风扇流道板及其变形控制方法、风扇与流程

1.本发明涉及涡扇发动机的风扇流道板及其变形控制方法。


背景技术：

2.轴流式航空发动机的风扇部分结构如图1所示，主要包括进气锥前段11、进气锥后段12、风扇盘16、流道板2、风扇叶片13、封严环14和鼓筒15。流道板2安装于风扇叶片13之间，与进气锥前段11、进气锥后段12以及封严环14形成发动机进气段流道，通常流道板2两侧布置有密封条防止气体从风扇叶片13和流道板2之间的缝隙泄漏。
3.发明人经研究发现：
4.1)在航空发动机运转过程中，风扇流道板主要受离心载荷作用，而产生径向变形，流道板流道面的径向变形会影响到发动机进气段气动流路构型，流道面径向变形越小且径向变形的周向分布越均匀对气动设计性能的影响越小；
5.2)由于风扇流道板的结构形式限制，流道面的两侧需要分别与风扇叶片压力面、吸力面流道线处表面型面配合，风扇流道板关于中心平面非对称，风扇流道板的质心与回转轴线存在周向偏心距，工作过程中风扇流道板流道面凸侧的径向变形远大于流道面凹侧的径向变形，风扇流道板的流道面径向变形在周向的分布梯度较大，这样会增加由于风扇流道板流道面径向非均匀变形导致的泄露损失，增加风扇根部的流动损失，增加风扇叶片压力面和吸力面的非均匀性磨损，增加风扇叶片与风扇流道板之间碰磨的风险。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种风扇流道板，其流道面在工作过程中的径向变形的周向均匀分布。
7.本发明的另一目的在于提供一种风扇，其包括前述风扇流道板。
8.本发明的再一目的在于提供一种风扇流道板的变形控制方法。
9.为实现所述目的，在一实施方式中，一种风扇流道板具有外侧的流道面、内侧的轴向加强筋、在周向一侧的第一型面配合侧和在周向另一侧的第二型面配合侧，还具有质心、转动轴线和中心平面，所述质心在所述中心平面一侧，所述轴向加强筋包括第一轴向加强筋以及第二轴向加强筋，所述质心到所述第一轴向加强筋距离小于到所述第二轴向加强筋的距离，所述第二轴向加强筋的厚度小于所述第一轴向加强筋的厚度，从所述第一型面配合侧到所述第二型面配合侧，以该转动轴线为基准，该风扇流道板的径向刚度均匀分布。
10.在一实施方式中，所述流道板还具有在所述内侧且在该流道板的前端和后端之间且在所述流道板的宽度方向上延展的周向加强板。
11.在一实施方式中，所述周向加强板提供有安装孔。
12.在一实施方式中，所述第一轴向加强筋和所述第二轴向加强筋与所述周向加强板的宽度方向的两侧成一体连接。
13.在一实施方式中，所述第一轴向加强筋和所述第二轴向加强筋从所述风扇流道板
的前端延伸到后端，且各处的高度低于所述周向加强板。
14.在一实施方式中，所述风扇流道板具有位于前端的前止口和位于后端的后止口，所述第一轴向加强筋和所述第二轴向加强筋延伸到所述后止口的内侧，并抵达所述前止口。
15.在一实施方式中，所述第一型面配合侧为凸面侧，所述第二型面配合侧为凹面侧。
16.在一实施方式中，一种风扇包括进气锥前段、进气锥后段、风扇盘、流道板、风扇叶片、封严环和鼓筒，流道板安装于相邻的两风扇叶片之间，与进气锥前段、进气锥后段以及封严环形成发动机进气段流道，所述流道板采用任一前述的风扇流道板。
17.在一实施方式中，一种风扇流道板变形控制方法，通过匹配风扇流道板内侧的不同轴向加强筋的质量，以使风扇流道板的径向刚度在周向均匀分布。
