本發(fā)明屬于大涵道比渦扇發(fā)動機技術(shù)領域，具體涉及一種帶箍噴氣自驅(qū)動風扇及其工作方法，屬于大涵道比渦扇發(fā)動機中一種空氣壓縮器件。

背景技術(shù)：

大涵道比渦扇發(fā)動機的出現(xiàn)和持續(xù)發(fā)展，提高了發(fā)動機的經(jīng)濟性，降低了飛機噪聲以及污染物的排放，同時大幅度提升了飛機的起飛性能，成為軍民用運輸機的主要動力，是一個國家科技水平和創(chuàng)新能力的重要標志。未來大涵道比渦扇發(fā)動機的發(fā)展將會進一步在提高性能和可靠性、降低污染排放和噪聲等方面做出努力，使其具有更好的經(jīng)濟性以及更好地滿足航空飛行的舒適性和環(huán)保要求。

在民用方面，要獲得良好的經(jīng)濟性，降低發(fā)動機耗油率是主要途徑，需要提高發(fā)動機的總增壓比、渦輪前溫度和涵道比，即采用“三高”循環(huán)參數(shù)。對比大涵道比渦扇發(fā)動機的涵道比發(fā)展歷程可知，目前大涵道比發(fā)動機的涵道比為6～9,即將投人使用的下一代發(fā)動機的涵道比將達到10左右,未來發(fā)動機的涵道比將達到12以上。

在滿足航空飛行的舒適性和環(huán)保要求方面，飛行噪聲的控制也越來越重要，而風扇噪聲是發(fā)動機主要噪聲來源之一。由于轉(zhuǎn)子噪聲近似與葉尖速度的4次方成比例，降低風扇轉(zhuǎn)子的葉尖切線速度可降低風扇噪聲。舒適性需求驅(qū)使風扇轉(zhuǎn)速不斷下降，預計高涵道比風扇的葉尖切線速度將降至260m/s，相應的風扇轉(zhuǎn)速顯著下降。

風扇葉尖切線速度的不斷降低，會帶來兩方面問題：一、隨著涵道比的增加，雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不斷降低，為了滿足總體性能要求就必須要增加驅(qū)動風扇和增壓級的低壓渦輪級數(shù)，這樣導致發(fā)動機整體尺寸變大，重量增加，這些問題在涵道比12以上的雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機上尤為突出。二、低葉尖切線速度自然決定了風扇的壓比有所降低，風扇下游的增壓級的切線速度也非常低，其加功增壓能力嚴重不足，導致發(fā)動機的起飛推力明顯降低。

針對未來超高涵道比渦扇發(fā)動機的風扇涵道比與風扇轉(zhuǎn)速嚴重不匹配的問題，解決該問題的途徑通常有：1、采用齒輪驅(qū)動渦扇發(fā)動機(GTF)；2、采用三轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機；3、采用空氣渦輪驅(qū)動風扇發(fā)動機；4、后風扇渦扇發(fā)動機。

