CN112814949B - 适应宽涵道比变化范围的斜截式双自由度进口可调导叶 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种适应宽涵道比变化范围的斜截式双自由度进口可调导叶，涉及一种全三维基于双自由度改变叶片型面实现分区控制的可调导叶技术。适应宽涵道比变化范围双自由度进口可调导叶基于常用可调导叶设计技术，继承其优势的同时增加了叶片可调维度，适用于自适应变循环风扇，能保证风扇功效比，使其在全工况内能正常工作。该双自由度变几何可调进口导叶是在传统适用于普通涡扇发动机进口可调导叶的基础上进行变几何叶型设计，可以对下游转子叶轮进气作预旋调节，同时能够调节不同叶高位置的预旋程度，提升出口气流品质，解决不同涵道比工况下风扇面临喘振风险的叶高位置变化这一难题，对于提升自适应变循环发动机具有十分显著的增益。

Description

适应宽涵道比变化范围的斜截式双自由度进口可调导叶

技术领域

本发明提出一种适应宽涵道比变化范围的斜截式双自由度进口可调导叶，属于航空动力装置技术领域。

背景技术

随着科技的发展，对先进战斗机综合作战能力的要求也愈加严苛，发动机作为战斗机的心脏，是决定战斗机性能的决定性因素，战斗机每一次的跨时代发展都离不开发动机设计技术的更新换代。根据未来战斗机的作战需求分析，下一代战斗机应具有“超音速巡航、超常规机动、超远程打击”等技术特征。依靠固定循环的发动机已不能满足先进战斗机的作战性能需求。

传统涡喷发动机在超音速条件下具有高单位推力，涡扇发动机在亚音速飞行时具有更低的耗油率。为了综合高单位推力和低耗油率两个优势，以获得整个飞行包线内的综合性能最优，美国于上世纪60年代首先提出变循环发动机的概念，目的在于结合大涵道比涡扇在亚音速飞行条件下的低油耗以及小涵道比涡扇在超音速条件下的高推力优势，从而满足飞行器的多任务性能要求。通过已有的研究表明，在较广的飞行马赫数范围内，变循环发动机能通过较强的进口流量保持能力，可几乎容纳进气道所捕获的所有流量，降低发动机安装阻力，增大发动机推力同时减少发动机的耗油率。

自适应发动机在双外涵变循环发动机的核心机与低压压缩系统基础上添加了可调节的第三涵道，能够实现更大范围内的热力循环参数优化，更满足未来发动机对于变循环的需求，更大程度提升飞机的综合性能。目前，国外对于自适应变循环发动机的研究中美国处于领先地位，针对自适应变循环发动机的研究（主要在于自适应风扇为关键结构的自适应发动机）主要包括以下几个计划:

1.ADVENT

2007年，美国启动了自适应通用发动机技术计划（ADVENT），开发和验证自适应循环发动机，ADVENT计划的目标是开发能够独立改变风扇/核心机空气流量和压比的技术，GE公司在ADVENT计划中开发和验证了FLADE风扇自适应发动机。经过对三外涵发动机和自适应风扇的全面测试，GE公司的ADVENT发动机满足所有性能和耐久性指标。

2.AETD

自适应发动机技术发展计划（AETD）是ADVENT计划的后续计划，其目的是促进三外涵自适应发动机技术的成熟，准备在未来几年内为下一代美国空军的战斗机提供符合技术要求的动力。该计划开发和验证的自适应发动机与F135 发动机相比，燃油消耗量可以降低20%，净推力可以增大5%，加力推力可以增大10%，航程可以延长30%，并且通过后续改进，可作为F-35 战斗机的动力。其中PW公司于2013年进行了自适应风扇的台架试验，于2016年上半年进行了核心机及自适应风扇的加力和排气系统的发动机试验。

3.AETP

AETP 计划是AETD 研究计划的后续计划，是自适应发动机的又一个技术成熟计划。该计划于2016年6月开始实施，同样由GE和PW负责自适应发动机的技术开发和验证工作。

自适应风扇是自适应变循环发动机的关键部件，除了传统的风扇增压作用之外，还要完成流量调节、变涵道比等自适应变循环发动机特有的功能，实现多工作点的良好匹配，在工作模式切换过程中稳定运转，与自适应变循环发动机整机强烈耦合。自适应风扇性能要求严苛，单一依靠传统进口可调导叶难以满足新的性能需求，因此研发设计适合于自适应风扇的新型进口可调导叶是保证自适应风扇稳定工作，实现多性能需求的关键技术。

