叶尖喷气驱动风扇的大涵道比涡扇发动机
专利汇可以提供叶尖喷气驱动风扇的大涵道比涡扇发动机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 是叶尖喷气驱动 风 扇的大涵道比涡扇 发动机 及设计方法，其结构是外涵道部分引入一个具有更大涵道比的带叶尖喷气驱动的风扇 转子 ，该转子包含附加涵道风扇转子、叶尖驱动部件和旋转附加涵道转子 轮毂 ，在附加涵道风扇转子和叶尖驱动部件的下游设置了附加涵道静子。引气通道从原双转子涡扇发动机外涵道引气至附加涵道风扇转子叶尖部分。优点： ①增大涵道比，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；②大大提升其圆周速度，涵道比提升潜力巨大；③与 现有技术 相比，结构更简单；④可利用已有的双转子涡扇发动机为 基础 进行改进，从而降低这种叶尖喷气驱动风扇大涵道比涡扇发动机研制风险和成本，缩短研制周期。，下面是叶尖喷气驱动风扇的大涵道比涡扇发动机专利的具体信息内容。
1.叶尖喷气驱动风扇的大涵道比涡扇发动机，其特征是以双转子涡扇发动机为原型，
加入一个附加涵道，引入叶尖喷气驱动风扇转子；该转子包含附加涵道风扇转子、叶尖驱动
部件和旋转附加涵道转子轮毂；此外，附加涵道中还有附加涵道进气道，附加涵道喷管和附
加涵道静子；引气通道从原涡扇发动机外涵风扇出口截面引出增压气体至叶尖附近，气体
被叶尖驱动部件提取能量后，由4截面进入附加涵道静子的叶尖部分，在5截面被静子转为
轴向；叶尖驱动部件提取能量，形成驱动力矩直接驱动附加涵道风扇转子旋转工作，将被附
加涵道进气道输送至1截面的来流进行增压，这部分气流同样经过附加涵道风扇静子输送
至2截面，并与5截面空气混合，流入附加涵道喷管向后喷出；通过上述装置，叶尖驱动风扇
转子流量可显著大于一般涡扇发动机外涵道流量；根据发动机质量附加原理，该新的涡扇
发动机能获得更大的推力和更低的耗油率；同时，附加涵道风扇转子的驱动部件处于大半
径处，使得其在转速较低的情况下依然能保持较高的轮缘线速度，保证其做功能力。
2.如权利要求1所述的叶尖喷气驱动风扇的大涵道比涡扇发动机，其特征是所述的叶
尖喷气驱动风扇转子包含附加涵道风扇转子、位于其叶尖的叶尖驱动部件以及转子叶根处
的旋转附加涵道转子轮毂；流入叶尖喷气驱动风扇大涵道比涡扇发动机中心部分进气道的
气流，经风扇转子增压后，由引气通道输送至附加涵道风扇转子叶尖附近，并流入叶尖驱动
部件，被该叶尖驱动部件吸收大部分气流能量后经流动4截面流入附加涵道静子；叶尖驱
动部件获得的驱动力直接由叶片传递给附加涵道风扇转子，使之能对流量更大的附加涵道
气流增压；旋转附加涵道转子轮毂则用于隔离附加涵道与原双转子涡扇发动机外涵道不同
压力的气流；由于叶尖驱动部件位于大半径的附加涵道风扇转子叶尖，因此在同一转子条
件下无需变速器解决了风扇轮缘转动速度与驱动部件转动速度不协调的问题。
3.如权利要求1所述的叶尖喷气驱动风扇的大涵道比涡扇发动机，其特征是所述的
附加涵道静子，布置在附加涵道风扇转子后，静子叶尖部分扭向和其他部分的中弧线方向
不同，扭向也不同；其作用是将附加涵道风扇转子和叶尖驱动部件出口气流的切向分速度
转为轴向，并保持风扇转子出口与叶尖驱动部件出口的气流压力保持平衡，以尽量合理利
用能量；由于该静子工作温度不高，可根据需要选用空心叶片和轻质材料，以降低发动机重
量。
4.如权利要求1所述的叶尖喷气驱动风扇的大涵道比涡扇发动机，其特征是所述的引
气通道的设计形式，根据驱动附加涵道风扇转子的方式不同而有两种：①叶尖驱动部件采
