紧凑式双涵道压缩系统用子午流道的制作方法

1.本发明涉及一种压缩系统用子午流道造型，具体讲是一种紧凑式双涵道压缩系统用子午流道，属于航空发动机技术领域。


背景技术：

2.由于微小型涡喷发动机结构简单、成本低、推重比高等优点，目前集群无人机和智能巡飞弹药大多选择微小型涡喷发动机作为动力。然而，微小型化也会带来相对加工、装配误差大、相对叶尖间隙大、附面层占比大等诸多不利影响，导致发动机的部件效率偏低、耗油率偏高，大大限制了飞行器性能的进一步提升。目前常用的降低发动机耗油率的方法主要专注于提升部件性能，包括压比、效率等，但微型化、低成本等因素的限制会使得性能提升十分有限，技术难度巨大。
3.在微小型涡喷发动机的基础上发展起来的微小型涡扇发动机也是一种降低发动机耗油率的技术手段。涡扇发动机最复杂的系统为压缩系统，包含风扇转静子、过渡段、内涵压气机转静子、中介机匣、外机匣等，零部件多、结构复杂、成本高，若采用常规手段进行涡扇微型化设计将会带来结构设计技术难度大、发动机推重比低等问题。
4.2013年6月19日，申请号为201310048204.8、发明名称为采用轴流斜流串列复合压缩系统单转子微小型涡扇发动机的中国发明专利，公开了一种用于微小型涡扇发动机的复合压缩系统，轴流风扇转子与斜流压气机转子串列，中介机匣布置于轴流转子之后，将轴流转子出口气流一分为二。与常规设计相比，其省去轴流静子与过渡段，缩短系统轴向长度，简化系统结构。但轴流转子与斜流转子之间无过渡段，相同外径下斜流转子的进出口高度差受限；轴流转子与斜流转子之间也无静子将气流扭转为轴向，斜流转子的来流具有较大的正预旋。以上两个因素使得斜流转子的压比很难提高，无法达到常规设计的两级压比。另外，该专利对外涵道扩压器叶片的设计也无具体阐述，外涵道扩压器中气流存在半径方向与圆周方向的双重载荷，常规设计将会产生较大的流动分离。
5.2017年6月13日，申请号为201710100868.2、发明名称为双压比离心压缩机的中国发明专利，公开了一种用于微小型涡扇发动机的双压比压缩系统。此专利采用高低叶片的台阶式出口实现内外涵双压比压缩，叶轮为整体式轮盘。与申请号为201310048204.8的专利类似，该构型内涵压比局限在单级斜流叶轮所能达到的范围，且整体式轮盘质量偏大。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种结构简单、紧凑，保持推重比的前提下能有效降低油耗的紧凑式双涵道压缩系统用子午流道。
7.为了解决上述技术问题，本发明提供的紧凑式双涵道压缩系统用子午流道，包括风扇转子，所述风扇转子出口的上半部分连接外涵流道，下半部分连接内涵流道，实现双涵道压缩；
8.所述内涵流道包括内涵道过渡段扩压器、斜流压气机转子和斜流压气机扩压器；
9.所述内涵道过渡段扩压器与风扇转子出口的下半部分相连接；
10.所述斜流压气机转子连接于内涵道过渡段扩压器、斜流压气机扩压器之间。
11.本发明的有益效果在于：(1)将风扇转子与斜流压气机转子之间的过渡段合二为一，内涵道过渡段扩压器既充当过渡段，又可起到扩压器的作用，缩减了系统轴向长度，简化了系统结构，其与外涵流道结合，实现了涡扇发动机内外涵双压比压缩的功能；(2)内涵道过渡段扩压器的使用可以使得斜流压气机转子的进口半径下降，且风扇转子出口气流被进一步减速扩压，气流方向被偏转至轴向，以上两因素可使斜流压气机转子做功能力大幅提升，内涵压比可与常规轴流+斜流的两级压比相当；(3)本发明的内涵压可比与现有常规轴流+斜流两级的压比相当，而非局限在单级斜流叶轮所能达到的范围，这样在涡喷发动机平台现有结构框架不变的前提下，在地面标准大气条件下可将发动机耗油率降低30％以上，同时确保推重比可与原涡喷发动机相当。
12.本发明中，所述风扇转子与斜流压气机转子位于同一中心轴上。
13.本发明中，所述内涵道过渡段扩压器的子午流道为s型，流道曲率存在由负到正的变化；所述内涵道过渡段扩压器叶片的叶尖布置在负曲率区、叶根布置在正曲率区，整个叶片呈现大前掠造型。
14.本发明中，所述内涵道过渡段扩压器的子午流道进出口平均半径差δhin与轴向长度lin的比值为0.24～0.28。这样可以有效避免气流分离对发动机产生的影响。
