一种新型的喷气自驱动风扇研究

摘要

对于传统的大涵道比涡扇发动机而言，涵道比增加会导致风扇、增压级以及低压涡轮之间的转速不匹配问题。基于以上问题研究，采用一种新型的喷气自驱动风扇在断开风扇与增压级传动连接的基础上，为涵道比增加提供了可能。
　　通过从核心机引出的高压气体经过风扇转子叶片内部管道输送至叶尖部位的箍环空腔，最终由箍环空腔内的喷管高速喷出，高速喷出的气流能够产生一定的反作用力矩进而驱动风扇转子叶片旋转，从而实现整个风扇的通流增压功能。本文首先在喷气自驱动风扇基础理论和结构方案研究的基础上对带箍喷气自驱动风扇进行了三维数值模拟研究。以相同风扇转速、出口背压和射流速度为基础条件，研究不同喷口截面积、不同引气温度下的喷气风扇达到自身功率平衡时所需要的引气参数变化，并具体对比分析了喷气对整个风扇流场所带来的影响。
　　与常规风扇相比，带箍喷气自驱动风扇能够通过以喷气的方式获得足够的动力驱动自身旋转。在单一引气温度条件下，喷口截面积的差异导致实际引气压力和引气流量都会发生较大的数值变化；在喷口截面积不变时，引气温度的变化导致所需引气压力变化并不明显，却会对引气量带来较大影响；由于喷气自驱动风扇引气压力较高，引气流克服流道阻力，由喷管出口高速喷出后，还未完全膨胀，在与风扇主流掺混的同时继续膨胀加速。
　　在研究喷气对风扇转子叶片下游主流通道流场的影响时，发现在任意轴向截面处，不同喷口截面积下的喷气对该主流通道流场的影响范围都是基本相同的。喷气射流对通道主流的影响范围主要集中在85％叶高以上区域，影响区域沿着流向逐渐扩大，掺混损失也会相应增加。
　　分析喷气对风扇转子叶片所在主流区域流场影响时发现，不同喷口面积下的喷气对叶片通道主流区域流场的影响范围也是基本相同的。喷气对主流区域流场的影响范围主要集中在90%展向位置以上区域，喷气对风扇转子叶片表面气流参数并未造成明显的影响。
　　对比分析不同喷口面积下喷气射流对风扇叶片主流通道出口截面流场参数影响时发现，喷气对出口截面各气流参数的影响范围都在85%展向位置以上区域。而且，由于不同喷口截面的风扇出口截面气流流量、总压径向分布不同，从而使得以流量平均的出口总压参数有所不同。
　　总之，采用这种带箍喷气自驱动风扇结构，喷气对风扇主流所造成的影响很小。但是受到喷口截面积和射流速度等因素限制，利用喷气反作用力矩来驱动这类大涵道比风扇所需的引气压力和引气流量还是非常高的。

目录

声明

注释表

第一章 绪论

1.1课题研究背景

1.2课题研究意义

1.3以喷气驱动旋翼装置的国内外研究概况

1.4多种驱动风扇形式的国内外研究概况

1.5本文的研究目标与研究内容

第二章 喷气自驱动风扇的原理与结构方案研究

2.1喷气自驱动风扇的参照模型

2.2喷气自驱动风扇的驱动力调节

2.3喷气自驱动风扇的工作原理

2.4喷气自驱动风扇的功率匹配

2.5喷气自驱动风扇的结构方案研究

2.6喷气自驱动风扇结构方案的选取

2.7本章小结

第三章 带箍喷气自驱动风扇的简化模型及其计算方法

3.1引言

3.2流体计算域物理模型的构造

3.3采用的理论数值模拟方法

3.4流体计算域的网格划分

3.5计算域边界条件的设定

3.6计算域的网格无关性验证

3.7本章小结

第四章 带箍喷气自驱动风扇的功平衡匹配

4.1数值模拟的基本思路

4.2常规风扇通流时的气动阻力特性分析

4.3内管道引气时的气动阻力特性分析

4.4带箍喷气自驱动风扇的功平衡计算

4.5特定工况点下的功平衡计算研究

4.6本章小结

第五章 带箍喷气自驱动风扇的流场特性分析

5.1功平衡条件下的喷气状态分析

5.2喷气对风扇转子叶片下游流场影响分析

5.3喷气对风扇转子叶片主流区域流场特性分析

5.4喷气风扇转子叶片主流区域出口流场特性分析

5.5本章小结

第六章 总结

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文