涡扇发动机及其融合支板内涵道
技术领域
本领域涉及一种涡扇发动机，更具体地，涉及一种用于涡扇发动机的增压扩稳的低压压气机的融合支板内涵道。
背景技术
为了降低发动机的耗油率，风扇的涵道比在不断增大，在风扇直径不变的前提下，增压级的尺寸随之减小，而受制于风扇叶尖负荷的影响，增压级的转速很难继续增加，在保证压比不降时，增压级朝着更高的级负荷方向发展。性能好的增压级可提高低压压气机气动性能并为后面高压压气机进口创造良好的流场品质，从而有利于发动机的效率、压比、稳定裕度等气动参数。
为了与高压压气机更好地匹配，以及使得过渡段的设计难度能够降低，低压压气机的增压级出口级常常设计成下压流路，再通过含有内涵支板的流道转接到高压压气机。增压级出口级的下压流路会造成增压级出口级的负荷增加，增压级根部容易出现流动分离，气动损失增加。而且，在近失稳状态时低压压气机根部容易出现做功能力不足的问题。这些因素都限制了低压压气机的效率和稳定裕度的提高。而且，对于紧凑型的风扇增压级，不仅要考虑避免上述问题，还要考虑结构紧凑的需求。
因此，希望提供一种气动方案，不仅可以避免增压级出现上述问题，提高低压压气机的效率和稳定裕度，而且可以适用于紧凑型的风扇增压级。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种气动方案，可以在增压扩稳的同时满足结构紧凑的需求。
本实用新型提供一种用于增压扩稳的低压压气机的融合支板内涵道，用于设置在增压级出口级静子的下游侧，包括增压级机匣、低压压气机轮毂以及设置在所述机匣和所述轮毂之间的内涵融合支板，所述融合支板内涵道还包括至少一组部分叶高静子，所述部分叶高静子的叶高尺寸小于所述增压级出口级静子的叶高尺寸；所述至少一组部分叶高静子中的每组部分叶高静子沿周向并排布置，并且布置于沿周向相邻的两个所述内涵融合支板的前缘部分之间。
在一个实施方式中，所述部分叶高静子与所述内涵融合支板沿周向一圈的总数量与所述增压级出口级静子沿周向一圈的数量一致。
在一个实施方式中，所述部分叶高静子与所述内涵融合支板中的每一个分别布置于对应的一个所述增压级出口级静子下游。
在一个实施方式中，所述部分叶高静子的叶尖型线沿流线设计。
在一个实施方式中，所述部分叶高静子的前缘线与所述增压级出口级静子的尾缘线平行，所述部分叶高静子的尾缘线平行于所述内涵融合支板的前缘线或者垂直于轮毂线。
在一个实施方式中，所述部分叶高静子的叶高尺寸是所述增压级出口级静子的叶高尺寸的18％-35％。
在一个实施方式中，所述内涵融合支板的沿高度方向的35％以下的部分的进口气流角与所述部分叶高静子的进口气流角保持相同，沿高度方向向上逐渐变成0°。
在一个实施方式中，所述部分叶高静子的稠度范围是0.7～1.5；所述部分叶高静子的轴向弦长是所述增压级出口级静子的轴向弦长的50％～100％；并且所述部分叶高静子与所述增压级出口级静子之间的轴向距离是所述部分叶高静子的轴向弦长的15％～50％。
本实用新型还提供一种涡扇发动机，包括上述的融合支板内涵道。
通过采用上述融合支板内涵道，可以实现增压扩稳，提高增压级出口级根部总压并且保证低压压气机的良好流动，因而提高低压压气机的效率和稳定裕度，避免出现常规涡扇发动机中增压级出口级根部负荷重进而影响到气动稳定性的问题，也可以有助于避免低压压气机的根部增压能力不足的问题。
采用上述融合支板内涵道的气动方案中，在增压级出口增加部分叶高静子，并与支板采用融合设计，也即把内涵支板设计为带导流和扩压的融合支板，同时在融合支板之间布置部分叶高静子，使出口气流转为轴向并扩压。在增压扩稳的同时，充分利用了内涵融合支板之间的周向空间，而不占用轴向空间，因此，特别适用于紧凑型的风扇增压级。
附图说明