15.本发明中，所述斜流压气机转子采用进口后掠设计，进口后掠角α为5
°
～10
°
，以避免受非均匀来流的影响。
16.本发明中，所述外涵流道包括相互连接的外涵道前扩压器和外涵道后扩压器；所述外涵道前扩压器与风扇转子出口的上半部分相连接。
17.本发明中，所述外涵流道整体呈s型，流道曲率存在由正到负的变化；所述外涵道前扩压器叶片布置在正曲率区，外涵道后扩压器叶片布置在负曲率区。
18.本发明中，所述外涵道前扩压器叶片与外涵道后扩压器叶片均为根尖叶型独立设计的直纹叶片，以方便载荷控制。
19.本发明中，所述外涵道前扩压器叶片为强根部设计，叶尖进出口角度差为0
°
～10
°
；所述外涵道后扩压器叶片为强尖部设计，叶根进出口角度差为0
°
～10
°
。
20.本发明中，所述外涵道前扩压器进口至外涵道后扩压器出口的子午流道进出口平均半径差δhout与轴向长度lout的比值处于0.38～0.42之间。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为紧凑式双涵道压缩系统用子午流道结构示意图；
23.图2为内涵道过渡段扩压器流道的曲率正负分布区以及进出口平均半径差δhin与轴向长度尺寸lin示意图；
24.图3为外涵道前扩压器与外涵道后扩压器组成的外涵流道的曲率正负分布区以及
进出口平均半径差δhout与轴向长度尺寸lout示意图；
25.图4为外涵道前扩压器4叶片与外涵道后扩压器5叶片各截面叶型示意图，(a)为外涵道前扩压器根尖叶型，(b)为外涵道后扩压器根尖叶型；
26.图5为斜流压气机转子6进口后掠角α示意图。
27.图中，1-风扇转子、2-中介机匣、3-内涵道过渡段扩压器、4-外涵道前扩压器、5-外涵道后扩压器、6-斜流压气机转子、7-斜流压气机扩压器。
具体实施方式
28.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
29.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
31.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
32.此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
33.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。
35.如图1所示，本实施例提供的紧凑式双涵道压缩系统子午流道造型，包含风扇转子1、中介机匣2、内涵道过渡段扩压器3、外涵道前扩压器4、外涵道后扩压器5、斜流压气机转子6和斜流压气机扩压器7。风扇转子1出口被中介机匣2一分为二，上半部分与外涵道前扩压器4、外涵道后扩压器5依次连接构成外涵流道。风扇转子1出口的下半部分与内涵道过渡段扩压器3、斜流压气机转子6、斜流压气机扩压器7依次连接构成内涵流道，以此实现双涵道压缩。斜流压气机转子6位于内涵道过渡段扩压器3与斜流压气机扩压器7之间。
36.本实施例中，风扇转子1与斜流压气机转子6位于同一中心轴上，两者之间的内涵道过渡段扩压器3一方面充当过渡段，实现流道的平滑过渡；另一方面又充当扩压器，将风扇转子1出口气流减速扩压，并将气流方向偏转为轴向。
37.在本实施例中，内涵道过渡段扩压器3不同于常规轴流静子：半径方向，流道曲率存在较大变化，为避免分离，气流应有指向圆心方向的压力差来抵抗离心力；圆周方向，气流需从一定切向角度扭转至轴向，也应有指向圆心方向的压差来抵抗的离心力。现有常规设计可通过叶片扭转提供圆周方向所需的压差，但无法提供半径方向所需的压差。因此，本实施例对内涵道过渡段扩压器3的设计做出如下进一步限定，如附图1和2所示：
38.对流道曲率正负做出定义。本实施例中曲率正负的定义为：沿流路方向，曲线凹则曲率为正，曲线凸则曲率为负，根据内涵道过渡段扩压器3流道的曲率分布将流道分为正曲率区与负曲率区。根据圆心所处位置，在负曲率区，流体压差方向应指向轮毂；在正曲率区，流体压差方向应指向轮毂。因此，内涵道过渡段扩压器3子午流道为s型，流道曲率存在由负到正的变化。将叶片叶尖(轮缘处)布置在负曲率区，将叶片叶根(轮毂处)布置在正曲率区，整个叶片呈现大前掠造型。
