发动机产生的离心力使旋翼结构强度面临极大挑战，因此没有得到大范围应用。另一种是从喷气发动机或空气压缩机尾部引出气体，气体通过管道流经旋翼桨毂、中空桨叶，最后从旋翼翼尖喷口喷出，产生反作用驱动力，如XV-1、XV-9A、XV-17以及一些超轻型直升机，这种方式降低了噪声水平与对结构的要求，是喷气旋翼产生喷流的主要方式。美国NASA研制的新概念可停转旋翼飞行器X-50就是利用威廉姆斯国际F112小型涡轮风扇发动机混合排气，通过桨叶内的管道在桨尖喷出，驱动旋翼高速旋转，为飞行器X-50垂直起降提供拉力的典型。

本发明提出的一种带箍喷气自驱动风扇与第二种桨尖喷气驱动旋翼作用机制完全相同。通过对引气量的控制实现了对喷气自驱动风扇转速与涵道比的调节，使得发动机的经济性和环保性兼得成为可能。对该结构喷气自驱动风扇转速与涵道比的控制可以有效扩大新型涡扇发动机非设计点性能和稳定工作范围，以适应不同的飞行机动性能要求。另外带箍风扇消除叶尖间隙带来的损失，提高了风扇部件的气动效率，且带箍能有效减少风扇叶片弯曲应力、振动应力和扭转应力，从根本上解决了颤振等问题。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，针对未来超高涵道比涡扇发动机低压转子转速严重不匹配，以及对于齿轮驱动风扇等形式的发动机结构的复杂性和效率低等问题，本发明在双转子涡扇发动机的应用基础上提出一种带箍喷气自驱动风扇及其工作方法，可以应用在未来超高涵道比涡扇发动机中，相比常规意义上的双转子涡扇发动机而言，可以进一步增大涡扇发动机涵道比，提高风扇部件效率，以增加推力、降低耗油率，显著提高发动机经济性。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种带箍喷气自驱动风扇，包括风扇轮毂气室、风扇叶片、箍状集气环和喷管，所述风扇轮毂气室是由所述风扇叶片叶根处轮毂线环绕风扇中心转轴线而形成的轴对称回转面装置；

所述风扇叶片环绕所述风扇轮毂气室周向均匀布置，所述风扇叶片的叶尖处通过一中空闭环结构连接成一体，形成所述的箍状集气环装置；所述风扇叶片为中空结构，内部的风扇叶片中空腔室与所述轮毂气室以及所述箍状集气环为一体式贯通结构；

所述箍状集气环内部周向均匀布置有若干数量的喷管，所述喷管的进出口指向与风扇在通流增压时的主流方向一致。

进一步的，所述喷管的出口方向与风扇中心转轴线存有夹角，夹角范围为45°～85°之间；

进一步的，所述箍状集气环周向均匀分布有18～180个喷管，喷管横截面形状为圆形或方形，所述喷管为收扩喷管。

进一步的，所述箍状集气环的外形包括环形箍状结构和椭圆形箍状结构。

进一步的，箍环结构宽度等于风扇叶尖处叶型轴向弦长的80～120％，高度为整个叶片平均径向高度的1％～5％。

进一步的，风扇叶片外形几何参数与常规大涵道比涡扇发动机风扇结构相同。

进一步的，风扇轮毂气室是由风扇叶片叶根处的轮毂线环绕风扇中心转轴线形成的中空腔室，风扇轮毂气室的轴向长度约等于叶片叶根处的轴向弦长1.1～1.2倍，径向半径等于风扇叶片叶根处半径。

进一步的，所述风扇轮毂气室通过衔接环、引气导流器与外部高压气源连通。

根据上述的一种带箍喷气自驱动风扇的工作方法，包括以下步骤：

1)高压气体经引气导流器、衔接环进入风扇轮毂气室；

2)所述高压气体经由风扇轮毂气室、风扇叶片中空腔室，最终汇入叶尖处的箍状集气环装置；

3)所述高压气体经所述箍状集气环装置内的若干收扩喷管高速喷出，产生反推力，利用喷流产生的反作用力矩，驱动风扇转子转动；

4)风扇吸入空气并进行压缩，实现风扇通流增压的作用。

有益效果：本发明提供的带箍喷气自驱动风扇及其工作方法，在双转子涡扇发动机的应用中有如下优点：

1、与齿轮驱动风扇等形式的发动机相比，带箍喷气自驱动风扇消除了沉重的齿轮传动系统，具有结构简单，重量轻等特点。

2、通过对引气量的控制，实现对喷气自驱动风扇的转速与涵道比的调节，使得发动机的经济性和环保性兼得成为可能。另外对于该结构喷气自驱动风扇转速与涵道比的控制可以有效扩大新型涡扇发动机非设计点性能和稳定工作范围，以适应不同的飞行机动性能要求。

