CN101031713B - 用于分离流式喷嘴的混合器 - Google Patents

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Abstract

一种用于分离流式涡轮喷气发动机喷嘴的混合器，所述混合器沿纵向轴线(X-X′)包括紧固罩(10)，以便将所述混合器连接至所述喷嘴的排气壳体；以及波瓣结构(20)，其具有连续的内侧波瓣和外侧波瓣(22和21)，它们围绕所述混合器的纵向轴线(X-X′)沿周向分布。所述波瓣结构(20)是由陶瓷基复合材料形成，并且还包括加强环(30)，其在所述结构的至少一些波瓣之间形成连接。因而，所述混合器的主体部分、即所述波瓣结构是由陶瓷基复合材料制成，因而显著减小所述混合器的重量，并且因此减小所述喷嘴的重量。

Description

用于分离流式喷嘴的混合器
技术领域
本发明涉及装配至飞机的涡轮喷气发动机的喷嘴的技术领域。更具体地讲，本发明涉及装配有气流混合器的分离流式喷嘴，其中所述气流混合器用于减小由离开喷嘴的喷流所发出的噪音，而同时还提高了发动机的性能。 
背景技术
更具体地讲，涡轮喷气发动机的分离流式喷嘴大体是由汇流式机舱(confluent flow nacelle)形成，其中所述汇流式机舱包含主体罩体，其限定了用于来自燃烧室的初级流(或热流)流动的第一环形通道；以及附属的罩体，其同心地围绕所述主体罩体安置，从而限定了用于来自风扇的次级流(或冷流)流动的第二环形通道。 
为了减小在这种喷嘴的出口处产生的喷流的噪音，公知的是，利用混合器，其具有特定的结构，以有助于来自涡轮喷气发动机的初级流与次级流的混合。目前在涡轮喷气发动机中广泛使用的一种结构包括波瓣式混合器。该波瓣式混合器用于获得初级流与次级流之间的径向剪切，从而有助于这些气流之间的混合。用于分离流式喷嘴的波瓣式混合器的实施例具体在以下专利公开文献中有所说明：EP 1141534；US 5755092；以及US 5924632。 
然而，尽管这种类型的混合器用于提高具有分离流式喷嘴的涡轮喷气发动机的效率以及声音性能，但是其不可避免地增加了喷嘴的重量，因而影响了发动机的整体动态特性以及其与线塔(wiring pylon)的连接。波瓣式混合器传统地是由大体为 625的金属制成。因此，表现出从发动机悬出的不可忽略的额外的重量，导致了在喷嘴排气壳体的凸缘上的机械载荷的增加，尤其是在随着叶片损失或响应于失衡而出现的极端或限制载荷的情况中。这种附加的重量还在发动机至线塔界面处产生了增加的力。 
发明内容
本发明的目的是提供用于分离流式喷嘴的波瓣式混合器的新颖的结构，其用于减小由出现在喷嘴的出口处的重量所产生的机械载荷。 
根据本发明，该目的通过以下方式实现，混合器由两个部分形成，即紧固罩，其用于将所述混合器连接至喷嘴的排气壳体；以及波瓣结构，其用于混合来自涡轮喷气发动机的气流，并且所述波瓣结构是由陶瓷基复合材料制成，并且其还包括用于在所述波瓣结构的所述内侧波瓣之间形成连接的加强装置，因而防止所述波瓣结构由于来自所述涡轮喷气发动机的气流的流动而变形。 
因而，本发明的混合器的主体部分、即所述波瓣结构是由陶瓷基复合材料制成，因而显著减小所述混合器的重量，并且因此将所述喷嘴的重量减小大约30％至大约50％。 
另外，因为波瓣结构是由热学结构性复合材料制成，所以其具有良好的在高温保持的机械性能。 
在波瓣之间形成的连接用于加强并因此作为一个整体强化波瓣结构，从而赋予其与全由金属制成的混合器至少一样好的机械性能。 
术语“陶瓷基复合”(CMC)材料被用于指示这样的材料，其由基体致密的耐火强化纤维(碳纤维或陶瓷纤维)制成，其中所述基体至少部分为陶瓷。CMC材料尤其是：C/SiC复合材料(碳纤维强化体和碳化硅基体)；C/C-SiC复合物(碳纤维强化体和包括大致靠近纤维的碳相和碳化硅相这两者的基体)；SiC/SiC复合物(强化纤维和碳化硅的基体这两者)；以及氧化物/氧化物复合物。 
