一种带箍喷气自驱动风扇制造技术

本实用新型专利技术公开了一种带箍喷气自驱动风扇，在传统双转子涡扇发动机基础上引入该新型带箍喷气自驱动风扇，结构上主要增加了引气导流器、衔接环、风扇轮毂气室、风扇叶片中空腔室以及在风扇叶尖处与叶片贯通一体的箍状集气环等装置。将高压气体经引气导流器、衔接环装置进入风扇轮毂气室，轮毂气室中的高压气流进入与轮毂气室相通的风扇叶片中空腔室并最终汇入叶尖处的箍状集气环装置，集气环装置内部周向均匀布置有相当数量的收扩喷管，且喷管中心轴线与风扇转子中心转轴线有一定夹角，高压气流经收扩喷管高速喷出产生反推力，利用喷流产生的反作用力矩，驱动风扇转子转动，进而风扇可吸入大量空气并进行压缩，实现风扇通流增压作用。

Self driving fan with band jet

The utility model discloses a band jet self driven fan, the introduction of the new band jet self driven fan in the traditional double rotor turbofan engine based on the structure of the main air deflector, increasing cohesion cavity ring, fan hub chamber, fan blades and fan in the room at the tip and leaves through one the gas collecting ring hoop device. The high pressure gas by air deflector, linking ring device into the fan hub chamber, high pressure air hub in the air chamber and the hub into the gas chamber communicated with the fan blade cavity chamber and eventually into the tip of the hoop shaped ring gas collecting device, set the internal gas ring device to weeks evenly arranged a considerable number of charge the nozzle, and the nozzle axis and the fan rotor center axis of rotation of a certain angle, high pressure air flow through the nozzle spray charge generated at a high speed reverse thrust produced by the jet reaction torque, driving the fan rotor and fan air inhalation and compression, achieve fan flow pressure.

