风扇及航空发动机的制作方法

1.本发明涉及航空飞机领域，特别涉及一种风扇及航空发动机。


背景技术：

2.航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械。航空发动机也是飞机的心脏，为飞机飞行提供动力。
3.随着现代民用航空发动机涵道比的增加，航空发动机的风扇噪声在发动机噪声中所占的比例日益突显，也变得更加重要。
4.由风扇产生的噪声主要分为两类：纯音噪声和宽频噪声。纯音噪声是由转静干涉产生的，其频谱特性由风扇叶片通过频率的谐波能量确定。宽频噪声是紊流和自由涡脱落产生的。当飞机起飞时，高转速会导致风扇的叶尖附近径向区域之线速度与来流的合速度超过音速，定常叶片气动力以激波形式出现，从而产生一种噪声谱特征为“多重单音”的强烈噪声，也叫为激波噪声，激波噪声是风扇噪声的一个主要分量。
5.对于风扇产生的激波噪声，目前一般多通过优化叶片的形状，以降低激波强度，从而实现噪声的控制，但该方案无法消除激波噪声。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中通过优化风扇叶片的形状无法消除激波噪声的上述缺陷，提供一种风扇及航空发动机。
7.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
8.一种风扇，用于航空发动机，所述风扇包括：第一转轴、若干第一叶片、第二转轴及若干第二叶片，所述第一转轴带动所述第一叶片转动；所述第二转轴带动所述第二叶片转动；所述第一叶片位于所述第二叶片的前侧，所述第一叶片的径向高度小于所述第二叶片的径向高度，所述第一叶片的最高速度及所述第二叶片的最高速度均小于音速。
9.在本方案中，通过采用以上结构，利用第一转轴带动第一叶片转动，第二转轴带动第二叶片转动，风扇还将第一叶片的径向高度设置为小于第二叶片的径向高度，从而第一叶片及第二叶片能够以不同的角速度转动，第一叶片的转速可以大于第二叶片的转速；风扇的第一叶片的最高速度及第二叶片的最高速度均小于音速，能够有效地避免第一叶片的速度及第二叶片的速度超过音速，能够避免产生激波噪声。
10.较佳地，所述第二叶片包括叶片体及支撑杆，所述叶片体经所述支撑杆与所述第二转轴相连接，所述航空发动机具有内流道，所述叶片体自所述内流道沿所述第二转轴的径向向外延伸。
11.在本方案中，通过采用以上结构，通过将第二叶片设置为包括叶片体及支撑杆，既能保证第二叶片自身的强度，又能避免叶片发生颤振。
12.较佳地，所述支撑杆的径向高度不大于所述第一叶片的径向高度。
13.在本方案中，通过采用以上结构，使得第二叶片能够更好地对气流做功。
14.较佳地，所述叶片体具有重合区，所述重合区自所述叶片体的叶根沿径向向外延伸至所述第一叶片的叶尖的高度处，所述重合区的径向高度与所述第一叶片的径向高度的比值的范围为0-0.2。
15.在本方案中，通过采用以上结构，通过设置重合区，能够进一步提供第二叶片对气流的做功效率。
16.较佳地，所述第一转轴的轴线与所述第二转轴的轴线重合。
17.在本方案中，通过采用以上结构，第一转轴的轴线与第二转轴的轴线重合，能够简化风扇的结构形式。
18.较佳地，所述第一转轴的转速大于所述第二转轴的转速。
19.在本方案中，通过采用以上结构，第一转轴的转速大于第二转轴的转速，能够进一步提供第一叶片的做功效率。
20.较佳地，所述第一叶片的径向高度与所述第二叶片的径向高度的比值的范围为0.4-0.6；
21.和/或，所述第一转轴的转速与所述第二转轴的转速的比值的范围为1.8-2.2。
22.较佳地，所述第一转轴的旋转方向与所述第二转轴的旋转方向相同，所述第一叶片的安装角度与所述第二叶片的安装角度相顺；
23.或者，所述第一转轴的旋转方向与所述第二转轴的旋转方向相反，所述第一叶片的安装角度与所述第二叶片的安装角度相逆。
24.一种航空发动机，所述航空发动机包括如上所述的风扇。
25.在本方案中，通过采用以上结构，航空发动机能够有效地避免风扇的速度超过音速，能够避免产生激波噪声。
26.较佳地，所述航空发动机还包括增压级转轴及增压级叶片，所述增压级转轴套设于所述第二转轴的外侧，所述增压级转轴带动所述增压级叶片转动。
27.在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
28.本发明的积极进步效果在于：
29.本发明通过利用第一转轴带动第一叶片转动，第二转轴带动第二叶片转动，风扇还将第一叶片的径向高度设置为小于第二叶片的径向高度，从而第一叶片及第二叶片能够以不同的角速度转动，第一叶片的转速可以大于第二叶片的转速；风扇的第一叶片的最高速度及第二叶片的最高速度均小于音速，能够有效地避免第一叶片的速度及第二叶片的速度超过音速，能够避免产生激波噪声。
附图说明