這些途徑都在一定程度上推動了大涵道比渦扇發(fā)動機的發(fā)展，但也存在一定的不足：(1)采用齒輪驅(qū)動渦扇發(fā)動機，低壓渦輪經(jīng)過齒輪減速器減速后驅(qū)動風扇，使低壓軸轉(zhuǎn)速與風扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相匹配，然而齒輪減速器由于其傳遞功率巨大，轉(zhuǎn)速比也較大，導致其設計難度很大，往往成為大涵道比渦扇發(fā)動機發(fā)展的瓶頸，限制了該類型發(fā)動機涵道比的增大；(2)采用三轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機可以更為合理地在風扇、高低壓壓氣機和高低中壓渦輪間分配功率和匹配轉(zhuǎn)速，驅(qū)動風扇運轉(zhuǎn)的低壓渦輪往往外徑尺寸較大，且無需驅(qū)動低壓壓氣機，使得其可以不經(jīng)過減速器而直接驅(qū)動風扇，但三轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機的缺點是顯著的，其結(jié)構(gòu)往往十分復雜，三個同心軸系存在著復雜的轉(zhuǎn)子動力學問題，這些因素使得現(xiàn)今只有少數(shù)發(fā)動機公司采用該類型發(fā)動機；(3)采用空氣渦輪驅(qū)動風扇，該類型發(fā)動機在微小型渦扇發(fā)動機上已得到應用，主要解決單軸微小型渦扇發(fā)動機風扇與渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速極度不匹配問題。該類型發(fā)動機通過壓氣機后已增壓空氣經(jīng)過空氣渦輪靜子加速后沖擊空氣渦輪轉(zhuǎn)子，以帶動與其連接的風扇運轉(zhuǎn)，這種方式避免了高轉(zhuǎn)速渦輪直接驅(qū)動風扇轉(zhuǎn)子，但也存在一些缺陷。一方面，空氣渦輪效率較低，遠低于渦輪功通過機械方式傳至風扇轉(zhuǎn)子的機械效率；另一方面，該類型發(fā)動機壓氣機級壓比較高，但參與實際熱力循環(huán)的燃燒室前總壓比由于空氣渦輪的存在低于該級壓比，這使得發(fā)動機內(nèi)涵的經(jīng)濟性較差。(4)后風扇渦扇發(fā)動機，后風扇形式的渦扇發(fā)動機采用獨立的低壓渦輪驅(qū)動風扇，且渦輪功不需要通過轉(zhuǎn)軸前傳，避免了復雜結(jié)構(gòu)的同心軸系，但其缺點也是顯著的：一方面，一體化不同材料的風扇和渦輪難以加工制造，且需要復雜的結(jié)構(gòu)進行封嚴工作以避免燃氣外泄至外函；另一方面，后風扇的形式使得外函增壓不能像前風扇形式一樣為內(nèi)涵所用，無法為提高內(nèi)涵經(jīng)濟性做出貢獻。這些缺點使得后風扇形式渦扇發(fā)動機在渦扇發(fā)動機發(fā)展早期出現(xiàn)后，即不被廣泛采用。

面對未來超高涵道比渦扇發(fā)動機的風扇涵道比與風扇轉(zhuǎn)速嚴重不匹配的問題，以及基于上述四種途徑的不足和結(jié)構(gòu)的復雜性，在原有雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機的基礎上，本發(fā)明提出一種帶箍噴氣自驅(qū)動風扇結(jié)構(gòu)，利用氣動力實現(xiàn)扭矩傳遞，解決風扇與驅(qū)動部件轉(zhuǎn)動速度不協(xié)調(diào)的問題，消除了沉重的齒輪傳動系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單，重量輕等特點。其工作原理如同人們生活中常見的自旋轉(zhuǎn)灌溉裝置，自旋轉(zhuǎn)噴泉相類似，更為專業(yè)和貼切的實例當屬槳尖噴氣驅(qū)動旋翼直升機。

槳尖噴氣驅(qū)動旋翼直升機通過翼尖高速噴流產(chǎn)生反作用力驅(qū)動旋翼旋轉(zhuǎn)，與軸驅(qū)動旋翼相比，消除了沉重的齒輪傳動系統(tǒng)與反扭矩系統(tǒng)，有效減小了系統(tǒng)的復雜性，具有簡單易用、結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕的特點。同時槳葉旋轉(zhuǎn)慣量大，飛機飛行穩(wěn)定，易于操縱。由于槳尖噴氣飛機理論上的優(yōu)點，20世紀中葉以來各國進行了大量的探索，并取得了一定的研究成果，不少飛機試飛成功。