【技术实现步骤摘要】
一种带箍喷气自驱动风扇
本技术属于大涵道比涡扇发动机
，具体涉及一种带箍喷气自驱动风扇，属于大涵道比涡扇发动机中一种空气压缩器件。
技术介绍
大涵道比涡扇发动机的出现和持续发展，提高了发动机的经济性，降低了飞机噪声以及污染物的排放，同时大幅度提升了飞机的起飞性能，成为军民用运输机的主要动力，是一个国家科技水平和创新能力的重要标志。未来大涵道比涡扇发动机的发展将会进一步在提高性能和可靠性、降低污染排放和噪声等方面做出努力，使其具有更好的经济性以及更好地满足航空飞行的舒适性和环保要求。在民用方面，要获得良好的经济性，降低发动机耗油率是主要途径，需要提高发动机的总增压比、涡轮前温度和涵道比，即采用“三高”循环参数。对比大涵道比涡扇发动机的涵道比发展历程可知，目前大涵道比发动机的涵道比为6～9,即将投人使用的下一代发动机的涵道比将达到10左右,未来发动机的涵道比将达到12以上。在满足航空飞行的舒适性和环保要求方面，飞行噪声的控制也越来越重要，而风扇噪声是发动机主要噪声来源之一。由于转子噪声近似与叶尖速度的4次方成比例，降低风扇转子的叶尖切线速度可降低风扇噪声。舒适性需求驱使风扇转速不断下降，预计高涵道比风扇的叶尖切线速度将降至260m/s，相应的风扇转速显著下降。风扇叶尖切线速度的不断降低，会带来两方面问题：一、随着涵道比的增加，双转子涡扇发动机低压转子转速不断降低，为了满足总体性能要求就必须要增加驱动风扇和增压级的低压涡轮级数，这样导致发动机整体尺寸变大，重量增加，这些问题在涵道比12以上的双转子涡扇发动机上尤为突出。二、低叶尖切线速度自然决定了风扇的压比有所降低，风扇下游的增压级的切线速度也非常低，其加功增压能力严重不足，导致发动机的起飞推力明显降低。针对未来超高涵道比涡扇发动机的风扇涵道比与风扇转速严重不匹配的问题，解决该问题的途径通常有：1、采用齿轮驱动涡扇发动机(GTF)；2、采用三转子涡扇发动机；3、采用空气涡轮驱动风扇发动机；4、后风扇涡扇发动机。这些途径都在一定程度上推动了大涵道比涡扇发动机的发展，但也存在一定的不足：(1)采用齿轮驱动涡扇发动机，低压涡轮经过齿轮减速器减速后驱动风扇，使低压轴转速与风扇转子转速相匹配，然而齿轮减速器由于其传递功率巨大，转速比也较大，导致其设计难度很大，往往成为大涵道比涡扇发动机发展的瓶颈，限制了该类型发动机涵道比的增大；(2)采用三转子涡扇发动机可以更为合理地在风扇、高低压压气机和高低中压涡轮间分配功率和匹配转速，驱动风扇运转的低压涡轮往往外径尺寸较大，且无需驱动低压压气机，使得其可以不经过减速器而直接驱动风扇，但三转子涡扇发动机的缺点是显著的，其结构往往十分复杂，三个同心轴系存在着复杂的转子动力学问题，这些因素使得现今只有少数发动机公司采用该类型发动机；(3)采用空气涡轮驱动风扇，该类型发动机在微小型涡扇发动机上已得到应用，主要解决单轴微小型涡扇发动机风扇与涡轮转子转速极度不匹配问题。该类型发动机通过压气机后已增压空气经过空气涡轮静子加速后冲击空气涡轮转子，以带动与其连接的风扇运转，这种方式避免了高转速涡轮直接驱动风扇转子，但也存在一些缺陷。一方面，空气涡轮效率较低，远低于涡轮功通过机械方式传至风扇转子的机械效率；另一方面，该类型发动机压气机级压比较高，但参与实际热力循环的燃烧室前总压比由于空气涡轮的存在低于该级压比，这使得发动机内涵的经济性较差。(4)后风扇涡扇发动机，后风扇形式的涡扇发动机采用独立的低压涡轮驱动风扇，且涡轮功不需要通过转轴前传，避免了复杂结构的同心轴系，但其缺点也是显著的：一方面，一体化不同材料的风扇和涡轮难以加工制造，且需要复杂的结构进行封严工作以避免燃气外泄至外函；另一方面，后风扇的形式使得外函增压不能像前风扇形式一样为内涵所用，无法为提高内涵经济性做出贡献。这些缺点使得后风扇形式涡扇发动机在涡扇发动机发展早期出现后，即不被广泛采用。面对未来超高涵道比涡扇发动机的风扇涵道比与风扇转速严重不匹配的问题，以及基于上述四种途径的不足和结构的复杂性，在原有双转子涡扇发动机的基础上，本技术提出一种带箍喷气自驱动风扇结构，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，消除了沉重的齿轮传动系统，具有结构简单，重量轻等特点。其工作原理如同人们生活中常见的自旋转灌溉装置，自旋转喷泉相类似，更为专业和贴切的实例当属桨尖喷气驱动旋翼直升机。桨尖喷气驱动旋翼直升机通过翼尖高速喷流产生反作用力驱动旋翼旋转，与轴驱动旋翼相比，消除了沉重的齿轮传动系统与反扭矩系统，有效减小了系统的复杂性，具有简单易用、结构质量轻的特点。同时桨叶旋转惯量大，飞机飞行稳定，易于操纵。由于桨尖喷气飞机理论上的优点，20世纪中叶以来各国进行了大量的探索，并取得了一定的研究成果，不少飞机试飞成功。产生翼尖喷流的方式有两种：一是在翼尖安装喷气发动机，如XH-20，H-26，YH-32直升机，这种方式噪声大，耗油率高，且翼尖发动机产生的离心力使旋翼结构强度面临极大挑战，因此没有得到大范围应用。另一种是从喷气发动机或空气压缩机尾部引出气体，气体通过管道流经旋翼桨毂、中空桨叶，最后从旋翼翼尖喷口喷出，产生反作用驱动力，如XV-1、XV-9A、XV-17以及一些超轻型直升机，这种方式降低了噪声水平与对结构的要求，是喷气旋翼产生喷流的主要方式。美国NASA研制的新概念可停转旋翼飞行器X-50就是利用威廉姆斯国际F112小型涡轮风扇发动机混合排气，通过桨叶内的管道在桨尖喷出，驱动旋翼高速旋转，为飞行器X-50垂直起降提供拉力的典型。本技术提出的一种带箍喷气自驱动风扇与第二种桨尖喷气驱动旋翼作用机制完全相同。通过对引气量的控制实现了对喷气自驱动风扇转速与涵道比的调节，使得发动机的经济性和环保性兼得成为可能。对该结构喷气自驱动风扇转速与涵道比的控制可以有效扩大新型涡扇发动机非设计点性能和稳定工作范围，以适应不同的飞行机动性能要求。另外带箍风扇消除叶尖间隙带来的损失，提高了风扇部件的气动效率，且带箍能有效减少风扇叶片弯曲应力、振动应力和扭转应力，从根本上解决了颤振等问题。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，针对未来超高涵道比涡扇发动机低压转子转速严重不匹配，以及对于齿轮驱动风扇等形式的发动机结构的复杂性和效率低等问题，本技术在双转子涡扇发动机的应用基础上提出一种带箍喷气自驱动风扇，可以应用在未来超高涵道比涡扇发动机中，相比常规意义上的双转子涡扇发动机而言，可以进一步增大涡扇发动机涵道比，提高风扇部件效率，以增加推力、降低耗油率，显著提高发动机经济性。技术方案：为实现上述目的，本技术采用的技术方案为：一种带箍喷气自驱动风扇，包括风扇轮毂气室、风扇叶片、箍状集气环和喷管，所述风扇轮毂气室是由所述风扇叶片叶根处轮毂线环绕风扇中心转轴线而形成的轴对称回转面装置；所述风扇叶片环绕所述风扇轮毂气室周向均匀布置，所述风扇叶片的叶尖处通过一中空闭环结构连接成一体，形成所述的箍状集气环装置；所述风扇叶片为中空结构，内部的风扇叶片中空腔室与所述轮毂气室以及所述箍状集气环为一体式贯通结构；所述箍状集气环内部周向均匀布置有若干数量的喷管，所述喷管的进出口指向与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带箍喷气自驱动风扇，其特征在于：包括风扇轮毂气室(17)、风扇叶片(12)、箍状集气环(15)和喷管(11)，所述风扇轮毂气室(17)是由所述风扇叶片(12)叶根处轮毂线环绕风扇中心转轴线(14)而形成的轴对称回转面装置；所述风扇叶片(12)环绕所述风扇轮毂气室(17)周向均匀布置，所述风扇叶片的叶尖处通过一中空闭环结构连接成一体，形成所述的箍状集气环(15)装置；所述风扇叶片(12)为中空结构，内部的风扇叶片中空腔室(16)与所述轮毂气室(17)以及所述箍状集气环(15)为一体式贯通结构；所述箍状集气环(15)内部周向均匀布置有若干数量的喷管(11)，所述喷管(11)的进出口指向与风扇在通流增压时的主流方向一致。