30.图1为本发明较佳实施例航空发动机局部剖视的示意图。
31.图2为图1航空发动机中风扇局部剖视的示意图。
32.图3为图1航空发动机中风扇另一视角的示意图。
33.图4为图1航空发动机中风扇第一叶片和第二叶片安装角度为相顺的示意图。
34.图5为图1航空发动机中风扇第一叶片和第二叶片安装角度为相逆的示意图。
35.附图标记说明：
36.航空发动机 100
37.机匣 11
38.外涵静子叶片 12
39.分流环 13
40.增压级静子叶片 14
41.增压级转子叶片 15
42.内流道 16
43.增压级转轴 17
44.轴承 18
45.风扇 20
46.第一叶片 21
47.第一转轴 22
48.第二叶片 23
49.叶片体 231
50.支撑杆 232
51.重合区 233
52.第二转轴 24
具体实施方式
53.下面通过实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本发明，但并不因此将本发明限制在实施例的范围之中。
54.如图1-图5所示，本实施例为一种航空发动机100，航空发动机100包括如下文的风扇20。航空发动机100能够有效地避免风扇20的速度超过音速，能够避免产生激波噪声。
55.在图1中，航空发动机100还包括增压级转轴17及增压级叶片，增压级转轴17套设于第二转轴24的外侧，增压级转轴17带动增压级叶片转动。图1中还示意了机匣11、外涵静子叶片12、分流环13、增压级静子叶片14、增压级转子叶片15、内流道16、增压级转轴17、轴承18等。
56.如图2-图3所示，上文中提到的风扇20包括：第一转轴22、若干第一叶片21、第二转轴24及若干第二叶片23，第一转轴22带动第一叶片21转动；第二转轴24带动第二叶片23转动；第一叶片21位于第二叶片23的前侧，第一叶片21的径向高度小于第二叶片23的径向高度，第一叶片21的最高速度及第二叶片23的最高速度均小于音速。利用第一转轴22带动第一叶片21转动，第二转轴24带动第二叶片23转动，风扇20还将第一叶片21的径向高度设置为小于第二叶片23的径向高度，从而第一叶片21及第二叶片23能够以不同的角速度转动，第一叶片21的转速可以大于第二叶片23的转速；风扇20的第一叶片21的最高速度及第二叶片23的最高速度均小于音速，能够有效地避免第一叶片21的速度及第二叶片23的速度超过音速，能够避免产生激波噪声。
57.需要说明的是，第一叶片21位于第二叶片23的前侧，该处的前侧是指，按照空气流动方向，气流先后流经第一叶片21及第二叶片23，第一叶片21与第二叶片23之间间隔设置。
58.作为一种实施方式，第二叶片23包括叶片体231及支撑杆232，叶片体231经支撑杆
232与第二转轴24相连接，航空发动机100具有内流道16，叶片体231自内流道16沿第二转轴24的径向向外延伸。通过将第二叶片23设置为包括叶片体231及支撑杆232，既能保证第二叶片23自身的强度，又能避免叶片发生颤振。
59.支撑杆232的径向高度不大于第一叶片21的径向高度，使得第二叶片23能够更好地对气流做功。
60.叶片体231具有重合区233，重合区233自叶片体231的叶根沿径向向外延伸至第一叶片21的叶尖的高度处，重合区233的径向高度与第一叶片21的径向高度的比值的范围为0-0.2。通过设置重合区233，能够进一步提供第二叶片23对气流的做功效率。在其他实施了中，重合区233的径向高度与第一叶片21的径向高度的比值的范围为也可以为0.1、0.15等值。
61.在图2中，a、b、c均分别为不同结构第二叶片23的示意图，虚线显示了第一叶片21的径向高度。a中未设置支撑杆232。b中的支撑杆232的高度等于第一叶片21的径向高度。c中支撑杆232的高度小于第一叶片21的径向高度，c中还显示了重合区233。
62.第一转轴22的轴线与第二转轴24的轴线重合。第一转轴22的轴线与第二转轴24的轴线重合，能够简化风扇20的结构形式。此处的重合并非指第一转轴22的轴线与第二转轴24的轴线完全重合。
63.第一转轴22的转速大于第二转轴24的转速。第一转轴22的转速大于第二转轴24的转速，能够进一步提供第一叶片21的做功效率。第一转轴22的转速与第二转轴24的转速的比值的范围为1.8-2.2，具体地，该比值可以为1.9、2.0、2.1等。
64.第一叶片21的径向高度与第二叶片23的径向高度的比值的范围为0.4-0.6，该比值也可以具体为0.5。
65.在图3中，第一叶片21的数量为4个，第二叶片23的数量为12个，可以保证风扇20中第一叶片21及第二叶片23的稠度在合理的范围内。在其他实施例中，第一叶片21的数量为、第二叶片23的数量也可以为其他值。
