引气通道由附加涵道静子和附加涵道机匣内的气路组成， 且在引气通道出口 34截面处放置叶尖空气涡轮的导向器；②叶尖驱动部件采用叶尖喷气 喷嘴的形式，则该引气通道由附加涵道风扇转子内的气路组成，并在叶尖将气流引入喷气 喷嘴。
5. 如权利要求1所述的叶尖喷气驱动风扇的大涵道比涡扇发动机，其特征是所述附加 涵道风扇转子，由其流量?f (压比效率Ci)确定的名义涵道比讲目比与原双转子涡扇 发动机外涵部分流量私（压比效率确定的涵道比iT更大，上述参数有如下关系： m ;在选定附加涵道风扇转子轮毂A比和进口马赫数也后，可以用流量 i B L' 公式确定风扇转子的叶尖半径/^;对于风扇，先估取选定载荷系数
則有：
,一旦确定&则可以计算出压 比为了使空气涡轮与风扇转子掺混损失最小，且满足能量平衡条件巧=心，经推导有：
解出&和转速/?;可以看到，转速/?越低（?小)时，涵道比繼大；转速低一方面可以实现 更大涵道比，带叶尖喷气驱动的大涵道比风扇发动机总的排气流量增加，增加的即为附加 涵道的流量，发动机的可用能量被更大的流量均分；由于排气速度的降低幅度比质量增加 的幅度小，故发动机排气总动量增加，对应着推力增加，耗油率降低；另一方面由速度三角 形知风扇转子相对速度
转速低则4小，可以降低转子进口相对速度，相对马 赫数，避免风扇叶尖出现超音速情况，降低风扇设计难度，同时避免叶尖因超音速带来的噪 音危害。
6. 如权利要求1所述的叶尖喷气驱动风扇的大涵道比涡扇发动机，其特征是所述的 叶尖驱动部件，其结构是布置在附加涵道风扇转子叶尖，其转速与风扇转子转速相同为/?， 流量~与双转子涡扇发动机外涵道流量叫相等；由于其位于风扇叶尖，故涡轮圆周速度
，根据能量平衡条件，有 为涡轮载荷系数；可以看出，当_大，/7越小，则涡轮载荷系数越大；为了避免涡轮出 现跨音乃至超音现象，尽不宜过大，对应转速/7不宜太小；故转速/7也是空气涡轮设 计的关键参数，在选取时需要综合考虑风扇与涡轮，使得两者设计难度相当；当尽大 时，重新选取转速/7,计算尽，再计算尽，反复迭代；空气涡轮的落压比&由下式求出：
;由落压比、流量和效率等参数，可按已有 的航空发动机涡轮设计方法设计得到空气驱动涡轮转子气动造型，或者现有的喷嘴设计方 法设计得到叶尖喷气喷嘴；与传统大涵道比涡扇发动机的低压涡轮相比，该空气涡轮可以 在较低转速下仍然保持较高的圆周速度仏使得涡轮在不高的载荷系数下仍然保持较强的 做功能力驱动风扇转子，解决了转速不匹配问题；通过匹配设计，可以使风扇和空气涡轮均 获得较优的性能，同时实现大涵道比涡扇发动机的设计。
7. 如权利要求4所述的叶尖喷气驱动风扇的大涵道比涡扇发动机，其特征是所述叶尖 空气涡轮，布置在附加涵道风扇转子叶尖，叶片的重心积叠方向和弯扭方向应与风扇叶片 的趋势相关，此叶尖空气涡轮的叶根处带有突肩，用于与风扇叶片连接；叶尖空气涡轮起到 提取空气能量，驱动风扇转子转动的作用；突肩不仅起连接作用，也起到隔离风扇与涡轮叶 片附近不同压力的气体的作用；与之配套的空气涡轮导向器布置在附加涵道外机匣内，起 到将引气通道的空气加速并导向的作用，使空气高速喷向空气涡轮转子；此叶尖空气涡轮 及其前方的空气涡轮导向器，都可采用低稠度涡轮叶型设计技术获得其基元叶型，并按前 述重心积叠和弯扭方式生成三维造型；由于空气涡轮的工作温度不高，其转子可采用空心 叶片和轻质材料，以降低叶片重量。
8. 根据权利要求4所述的叶尖喷气驱动风扇的大涵道比涡扇发动机，其特征是所述的 叶尖喷气喷嘴，布置在风扇叶片的叶尖内部，喷嘴内部通道走向与风扇叶尖的中弧线一致， 且喷嘴出口方向与风扇叶片尾缘中弧线切线的夹角在一定范围内，以减少掺混损失；喷嘴 的作用是将内涵引出的高压气体加速喷出，产生反作用力驱动风扇转子旋转，引气的通道 位于风扇转子叶片内部，风扇转子叶片须采用空心叶片；该喷气喷嘴的作用实质上与叶尖 空气涡轮一致，可认为喷气喷嘴具有与之等效的气动参数；按与叶尖空气涡轮同样的气动 计算方法，可获得喷嘴流量、喷气速度、喷气方向等参数，之后可按照现有的喷嘴设计技术， 获得喷嘴的气动造型。
