一种跨音风扇转子叶片的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种风扇转子叶片；尤其涉及到一种高负荷叶尖后掠跨音风扇转子叶片，属叶轮机械技术领域。
【背景技术】
[0002]风扇作为航空燃气涡轮风扇发动机关键的核心部件之一，其性能影响着航空燃气涡轮风扇发动机的优劣。随着航空推进系统向高推重比的方向发展，对风扇的性能提出了越来越高的要求。为了提高增压比，当前的航空燃气涡轮风扇发动机多采用跨音风扇。所谓跨音风扇是指风扇转子根部来流相对马赫数亚音，尖部来流相对马赫数超音。随着压比的提高，在风扇转子叶片的中部和尖部截面，相对马赫数的数值也越来越高，导致通道内的激波强度也逐渐增大。风扇转子叶尖截面的峰值相对马赫数已由过去的1.4以下提高到了1.5，甚至更高。一方面，风扇转子可以利用激波实现高的增压比，而另一方面，由于激波与边界层相互干扰会使得激波后边界层迅速增厚，甚至过高的激波强度会导致激波后的流动出现分离，损失增加。再加上吸力面和压力面压差的增大，叶尖间隙泄漏流动也会增加，导致流动损失增加，风扇效率下降。
[0003]因此，必须采用先进技术设计出适合高负荷跨音风扇的叶型，在提高压比的同时尽量的降低流动损失，以提高风扇的效率。
[0004]哈尔滨汽轮机厂有限责任公司的专利CN102927050A《一种用于改善压气机工作稳定性的端弯叶片》中提出一种导叶上部端弯的叶片，导叶上端的端弯叶型相对于导叶中部向吸力面一侧偏移0_?7.53mm,端弯区占导叶整体高度的7%，使气流的流入和流出更贴合叶片的叶型曲线，与压气机主流区域的角度匹配，提高压气机的工作稳定性。该专利中提到的端弯叶片只适用于高负荷压气机的静子叶片。
[0005]清华大学的专利CN103148016A《叶片前掠的离心压气机及涡轮增压器》中提出一种前掠的离心叶片，通过将叶片进行前掠处理，降低前缘叶尖处的载荷，从而提高离心压气机小流量下的性能。前掠叶片可以降低前缘叶尖处的负荷，但会导致转子叶片的结构稳定性下降，容易引发叶片的振动问题。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是针对上述问题采用小展弦比、可控扩散、掠形及端弯技术设计一种跨音风扇转子叶片。
[0007](I)要解决的技术问题
[0008]本发明需要解决现有航空燃气涡轮风扇发动机推力不能满足飞机需求的问题，针对风扇转子叶片流量小、压比低、效率低的问题，通过改进风扇转子叶片设计，使流量提高7%，压比提高7%，效率提高2%。
[0009](2)技术方案
[0010]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:本发明的一种跨音风扇转子叶片是一种宽弦的三维复合弯掠叶片，包括叶根截面、叶尖截面、叶片前缘、叶片尾缘和叶片弦长。其中叶片弦长加长、稠度增大、叶片前缘的进口叶尖后掠、叶片尾缘的根部端弯，并采用可控扩散叶型严格控制沿叶高方向各个截面的弯度变化。
[0011]其中为了提高负荷，将风扇转子叶片弦长加长30% ;叶尖稠度为叶片弦长与栅距的比值，由1.0增大到1.2。
[0012]其中为了实现对流动的控制，采用可控扩散叶型，最大弯度位置由叶根到叶尖逐渐后移，根部最大弯度弦向位置为50%，在90%叶高处最大弯度弦向位置为65% (达到极值)，90%到100%叶高最大弯度弦向位置逐渐前移，叶尖最大弯度弦向位置为60%。
[0013]其中为了降低叶尖截面的最大相对马赫数，降低激波损失，同时提高叶片的结构稳定性，叶片前缘的叶尖后掠。
[0014]其中为了减小尾迹，降低损失，叶片出口尾缘的根部作端弯设计。
[0015]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0016]改进设计经过验证得出:在压比提高7%的情况下，流量提高了 8%，风扇转子叶片95%叶高截面的最大相对马赫数由1.57下降到了 1.43，50%叶高截面最大相对马赫数由1.46下降到了 1.41，激波强度显著降低，激波后的边界层变薄，流动损失大大减小，风扇转子的效率提高了 5%，并且设计点风扇的稳定工作裕度提高了 1%。
【附图说明】
[0017]图1为叶型示意图。
[0018]1-叶根截面2-叶尖截面3-叶片前缘4-叶片尾缘5-叶尖后掠14-叶片弦长
[0019]图2为图1的右视图。
[0020]6-根部端弯
[0021]图3实施例相对马赫数等值线云图