18.前述风扇流道板为非对称结构风扇流道板，该风扇流道板的径向刚度均匀分布，可以实现风扇流道板流道面径向变形在周向的均匀分布，而且能有效控制流道面径向变形绝对值，其中控制流道板径向变形的绝对值主要依靠中间的安装结构，有益效果具体如下：
19.1、结构简单，容易实现；
20.2、质量较轻，有利于减轻发动机重量；
21.3、改善风扇根部的流动损失；
22.4、减少泄露损失，提高效率；
23.5、减少碰磨风险，避免风扇叶片压力面和吸力面非均匀性磨损。
附图说明
24.本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
25.图1是轴流式航空发动机的风扇的示意图。
26.图2是流道板的主视图。
27.图3是流道板的俯视图。
28.图4是流道板的立体图。
29.图5是流道板的右视图。
30.图6是流道板的前止口的安装示意图。
具体实施方式
31.下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结
合。
32.图2至图6所示的风扇流道板2适合于安装在图1所示的风扇上。风扇流道板2的外侧、内侧、周向、前端、后端均以安装在风扇上的状态为参考。风扇流道板2还具有转动轴线，当风扇流道板2安装在风扇上时，该转动轴线与风扇轴线或者发动机的轴线重合。参照图3，风扇流道板2的宽度是沿风扇流道板2的周向的两侧的距离，中心平面是通过风扇流道板2的前端宽度的中心进而后端的宽度中心以及转动轴线的面。
33.如图3所示，风扇流道板2具有周向一侧的第一型面配合侧26和在周向另一侧的第二型面配合侧25，第一型面配合侧26为凸面侧，而第二型面配合侧25为凹面侧，但不限于此，具体的形状与风扇的整体设计有关。第一型面配合侧26、第二型面配合侧25分别与夹着该风扇流道板2的风扇叶片13的压力面或吸力面的流道线处表面型面配合。由于第一型面配合侧26为凸面侧，而第二型面配合侧25为凹面侧，所以风扇流道板2的质心位于其中心平面的靠近第一型面配合侧26的一侧，风扇流道板2的质心偏离中心平面，这使得风扇流道板的质心与转动轴线存在周向偏心距，导致工作过程中风扇流道板质心所在一侧的流道面的径向载荷远大于另一侧的径向载荷。
34.如图4和图5所示，风扇流道板2包括第一轴向加强筋241以及第二轴向加强筋242，根据前述描述内容，可以理解到，所述质心到第一轴向加强筋241距离小于到第二轴向加强筋242的距离。如图5所示，第二轴向加强筋的厚度δ2小于所述第一轴向加强筋δ1的厚度，这将使得第一型面配合侧26到所述第二型面配合侧25即在风扇流道板2的周向，以该转动轴线为基准，该风扇流道板2的径向刚度均匀分布，均匀分布不是绝对相等的分布，其符合风扇流道的型面许可变形，例如第一型面配合侧26和第二型面配合侧25中一方的径向变形最大值与另一方的径向变形最小值相差约5％到10％。
35.定义风扇流道板的“径向刚度”为以风扇流道板的转动轴线为基准，风扇流道板因回转运动受到的径向载荷与风扇流道板的径向变形之比，风扇流道板的重力相对于离心力很小，因此对径向变形的影响可以忽略不计。通过将第二轴向加强筋242的厚度小于第一轴向加强筋241的厚度，从所述第一型面配合侧26到所述第二型面配合侧25，即在风扇流道板2的周向，以该转动轴线为基准，该风扇流道板2的径向刚度均匀分布，同样，均匀分布不是绝对相等的分布，只要使得风扇的流道面的径向变形保持在许可范围内的径向刚度分布都可以，例如第一型面配合侧26和第二型面配合侧25中一方的径向刚度最大值与另一方的径向刚度最小值相差约5％到10％。由于在周向上径向刚度分布均匀，因此可有效改善风扇流道板流道面径向变形的周向分布梯度。