波瓣结构可被制造为单个部件，或者其可包括多个组装在一起的区段，因而在某些情况中可以有助于波瓣结构的制造，并且减小更换成本。 
在本发明的一个方面中，波瓣结构包括加强环，其在波瓣结构的内侧波瓣的端部附近被紧固至波瓣结构的内侧波瓣。该环可由金属材料或陶瓷基复合材料制成。其可通过螺栓连接部被紧固至内侧波瓣，所述环然后具有用于整合每个连接部的流线形装置，从而限制空气动力损失并且确保环承受弯曲载荷。 
为了补偿混合器的金属紧固罩与陶瓷基复合材料制成的波瓣结构之间的膨胀差异，柔性紧固翼片被使用，以将波瓣结构连接至紧固罩。 
类似地，外壳通过柔性紧固翼片被紧固至内罩，其中所述外壳主要接收温度低于由内罩所接收的分流，而所述内罩主要接收来自涡轮喷气发动机的燃烧室的热气体流，从而补偿这两个部件之间的膨胀差异。 
本发明还提供一种涡轮喷气发动机，其中分流式喷嘴包括如上所述的混合器。 
附图说明
参看附图，通过以下说明以非限制实例方式给出的本发明的特定实施例将清楚本发明的其它特征和优点，其中： 
图1是根据本发明一个实施例的用于涡轮喷气发动机的喷嘴的混合器； 
图2是图1的混合器的部分II的放大视图； 
图3是图2的剖切面III的剖视图； 
图4是沿图1的IV看过去的视图； 
图5A是图4的剖切面A上的剖视图； 
图5B是图5A的固定翼片的透视图； 
图6A是图4的剖切面B上的剖视图； 
图6B是图6A的固定翼片的透视图； 
图7A是用于形成根据本发明另一实施例的波瓣结构的多个区段的透视图； 
图7B是在组装了图7A的区段之后得到的波瓣结构的透视图； 
图7C是沿图7B的VIIC看过去的放大视图。 
具体实施方式
图1示出了构成本发明实施例的用于分离流式涡轮机喷嘴的混合器。沿纵向轴线X-X′延伸的混合器首先包括紧固罩10，其由金属(例如，Inconel625)制成，以便将混合器连接至涡轮喷气发动机喷嘴的排气壳体(未示出)；并且还包括波瓣结构20，在其端部处完成从涡轮喷气发动机的燃烧室流动到混合器中的内 流(还称为热流或初级流)与例如从上游风扇流动到混合器外的外流(还被称为冷流或次级流)之间的混合。 
为了限制在离开混合器的两个气流的汇合处产生的噪音，结构100具有一组波纹部，它们形成围绕混合器的纵向轴线X-X′沿周向分布的多个外侧波瓣21和内侧波瓣22。以公知的方式，这种波瓣结构在具有初级流和次级流混合器的喷嘴中的使用用于以这样的方式控制两个气流之间的混合，从而提高涡轮喷气发动机的性能并且减小由此发出的噪音。 
根据本发明，传统由金属(大致为Inconel625)制成的波瓣结构20现在是由陶瓷基复合材料(CMC)制成，这种材料也就是由基体致密的耐火强化纤维(碳纤维或陶瓷纤维)制成，其中所述基体至少部分地由陶瓷构成。 
为了制造根据本发明的波瓣结构，耐火纤维(碳纤维或陶瓷纤维)的纤维预成型件被完成，从而大致具有将被制造的波瓣结构的形状。这种预成型件然后以公知的方式、利用液体致密和/或气体致密技术被致密。 
液体致密技术包括将预成型件与包含用于基体的材料的前体的液体合成物浸渍。前体的形式大体为聚合物、例如树脂，其可稀释在溶剂中。在除去任何溶剂并且交叉连接聚合物之后，前体通过热处理被转变成陶瓷。完成多个连续的浸渍循环，从而获得期望的致密程度。例如，碳的液体前体可以是诸如酚醛树脂的树脂，其具有相对高的焦炭含量，而陶瓷(尤其SiC)的液体前体，可以是聚碳硅烷(PCS)或聚钛碳硅烷(PTCS)类型的树脂。 
气体致密技术包括化学气相渗透。对应于将被制造的结构的纤维预成型件安放在反应气体可进入的烘炉内。烘炉内的压力和 温度、以及气体的成分被选择成使得气体在预成型件的孔隙中扩散，从而通过将与纤维接触的固体材料沉积，导致了气体分解的成分或者多个成分之间的反应，而形成基体。例如，碳的气体前体可以是碳氢化合物，例如通过裂化产生碳的甲烷和/或丙烷，并且陶瓷(尤其SiC)的气体前体可以是通过甲基三氯硅烷(MTS)的分解产生SiC的甲基三氯硅烷(MTS)。 
还存在利用液体致密技术和气体致密技术这两者的组合的方法。 