发明内容

本发明提出的是一种适应宽涵道比变化范围的斜截式双自由度进口可调导叶，涉及的是一种全三维基于双自由度改变叶片型面实现分区控制的可调导叶技术，可用于自适应变循环涡扇发动机，其目的在于改进传统发动机可调导叶技术并使其优势适用于自适应变循环发动机，使其首级自适应风扇具有工作效率高（风扇全工况均维持在设计点）、压缩能力强、稳定裕度宽（模式切换间的过渡态能维持较高效率并仍具有强压缩能力）等特点。本发明基于常用可调导叶设计技术，继承其优势的同时增加了叶片可调维度，适用于自适应变循环风扇，能保证风扇功效比，使其在全工况内正常工作。

本发明的技术解决方案：

在固定流量下最大涵道比设计状态，进口导叶维持其初始叶型，未进行变几何作动或小幅调动，风扇对气流减速增压，气流流动顺畅，几乎无流动分离等问题；随着涵道比减小，外涵流量逐渐减少，风扇叶尖部分由于流量减小导致进口攻角急剧增大，出现流动分离现象，此时需要进口可调导叶转动角度来减小叶尖由于流量减小导致的大攻角从而保证风扇工作稳定，同时也需要控制进口导叶的叶根及叶中调节角度，以维持风扇除叶尖外其余部分的增压能力。

适应宽涵道比变化范围的斜截式双自由度进口可调导叶，其结构包括：主叶片1、副叶片2和连接机构3。所述主叶片1、副叶片2通过连接机构3铰接。导叶设有两级调节转轴，主轴A位于主叶片1叶顶，转动主轴可控制主叶片1与副叶片2的调节角度；副轴B位于副叶片2叶顶，控制铰链转动可以调节副叶片2转动角度。

在确定的初始叶型基础上，选取副叶片区域，具体方法是：首先确定全涵道比工作范围内风扇流场中出现流动分离团的最低叶高位置，以这一最低叶高位置作为进口可调导叶的副叶片与主叶片在叶型后缘线的端点；评估最小涵道比工况下自适应风扇叶尖分离团与叶尖泄漏形成的耦合机制对流场的影响程度，根据评估结果合理分配进口可调导叶叶顶处主叶片与副叶片各自所占叶顶型面的比例，最终连接进口可调导叶后缘线与叶顶的两个相交点，进口可调导叶初始叶型分为两部分，体积更小部分为副叶片2。

所述双自由度几何可调导叶调节机制包括：

1）最大涵道比状态：可调导叶保持初始型面，根据风扇叶中流场有无分离团通过主轴A对主叶片1进行小幅度调节，消除分离团对流动影响，保证供给核心机的气流品质；

2）最小涵道比状态：风扇叶尖出现较强分离团并于叶尖泄漏耦合，调节副轴B角度施加正预旋，减小由节流带来的进口气流攻角增大问题，以适应风扇叶尖的流动；

3）在最大涵道比与最小涵道比之间的飞行状态，根据风扇流场实际情况协同调节两转轴，达到最佳控制的目的。

本发明的有益效果：在继承了传统进口可调导叶优点同时能够在全工况范围内保证自适应变循环风扇维持在较高性能，提升出口气流品质，对于提升自适应变循环发动机作战能力具有十分显著的增益。在全涵道比范围内有明显性能优势，显著提高自适应风扇压缩效率，流动情况好。

附图说明

附图1是双自由度进口可调导叶立体结构示意图。

附图2是双自由度进口可调导叶纵向剖面图。

附图3是主叶片与副叶片铰接示意图。

附图4是风扇叶型进口角度参数与速度三角形间的关系示意图。

附图5是大涵道比与小涵道比工况下风扇分离区分布示意图。

附图6是调整主轴转动角度小叶高与大叶高截面叶型变化示意图。

附图7是调整副轴转动角度大叶高截面叶型变化示意图。

附图8是同时调整主轴与副轴大叶高截面叶型变化示意图。

附图中1是主叶片，2是副叶片，3是连接机构；A是主轴，B是副轴；P表示叶片前缘转动中心，Q1、Q2表示主—副叶片铰接点，即副叶片转动中心；a，b分别表示两种调节角度下的气流轨迹。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案做进一步解释说明。

