超高负荷超低转速大涵道比风扇转子气动设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及大涵道比涡轮风扇发动机的风扇气动设计方法，属叶轮机械技术领 域。
【背景技术】
[0002] 大型民用客机都采用大涵道比涡轮风扇发动机作为飞机的动力装置；发动机噪声 是其重要评价指标，安装在发动机进口的大尺寸风扇（专业名称：大涵道比风扇）对噪声的 贡献占整机噪声的三分之一左右；降低风扇转速是降低其噪声的有效方法；并且转速降低 可减小对风扇叶片结构强度要求、叶片可设计得更轻薄，进而减轻风扇重量。对于齿轮驱动 风扇，可通过增加齿轮减速比降低风扇转速、保持与其相连的压气机增压级和低压涡轮转 速不变。
[0003] 风扇增压比由发动机总体要求确定。由载荷系数表达式（1)，在风扇增压比一定 时，降低转速必然会增大载荷系数。
[0005] 上式上，#;载荷系数；Lu:轮缘功；u( = Γω):轮缘速度；ω :转动角速度；T Λ风 扇进口总温；Cp :定压比热；总压比；'?:效率。
[0006] 通常情况下载荷系数增加，叶片通道扩张度增加，风扇设计难度增大。王松涛、 胡应交在其申请的专利"一种高负荷超、跨音速轴流压气机气动设计方法"（专利【申请号】 CN201210369706)中，针对超音和跨音高压比压气机转子，提出利用子午流道收缩控制叶片 通道扩张度，降低设计难度。此方法可有效降低转子设计难度，但是如果转子子午流道收缩 程度过大，会影响与其相配静子及后面级设计。
【发明内容】
[0007] 本发明目的在于提出一种超高负荷、超低转速大涵道风扇转子叶片气动设计方 法，在保证风扇气动性能前提下有效降低风扇噪声和减轻重量。
[0008] -种超高负荷超低转速大涵道比风扇转子气动设计方法，其特征在于包括以下步 骤：
[0009] 步骤1、根据给定的流量、总压比，采用S2通流分析确定关键设计参数，关键设 计参数包括：转速、叶片扭向、叶片进出口叶根和叶尖半径、叶片数、转子进出口流体参数分 布；以及载荷系数茇载荷系数彦数值的选择要使得转子出口相对速度^大于进口相对速 度W1，此时载荷系数选择〇. 7-1. 0之间；
[0011] 上式，吞:载荷系数；Lu:轮缘功；u( = r?):轮缘速度；ω :转动角速度；τ Λ风扇 进口总温；Cp :定压比热； < :总压比； 效率；
[0012] 步骤2、根据S2通流分析所确定的转子进出口参数分布，进行若干个Sl流面二维 叶型（7)设计，所述转子进出口流体参数沿叶高分布包括速度三角形、流体总压、总温、静 压；
[0013] 步骤3、将上步设计的二维叶型沿径向积叠即形成转子三维叶片（11)、根据选定 的叶片数构成风扇转子（12);
[0014] 步骤4、应用计算机仿真方法进行所设计的风扇转子（12)三维流场模拟或采用试 验对所设计的风扇进行性能测试，得到风扇性能曲线，检验设计是否达到指标要求；如没有 达到，则根据对当前设计结果分析进行改进设计。
[0015] 所述的超高负荷超低转速大涵道比风扇转子气动设计方法，其特征在于：所述步 骤2中在二维叶型设计时候采用标准系列叶型，或采用反问题方法进行叶型设计，或优化 方法进行叶型设计。
[0016] 本发明的超高负荷超低转速大涵道风扇转子气动设计步骤与常规风扇转子相同。 其中步骤1中需要根据经验选定载荷系数，再由前述（1)式计算出转速。常规设计转子出 口相对速度W2小于进口相对速度W1，载荷系数约为0. 3左右，超出此值随载荷系数增加设计 难度增大。本发明突破常规，提出转子出口相对速度W2大于进口相对速度W1、并考虑静子 进口绝对速度和静子气流转角不宜过大载荷系数在0. 7-1. 0之间的超高负荷设计理念，并 从理论分析和设计实例验证其可行性。所提超高负荷转子叶片采用超出常规的载荷系数、 降低转子转速，由于叶栅后段流道呈收敛形状，可抑制流动分离，实现低损失、高效率。由于 转子转速低，转子叶片可采用轻质材料减小重量。
[0017] 本项发明与现有技术比较有以下优点：1)实现大涵道比风扇转子高效率低转速 设计；2)低转速可降低风扇噪声；3)低转速可减薄叶片、减小风扇整体重量。
[0018] 本项发明所述超高负荷超低转速大涵道风扇与常规风扇结构相同，主要包括：轮 毂、外机匣和转子叶片。所述超高负荷超低转速大涵道风扇转子性能与结构特征在于：风扇 转速低、噪声低；叶片弯度大、较轻薄，风扇整体重量轻。所提出的超高负荷超低转速大涵道 比风扇转子叶片气动设计方法可直接应用于工程实际中的大涵道比风扇设计，辅之以采用 流动控制技术的与之配合静子设计，可实现大涵道比风扇具有标志性意义的改进。
【附图说明】
[0019] 图1风扇转子进出口速度三角形；
[0020] 图2风扇转子叶栅；
[0021] 图3超高负荷超低转速风扇转子叶根、叶中、叶尖截面叶型和叶栅；
[0022] 图4超高负荷超低转速风扇转子外形；
[0023] 图5超高负荷风扇转子特性，其中（a)总压比特性曲线（b)效率特性曲线；
[0024] 图中标号名称：1.常规风扇转子进出口速度三角形、2.最大扩压度风扇转子进出 口速度三角形、3.超高负荷风扇转子进出口速度三角形、4.常规风扇转子叶栅、5.最大扩 压度风扇转子叶栅、6.超高负荷风扇转子叶栅、7.二维叶型、8.叶根截面叶栅、9.叶中截面 叶栅、10.叶尖截面叶栅。11.风扇转子叶片、12.风扇转子。
[0025] 具体实施方法
[0026] 以下结合图1至图5说明本发明超高负荷超低转速大涵道比风扇转子气动设计方 法。①根据给定的流量、压比，采用S2通流分析