66.在图4中，第一转轴22的旋转方向与第二转轴24的旋转方向相同，第一叶片21的安装角度与第二叶片23的安装角度相顺。在图5中，第一转轴22的旋转方向与第二转轴24的旋转方向相反，第一叶片21的安装角度与第二叶片23的安装角度相逆。此处的相顺及相逆可以表示为第一叶片21的安装角度与第二叶片23的安装角度的趋势，安装角度需保证气流在叶尖区域的速度三角形。
67.当风扇20达到一定转速，风扇20的叶片极易形成跨音速分布，并在叶片的叶尖形成激波，本实施了的风扇20在保持流量压比的情况下，通过采用分布式的叶片设计，可以有效地降低叶尖的速度，进而能够消除激波影响。后续如有大推力需求，也可以可提高风扇20的转速而不会产生激波。
68.通过把风扇20的叶片设计为两排：第一叶片21及第二叶片23，第一叶片21为径向高度较小的叶片，第一转轴22可以采用高转速，由于第一叶片21径向高度较小，不会产生激波。第二叶片23的叶尖高度可以按照正常值设置，第二转轴24可以采用中低转速，从而降低叶尖速度，避免超音，不会产生激波。
69.本实施了的风扇20采用分布式叶片，更加便于调整流量匹配、叶片载荷分布等问题。
70.结合不同的转速，第二叶片23可以对叶型开展设计，以叶片弦长为例，叶片弦长根据需要设计为沿径向高度变化的形式，可以考虑几种不同构型，如图2所示。主要几种结构为：a显示了第二叶片23的叶根至叶尖分布较平缓。b显示了在第一叶片21的叶尖径向位置往上，第二叶片23弦长沿径向高度变化较平缓，第一叶片21的叶尖径向位置以下设计为支撑杆232结构。c显示了第一叶片21叶尖径向位置以下起往上，第二叶片23的弦长沿径向高度变化较平缓，第二叶片23的下部设计为支撑杆232结构。
71.本实施了风扇20的叶片采用分布式设计，并通过对转速和转子叶片叶型的综合设计，实现第一叶片21及第二叶片23的亚音速设计，能够从根源上消除激波。
72.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种风扇，用于航空发动机，其特征在于，所述风扇包括：第一转轴及若干第一叶片，所述第一转轴带动所述第一叶片转动；第二转轴及若干第二叶片，所述第二转轴带动所述第二叶片转动；所述第一叶片位于所述第二叶片的前侧，所述第一叶片的径向高度小于所述第二叶片的径向高度，所述第一叶片的最高速度及所述第二叶片的最高速度均小于音速。2.如权利要求1所述的风扇，其特征在于，所述第二叶片包括叶片体及支撑杆，所述叶片体经所述支撑杆与所述第二转轴相连接，所述航空发动机具有内流道，所述叶片体自所述内流道沿所述第二转轴的径向向外延伸。3.如权利要求2所述的风扇，其特征在于，所述支撑杆的径向高度不大于所述第一叶片的径向高度。4.如权利要求2所述的风扇，其特征在于，所述叶片体具有重合区，所述重合区自所述叶片体的叶根沿径向向外延伸至所述第一叶片的叶尖的高度处，所述重合区的径向高度与所述第一叶片的径向高度的比值的范围为0-0.2。5.如权利要求1所述的风扇，其特征在于，所述第一转轴的轴线与所述第二转轴的轴线重合。6.如权利要求1所述的风扇，其特征在于，所述第一转轴的转速大于所述第二转轴的转速。7.如权利要求1所述的风扇，其特征在于，所述第一叶片的径向高度与所述第二叶片的径向高度的比值的范围为0.4-0.6；和/或，所述第一转轴的转速与所述第二转轴的转速的比值的范围为1.8-2.2。8.如权利要求1所述的风扇，其特征在于，所述第一转轴的旋转方向与所述第二转轴的旋转方向相同，所述第一叶片的安装角度与所述第二叶片的安装角度相顺；或者，所述第一转轴的旋转方向与所述第二转轴的旋转方向相反，所述第一叶片的安装角度与所述第二叶片的安装角度相逆。9.一种航空发动机，其特征在于，所述航空发动机包括如权利要求1-8中任意一项所述的风扇。10.如权利要求9所述的航空发动机，其特征在于，所述航空发动机还包括增压级转轴及增压级叶片，所述增压级转轴套设于所述第二转轴的外侧，所述增压级转轴带动所述增压级叶片转动。

技术总结
本发明公开了一种风扇和航空发动机，风扇包括第一转轴、若干第一叶片、第二转轴及若干第二叶片，第一转轴带动第一叶片转动；第二转轴带动第二叶片转动；第一叶片位于第二叶片的前侧，第一叶片的径向高度小于第二叶片的径向高度，第一叶片的最高速度及第二叶片的最高速度均小于音速。利用第一转轴带动第一叶片转动，第二转轴带动第二叶片转动，风扇还将第一叶片的径向高度设置为小于第二叶片的径向高度，从而第一叶片及第二叶片能够以不同的角速度转动，第一叶片的转速可以大于第二叶片的转速；风扇的第一叶片的最高速度及第二叶片的最高速度均小于音速，能够有效地避免第一叶片的速度及第二叶片的速度超过音速，能够避免产生激波噪声。激波噪声。激波噪声。


技术研发人员：夏烨 邱昇 蔡堉楠
受保护的技术使用者：中国航发商用航空发动机有限责任公司
技术研发日：2022.03.24
技术公布日：2023/10/7