產(chǎn)生翼尖噴流的方式有兩種：一是在翼尖安裝噴氣發(fā)動機，如XH-20，H-26，YH-32直升機，這種方式噪聲大，耗油率高，且翼尖發(fā)動機產(chǎn)生的離心力使旋翼結(jié)構(gòu)強度面臨極大挑戰(zhàn)，因此沒有得到大范圍應用。另一種是從噴氣發(fā)動機或空氣壓縮機尾部引出氣體，氣體通過管道流經(jīng)旋翼槳轂、中空槳葉，最后從旋翼翼尖噴口噴出，產(chǎn)生反作用驅(qū)動力，如XV-1、XV-9A、XV-17以及一些超輕型直升機，這種方式降低了噪聲水平與對結(jié)構(gòu)的要求，是噴氣旋翼產(chǎn)生噴流的主要方式。美國NASA研制的新概念可停轉(zhuǎn)旋翼飛行器X-50就是利用威廉姆斯國際F112小型渦輪風扇發(fā)動機混合排氣，通過槳葉內(nèi)的管道在槳尖噴出，驅(qū)動旋翼高速旋轉(zhuǎn)，為飛行器X-50垂直起降提供拉力的典型。

本發(fā)明提出的一種帶箍噴氣自驅(qū)動風扇與第二種槳尖噴氣驅(qū)動旋翼作用機制完全相同。通過對引氣量的控制實現(xiàn)了對噴氣自驅(qū)動風扇轉(zhuǎn)速與涵道比的調(diào)節(jié)，使得發(fā)動機的經(jīng)濟性和環(huán)保性兼得成為可能。對該結(jié)構(gòu)噴氣自驅(qū)動風扇轉(zhuǎn)速與涵道比的控制可以有效擴大新型渦扇發(fā)動機非設計點性能和穩(wěn)定工作范圍，以適應不同的飛行機動性能要求。另外帶箍風扇消除葉尖間隙帶來的損失，提高了風扇部件的氣動效率，且?guī)Ч磕苡行p少風扇葉片彎曲應力、振動應力和扭轉(zhuǎn)應力，從根本上解決了顫振等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，針對未來超高涵道比渦扇發(fā)動機低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速嚴重不匹配，以及對于齒輪驅(qū)動風扇等形式的發(fā)動機結(jié)構(gòu)的復雜性和效率低等問題，本發(fā)明在雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機的應用基礎上提出一種帶箍噴氣自驅(qū)動風扇及其工作方法，可以應用在未來超高涵道比渦扇發(fā)動機中，相比常規(guī)意義上的雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機而言，可以進一步增大渦扇發(fā)動機涵道比，提高風扇部件效率，以增加推力、降低耗油率，顯著提高發(fā)動機經(jīng)濟性。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種帶箍噴氣自驅(qū)動風扇，包括風扇輪轂氣室、風扇葉片、箍狀集氣環(huán)和噴管，所述風扇輪轂氣室是由所述風扇葉片葉根處輪轂線環(huán)繞風扇中心轉(zhuǎn)軸線而形成的軸對稱回轉(zhuǎn)面裝置；

所述風扇葉片環(huán)繞所述風扇輪轂氣室周向均勻布置，所述風扇葉片的葉尖處通過一中空閉環(huán)結(jié)構(gòu)連接成一體，形成所述的箍狀集氣環(huán)裝置；所述風扇葉片為中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的風扇葉片中空腔室與所述輪轂氣室以及所述箍狀集氣環(huán)為一體式貫通結(jié)構(gòu)；