本发明的波瓣结构可由以下陶瓷基复合材料(CMC)制成，即：C/SiC复合材料(碳纤维强化体和碳化硅基体)；C/C-SiC复合物(碳纤维强化体和包括大致靠近纤维的碳相和碳化硅相这两者的基体)；SiC/SiC复合物(强化纤维和碳化硅的基体这两者)；以及氧化物/氧化物复合物。 
本发明的结构可直接被形成为单个部件。然而，波瓣结构还可包括组装在一起的多个区段，这在特定情况中是有利的，尤其由于将被制造的结构的复杂形状。 
图7A至7C示出了区段中的波瓣结构的实施例。如图7A所示，通过以下方式制成波瓣结构200，即利用上述制造方法将由陶瓷基复合材料制成的三个区段210、220、230组装在一起。每个区段独立地被制造(即纤维预成型和致密)，因而在制造和维护中提供了更大的灵活性。在制造的过程中，可以限定适于制造装置的能力的区段的尺寸。例如，区段的尺寸可以根据烘炉的负载能力而被限定，其中所述烘炉用于在致密的过程中完成热处理，所述烘炉大体具有1000毫米(mm)的直径。另外，取决于用于纤维强化的纤维织物的类型，可以有利地将纤维预成型件划分成适于所用纤维织物的形状的对应尺寸的区段。此外，在波瓣结构 的制造或实际使用过程中的问题(即，损害、冲击、磨损，…)的情况中，仅仅所涉及到的区段需要被更换。 
在被制造之后，各区段经由它们的端部被连接在一起，从而形成如图7B所示的一体式波瓣结构200。在一个实施例中，各区段可借助于铆合连接部彼此组装在一起。如图7C所示，两个相邻的区段210和230的对应的端部211和231被重叠在一起，而每个端部211和231相应包括多个开口2110和2310，它们在两个端部被重叠之后彼此相互协作。此后，铆合件240穿过由两个协作开口2110和2310形成的对应通道，因而将区段保持在一起。自然地，可使用其它紧固装置(例如，通过螺栓、钎焊而连接)，以便将各区段组装在一起。 
根据本发明的用于混合器的波瓣结构的陶瓷基复合材料的使用使得可以与装有完全由金属制成的混合器的传统的喷嘴相比以显著的方式减小喷嘴的重量。非金属的、陶瓷基复合材料的波瓣结构的使用使得可以将喷嘴的重量减小30％至50％。另外，陶瓷基复合材料的良好的机械性能和在高温保持这些性能的良好的能力是公知的。因此，本发明的波瓣结构是由这样的材料制成，该材料尤其适于容耐在涡轮机上游产生的气流的温度、以及尤其来自燃烧室的热气体的温度(初级流)。 
然而，为了增加由陶瓷基复合材料制成的波瓣结构的机械性能和刚度，结构还可包括加强装置。在图1所示的实施例中，加强环30固定至结构20的每个内侧波瓣22，并在其端部附近。因而，波瓣结构20具有抵抗由来自涡轮喷气发动机的气流的流动产生的负载的增加的机械强度。更具体地讲，因为每个内侧波瓣端部固定至环，所以波瓣结构不可由于气流的流动而变形，无论气流是内流或是外流。环30可以由金属或陶瓷基复合材料制成。在 本发明的改型中，发动机的喷口调节锥(exhaust cone)可被使用，而不用环30，以构成加强波瓣结构的装置。在这种情况中，结构的内侧波瓣直接抵靠着喷口调节锥，用作为加强件。 
每个内侧波瓣经由螺栓连接部40被紧固至环。为了确保环良好地承受弯曲载荷，并且为了限制空气动力损失，螺栓连接部被整合在流线形的元件中。更具体地讲，并且如图2和3所示，间隔件44被使用附着在波瓣的顶部上，所述间隔件是流线形的，从而限制针对外流Fext的紊流。间隔件44在441处沉入，以便接收连接部40的螺纹部42的头部。如图3所示，这防止螺纹部42从波瓣22的顶部伸出。类似地，在坐靠在环30上的波瓣22的底侧上，螺栓连接部40被整合在紧固至环30的流线形的整流件31中。整流件31具有特定的空气动力形状，从而最小化连接部40在内流Fint的流动上的影响。整流件31具有开口31a，以便围绕连接部40的螺母41紧固张紧螺纹部。整流件有助于赋予环承受弯曲载荷的能力。 
现在参看图4，其根据本发明的混合器的实施例示出了连接装置，其首先用于将波瓣结构20紧固至紧固罩10，并且然后将外壳11紧固至内罩12。 