36.发明人以某型航空发动机风扇流道板为例开展实效分析，如图5所示，当第一轴向加强筋厚度(δ1)与第二轴向加强筋厚度(δ2)一致时，流道面凸面侧径向变形最大值与流道面凹面侧径向变形最小值相差约50％；当δ2＝δ1/2时，流道面凸面侧径向变形最大值与流道面凹面侧径向变形最小值相差约5％。结果表明，通过匹配加强筋的厚度可有效改善风扇流道板流道面径向变形的周向分布梯度。
37.风扇流道板的轴向长度值相对于周向宽度值较大，工作过程中流道面的径向变形在轴向的绝对值较大。为了有效控制流道面径向变形的绝对值，如图2、图4、图5所示，风扇流道板2具有在所述内侧且在该流道板的前端和后端之间且在流道板的宽度方向上延展的周向加强板23。周向加强板23在流道板的宽度方向上连续延展，因此可有效控制流道面径
向变形的绝对值。
38.在一个实施方式中，在周向加强板23上设置安装孔231，这样可以将周向加强板23固定在风扇盘上，进一步简化风扇流道板的结构，通过增加安装孔231还可以减轻风扇流道板2的质量。
39.如图2和图4所示，第一轴向加强筋241与周向加强板23的宽度方向的一侧成一体连接。同样可以理解的是，第二轴向加强筋242与周向加强板23的宽度方向的另一侧成一体连接，这使得风扇流道板的结构紧凑和简单，并通过加强筋板的组合连接，在不增加质量的情况下，进一步提升风扇流道板的刚度。
40.为了减轻风扇流道板质量，同时兼顾风扇流道板刚度值，尽可能降低风扇流道板两侧轴向加强筋的径向高度值，如图2所示，第一轴向加强筋241和第二轴向加强筋242从风扇流道板2的前端延伸到后端，且各处的高度低于周向加强板23。
41.如图2所示，风扇流道板2具有位于前端的前止口21和位于后端的后止口22，第一轴向加强筋241和第二轴向加强筋242从延伸到后止口22和前止口21的内侧。借此对风扇流道板2的整个轴向进行周向的径向刚度的均布，在一些场合，也可实现整个风扇流道板2的流道面的径向变形的均匀控制。
42.图6示出了风扇流道板2的前端的止口连接方式，同样可以理解到风扇流道板2的后端的止口连接方式。
43.由前述实施方式还可以理解到一种风扇，在风扇的相邻风扇叶片13之间设置前述的风扇流道板，这样风扇的各个流道的径向变形得到控制，减少了风扇叶片压力面和吸力面的非均匀性磨损，也减少了风扇根部的流动损失。同时，仅仅通过轴向加强筋进行径向刚度的调节，实现风扇流道板的流道面径向变形在周向的分布梯度控制，因此风扇流道板的质量小，利于减轻航空发动机的重量，降低成本，提高效率。
44.由前述实施方式还可以理解到一种风扇流道板变形控制方法，其通过匹配风扇流道板内侧的不同轴向加强筋的质量，以使风扇流道板的径向刚度在周向均匀分布。其同样可以取得前述有益效果。例如，通常流道板流道面凸面侧的径向变形远大于流道面凹面侧的径向变形，即通过减小凹面侧轴向加强筋的相对厚度来降低其径向相对刚度，即调节图5中所示δ1和δ2的相对大小,以实现流道面径向变形的周向分布梯度达到气动的设计要求。
45.风扇流道板流道面较小的径向变形绝对值和较小的径向变形周向分布梯度，可以改善风扇根部的流动损失，减少泄露损失，提高效率，可减小风扇叶片压力面和吸力面由于流道板变形造成的非均匀性磨损，降低风扇叶片与风扇流道板之间的碰磨风险。同时风扇流道板结构简单，易于实现，便于加工制造；可减轻风扇流道板的质量，有利于减轻发动机的重量，降低成本，提高效率。
46.本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。