3、该环向带箍结构可以适用于任何高涵道比风扇叶型，相比于直接在风扇叶片内部添加喷管利用射流驱动风扇来说，不用考虑风扇叶片数量以及叶片厚度的限制。

4、采用带箍结构的喷气自驱动风扇，可以有效减少转子叶片与机匣之间的叶尖间隙泄漏流，从而减少风扇部件的流动损失，提高发动机性能。

5、叶片带箍结构可以对叶片进行限幅、调频和减振，有效的减少风扇叶片在工作状态产生的弯曲应力、振动应力和扭转应力，减轻了叶片本身的重量，从根本上解决了颤振等问题。

附图说明

图1为本发明所述的带箍喷气自驱动风扇在双转子涡扇发动机中的应用示意图：其中1-带箍喷气自驱动风扇；2-多级低压压气机；3-多级高压压气机；4-燃烧室；5-多级高压涡轮；6-多级低压涡轮；7-尾喷管；8-高压转子转轴；9-低压转子转轴；10-引气导流器。

图2为本发明所述的一种环形箍状结构喷气自驱动风扇正面侧视图：其中11-喷管；12-风扇叶片；13-风扇轮毂；15-箍状集气环。

图3为本发明所述的一种椭圆形箍状结构喷气自驱动风扇正面侧视图：其中11-喷管；12-风扇叶片；13-风扇轮毂；15-箍状集气环。

图4为本发明所述的箍状结构喷气自驱动风扇背面侧视图：其中11-喷管；12-风扇叶片；13-风扇轮毂；15-箍状集气环。

图5为本发明所述的一种环形箍状结构喷气自驱动风扇二维结构示意图：其中10-引气导流器；11-喷管；12-风扇叶片；13-风扇轮毂；14-风扇中心转轴线；15-椭圆形箍状集气环；16-风扇叶片中空腔室；17-风扇轮毂气室；18-衔接环。

图6为本发明所述的一种基于环形箍状结构的喷管射流示意图：11-喷管；12-风扇叶片；14–风扇中心转轴线；15-箍状集气环。

图7为实施例的内管路壁面所受到的气流阻力扭矩随流量变化的关系示意图。

图8为实施例的叶片下游流场的相对马赫数以及相对总压的分布云示意图。

图9为实施例的计算域出口截面沿径向分布的绝对马赫数、总压比分布曲线以及全通道出口截面整体的绝对马赫数分布云示意图。

图10为实施例的不同展向高度上的叶片表面静压分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

在传统双转子涡扇发动机基础上，引入该新型带箍喷气自驱动风扇1。相比传统双转子涡扇发动机，在结构上主要增加了引气导流器10、衔接环18、风扇轮毂气室17、风扇叶片中空腔室16以及在风扇叶尖处与叶片贯通一体的箍状集气环15等装置。

将核心机多级高压压气机3处引出的高压气体经引气导流器10、衔接环18的作用进入风扇轮毂气室17，随后轮毂气室17中的高压气流进入与轮毂气室相通的风扇叶片中空腔室16并最终汇入叶尖处的箍状集气环装置15，集气环装置15内部周向均匀布置有相当数量的收扩喷管11，且喷管中心轴线与风扇转子中心转轴线14有一定夹角，高压气流经收扩喷管高速喷出产生反推力，利用喷流产生的反作用力矩，驱动风扇转子转动，进而风扇可以吸入大量空气并进行压缩，实现风扇通流增压的作用。

实施例

带箍喷气自驱动风扇的应用实施例是以双转子涡扇发动机为原型，在其基础上做进一步地具体说明。

如图1所示，与双转子涡扇发动机原型相比较，除带箍喷气自驱动风扇1结构不同外，其余结构基本相同，主要包括：2-多级低压压气机；3-多级高压压气机；4-燃烧室；5-多级高压涡轮；6-多级低压涡轮；7-尾喷管；8-高压转子转轴；9-低压转子转轴。

该结构双转子涡扇发动机中的内涵气流经风扇静子叶片，进入多级低压压气机2、多级高压压气机3，气流压力会得到进一步提升，随后高压气流进入燃烧室4，产生的高温燃气先后经过多级高压涡轮5、多级低压涡轮6膨胀做功。涡轮的功率提取分别通过高压转子转轴8、低压转子转轴9传递给多级高压压气机3和多级低压压气机2。