本实用新型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：
图1是示出风扇增压级附近的气动布局的示意图。
图2是融合支板内涵道的局部放大图。
图3是沿着图1的线A-A截取的横截面示意图。
图4是内涵融合支板的示意图。
图5是图4的内涵融合支板的横截面示意图。
图6是传统支板的横截面示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本实用新型作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施方式的内容限制本实用新型的保护范围。
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。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。
图1以涡扇发动机为示例示出了其风扇增压级200中的转子和静子等的示意性气动布局。增压级200在涡扇发动机中与风扇内涵部分一起称为“低压压气机”，将增压并有一定流速的气体导入高压压气机。图1也示出了根据本实用新型的用于增压扩稳的低压压气机的融合支板内涵道100。需要注意，附图例如图1仅作为示例，并非按照等比例条件绘制，不应该以此作为对本实用新型实际要求的保护范围构成限制。
图1示出了风扇转子叶片1，还示出了风扇转子叶片1下游依次布置的增压级进口导叶2、增压级出口级转子3和增压级出口级静子4，以及外涵出口12。增压级出口级转子3和增压级出口级静子4可以合称为“增压级出口级”或“增压级最后级”。转子是指发动机或者压气机中起到扩压的转动叶片，而静子是指发动机或者压气机中起到导流和扩压的静止叶片。图2示出了根据本实用新型的融合支板内涵道100的局部放大图。需要理解，文中“上游”或“下游”均是针对进气方向而言的。
参见图1，融合支板内涵道100设置在增压级出口级静子4的下游侧，包括增压级机匣9、低压压气机轮毂8以及内涵融合支板6，内涵融合支板6设置在机匣9和轮毂8之间。图1还示出了轴向X0。在增压级出口级静子4后设计融合支板内涵道100可以改善增压级出口流场，优化增压级根部的负荷分配。
参见图1至图3，融合支板内涵道100还包括至少一组部分叶高静子5，其中，图3示出了沿周向C0展开的增压级出口级、部分叶高静子5和内涵融合支板6的横截面示意图,周向C0也是风扇转子叶片1等的旋转方向所沿着的方向，例如，风扇转子叶片1等沿着图3中周向C0指向下方的方向旋转。参见图1和图2，部分叶高静子5的叶高尺寸H5小于增压级出口级静子4的叶高尺寸H4。增压级出口级静子4和部分叶高静子5均具有轮毂9侧(图1中的下侧)的叶根和在远离轮毂9侧(图1中的上侧)的叶尖，叶高尺寸H4或H5可以定义为叶根和叶尖之间的尺寸。例如，图1中示出，增压级出口级静子4具有叶根44(图中示出为叶根型线，下文也可以称之为叶根型线44)和叶尖42(图中示出为叶尖型线，下文也可以称之为叶尖型线42)。而增压级出口级静子4的叶高尺寸H4例如可以是如图1所示的叶根型线44的中点与叶尖型线42的中点的连线的长度，也可以是增压级出口级静子4的前缘线42的长度，或者增压级出口级静子4的尾缘线43的长度，只要不同部件之间的定义统一即可。例如，增压级出口级静子4的叶高尺寸H4是其叶根型线44的中点与叶尖型线42的中点的连线的长度，如图1所示，而部分叶高静子5的叶高尺寸H5也相应地是其叶根型线54的中点与叶尖型线52的中点的连线的长度。