所述箍狀集氣環(huán)內(nèi)部周向均勻布置有若干數(shù)量的噴管，所述噴管的進出口指向與風扇在通流增壓時的主流方向一致。

進一步的，所述噴管的出口方向與風扇中心轉(zhuǎn)軸線存有夾角，夾角范圍為45°～85°之間；

進一步的，所述箍狀集氣環(huán)周向均勻分布有18～180個噴管，噴管橫截面形狀為圓形或方形，所述噴管為收擴噴管。

進一步的，所述箍狀集氣環(huán)的外形包括環(huán)形箍狀結(jié)構(gòu)和橢圓形箍狀結(jié)構(gòu)。

進一步的，箍環(huán)結(jié)構(gòu)寬度等于風扇葉尖處葉型軸向弦長的80～120％，高度為整個葉片平均徑向高度的1％～5％。

進一步的，風扇葉片外形幾何參數(shù)與常規(guī)大涵道比渦扇發(fā)動機風扇結(jié)構(gòu)相同。

進一步的，風扇輪轂氣室是由風扇葉片葉根處的輪轂線環(huán)繞風扇中心轉(zhuǎn)軸線形成的中空腔室，風扇輪轂氣室的軸向長度約等于葉片葉根處的軸向弦長1.1～1.2倍，徑向半徑等于風扇葉片葉根處半徑。

進一步的，所述風扇輪轂氣室通過銜接環(huán)、引氣導流器與外部高壓氣源連通。

根據(jù)上述的一種帶箍噴氣自驅(qū)動風扇的工作方法，包括以下步驟：

1)高壓氣體經(jīng)引氣導流器、銜接環(huán)進入風扇輪轂氣室；

2)所述高壓氣體經(jīng)由風扇輪轂氣室、風扇葉片中空腔室，最終匯入葉尖處的箍狀集氣環(huán)裝置；

3)所述高壓氣體經(jīng)所述箍狀集氣環(huán)裝置內(nèi)的若干收擴噴管高速噴出，產(chǎn)生反推力，利用噴流產(chǎn)生的反作用力矩，驅(qū)動風扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；

4)風扇吸入空氣并進行壓縮，實現(xiàn)風扇通流增壓的作用。

有益效果：本發(fā)明提供的帶箍噴氣自驅(qū)動風扇及其工作方法，在雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機的應用中有如下優(yōu)點：

1、與齒輪驅(qū)動風扇等形式的發(fā)動機相比，帶箍噴氣自驅(qū)動風扇消除了沉重的齒輪傳動系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單，重量輕等特點。

2、通過對引氣量的控制，實現(xiàn)對噴氣自驅(qū)動風扇的轉(zhuǎn)速與涵道比的調(diào)節(jié)，使得發(fā)動機的經(jīng)濟性和環(huán)保性兼得成為可能。另外對于該結(jié)構(gòu)噴氣自驅(qū)動風扇轉(zhuǎn)速與涵道比的控制可以有效擴大新型渦扇發(fā)動機非設計點性能和穩(wěn)定工作范圍，以適應不同的飛行機動性能要求。

3、該環(huán)向帶箍結(jié)構(gòu)可以適用于任何高涵道比風扇葉型，相比于直接在風扇葉片內(nèi)部添加噴管利用射流驅(qū)動風扇來說，不用考慮風扇葉片數(shù)量以及葉片厚度的限制。

4、采用帶箍結(jié)構(gòu)的噴氣自驅(qū)動風扇，可以有效減少轉(zhuǎn)子葉片與機匣之間的葉尖間隙泄漏流，從而減少風扇部件的流動損失，提高發(fā)動機性能。

5、葉片帶箍結(jié)構(gòu)可以對葉片進行限幅、調(diào)頻和減振，有效的減少風扇葉片在工作狀態(tài)產(chǎn)生的彎曲應力、振動應力和扭轉(zhuǎn)應力，減輕了葉片本身的重量，從根本上解決了顫振等問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的帶箍噴氣自驅(qū)動風扇在雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機中的應用示意圖：其中1-帶箍噴氣自驅(qū)動風扇；2-多級低壓壓氣機；3-多級高壓壓氣機；4-燃燒室；5-多級高壓渦輪；6-多級低壓渦輪；7-尾噴管；8-高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸；9-低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸；10-引氣導流器。

圖2為本發(fā)明所述的一種環(huán)形箍狀結(jié)構(gòu)噴氣自驅(qū)動風扇正面?zhèn)纫晥D：其中11-噴管；12-風扇葉片；13-風扇輪轂；15-箍狀集氣環(huán)。