构成波瓣结构20的陶瓷基复合材料的一个特征是其具有这样的热膨胀系数，其与制成混合器的其它部件(例如更具体地讲波瓣结构20所连接的内罩12)的金属材料相比是较低的。这些部件承受由来自发动机的燃烧气体产生的较大的温度升高。因而，为了补偿由陶瓷基复合材料制成的波瓣结构与由金属材料制成的内罩12之间的膨胀差异，使用由柔性金属制成的紧固翼片13，以补偿这些膨胀差异，并且限制在波瓣结构上引出的机械载荷。如图5A和5B所示，翼片13的顶部包括开口13c，其与波瓣结 构的开口20a协作，以穿过螺栓连接部132。翼片30的底部包括开口13b，其与内罩12的开口12a协作，螺纹连接部131设置成在这两个部件之间紧固。柔性翼片13还包括开口13a，以便穿过用于封紧紧固件的键。 
类似地，为了补偿接收相应的不同温度的气流(初级流和次级流)的外壳11与内罩12之间的膨胀差异，使用由柔性金属制成的固定翼片14，其首先通过螺栓连接部141被紧固至内罩12，并且然后通过铆合件142被紧固至外壳11(图6A和6B)。 
因而，通过本发明的混合器的结构，可以减小悬出的重量，因而潜在地限制产生高载荷的情况(例如，作为损失叶片)或失衡情况中的喷嘴的排气壳体的边缘上的机械载荷。通过减少其重量，本发明的混合器还可以减小发动机与其线塔之间的界面处的力。 

Claims (10)

1.一种用于分离流式涡轮喷气发动机喷嘴的混合器，所述混合器沿纵向轴线(X-X′)包括：紧固罩(10)，以便将所述混合器连接至所述喷嘴的排气壳体；以及波瓣结构(20)，以便混合来自涡轮喷气发动机的气流，所述波瓣结构具有连续的内侧波瓣和外侧波瓣(22和21)，它们围绕所述混合器的纵向轴线(X-X′)沿周向分布；所述混合器的特征在于，所述波瓣结构(20)是由陶瓷基复合材料制成，并且其还包括用于在所述波瓣结构的所述内侧波瓣(22)之间形成连接的加强装置，因而防止所述波瓣结构由于来自所述涡轮喷气发动机的气流的流动而变形，所述加强装置被设置为加强环(30)，所述加强环在所述内侧波瓣的端部附近经由螺栓连接部(40)被紧固至所述波瓣结构(20)的每个内侧波瓣(22)，所述环还包括用于以下述方式整合对应的连接部(40)的流线形装置，即限制空气动力损失，并且为所述环提供抵抗弯曲载荷的强度。
2.根据权利要求1所述的混合器，其特征在于，所述波瓣结构(20)是由陶瓷基复合材料制成，该材料选自以下复合材料：C／SiC；C／C-SiC；SiC／SiC；以及氧化物／氧化物。
3.根据权利要求2所述的混合器，其特征在于，所述加强环(30)是由金属材料或陶瓷基复合材料制成。
4.根据权利要求1所述的混合器，其特征在于，所述加强环(30)包括对应的流线形整流件(31)，以便整合伸入所述加强环中的每个螺栓连接部(40)的对应部分。
5.根据权利要求1所述的混合器，其特征在于，每个螺栓连接部(40)包括流线形间隔件(44)，其安置在所述内侧波瓣(22)上，以整合从所述内侧波瓣伸出的所述螺栓连接部的对应部分(44)。
6.根据权利要求1所述的混合器，其特征在于，所述波瓣结构(200)包括多个组装在一起的区段(210、220、230)。
7.根据权利要求1所述的混合器，其特征在于，所述波瓣结构被制造为单个部件。
8.根据权利要求1所述的混合器，其特征在于，所述混合器的紧固罩(10)是由金属材料制成，并且所述波瓣结构(20)是由陶瓷基复合材料制成，并且经由柔性紧固翼片(13)连接至所述紧固罩，以补偿所述紧固罩与所述波瓣结构之间的膨胀差异。
9.根据权利要求1至8任一所述的混合器，其特征在于，所述紧固罩(10)包括内罩(12)，其主要接收来自所述涡轮喷气发动机的燃烧室的热气体流；以及外壳(11)，其主要接收分流，所述外壳经由柔性紧固翼片(14)连接至所述内罩，以补偿这两个部件之间的膨胀差异。
10.一种具有分离流式喷嘴的涡轮喷气发动机，其特征在于，所述喷嘴装有根据权利要求1至9任一所述的混合器。
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