增压级出口级的下压流路会造成增压级出口级的负荷增加。而在离心力的作用下，流体会出现朝向增压级机匣迁移的情况，因而增压级出口级尖部的流场会比较有利，但是根部的逆压梯度却在增加。根部容易出现流动分离，气动损失增加。另外，根据径向平衡关系，当增压级进口流量减小时，轴向速度在出口级近轮毂区减小比近叶尖区大，引起低压压气机根部在近失稳状态时容易出现做功能力不足的问题。这些因素都限制了低压压气机的效率和稳定裕度的提高，高压压气机进口也会面临根部总压较弱的问题，进而影响整个发动机的性能提高。而通过采用部分叶高静子5，可以减低增压级出口级转子3和静子5根部的负荷，从而抑制根部分离，增大低压压气机的稳定工作范围，可以保证低压压气机流动良好，且部分叶高静子增加的重量有限。
优选地，部分叶高静子5的叶高尺寸H5是增压级出口级静子4的叶高尺寸H4的18％-35％。经过数值模拟结果，得到了低负荷和高负荷时的分离气流高度，根据该分离气流高度确定了上述叶高尺寸H5的范围值。叶高尺寸H5在该范围值内时，可以减低增压级出口级转子和静子根部约35％叶高范围内的负荷。
参见图2，部分叶高静子5的叶尖型线52沿流线设计。实际设计时，部分静子5的叶尖型线52尽量沿流线设计，以减小对叶中以上流场的影响。在图2的实施方式中，部分叶高静子5的前缘线51与增压级出口级静子4的尾缘线43近似平行，部分叶高静子5的尾缘线43近似平行于内涵融合支板6的前缘线61，或者近似垂直于轮毂线81。图2中，内涵融合支板6的前缘线61还与部分叶高静子5的前缘线51大致对齐。需要理解，文中使用空间关系词语诸如“平行”、“垂直”等等来描述一个特征与另一特征的关系，无论其是否使用“近似”等修饰，都并非表示数学上的精准意义。例如，两条线或面“平行”表示两条线或面“近似平行”，例如，两条线或面之间可以略微相交，比如在大致10度以内的角度；又例如，两条线或面“垂直”表示两条线或面“近似垂直”，例如，两条线或面之间的角度可以在90度大小偏离大致10度以内。
参见图3，至少一组部分叶高静子5中的每组部分叶高静子5沿周向C0并排布置，并且布置于沿周向C0相邻的两个内涵融合支板6的前缘部分61之间。相邻的两个内涵融合支板6也可以称之为内涵融合支板6对。图3只示出了一组部分叶高静子5，该组部分叶高静子5包括五个部分叶高静子。在另一实施方式中，可以在沿周向C0相邻的所有内涵融合支板6对之间皆设置一组部分叶高静子5，或者在沿周向C0相邻的部分内涵融合支板6对之间设置一组部分叶高静子5，而且，该组部分叶高静子5可以包括一个或多个部分叶高静子。内涵融合支板6的前缘部分61可以指代内涵融合支板6沿轴向X0位于偏上游的前15％-25％的部分，包括内涵融合支板6的前缘。将部分叶高静子5布置于相邻的两个内涵融合支板6之间，可以充分利用内涵融合支板6之间的周向空间，而不占用轴向空间，结构紧凑。
总体上，与涡扇发动机增压级常规方案相比，在增压级出口布置部分叶高静子5和内涵融合支板6之后，能够改善低压压气机的流场，提高其气动稳定工作范围，在保证低压压气机总压比不变的情况下，减轻增压级出口级例如35％以下叶高的负荷，提高其工作稳定范围，此外，不改变增压级稠度，不影响流动状态较好的增压级中部和尖部流场，有效利用增压级和内涵融合支板6轴向和周向位置的空间，且部分叶高静子5所增加的重量有限。
参见图3，部分叶高静子5与内涵融合支板6沿周向C0一圈的总数量N0与增压级出口级静子4沿周向C0一圈的数量N4一致。以图3中沿周向C0一部分(不到一圈)为例，其中，部分叶高静子5的数量N5是五，内涵融合支板6的数量N6是二，因此，部分叶高静子5与内涵融合支板6的总数量N0＝N5+N6，也即，N0是七。增压级出口级静子4的数量N4是七，与N0相同。图3中，部分叶高静子5与内涵融合支板6中的每一个分别布置于对应的一个增压级出口级静子4下游。部分叶高静子5与内涵融合支板6所组成的七个元件与七个增压级出口级静子4一一对应，分别位于其对应的增压级出口级静子4的正下游。