39.在半径方向，负曲率区由于上半部分存在叶片对气体减速扩压，气体获得存在指向轮毂的压差，正曲率区间由于下半部分存在叶片对气体减速扩压，气体获得存在指向轮缘的压差。这样通过叶片的掠设计使气流在半径方向获得压差，避免了气流分离。
40.同时，由于叶片掠设计带来的半径方向的压力变化有限，在较大曲率下仍无法避免气流分离，因此本实施例对流道的几何参数-平均半径差δhin与轴向长度lin的比值进行了限制。该比值越大，有利于缩短轴向长度，但曲率大，流动难以控制；反之曲率小，流动易控制，但轴向长度大。因此，综合考虑轴向长度与曲率，限制该比值处于0.24～0.28之间，本实施例中的比值为0.27。
41.如图1和5所示，不同于常规轴流静子，内涵道过渡段扩压器3出口流动较为复杂，存在较大不均匀性。非均匀来流将对下游造成较大影响，叶尖区域由于相对马赫数高，对气流的分均匀性更加敏感。为此，斜流压气机转子6采用后掠设计，增加内涵道过渡段扩压器3叶尖区域出口气流的掺混长度，同时兼顾斜流压气机转子6的做功，后掠角也不可过大，限定的后掠角范围是在兼顾来流均匀度与叶轮做功能力确定的，通常限定后掠角为5
°
～10
°
，本实施例中后掠角为7
°
，具体后掠角参数示意如附图5所示。需要关注的是，后掠越大，气流掺混长度越大，来流更加均匀，但后掠加大会导致叶轮叶片尺寸减小，做功能力下降。
42.同样，在外涵道气流也存在半径方向的曲率变化与圆周方向的曲率变化，与内涵道不同的是，外涵道呈细长型，无法像内涵道过渡段扩压器3一样将叶片叶尖与叶根分别布置在负曲率区与正曲率区。因此对于外涵道，采用分体设计，分别为外涵道前扩压器4与外涵道后扩压器5，外涵道前扩压器4与外涵道后扩压器5组成的外涵流道整体呈s型，流道曲率存在由正到负的变化，如附图1和3所示。
43.首先，根据前文定义将流道分为正曲率区与负曲率区，在两个区分别设置叶片，外涵道前扩压器4处于正曲率区，外涵道后扩压器5处负曲率区。为了方便载荷控制，扩压器叶片均采用根尖叶型独立设计的直纹叶片。一般流道壁面型线内凹的地方气流不易分离，而外凸的地方容易分离；因此将内凹的区域采用大载荷，即叶片进出口角度差大，将气流充分减速扩压；外凸的区域采用小载荷，叶片进出口角度差小，避免较大的流动分离。如附图1和
4所示，在正曲率区，外涵道前扩压器4为强根部设计，外涵道前扩压器4叶片的载荷主要集中在叶根，即叶尖进出口角度差较小，通常为0
°
～10
°
，叶根进出口角度差较大；在负曲率区则相反，外涵道后扩压器5为强尖部设计，外涵道后扩压器5叶片的主要的扩压载荷集中叶尖处，即叶根进出口角度差较小，通常为0
°
～10
°
，叶尖进出口角度差较大。即在外涵道是通过根尖载荷分配实现气流在半径方向的压力差异。
44.如图1和3所示，综合考虑轴向长度与曲率，限制外涵道前扩压器4与外涵道后扩压器5组成的外涵流道的进出口平均半径差δhout与轴向长度lout的比值处于0.38～0.42之间。
45.在本实施例中，将风扇转子1与斜流压气机转子6之间的过渡段合二为一。内涵道过渡段扩压器3既充当过渡段，又可起到扩压器的作用，从而缩减了系统轴向长度，简化了系统结构。内涵道过渡段扩压器3的添加使得斜流压气机转子6的进口半径下降，且风扇转子1出口气流被进一步减速扩压，气流方向被偏转至轴向，从而可使斜流压气机转子6做功能力大幅提升，内涵压比可与常规轴流+斜流的两级压比相当。
46.本实施例采用一种简单、紧凑的子午流道形式，实现了涡扇发动机内外涵双压比压缩的功能，在涡喷发动机平台现有结构框架不变的前提下，内涵压可比与常规轴流+斜流两级的压比相当，而非局限在单级斜流叶轮所能达到的范围；采用本发明进行涡扇化改制，在地面标准大气条件下可将发动机耗油率降低30％以上，同时推重比可与原涡喷发动机相当。
47.本发明提供了一种紧凑式双涵道压缩系统用子午流道的思路，具体实现该技术方案的方法和途径很多，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。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。