在双转子涡扇发动机基础上，引入该带箍喷气自驱动风扇1结构；如图4、图5所示，其风扇转子整体结构包含风扇轮毂13、风扇叶片12、喷管11、箍状集气环15、风扇轮毂气室17、风扇叶片中空腔室16以及与风扇轮毂气室连通的衔接环18和引气导流器10等。其中在图2与图3所示的剖面图中，a表示箍状集气环15的最大高度值，其值约为整个叶片高度值的1.5％～2％。在本实施例中该箍状集气环高度值为叶片高度的1.5％，即10mm。b表示箍状集气环15的宽度值，其值等于该风扇叶尖处叶型的轴向长度，不同尺寸的风扇以及不同的风扇叶型都会导致风扇叶尖处叶型的轴向长度有所变化，所以箍状集气环15的宽度值视具体风扇尺寸和叶型而定，箍状集气环宽度等于所述风扇叶片叶尖处叶型的轴向弦长的100％，对于本实施例所述的风扇，该宽度值约为187mm。

工作中，通过引气导流器10的作用，将多级高压压气机3处高压气体引入至与衔接环18相连接的风扇轮毂气室17中，由于风扇叶片中空腔室16、轮毂气室17以及箍状集气环15为一体式贯通结构，所以进入风扇轮毂气室17的高压气体最终会汇入到箍状集气环15中，在箍状集气环15中周向均匀分布有18～180个收扩喷管11，喷管11进出口中心轴线与风扇中心转轴线14有一定夹角，高压气流经收扩喷管11高速喷出产生反推力，从而利用喷管喷流产生的反作用力矩，驱动风扇转子转动，进而风扇可以吸入大量空气并进行压缩，实现风扇通流增压的作用。

箍状集气环15的外形包括环形箍状结构和椭圆形箍状结构，在应用实施方面，不同的应用对象对应的箍环风扇结构会有所不同。由于在本实施例中该结构主要应用于双转子涡扇发动机中，故选定为椭圆形箍状结构比较合适，在图5中看见，风扇内部高压气流流经椭圆形箍状集气环时，相比于环形结构，椭圆形结构可以使得高压气流流入喷管时偏转平缓，损失小于环形箍状集气环；另一方面椭圆形结构使得其集气环外表面与流体的实际接触面积要比环形结构的要小，这样由于与流体由于摩擦作用产生的阻力扭矩相对较小。最后，采用椭圆形箍状结构，在风扇实际运转过程中，其迎风面积要比采用环形箍状结构风扇的迎风面积小。

风扇轮毂气室17是由风扇叶片12叶根处的轮毂线环绕风扇中心转轴线14形成的中空腔室，风扇轮毂气室17的轴向长度约等于叶片叶根处的轴向弦长1.1～1.2倍，径向半径等于风扇叶片12叶根处半径。对于本实施例中的尺寸风扇，风扇轮毂气室17轴向长度为200mm，径向半径在294mm～379mm之间。

风扇轮毂气室17通过衔接环18、引气导流器10与外部高压气源连通。由于箍状集气环15、风扇叶片中空腔室16以及风扇轮毂气室17为一体式贯通结构，在风扇旋转过程中，该一体式贯通结构也会随之一起旋转；衔接环18是固定不转的，通过封严篦齿和轴承与旋转着的风扇轮毂气室17相连接；引气导流器10与衔接环18两部件通过密封阀连接；外部高压气源依据该带箍喷气自驱动风扇的具体应用场合会有所不同，本实施应用是以双转子涡扇发动机为背景，所以高压引气源来自于核心机多级高压压气机3。

对于喷管射流原理而言，反推力与推力大小相等、方向相反，其计算公式可表示为|F′|＝|F|＝|M·V+(P-P_∞)·A|，其中F表示推力、F′表示反推力，M表示喷管出口射流的质量流量、V表示喷管出口射流速度、P表示喷管出口处静压、P_∞表示喷管出口外界背压、A表示喷管出口截面面积。如图6中所示，喷管射流方向与风扇中心转轴线存在一定夹角α，则与风扇旋转方向相反方向的反推力大小可表示为|U′|＝|F′|sinα＝|F|sinα＝|U|，那么周向反推力U′所产生的动力扭矩大小就可以表示为|N_动|＝|U′|·R，R表示喷管出口射流点所在风扇径向半径的大小。如果周向由喷管射流作用产生的总动力扭矩值与该结构风扇在实际运转过程所受到的周向气动阻力扭矩值达到平衡时，那么就能够说明该结构风扇能够依靠喷管射流作用驱动自身旋转，从而实现风扇通流增压的作用。