圖3為本發(fā)明所述的一種橢圓形箍狀結(jié)構(gòu)噴氣自驅(qū)動風扇正面?zhèn)纫晥D：其中11-噴管；12-風扇葉片；13-風扇輪轂；15-箍狀集氣環(huán)。

圖4為本發(fā)明所述的箍狀結(jié)構(gòu)噴氣自驅(qū)動風扇背面?zhèn)纫晥D：其中11-噴管；12-風扇葉片；13-風扇輪轂；15-箍狀集氣環(huán)。

圖5為本發(fā)明所述的一種環(huán)形箍狀結(jié)構(gòu)噴氣自驅(qū)動風扇二維結(jié)構(gòu)示意圖：其中10-引氣導流器；11-噴管；12-風扇葉片；13-風扇輪轂；14-風扇中心轉(zhuǎn)軸線；15-橢圓形箍狀集氣環(huán)；16-風扇葉片中空腔室；17-風扇輪轂氣室；18-銜接環(huán)。

圖6為本發(fā)明所述的一種基于環(huán)形箍狀結(jié)構(gòu)的噴管射流示意圖：11-噴管；12-風扇葉片；14–風扇中心轉(zhuǎn)軸線；15-箍狀集氣環(huán)。

圖7為實施例的內(nèi)管路壁面所受到的氣流阻力扭矩隨流量變化的關系示意圖。

圖8為實施例的葉片下游流場的相對馬赫數(shù)以及相對總壓的分布云示意圖。

圖9為實施例的計算域出口截面沿徑向分布的絕對馬赫數(shù)、總壓比分布曲線以及全通道出口截面整體的絕對馬赫數(shù)分布云示意圖。

圖10為實施例的不同展向高度上的葉片表面靜壓分布示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。

在傳統(tǒng)雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機基礎上，引入該新型帶箍噴氣自驅(qū)動風扇1。相比傳統(tǒng)雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機，在結(jié)構(gòu)上主要增加了引氣導流器10、銜接環(huán)18、風扇輪轂氣室17、風扇葉片中空腔室16以及在風扇葉尖處與葉片貫通一體的箍狀集氣環(huán)15等裝置。

將核心機多級高壓壓氣機3處引出的高壓氣體經(jīng)引氣導流器10、銜接環(huán)18的作用進入風扇輪轂氣室17，隨后輪轂氣室17中的高壓氣流進入與輪轂氣室相通的風扇葉片中空腔室16并最終匯入葉尖處的箍狀集氣環(huán)裝置15，集氣環(huán)裝置15內(nèi)部周向均勻布置有相當數(shù)量的收擴噴管11，且噴管中心軸線與風扇轉(zhuǎn)子中心轉(zhuǎn)軸線14有一定夾角，高壓氣流經(jīng)收擴噴管高速噴出產(chǎn)生反推力，利用噴流產(chǎn)生的反作用力矩，驅(qū)動風扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，進而風扇可以吸入大量空氣并進行壓縮，實現(xiàn)風扇通流增壓的作用。

實施例

帶箍噴氣自驅(qū)動風扇的應用實施例是以雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機為原型，在其基礎上做進一步地具體說明。

如圖1所示，與雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機原型相比較，除帶箍噴氣自驅(qū)動風扇1結(jié)構(gòu)不同外，其余結(jié)構(gòu)基本相同，主要包括：2-多級低壓壓氣機；3-多級高壓壓氣機；4-燃燒室；5-多級高壓渦輪；6-多級低壓渦輪；7-尾噴管；8-高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸；9-低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸。

該結(jié)構(gòu)雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機中的內(nèi)涵氣流經(jīng)風扇靜子葉片，進入多級低壓壓氣機2、多級高壓壓氣機3，氣流壓力會得到進一步提升，隨后高壓氣流進入燃燒室4，產(chǎn)生的高溫燃氣先后經(jīng)過多級高壓渦輪5、多級低壓渦輪6膨脹做功。渦輪的功率提取分別通過高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸8、低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸9傳遞給多級高壓壓氣機3和多級低壓壓氣機2。

在雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機基礎上，引入該帶箍噴氣自驅(qū)動風扇1結(jié)構(gòu)；如圖4、圖5所示，其風扇轉(zhuǎn)子整體結(jié)構(gòu)包含風扇輪轂13、風扇葉片12、噴管11、箍狀集氣環(huán)15、風扇輪轂氣室17、風扇葉片中空腔室16以及與風扇輪轂氣室連通的銜接環(huán)18和引氣導流器10等。其中在圖2與圖3所示的剖面圖中，a表示箍狀集氣環(huán)15的最大高度值，其值約為整個葉片高度值的1.5％～2％。在本實施例中該箍狀集氣環(huán)高度值為葉片高度的1.5％，即10mm。b表示箍狀集氣環(huán)15的寬度值，其值等于該風扇葉尖處葉型的軸向長度，不同尺寸的風扇以及不同的風扇葉型都會導致風扇葉尖處葉型的軸向長度有所變化，所以箍狀集氣環(huán)15的寬度值視具體風扇尺寸和葉型而定，箍狀集氣環(huán)寬度等于所述風扇葉片葉尖處葉型的軸向弦長的100％，對于本實施例所述的風扇，該寬度值約為187mm。

工作中，通過引氣導流器10的作用，將多級高壓壓氣機3處高壓氣體引入至與銜接環(huán)18相連接的風扇輪轂氣室17中，由于風扇葉片中空腔室16、輪轂氣室17以及箍狀集氣環(huán)15為一體式貫通結(jié)構(gòu)，所以進入風扇輪轂氣室17的高壓氣體最終會匯入到箍狀集氣環(huán)15中，在箍狀集氣環(huán)15中周向均勻分布有18～180個收擴噴管11，噴管11進出口中心軸線與風扇中心轉(zhuǎn)軸線14有一定夾角，高壓氣流經(jīng)收擴噴管11高速噴出產(chǎn)生反推力，從而利用噴管噴流產(chǎn)生的反作用力矩，驅(qū)動風扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，進而風扇可以吸入大量空氣并進行壓縮，實現(xiàn)風扇通流增壓的作用。

箍狀集氣環(huán)15的外形包括環(huán)形箍狀結(jié)構(gòu)和橢圓形箍狀結(jié)構(gòu)，在應用實施方面，不同的應用對象對應的箍環(huán)風扇結(jié)構(gòu)會有所不同。由于在本實施例中該結(jié)構(gòu)主要應用于雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機中，故選定為橢圓形箍狀結(jié)構(gòu)比較合適，在圖5中看見，風扇內(nèi)部高壓氣流流經(jīng)橢圓形箍狀集氣環(huán)時，相比于環(huán)形結(jié)構(gòu)，橢圓形結(jié)構(gòu)可以使得高壓氣流流入噴管時偏轉(zhuǎn)平緩，損失小于環(huán)形箍狀集氣環(huán)；另一方面橢圓形結(jié)構(gòu)使得其集氣環(huán)外表面與流體的實際接觸面積要比環(huán)形結(jié)構(gòu)的要小，這樣由于與流體由于摩擦作用產(chǎn)生的阻力扭矩相對較小。最后，采用橢圓形箍狀結(jié)構(gòu)，在風扇實際運轉(zhuǎn)過程中，其迎風面積要比采用環(huán)形箍狀結(jié)構(gòu)風扇的迎風面積小。

風扇輪轂氣室17是由風扇葉片12葉根處的輪轂線環(huán)繞風扇中心轉(zhuǎn)軸線14形成的中空腔室，風扇輪轂氣室17的軸向長度約等于葉片葉根處的軸向弦長1.1～1.2倍，徑向半徑等于風扇葉片12葉根處半徑。對于本實施例中的尺寸風扇，風扇輪轂氣室17軸向長度為200mm，徑向半徑在294mm～379mm之間。

