超高負荷超低轉速大涵道比風扇轉子氣動設計方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及大涵道比渦輪風扇發(fā)動機的風扇氣動設計方法，屬葉輪機械技術領 域。
【背景技術】
[0002] 大型民用客機都采用大涵道比渦輪風扇發(fā)動機作為飛機的動力裝置；發(fā)動機噪聲 是其重要評價指標，安裝在發(fā)動機進口的大尺寸風扇（專業(yè)名稱：大涵道比風扇）對噪聲的 貢獻占整機噪聲的三分之一左右；降低風扇轉速是降低其噪聲的有效方法；并且轉速降低 可減小對風扇葉片結構強度要求、葉片可設計得更輕薄，進而減輕風扇重量。對于齒輪驅動 風扇，可通過增加齒輪減速比降低風扇轉速、保持與其相連的壓氣機增壓級和低壓渦輪轉 速不變。
[0003] 風扇增壓比由發(fā)動機總體要求確定。由載荷系數(shù)表達式（1)，在風扇增壓比一定 時，降低轉速必然會增大載荷系數(shù)。
[0005] 上式上，#;載荷系數(shù)；Lu:輪緣功；u( = Γω):輪緣速度；ω :轉動角速度；T Λ風 扇進口總溫；Cp :定壓比熱；總壓比；'?:效率。
[0006] 通常情況下載荷系數(shù)增加，葉片通道擴張度增加，風扇設計難度增大。王松濤、 胡應交在其申請的專利"一種高負荷超、跨音速軸流壓氣機氣動設計方法"（專利【申請?zhí)枴?CN201210369706)中，針對超音和跨音高壓比壓氣機轉子，提出利用子午流道收縮控制葉片 通道擴張度，降低設計難度。此方法可有效降低轉子設計難度，但是如果轉子子午流道收縮 程度過大，會影響與其相配靜子及后面級設計。

【發(fā)明內容】

[0007] 本發(fā)明目的在于提出一種超高負荷、超低轉速大涵道風扇轉子葉片氣動設計方 法，在保證風扇氣動性能前提下有效降低風扇噪聲和減輕重量。
[0008] -種超高負荷超低轉速大涵道比風扇轉子氣動設計方法，其特征在于包括以下步 驟：
[0009] 步驟1、根據(jù)給定的流量、總壓比，采用S2通流分析確定關鍵設計參數(shù)，關鍵設 計參數(shù)包括：轉速、葉片扭向、葉片進出口葉根和葉尖半徑、葉片數(shù)、轉子進出口流體參數(shù)分 布；以及載荷系數(shù)茇載荷系數(shù)彥數(shù)值的選擇要使得轉子出口相對速度^大于進口相對速 度W1，此時載荷系數(shù)選擇〇. 7-1. 0之間；
[0011] 上式，吞:載荷系數(shù)；Lu:輪緣功；u( = r?):輪緣速度；ω :轉動角速度；τ Λ風扇 進口總溫；Cp :定壓比熱； < :總壓比； 效率；
[0012] 步驟2、根據(jù)S2通流分析所確定的轉子進出口參數(shù)分布，進行若干個Sl流面二維 葉型（7)設計，所述轉子進出口流體參數(shù)沿葉高分布包括速度三角形、流體總壓、總溫、靜 壓；
[0013] 步驟3、將上步設計的二維葉型沿徑向積疊即形成轉子三維葉片（11)、根據(jù)選定 的葉片數(shù)構成風扇轉子（12);
[0014] 步驟4、應用計算機仿真方法進行所設計的風扇轉子（12)三維流場模擬或采用試 驗對所設計的風扇進行性能測試，得到風扇性能曲線，檢驗設計是否達到指標要求；如沒有 達到，則根據(jù)對當前設計結果分析進行改進設計。
[0015] 所述的超高負荷超低轉速大涵道比風扇轉子氣動設計方法，其特征在于：所述步 驟2中在二維葉型設計時候采用標準系列葉型，或采用反問題方法進行葉型設計，或優(yōu)化 方法進行葉型設計。
[0016] 本發(fā)明的超高負荷超低轉速大涵道風扇轉子氣動設計步驟與常規(guī)風扇轉子相同。 其中步驟1中需要根據(jù)經(jīng)驗選定載荷系數(shù)，再由前述（1)式計算出轉速。常規(guī)設計轉子出 口相對速度W2小于進口相對速度W1，載荷系數(shù)約為0. 3左右，超出此值隨載荷系數(shù)增加設計 難度增大。本發(fā)明突破常規(guī)，提出轉子出口相對速度W2大于進口相對速度W1、并考慮靜子 進口絕對速度和靜子氣流轉角不宜過大載荷系數(shù)在0. 7-1. 0之間的超高負荷設計理念，并 從理論分析和設計實例驗證其可行性。所提超高負荷轉子葉片采用超出常規(guī)的載荷系數(shù)、 降低轉子轉速，由于葉柵后段流道呈收斂形狀，可抑制流動分離，實現(xiàn)低損失、高效率。由于 轉子轉速低，轉子葉片可采用輕質材料減小重量。
[0017] 本項發(fā)明與現(xiàn)有技術比較有以下優(yōu)點：1)實現(xiàn)大涵道比風扇轉子高效率低轉速 設計；2)低轉速可降低風扇噪聲；3)低轉速可減薄葉片、減小風扇整體重量。
[0018] 本項發(fā)明所述超高負荷超低轉速大涵道風扇與常規(guī)風扇結構相同，主要包括：輪 轂、外機匣和轉子葉片。所述超高負荷超低轉速大涵道風扇轉子性能與結構特征在于：風扇 轉速低、噪聲低；葉片彎度大、較輕薄，風扇整體重量輕。所提出的超高負荷超低轉速大涵道 比風扇轉子葉片氣動設計方法可直接應用于工程實際中的大涵道比風扇設計，輔之以采用 流動控制技術的與之配合靜子設計，可實現(xiàn)大涵道比風扇具有標志性意義的改進。
【附圖說明】
[0019] 圖1風扇轉子進出口速度三角形；
[0020] 圖2風扇轉子葉柵；
[0021] 圖3超高負荷超低轉速風扇轉子葉根、葉中、葉尖截面葉型和葉柵；
[0022] 圖4超高負荷超低轉速風扇轉子外形；
[0023] 圖5超高負荷風扇轉子特性，其中（a)總壓比特性曲線（b)效率特性曲線；
[0024] 圖中標號名稱：1.常規(guī)風扇轉子進出口速度三角形、2.最大擴壓度風扇轉子進出 口速度三角形、3.超高負荷風扇轉子進出口速度三角形、4.常規(guī)風扇轉子葉柵、5.最大擴 壓度風扇轉子葉柵、6.超高負荷風扇轉子葉柵、7.二維葉型、8.葉根截面葉柵、9.葉中截面 葉柵、10.葉尖截面葉柵。11.風扇轉子葉片、12.風扇轉子。
[0025] 具體實施方法
[0026] 以下結合圖1至圖5說明本發(fā)明超高負荷超低轉速大涵道比風扇轉子氣動設計方 法。①根據(jù)給定的流量、壓比，采用S2通流分析