继续参见图3，Ca表示部分叶高静子5的轴向弦长；C1a表示部分叶高静子5与增压级出口级静子4之间的轴向距离，图中定义为部分叶高静子5与增压级出口级静子4的尾缘之间的轴向距离；b表示部分叶高静子5的周向间距；c表示部分叶高静子5的实际弦长。B1、B2、B3和B4分别表示增压级出口级转子进口截面、增压级出口级静子出口截面、部分叶高静子进口截面和部分叶高静子出口截面。以增压级出口级转子3为例，θ1表示增压级出口级转子3的叶片进口气流方向与轴向的夹角，θ2表示增压级出口级转子3的叶片出口气流方向与轴向的夹角，Δθ1,2＝θ1-θ2称为增压级出口级转子3的气流转折角，也相应地定义增压级出口级静子4的气流转折角Δθ2,3(图中未示出)和部分叶高静子5的气流转折角Δθ3,4(图中未示出)。
优选地，可以设计成以下尺寸，以适应负荷的合理性：部分叶高静子5的稠度c/b(部分叶高静子5的实际弦长c/周向间距b)范围是0.7～1.5；部分叶高静子5的轴向弦长Ca是增压级出口级静子4的轴向弦长的50％～100％；以及/或者，部分叶高静子5与增压级出口级静子4之间的轴向距离C1a是部分叶高静子5的轴向弦长Ca的15％～50％。
图6示出了传统支板6a的设计，传统支板6a不带导流作用。而图4和图5示出了根据本实用新型的内涵融合支板6的示例构造。内涵融合支板6的沿高度方向(从根部63指向尖部62)的35％以下的部分的进口气流角与部分叶高静子5的进口气流角基本相同(例如，气流角变化可以不超过2°)，沿高度方向向上逐渐变成0°(也即，实现轴向进气)。图5中截面6B、6C和6D分别示出了沿着图4的流线B-B、C-C、D-D截取的内涵融合支板6的横截面，其中，流线B-B、C-C、D-D分别是内涵融合支板6的沿高度方向约在90％、60％、20％处的流线。可以看出，流线D-D对应的截面6D中，内涵融合支板6的进口气流角与部分叶高静子5的进口气流角大致接近，然后沿高度方向逐渐变为0。内涵融合支板6沿高度方向的35％以下的部分和部分叶高静子5可以实现气流转折10°～15°，增压级出口级静子4的根部可以减小气流转折角5°～15°。换言之，增压级出口级静子在设计根部叶型时可适当减小叶型弯角，由该部分叶高静子、内涵融合支板下半段分担部分负荷，从而达到改善增压级出口级根部流场，提高稳定裕度的作用。
本实用新型提供了用于高性能涡扇发动机的风扇增压级气动方案。采用上述融合支板内涵道100，在保证风扇增压级压缩系统不变的前提下，低压压气机流动良好。其中，部分叶高静子5和内涵融合支板6能够对增压级出口级根部35％叶高范围内的气流进行导流和扩压，相对于不带部分叶高静子5的设计方案，增压级出口级转子3的气流转折角Δθ1,2不变，增压级出口级静子4和部分叶高静子5的气流转折角Δθ2,3和Δθ3,4共同完成原增压级出口级静子的气流转折，其中，内涵融合支板6也帮助完成气流转折。
尤其是在低压压气机负荷较重、流动状态不好的情况下，增压级出口级由于流道下压，流动状况在整个增压级中最差，最容易率先进入失稳状态。此时，融合支板内涵道100中的部分叶高静子5可以承担增压级出口级的部分负荷，可以使得增压级出口级静子4的气流转折角Δθ2,3变小，因此增压级出口级静子4根部流动得以改善，在保证低压压气机在总压比不变的同时，起到扩稳的作用。
此外，上述融合支板内涵道100有效利用增压级出口级和内涵融合支板轴向和周向位置的空间，部分叶高静子位于内涵融合支板之间的周向空间中，而不占用轴向空间，特别适用于紧凑型的风扇增压级或者涡扇发动机。
本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型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，均落入本实用新型权利要求所界定的保护范围之内。