【技术特征摘要】
1.一种带箍喷气自驱动风扇，其特征在于：包括风扇轮毂气室(17)、风扇叶片(12)、箍状集气环(15)和喷管(11)，所述风扇轮毂气室(17)是由所述风扇叶片(12)叶根处轮毂线环绕风扇中心转轴线(14)而形成的轴对称回转面装置；所述风扇叶片(12)环绕所述风扇轮毂气室(17)周向均匀布置，所述风扇叶片的叶尖处通过一中空闭环结构连接成一体，形成所述的箍状集气环(15)装置；所述风扇叶片(12)为中空结构，内部的风扇叶片中空腔室(16)与所述轮毂气室(17)以及所述箍状集气环(15)为一体式贯通结构；所述箍状集气环(15)内部周向均匀布置有若干数量的喷管(11)，所述喷管(11)的进出口指向与风扇在通流增压时的主流方向一致。2.根据权利要求1所述的带箍喷气自驱动风扇，其特征在于：所述喷管(11)的出口方向与风扇中心转轴线(14)存有夹角，夹角范围为45°～85°之间。3.根据权利要求1所述的带箍喷气自驱动风扇，其特征在于：所述箍状集气环(15)周向均匀分布有18～...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈伟，李传鹏，陈明，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：新型
国别省市：江苏,32