用叶尖空气驱动涡轮形式，则该引气通道由附加涵道静子和附加涵道机匣内的气路组成，
且在引气通道出口34截面处放置叶尖空气涡轮的导向器；②叶尖驱动部件采用叶尖喷气
喷嘴的形式，则该引气通道由附加涵道风扇转子内的气路组成，并在叶尖将气流引入喷气
喷嘴。
5.如权利要求1所述的叶尖喷气驱动风扇的大涵道比涡扇发动机，其特征是所述附加
涵道风扇转子，由其流量mf（压比πf，效率ηf）确定的名义涵道比B相比与原双转子涡扇
发动机外涵部分流量mc（压比πc，效率ηc）确定的涵道比B’更大，上述 参数有如下关系： ；在选定附加涵道风扇转子轮毂h比和进口马赫数 Min后，可以用流量
公式确定风扇转子的叶尖半径r尖；对于风扇，先估取选定载荷系数 ，则有：
，其中 ，一旦确定U尖则可以计算出压
比πf；为了使空气涡轮与风扇转子掺混损失最小，且满足能量平衡条件 WT=Wf，经推导有：
，其中 ，可求
解出U尖和转速n；可以看到，转速 n越低（U尖小）时，涵道比B越大；转速低一方面可以实现
更大涵道比，带叶尖喷气驱动的大涵道比风扇发动机总的排气流量增加，增加的即为附加
涵道的流量，发动机的可用能量被更大的流量均分；由于排气速度的降低幅度比质量增加
的幅度小，故发动机排气总动量增加，对应着推力增加，耗油率降低；另一方面由速度三角
形知风扇转子相对速度 ，转速低则u1小，可以降低转子进口相对速度，相对马
赫数，避免风扇叶尖出现超音速情况，降低风扇设计难度，同时避免叶尖因超音速带来的噪
音危害。
6.如权利要求1所述的叶尖喷气驱动风扇的大涵道比涡扇发动机，其特征是所述的
叶尖驱动部件，其结构是布置在附加涵道风扇转子叶尖，其转速与风扇转子转速相同为n，
流量mT与双转子涡扇发动机外涵道流量 mc相等；由于其位于风扇叶尖，故涡轮圆周速度
，根据能量平衡条件，有 ，其中
为涡轮载荷系数；可以看出，当B越大， n越小，则涡轮载荷系数越大；为了避免涡轮出
现跨音乃至超音现象， HT不宜过大，对应转速 n不宜太小；故转速 n也是空气涡轮设
计的关键参数，在选取n时需要综合考虑风扇与涡轮，使得两者设计难度相当；当 HT大
时，重新选取转速n，计算Hf，再计算HT，反复迭代；空气涡轮的落压比πT由下式求出：
；由落压比、流量和效率等参数，可按已有
的航空发动机涡轮设计方法设计得到空气驱动涡轮转子气动造型，或者现有的喷嘴设计方
法设计得到叶尖喷气喷嘴；与传统大涵道比涡扇发动机的低压涡轮相比，该空气涡轮可以
在较低转速下仍然保持较高的圆周速度UT，使得涡轮在不高的载荷系数下仍然保持较强的
做功能力驱动风扇转子，解决了转速不匹配问题；通过匹配设计，可以使风扇和空气涡轮均
获得较优的性能，同时实现大涵道比涡扇发动机的设计。
7.如权利要求4所述的叶尖喷气驱动风扇的大涵道比涡扇发动机，其特征是所述叶尖
空气涡轮，布置在附加涵道风扇转子叶尖，叶片的重心积叠方向和弯扭方向应与风扇叶片
的趋势相关，此叶尖空气涡轮的叶根处带有突肩，用于与风扇叶片连接；叶尖空气涡轮起到
提取空气能量，驱动风扇转子转动的作用；突肩不仅起连接作用，也起到隔离风扇与涡轮叶
片附近不同压力的气体的作用；与之配套的空气涡轮导向器布置在附加涵道外机匣内，起
到将引气通道的空气加速并导向的作用，使空气高速喷向空气涡轮转子；此叶尖空气涡轮
及其前方的空气涡轮导向器，都可采用低稠度涡轮叶型设计技术获得其基元叶型，并按前
述重心积叠和弯扭方式生成三维造型；由于空气涡轮的工作温度不高，其转子可采用空心
叶片和轻质材料，以降低叶片重量。
8.根据权利要求4所述的叶尖喷气驱动风扇的大涵道比涡扇发动机，其特征是所述的