为了验证该结构的可行性，运用CFD数值模拟进行计算分析，实际CFD数值模拟共分为两部分计算，一部分为在引气条件下风扇叶片内流管路的数值模拟；另一部分为在引气条件下该结构风扇在通流增压时的外部流场单通道数值模拟。计算条件给定为：转速3570转/分(RPM)，进口总压101325Pa、总温288K，背压90000Pa，引气总压1.6MPa、总温635K。

该实施例所采用的风扇叶片外形几何参数与常规大涵道比涡扇发动机风扇结构相同，具体为：风扇叶片数为18个，展弦比为1.75，进口轮毂比为0.3，进口叶尖直径为1.95m；在进口总压0.1MPa、总温288K条件下，该风扇在设计转速3570RPM运转时，其质量流量约为545kg/s，总压比为1.45。

内流管路的CFD数值模拟主要是分析在特定转速和引气总压条件下，内管路壁面所受到的气流阻力扭矩随流量变化的关系，如图7曲线所示。

外部单通道流场CFD数值模拟主要是分析在特定转速、背压和引气总压条件下，该结构风扇外表面壁面所受到的阻力扭矩以及在射流条件下所产生的动力扭矩，以及风扇在通流增压时流场的变化。

通过表1可见，实际计算得到总的动力扭矩数值与总的阻力扭矩(内、外阻力扭矩)达到了动态平衡，考虑到箍环风扇外表面阻力扭矩在实际的CFD数值模拟计算中存在一定误差，所以在特定引气总压条件下，动力扭矩的模拟计算数值要比阻力扭矩的要大，其差值约占总阻力扭矩的7.9％，以此抵消或减小误差的影响。

表1带箍喷气自驱动风扇周向动、阻力扭矩平衡关系

最后，在相同边界条件设置下运用CFD模拟了有箍环喷射风扇与没有箍环喷射结构的常规风扇的一个流场变化并加以对比分析，以此说明该带箍喷气风扇的整体气动性能的优劣性。

如图8所示带箍喷气结构风扇在射流角α为70度、单通道喷射流量2kg/s、射流速度Ma＝2时的叶片下游流场的相对马赫数以及相对总压的分布云图。

在图9中，分别展示了计算域出口截面沿径向分布的绝对马赫数、总压比分布曲线以及全通道出口截面整体的绝对马赫数分布云图。在左侧曲线图中可见常规风扇和喷气风扇的主流通道出口气流绝对马赫数沿径向分布的数值比较，对于喷气风扇来说，其下游出口气流参数势必会受到上游进口射流的扰动，在90％展向范围内，喷气风扇主流通道出口气流的绝对马赫数要低于原始风扇出口气流绝对马赫数，但是数值相差很小，同一径向高度的绝对马赫数最大差值在0.06以内，总体径向绝对马赫数分布规律趋于相同；右侧曲线展示了进出口总压比沿径向的分布，结果显示在转速3570RPM、背压90000Pa条件下的常规风扇与喷气风扇的总增压比数值基本都在1.2以上分布。对于90％展向位置以上的范围内，由于高压喷射气流的影响，导致出口段该区域的绝对总压分布要明显高于下部绝对总压，但是对于整体径向绝对总压分布来说，90％展向位置以内的常规风扇总压比分布和喷气风扇的总压比分布规律基本趋于相同，所以喷气对于风扇主流通道出口的绝对总压的影响范围较小。

考虑到高压喷射气流会不会对上游风扇叶片气动性能产生影响，分析了不同展向高度上的叶片表面静压分布，如图10所示。在5％展向位置处，喷气风扇叶片表面静压分布与常规风扇叶片表面静压分布完全相同，随着展向位置的不断增大，其叶片表面静压分布的差异也会越来越明显，比如90％展向位置处的叶片表面静压分布在压力面和吸力面都出现了明显变化，但是对于50％展向位置的叶片表面静压分布来说，只有吸力面的静压分布变化比较明显。就整体静压数值变化来说，差异还是比较小的，而且总的叶片表面静压分布变化趋势也是完全相同的，所以对于上游叶片总体气动性能来说，高压射流所带来的负面影响不大。

总的来说，该带箍喷气结构风扇相较于常规风扇，虽然某些参数在数值上出现了差异，但是其数值相差微小，对风扇的总体气动性能影响不大，整体结构实施是可行的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。