9. 叶尖喷气驱动风扇的大涵道比涡扇发动机的设计方法，其特征是包括如下设计步 骤： 1) 选定原型双转子涡扇发动机；原型选定后，发动机的内涵道总压比和涡轮前温度都 已确定，通常这两个参数均已达当前材料和制造工艺的极限；本专利只需对风扇外涵道部 分进行以下改进； 2) 先初步确定该发动机增加附加涵道后得到提高的涵道比汉进而计算出附 件涵道风扇流量％并设计风扇轮毂比得到叶尖半径&;选择风扇的载荷系数尽 后，根据最大利用原双转子涡扇发动机外涵空气能量和掺混损失最小的条件，有
风扇转子叶尖速度％和转速
得 到附加涵道风扇压比 3) 叶尖驱动部件的设计，以空气涡轮为例；其流量为原双转子风扇外涵流量务 =私，其 载荷系数由下式确定
；事实上，当风扇压比为##寸，转速与载 荷系数尽相关，选取/?1氏，则句高，对应载荷系数涡轮尽也高；尽是涡轮设计难度的评判准 则之一，特别是/ζ超过某值后，涡轮需要采用超音或跨音设计，甚至难以设计；叶尖驱动部 件的落压比由下式求出
；得到流量、落压 比参数后，绘制附加涵道转静子进出口速度三角形和空气涡轮速度三角形；在一维估算层 面上通过多轮迭代优化并确定各个截面参数，尤其是优选合适的转速/7,使得涡轮与风扇均 能获得良好的气动性能；当驱动部件选用喷气喷嘴时，其在旋转坐标系下功能与空气涡轮 一致，可有与之等效的"速度三角形"，但其出口相对速度^应与风扇出口的相对速度^^方 向一致； 4) 根据所得的速度三角形，设计附加涵道转静子、叶尖驱动部件及静子的子午流道和 气动外型；通过计算流体力学技术进行三维优化设计，使得附加涵道转静子、叶尖驱动部件 性能最优； 5) 依据优化后的叶尖喷气驱动大涵道比涡扇发动机的附加涵道风扇的压、流量 ^效率//廣数，可以按照目前已有的航空发动机风扇设计方法设计得到附加涵道风扇转 子及其静子气动造型； 6) 根据优化后的叶尖驱动部件的落压比流量务、效率，对于喷气喷嘴为等效参 数，若采用叶尖空气涡轮，则可按照目前已有的航空发动机涡轮设计方法设计得到空气驱 动涡轮转子及其静子气动造型；若采用叶尖喷气喷嘴，则利用已有的喷嘴设计方法进行喷 嘴的气动设计； 7) 若选用叶尖空气涡轮驱动，则在获得附加涵道风扇转子和叶尖空气涡轮转子的气动 造型后，进行两者间的突肩设计，突肩厚度不宜薄，以保证连接强度，也不宜厚，以保证部件 的气动性能；此外，突肩应具有气动外形，如类似鱼鳍型，以降低突肩本身对气流的影响； 8) 引气通道实质上是管流通道，依据引气气流的流量、压力、温度参数，采用二维管流 的设计方法，选择较低的气体流速，光顺各部件内的流道，以降低流路的气动损失，完成引 气通道设计；同时将相应的部件做成空心的； 9) 附加涵道进气道和喷管的具体设计可分别采用目前已有的大涵道比涡扇发动机的 相关设计技术完成； 10) 所有增加或改动的部件气动设计和总体结构方案设计完成后，按已有的航空发动 机设计技术对这些部件进行详细的结构设计，校核强度和转子动力学；至此完成在双转子 涡扇发动机基础上改进的叶尖喷气驱动风扇的大涵道比涡扇发动机设计。
【专利摘要】本发明是叶尖喷气驱动风扇的大涵道比涡扇发动机及设计方法，其结构是外涵道部分引入一个具有更大涵道比的带叶尖喷气驱动的风扇转子，该转子包含附加涵道风扇转子、叶尖驱动部件和旋转附加涵道转子轮毂，在附加涵道风扇转子和叶尖驱动部件的下游设置了附加涵道静子。引气通道从原双转子涡扇发动机外涵道引气至附加涵道风扇转子叶尖部分。优点： ①增大涵道比，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；②大大提升其圆周速度，涵道比提升潜力巨大；③与现有技术相比，结构更简单；④可利用已有的双转子涡扇发动机为基础进行改进，从而降低这种叶尖喷气驱动风扇大涵道比涡扇发动机研制风险和成本，缩短研制周期。
【IPC分类】F02K3-06
【公开号】CN104675556
【申请号】CN201410823725
【发明人】黄国平, 向鑫, 陈杰, 夏晨, 陆惟煜
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2014年12月26日