叶尖喷气喷嘴，布置在风扇叶片的叶尖内部，喷嘴内部通道走向与风扇叶尖的中弧线一致，
且喷嘴出口方向与风扇叶片尾缘中弧线切线的夹角在一定范围内，以减少掺混损失；喷嘴
的作用是将内涵引出的高压气体加速喷出，产生反作用力驱动风扇转子旋转，引气的通道
位于风扇转子叶片内部，风扇转子叶片须采用空心叶片；该喷气喷嘴的作用实质上与叶尖
空气涡轮一致，可认为喷气喷嘴具有与之等效的气动参数；按与叶尖空气涡轮同样的气动
计算方法，可获得喷嘴流量、喷气速度、喷气方向等参数，之后可按照现有的喷嘴设计技术，
获得喷嘴的气动造型。
9.叶尖喷气驱动风扇的大涵道比涡扇发动机的设计方法，其特征是包括如下设计步
骤：
1）选定原型双转子涡扇发动机；原型选定后，发动机的内涵道总压比和涡轮前温度都
已确定，通常这两个参数均已达当前材料和制造工艺的极限；本专利只需对风扇外涵道部
分进行以下改进；
2）先初步确定该发动机增加附加涵道后得到提高的涵道比B，进而计算出附
件涵道风扇流量mf,并设计风扇轮毂比得到叶尖半径r尖；选择风扇的载荷系数 Hf
后，根据最大利用原双转子涡扇发动机外涵空气能量和掺混损失最小的条件，有
，其中 ，求出
风扇转子叶尖速度U尖和转速 ；再由 ，得
到附加涵道风扇压比πf；
3）叶尖驱动部件的设计，以空气涡轮为例；其流量为原双转子风扇外涵流量mT=mc，其
载荷系数由下式确定 ；事实上，当风扇压比为πf时，转速n与载
荷系数Hf相关，选取 n低，则 Hf高，对应载荷系数涡轮 HT也高；HT是涡轮设计难度的评判准
则之一，特别是HT超过某值后，涡轮需要采用超音或跨音设计，甚至难以设计；叶尖驱动部
件的落压比由下式求出 ；得到流量、落压
比参数后，绘制附加涵道转静子进出口速度三角形和空气涡轮速度三角形；在一维估算层
面上通过多轮迭代优化并确定各个截面参数，尤其是优选合适的转速n，使得涡轮与风扇均
能获得良好的气动性能；当驱动部件选用喷气喷嘴时，其在旋转坐标系下功能与空气涡轮
一致，可有与之等效的“速度三角形”，但其出口相对速度w4应与风扇出口的相对速度 w12方
向一致；
4）根据所得的速度三角形，设计附加涵道转静子、叶尖驱动部件及静子的子午流道和
气动外型；通过计算流体力学技术进行三维优化设计，使得附加涵道转静子、叶尖驱动部件
性能最优；
5）依据优化后的叶尖喷气驱动大涵道比涡扇发动机的附加涵道风扇的压πf比、流量
mf、效率ηf参数，可以按照目前已有的航空发动机风扇设计方法设计得到附加涵道风扇转
子及其静子气动造型；
6）根据优化后的叶尖驱动部件的落压比πT、流量mT、效率ηT，对于喷气喷嘴为等效参
数，若采用叶尖空气涡轮，则可按照目前已有的航空发动机涡轮设计方法设计得到空气驱
动涡轮转子及其静子气动造型；若采用叶尖喷气喷嘴，则利用已有的喷嘴设计方法进行喷
嘴的气动设计；
7）若选用叶尖空气涡轮驱动，则在获得附加涵道风扇转子和叶尖空气涡轮转子的气动
造型后，进行两者间的突肩设计，突肩厚度不宜薄，以保证连接强度，也不宜厚，以保证部件
的气动性能；此外，突肩应具有气动外形，如类似鱼鳍型，以降低突肩本身对气流的影响；
8）引气通道实质上是管流通道，依据引气气流的流量、压力、温度参数，采用二维管流
的设计方法，选择较低的气体流速，光顺各部件内的流道，以降低流路的气动损失，完成引
气通道设计；同时将相应的部件做成空心的；
9）附加涵道进气道和喷管的具体设计可分别采用目前已有的大涵道比涡扇发动机的
相关设计技术完成；
10）所有增加或改动的部件气动设计和总体结构方案设计完成后，按已有的航空发动
机设计技术对这些部件进行详细的结构设计，校核强度和转子动力学；至此完成在双转子