本发明是根据附图4的风扇进口基本角度参数与速度三角形，其中攻角

，攻角过大气流进入风扇不再绕叶片流动，脱离叶片表面形成分离区，施加“正预旋”能增大进气角

从而减小攻角

，缩小甚至消除分离区，从而实现扩宽风扇喘振边界。通过施加不同程度进口预旋改善气流流动情况，其作为进口可调导叶设计中的基础理论。在原单一自由度调节的进口可调导叶型面基础上，再增加一倾斜可调副轴B，叶片沿副轴B分为主叶片1与副叶片2，主叶片1与副叶片2间的连接机构3同时作为副轴调节机构。

根据双自由度可调进口导叶的变几何调节方案，自适应风扇小叶高流场在全涵道比范围几乎没有严重的流动问题，在调节进口导叶时应注意对这部分流场的气流流动不造成较大影响，因此以无弯度对称叶型作截面叶型的三维无弯扭叶片作为进口导叶变几何调节的初始三维叶型。与普通进口可调导叶不同，根据风扇流场分析功能需求将初始三维叶型的导叶斜截式划分为主叶片1与副叶片2两部分并通过若干对铰链将两部分连接。随着工况变化，下游风扇流场局部流动结构发生改变，根据流场变化规律调节两级转轴，实现导叶在两个自由度上对风扇流场施加控制。

考虑到进口可调导叶仅起到整流作用，所受气动载荷小，因此整个导叶采用空心叶片设计，以方便后续安装连接机构，同时可减轻整个进口可调导叶的重量。

对照附图1和附图3，适应宽涵道比变化范围的斜截式双自由度进口可调导叶，其结构包括：主叶片1、副叶片2、连接机构3以及两级调节转轴。

两级调节转轴包括主轴A和副轴B，主轴A位于主叶片1叶顶，转动主轴A可控制主叶片1与副叶片2的调节角度；副轴B位于副叶片2叶顶，控制连接机构3转动可以调节副叶片2转动角度。为防止两级调节转轴产生机械干涉，主轴A位置靠近主叶片1前缘，位于叶片弦长10%—30%范围内，该位置处叶型内切圆圆心垂线即为主轴A；副轴B顶点靠近叶顶的叶型中弧线中点，且位于叶片弦长45%—50%范围内，副轴B和主叶片与副叶片交线平行，具体参见附图2。

确定两级调节转轴调节角度：主叶片1对全叶高流场均能进行控制，风扇叶片底部流场往往不需要流动控制，为防止对叶片底部流场产生过多干涉，主轴A以初始叶型中弧线为基准，绕转轴旋转的调节范围为±20º；副轴B对风扇底部流场无影响，同时需要适应调节风扇叶顶复杂的耦合流动，需要比主轴A更强的预旋能力，副轴B以初始叶型为基准，绕转轴旋转的调节范围为±30 º。

附图4为风扇产生流动分离原因及进口导叶施加控制的原理，附图5分别是下游风扇大涵道比状态下分离区分布图和小涵道比状态下分离区分布图。其中，L点是大涵道比状态下分离区分布的最低高度，将点L对应高度作为主叶片1与副叶片2位于导叶后缘交点高度，确定斜截式的端点；S点对应叶尖，此处分离区最大，需要最大的控制强度，副叶片长度越长控制气流方向能力越强，主叶片1与副叶片2位于导叶顶部的交点选择靠近导叶前缘，位于弦长的35%-45%位置，确定斜截式的顶点，确定叶片的划分及连接关系。

附图6-8表现的是不同工况的两级调节转轴作动情况：参考附图6，最大涵道比状态，风扇叶中有小范围分离区，所需控制强度不大，调整主轴旋转角度给风扇施加“正预旋”，消除风扇叶中小分离团；参考附图7，最小涵道比状态，叶根流动顺畅，叶尖出现大分离区，调节副轴使副叶偏转，给叶尖气流施加“正预旋”以适应流量减小带来的风扇叶尖“大攻角”问题；参考附图8，中间涵道比状态，风扇气流“攻角”沿叶高变化，随着涵道比减小分离团逐渐向风扇叶顶迁移，叶中以下流动趋于平缓，过多调节主轴对叶中以下流场不利，因此中间状态调节遵循“副轴为主，主轴为辅”的原则，协同调节两级转轴，对不同叶高施加不同程度“正预旋”。