風扇輪轂氣室17通過銜接環(huán)18、引氣導流器10與外部高壓氣源連通。由于箍狀集氣環(huán)15、風扇葉片中空腔室16以及風扇輪轂氣室17為一體式貫通結(jié)構(gòu)，在風扇旋轉(zhuǎn)過程中，該一體式貫通結(jié)構(gòu)也會隨之一起旋轉(zhuǎn)；銜接環(huán)18是固定不轉(zhuǎn)的，通過封嚴篦齒和軸承與旋轉(zhuǎn)著的風扇輪轂氣室17相連接；引氣導流器10與銜接環(huán)18兩部件通過密封閥連接；外部高壓氣源依據(jù)該帶箍噴氣自驅(qū)動風扇的具體應用場合會有所不同，本實施應用是以雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機為背景，所以高壓引氣源來自于核心機多級高壓壓氣機3。

對于噴管射流原理而言，反推力與推力大小相等、方向相反，其計算公式可表示為|F′|＝|F|＝|M·V+(P-P_∞)·A|，其中F表示推力、F′表示反推力，M表示噴管出口射流的質(zhì)量流量、V表示噴管出口射流速度、P表示噴管出口處靜壓、P_∞表示噴管出口外界背壓、A表示噴管出口截面面積。如圖6中所示，噴管射流方向與風扇中心轉(zhuǎn)軸線存在一定夾角α，則與風扇旋轉(zhuǎn)方向相反方向的反推力大小可表示為|U′|＝|F′|sinα＝|F|sinα＝|U|，那么周向反推力U′所產(chǎn)生的動力扭矩大小就可以表示為|N_動|＝|U′|·R，R表示噴管出口射流點所在風扇徑向半徑的大小。如果周向由噴管射流作用產(chǎn)生的總動力扭矩值與該結(jié)構(gòu)風扇在實際運轉(zhuǎn)過程所受到的周向氣動阻力扭矩值達到平衡時，那么就能夠說明該結(jié)構(gòu)風扇能夠依靠噴管射流作用驅(qū)動自身旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)風扇通流增壓的作用。

為了驗證該結(jié)構(gòu)的可行性，運用CFD數(shù)值模擬進行計算分析，實際CFD數(shù)值模擬共分為兩部分計算，一部分為在引氣條件下風扇葉片內(nèi)流管路的數(shù)值模擬；另一部分為在引氣條件下該結(jié)構(gòu)風扇在通流增壓時的外部流場單通道數(shù)值模擬。計算條件給定為：轉(zhuǎn)速3570轉(zhuǎn)/分(RPM)，進口總壓101325Pa、總溫288K，背壓90000Pa，引氣總壓1.6MPa、總溫635K。

該實施例所采用的風扇葉片外形幾何參數(shù)與常規(guī)大涵道比渦扇發(fā)動機風扇結(jié)構(gòu)相同，具體為：風扇葉片數(shù)為18個，展弦比為1.75，進口輪轂比為0.3，進口葉尖直徑為1.95m；在進口總壓0.1MPa、總溫288K條件下，該風扇在設計轉(zhuǎn)速3570RPM運轉(zhuǎn)時，其質(zhì)量流量約為545kg/s，總壓比為1.45。

內(nèi)流管路的CFD數(shù)值模擬主要是分析在特定轉(zhuǎn)速和引氣總壓條件下，內(nèi)管路壁面所受到的氣流阻力扭矩隨流量變化的關系，如圖7曲線所示。

外部單通道流場CFD數(shù)值模擬主要是分析在特定轉(zhuǎn)速、背壓和引氣總壓條件下，該結(jié)構(gòu)風扇外表面壁面所受到的阻力扭矩以及在射流條件下所產(chǎn)生的動力扭矩，以及風扇在通流增壓時流場的變化。