涡扇发动机基础上改进的叶尖喷气驱动风扇的大涵道比涡扇发动机设计。
叶尖喷气驱动风扇的大涵道比涡扇发动机
技术领域
背景技术
低压涡轮经齿轮减速器减速后驱动风扇，可实现低压涡轮转速高而风扇转速低，使两者转速匹配。但该方案齿轮减速器传递扭矩大，导致该方案的设计难度很大，兼有可靠性和寿命的问题，尤其涵道比进一步增加时，转速比也变大，上述问题更为突出，成为涵道比进一步增加的瓶颈。
发明内容
具体实施方式
89，尾喷管80。
，一旦确定U尖则可以计算出压比πf。为了使空气涡轮与风扇转子掺混损失最小，且满足能量平衡条件WT=Wf，经推导有： ，其中
，可求解出U尖和转速n。可以看到，转速n越低（U尖小）时，涵道
比B越大。转速低一方面可以实现更大涵道比，带叶尖喷气驱动的大涵道比风扇发动机总的排气流量增加（增加的即为附加涵道的流量），发动机的可用能量被更大的流量均分。由于排气速度的降低幅度比质量增加的幅度小，故发动机排气总动量增加，对应着推力增加，耗油率降低。另一方面由速度三角形（图4）知风扇转子相对速度 ，转速低则u1小，可以降低转子进口相对速度（相对马赫数），避免风扇叶尖出现超音速情况，降低风扇设计难度，同时避免叶尖因超音速带来的噪音危害。
为了避免涡轮出现跨音乃至超音现象， HT不宜过大，对应转速n不宜太小；故转速n也是空气涡轮设计的关键参数，在选取n时需要综合考虑风扇与涡轮，使得两者设计难度相当；当HT大时，重新选取转速 n，计算Hf，再计算HT，反复迭代；空气涡轮的落压比πT由下式求出：
。由落压比、流量和效率等参数，可按已有
的航空发动机涡轮设计方法设计得到空气驱动涡轮转子气动造型，或者现有的喷嘴设计方法设计得到叶尖喷气喷嘴。与传统大涵道比涡扇发动机的低压涡轮相比，该空气涡轮可以在较低转速下仍然保持较高的圆周速度UT，使得涡轮在不高的载荷系数下仍然保持较强的做功能力驱动风扇转子，解决了转速不匹配问题。通过匹配设计，可以使风扇和空气涡轮均获得较优的性能，同时实现大涵道比涡扇发动机的设计。
2）先初步确定该发动机增加附加涵道后得到提高的涵道比B，进而计算出附件涵道风扇流量mf,并设计风扇轮毂比得到叶尖半径r尖；选择风扇的载荷系数 Hf后，根据最大利用原双转子涡扇发动机外涵空气能量和掺混损失最小的条件，有，其中 ，求出
风扇转子叶尖速度U尖和转速 。再由 ，得
到附加涵道风扇压比πf。
量、落压比等参数后，绘制附加涵道转静子进出口速度三角形和空气涡轮速度三角形（见图
4）。在一维估算层面上通过多轮迭代优化并确定各个截面参数，尤其是优选合适的转速n，使得涡轮与风扇均能获得良好的气动性能；当驱动部件选用喷气喷嘴时，其在旋转坐标系下功能与空气涡轮一致，可有与之等效的“速度三角形”，但其出口相对速度w4应与风扇出口的相对速度w12方向一致；
4）根据所得的速度三角形，设计附加涵道转静子、叶尖驱动部件（及静子）的子午流道和气动外型。通过计算流体力学技术进行三维优化设计，使得附加涵道转静子、叶尖驱动部件性能最优；
5）依据优化后的叶尖喷气驱动大涵道比涡扇发动机的附加涵道风扇的压πf比、流量mf、效率ηf参数，可以按照目前已有的航空发动机风扇设计方法设计得到附加涵道风扇转子及其静子气动造型；
6）根据优化后的叶尖驱动部件的落压比πT、流量mT、效率η（T 对于喷气喷嘴为等效参数），若采用叶尖空气涡轮，则可以按照目前已有的航空发动机涡轮设计方法设计得到空气驱动涡轮转子及其静子气动造型；若采用叶尖喷气喷嘴，则利用已有的喷嘴设计方法进行喷嘴的气动设计。
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