[0022]7-50%叶高截面8-95%叶高截面9_马赫数等值线10-马赫数数值11-边界层12-激波13-叶片旋转方向15-栅距16-尾迹
【具体实施方式】
[0023]下面结合图1?图3通过具体实施例对本发明做进一步详述。以下实施只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
[0024]由图1?图3可知，本发明的一种跨音风扇转子叶片是一种宽弦的三维复合弯掠叶片，包括叶根截面1、叶尖截面2、叶片前缘3、叶片尾缘4和叶片弦长14。所述的叶片弦长14加长、稠度增大、叶片前缘3的进口叶尖后掠5、叶片尾缘4的根部端弯6，并采用可控扩散叶型严格控制沿叶高方向各个截面的弯度变化。
[0025]其中为了提高负荷，将风扇转子叶片弦长14加长30%，叶尖稠度为叶片弦长14与栅距15的比值，由1.0增大到1.2。
[0026]由于来流的马赫数较高，在设计过程中，为了降低叶尖截面2的激波强度，在叶片前缘3采用叶尖后掠5设计，叶尖后掠5设计可以降低来流在叶片前缘3法向的马赫数分量，有效的降低激波12强度，减小激波损失，并且叶尖后掠5设计可以提高叶片的结构稳定性。
[0027]其中为了实现对流动的控制，采用可控扩散叶型，最大弯度位置由叶根到叶尖逐渐后移，叶根截面I最大弯度弦向位置为50%，在90%叶高处最大弯度弦向位置为65%(达到极值)，90%到100%叶高最大弯度弦向位置逐渐前移，叶尖截面2最大弯度弦向位置为 60%o
[0028]结合流场计算的结果，其中为了减小尾迹16，降低损失，叶片尾缘4作根部端弯6设计。
[0029]具体的实施方法为:以流线曲率法通流设计为基础，继以三维叶片的任意造型，然后对造型的结果进行三维流场数值计算，再将计算结果反馈到通流设计和叶片任意造型中形成闭环的迭代过程，直至获得满意的气动性能，并配以结构强度设计、振动、喘振裕度验笪
ο
[0030]设计结果得到了验证，在压比提高7%的情况下，流量提高了 8 %，效率提高了5%，并且设计点风扇的稳定工作裕度提高了 1%。由马赫数等值线9的云图中马赫数数值10的变化可以看到，风扇转子叶片95%叶高截面8的最大相对马赫数由1.57下降到了
1.43，50%叶高截面7的最大相对马赫数由1.46下降到了 1.41，激波12强度显著降低，激波后的边界层11变薄，流动损失大大减小。
【主权项】
1.一种跨音风扇转子叶片是一种宽弦的三维复合弯掠叶片，包括叶根截面(I)、叶尖截面(2)、叶片前缘(3)、叶片尾缘(4)和叶片弦长(14)，其特征在于:叶片弦长(14)加长、稠度增大、叶片前缘(3)的进口叶尖后掠(5)、叶片尾缘(4)的根部端弯(6)，并采用可控扩散叶型严格控制沿叶高方向各个截面的弯度变化。2.根据权利要求1所述的一种跨音风扇转子叶片，其特征在于:风扇转子叶片弦长(14)加长 30%。3.根据权利要求1所述的一种跨音风扇转子叶片，其特征在于:叶尖稠度由1.0增大到 1.2。4.根据权利要求1所述的一种跨音风扇转子叶片，其特征在于:在叶片前缘(3)采用叶尖后掠(5)设计。5.根据权利要求1所述的一种跨音风扇转子叶片，其特征在于:采用可控扩散叶型，最大弯度位置由叶根到叶尖逐渐后移，叶根截面(I)最大弯度弦向位置为50%，在90%叶高处最大弯度弦向位置为65%，90%到100%叶高最大弯度弦向位置逐渐前移，叶尖截面(2)最大弯度弦向位置为60%。
【专利摘要】本发明的一种跨音风扇转子叶片是一种宽弦的三维复合弯掠叶片，包括叶根截面、叶尖截面、叶片前缘、叶片尾缘和叶片弦长。其中叶片弦长加长、稠度增大、叶片前缘的进口叶尖后掠、叶片尾缘的根部端弯，并采用可控扩散叶型严格控制沿叶高方向各个截面的弯度变化。经过验证得出：在压比提高7％的情况下，流量提高了8％，风扇转子叶片95％叶高截面的最大相对马赫数由1.57下降到了1.43，50％叶高截面最大相对马赫数由1.46下降到了1.41，激波强度显著降低，激波后的边界层变薄，流动损失大大减小，使得风扇转子的效率提高了5％，并且设计点风扇的稳定工作裕度提高了1％。
【IPC分类】F04D29/26
【公开号】CN105090098
【申请号】CN201410205351
【发明人】冀国锋, 林森, 吴秀宽, 王华青, 林垲, 潘世海
【申请人】贵州航空发动机研究所
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2014年5月9日