实施例1

针对某一涵道比0.05—0.9工作范围的变循环风扇，其性能要求为任一涵道比下风扇效率不低于87%，增压比不低于1.8，稳定裕度下降值不高于9%。在0.9涵道比状态（涡扇发动机模式），风扇流量分布较均匀，仅在叶中存在小范围流动分离，小幅调节转轴A，以消除叶中分离团改善风扇流动情况，逐渐减小涵道比，分离团逐步朝向叶尖部分移动，根据分离团所处位置合理调节两个转轴（仅调节转轴A、仅调节转轴B或两轴协同配合），削弱分离团的同时减小导叶角度调节给风扇其余叶高流动带来的影响。在涵道比0.05状态（涡喷发动机模式），由于外涵大幅节流致使风扇叶尖出现分离团且与叶尖泄漏耦合，根据流动情况合理调节副轴B，确定能改善叶尖流场的调节角度。在0.05—0.9涵道比模态，协同调节两轴，风扇效率维持在88.3%—90.6%，增压比高达1.89—1.97，稳定裕度下降值均小于6.4%。

以上所述，自适应风扇工作涵道比及马赫数范围并没有规定，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.适应宽涵道比变化范围的斜截式双自由度进口可调导叶，特征在于其结构包括：主叶片（1）、副叶片（2）、连接机构（3）和两级调节转轴；将变几何调节初始三维叶型的导叶斜截式划分为主叶片（1）、副叶片（2），并通过连接机构（3）铰接；导叶顶部设有两级调节转轴，分别为主轴（A）和副轴（B）；其中，主轴（A）位于主叶片（1）叶顶，转动主轴控制主叶片（1）与副叶片（2）的调节角度；副轴（B）位于副叶片（2）叶顶，控制连接机构（3）转动，调节副叶片（2）转动角度；

所述斜截式划分导叶包括确定顶点和端点，连接顶点和端点划分主副叶片：根据最小涵道比工况下自适应风扇叶尖分离团与叶尖泄漏形成的耦合机制对流场的影响程度，顶点确定靠近导叶前缘，位于弦长的35%—45%位置；端点位于叶片后缘，高度为全涵道比工作范围内风扇流场中出现流动分离团的最低叶高位置；

其两级转轴调节方法为：

1）最大涵道比状态：风扇叶中有小范围分离区，所需控制强度不大，调整主轴旋转角度给风扇施加“正预旋”，消除风扇叶中小分离团；

2）最小涵道比状态：叶根流动顺畅，叶尖出现大分离区，调节副轴使副叶偏转，给叶尖气流施加“正预旋”以适应流量减小带来的风扇叶尖“大攻角”问题；

3）中间涵道比状态：风扇气流“攻角”沿叶高变化，随着涵道比减小分离团逐渐向风扇叶顶迁移，叶中以下流动趋于平缓，遵循“副轴为主，主轴为辅”的原则，协同调节两级转轴，对不同叶高施加不同程度“正预旋”。

2.根据权利要求1所述的适应宽涵道比变化范围的斜截式双自由度进口可调导叶，其特征在于所述变几何调节初始三维叶型，是以无弯度对称叶型作截面叶型的三维无弯扭叶片。

3.根据权利要求1所述的适应宽涵道比变化范围的斜截式双自由度进口可调导叶，其特征在于所述整个导叶采用空心叶片设计。

4.根据权利要求1所述的适应宽涵道比变化范围的斜截式双自由度进口可调导叶，其特征在于所述连接机构（3）为若干对铰链。

5.根据权利要求1所述的适应宽涵道比变化范围的斜截式双自由度进口可调导叶，其特征在于所述主轴（A）位于主叶片（1）叶顶，靠近主叶片（1）的前缘，主轴（A）垂直于叶片弦长10%—30%范围处的叶型内切圆圆心。

6.根据权利要求5所述的适应宽涵道比变化范围的斜截式双自由度进口可调导叶，其特征在于所述主轴（A）以初始叶型中弧线为基准，绕转轴旋转的调节范围为±20°。

7.根据权利要求1所述的适应宽涵道比变化范围的斜截式双自由度进口可调导叶，其特征在于所述副轴（B）位于副叶片（2）叶顶，平行于主叶片（1）与副叶片（2）交线；副轴（B）顶点靠近叶顶的叶型中弧线中点，位于叶片45%弦长后。

8.根据权利要求7所述的适应宽涵道比变化范围的斜截式双自由度进口可调导叶，其特征在于所述副轴（B）以初始叶型为基准，绕转轴旋转的调节范围为±30°。

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