通過表1可見，實際計算得到總的動力扭矩數(shù)值與總的阻力扭矩(內(nèi)、外阻力扭矩)達到了動態(tài)平衡，考慮到箍環(huán)風扇外表面阻力扭矩在實際的CFD數(shù)值模擬計算中存在一定誤差，所以在特定引氣總壓條件下，動力扭矩的模擬計算數(shù)值要比阻力扭矩的要大，其差值約占總阻力扭矩的7.9％，以此抵消或減小誤差的影響。

表1帶箍噴氣自驅(qū)動風扇周向動、阻力扭矩平衡關系

最后，在相同邊界條件設置下運用CFD模擬了有箍環(huán)噴射風扇與沒有箍環(huán)噴射結(jié)構(gòu)的常規(guī)風扇的一個流場變化并加以對比分析，以此說明該帶箍噴氣風扇的整體氣動性能的優(yōu)劣性。

如圖8所示帶箍噴氣結(jié)構(gòu)風扇在射流角α為70度、單通道噴射流量2kg/s、射流速度Ma＝2時的葉片下游流場的相對馬赫數(shù)以及相對總壓的分布云圖。

在圖9中，分別展示了計算域出口截面沿徑向分布的絕對馬赫數(shù)、總壓比分布曲線以及全通道出口截面整體的絕對馬赫數(shù)分布云圖。在左側(cè)曲線圖中可見常規(guī)風扇和噴氣風扇的主流通道出口氣流絕對馬赫數(shù)沿徑向分布的數(shù)值比較，對于噴氣風扇來說，其下游出口氣流參數(shù)勢必會受到上游進口射流的擾動，在90％展向范圍內(nèi)，噴氣風扇主流通道出口氣流的絕對馬赫數(shù)要低于原始風扇出口氣流絕對馬赫數(shù)，但是數(shù)值相差很小，同一徑向高度的絕對馬赫數(shù)最大差值在0.06以內(nèi)，總體徑向絕對馬赫數(shù)分布規(guī)律趨于相同；右側(cè)曲線展示了進出口總壓比沿徑向的分布，結(jié)果顯示在轉(zhuǎn)速3570RPM、背壓90000Pa條件下的常規(guī)風扇與噴氣風扇的總增壓比數(shù)值基本都在1.2以上分布。對于90％展向位置以上的范圍內(nèi)，由于高壓噴射氣流的影響，導致出口段該區(qū)域的絕對總壓分布要明顯高于下部絕對總壓，但是對于整體徑向絕對總壓分布來說，90％展向位置以內(nèi)的常規(guī)風扇總壓比分布和噴氣風扇的總壓比分布規(guī)律基本趨于相同，所以噴氣對于風扇主流通道出口的絕對總壓的影響范圍較小。

考慮到高壓噴射氣流會不會對上游風扇葉片氣動性能產(chǎn)生影響，分析了不同展向高度上的葉片表面靜壓分布，如圖10所示。在5％展向位置處，噴氣風扇葉片表面靜壓分布與常規(guī)風扇葉片表面靜壓分布完全相同，隨著展向位置的不斷增大，其葉片表面靜壓分布的差異也會越來越明顯，比如90％展向位置處的葉片表面靜壓分布在壓力面和吸力面都出現(xiàn)了明顯變化，但是對于50％展向位置的葉片表面靜壓分布來說，只有吸力面的靜壓分布變化比較明顯。就整體靜壓數(shù)值變化來說，差異還是比較小的，而且總的葉片表面靜壓分布變化趨勢也是完全相同的，所以對于上游葉片總體氣動性能來說，高壓射流所帶來的負面影響不大。

總的來說，該帶箍噴氣結(jié)構(gòu)風扇相較于常規(guī)風扇，雖然某些參數(shù)在數(shù)值上出現(xiàn)了差異，但是其數(shù)值相差微小，對風扇的總體氣動性能影響不大，整體結(jié)構(gòu)實施是可行的。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術(shù)領域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。