超高负荷跨音风扇气动设计方法研究

admin · 发表于 2022-8-25 12:34:51

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提高风扇/压气机的气动负荷水平是军用航空发动机实现更高推重比的重要途径。对于推重比10一级的发动机，其高负荷跨音风扇/压气机，在采用了小展弦比、叶片三维气动造型等关键设计技术后，负荷系数大都在0.30~0.35之间。本文瞄准推重比12~15的涡扇发动机，探索了更高气动负荷水平的跨音风扇设计技术，主要包括以下四个方面： (1) 对负荷系数超过0.4的常规高负荷跨音风扇设计技术展开了研究。首先，利用所建立的根、尖截面理论模型，分析了常规跨音风扇所能达到的气动负荷水平及其限制约束，并结合三维数值模拟技术研究了进口预旋分布、设计压比分布和叶型几何等关键参数对转子性能和激波结构的影响，以及叶片三维气动造型对跨音静子性能的影响，总结了常规高负荷跨音风扇的设计特点。 (2) 对负荷系数高达0.55以上的跨音串列转子设计技术进行了研究。分析了跨音串列转子的流动特点，发展了跨音串列转子的设计方法，总结了各个关键设计参数的优化选取方法，包括跨音串列转子的负荷水平可选范围、后排叶片平均稠度的选取及影响、前后排叶片的负荷分配、前后排叶片的匹配工作特性和前后排叶片几何相对位置(轴向和周向)的选取优化等，总结了跨音串列转子的设计方法和设计规律。 (3) 以高负荷跨音风扇进口级为背景，进一步发展了跨音串列静子的设计方法。在对串列静子内部流动特点和机制研究的基础上，重点分析了串列静子的工作特点、前后排叶片的弯角分配、静子根部几何设计参数的影响，以及前后排叶片几何相对位置的选取优化。除此之外，在不同根部设计条件下，对比分析了常规三维气动造型静子和串列静子的气动性能。揭示了高气动负荷跨音风扇静子的设计难点，总结了串列静子的设计方法。 (4) 利用先进常规和串列叶片技术，在典型叶尖切线速度的限制条件下，完成了两个双级跨音风扇的气动方案设计，其总增压比分别达到了4.3、5.0，平均级负荷系数分别高达0.42和0.49。利用三维数值模拟技术验算了双级风扇在常用转速下的性能，并进一步研究了前后级匹配特点，总结了超高负荷双级跨音风扇的设计规律。

超高负荷跨音风扇气动设计方法研究

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