CN104443395A - 用于流体的增强混合的同心喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于流体的增强混合的同心喷嘴。一种用于混合环境流体与动力流体的物件包括导管和从该导管延伸的导热同心内外喷嘴。该导管被配置成将该动力流体供给到该外喷嘴并且将环境流体供给到该内喷嘴。该内喷嘴比该外喷嘴在更下游处从该导管延伸出。

Description

用于流体的增强混合的同心喷嘴

背景技术

飞机可以包括用于容纳气体涡轮发动机的发动机短舱。发动机短舱的最前段被称为“唇边蒙皮(lipskin)”。常规的唇边蒙皮由铝制成。

飞机可以利用高温高压空气来防止在唇边蒙皮上结冰。热空气可被喷射到唇边蒙皮腔体中，在此处热空气与该腔体内的环境空气混合，以加热唇边蒙皮。高温高压空气可以从发动机的压缩机放气端口供给。

增加气体涡轮发动机的操作压力和温度是非常可取的，因为其可以提高整体推进效率。然而，如果操作温度接近或超过通常用于发动机短舱唇边蒙皮的某些等级的铝的使用点，则会出现问题。

为了克服此问题，可以替代地使用较高等级材料，如铝合金和钛，以防止唇边蒙皮的结构变形。然而，这些较高等级材料的使用是不可取的，因为原始形式的较高等级材料更昂贵，并且用这些材料形成唇边蒙皮也更昂贵。

发明内容

根据本文的实施例，一种用于混合环境流体与动力流体(motivefluid)的物件包括导管和从该导管延伸出的导热同心内外喷嘴。该导管被配置成供给动力流体到该外喷嘴并且供给环境流体到该内喷嘴。该内喷嘴比该外喷嘴在更下游处从该导管延伸出。

根据本文的另一实施例，一种发动机短舱唇边蒙皮包括形成唇边蒙皮腔体的通道，以及固定到该通道的物件。该物件包括导管和从该导管延伸出的导热同心内外喷嘴。该导管被固定到该通道，以便所述喷嘴位于腔体内并且在防结冰流的方向上取向。该导管被配置成将动力流体供给到该外喷嘴并且将腔体内的环境流体供给到该内喷嘴。

根据本文的另一实施例，一种方法包括将导热同心内外喷嘴安装在发动机短舱的唇边蒙皮腔体内，以便在腔体内流动的环境空气被供给到该内喷嘴的入口。该方法进一步包括将放气源耦合到该外喷嘴的入口。

根据本文的另一实施例，一种方法包括加热发动机短舱唇边蒙皮。高压高温空气的射流经由喷嘴喷入唇边蒙皮的腔体内。环绕该喷嘴的环境空气与该射流混合。环境空气流被供给穿过该射流的中心部分。该射流在与环境空气流混合之前膨胀至环境压力。

这些特征和功能可以在各种实施例中单独实现，或者可以结合在其他实施例中。参照下列描述和附图，可以看到实施例的进一步细节。

附图说明

图1A-1C是物件的图示，该物件包括用于混合环境流体与动力流体的同心喷嘴。

图2是物件的同心喷嘴的横截面的图示，该横截面是沿图1C中的线2-2截取的。

图3是发动机短舱唇边蒙皮的图示。

图4是附连到发动机短舱唇边蒙皮的后舱壁的防结冰物件的图示。

图5是物件的图示，该物件包括用于动力流体与环境流体的增强混合的同心喷嘴，该物件被配置成用于发动机短舱唇边蒙皮。

图6是在发动机短舱唇边蒙皮中安装图5的物件的方法的图示。

图7是操作防结冰系统的方法的图示。

具体实施方式

参照图1A-1C，其示出用于混合动力流体与周围环境中的环境流体的物件110。物件110包括内喷嘴120和环绕内喷嘴120的外喷嘴130。这些同心喷嘴120和130将被共同称为“第一喷嘴对”。

另外参照图2。物件110进一步包括导管140。喷嘴120和130从导管140的一侧延伸出。第一入口142位于导管140的相对侧，与内喷嘴120轴向对齐。第一入口142被配置成允许环境流体穿过导管140到内喷嘴120，并且在内喷嘴120的孔口122处离开(孔口122在图2中最清楚地示出)。内喷嘴120可以包括在第一入口142处的收缩段。在一些实施例中，内喷嘴120然后可以具有均匀横截面的下游段，该下游段在孔口122处终止。在其他实施例中，该下游段可以具有在孔口122处扩张的均匀横截面。

物件110也包括用于接收动力流体的在导管140一端处的第二入口144。该动力流体流过导管140内部的通路143，并且在进入外喷嘴130之前转过90度。外喷嘴130在该流即将通过孔口132离开之前引导该流到最小喷嘴区域。外喷嘴130可以终止在扩张段中(如图1A-1C和图2中所示)。

喷嘴120和130由导热材料制成，如铬镍铁合金625或等效材料。外喷嘴130被配置成消散来自动力流体的热量并且将该热量传递到周围环境。外喷嘴130未被隔绝或笼罩。外喷嘴130可以具有增加用于热传递的表面面积的特征件/部件(例如，脊)。

考虑其中动力流体被压缩并且实质上比环境流体更热(例如，100-200℃更热)的示例。动力流体被供给到外喷嘴130，其随着动力流体流过外喷嘴130而消散热量。动力流体通过孔口132离开作为高速射流。当该射流的边缘遇到环境流体时，两种流体之间发生剪切力，由此较高速度射流拖着较低速度环境流一起流动。也就是，出现夹带(entrainment)。

如在图1C和图2中最佳可见的，内喷嘴120的孔口122比外喷嘴130的孔口132更偏下游。在孔口132下游的距离(d)足够用于使来自外喷嘴130的流动在到达内喷嘴120的出口站之前膨胀至环境压力。因此，内喷嘴120的长度由外喷嘴130的操作总压力确定。仅作为一个示例，孔口122和132之间的下游距离d在标称上是内喷嘴120的直径的一半。更具体地，下游距离d可以是在内喷嘴直径的四分之一和一个完整内喷嘴直径之间的范围中。此特征进一步增强了夹带，因为在中心夹带的冷空气将从进入入口142的环境空气填充内喷嘴120。如果内喷嘴孔口122不是充分地在外喷嘴孔口132的下游，则来自外喷嘴130的流可能抑制来自内喷嘴120的环境冷却。

因此，在该射流的内边缘上和外边缘上都发生夹带。因此，(离开外喷嘴孔口132的)高速射流的核心温度和压力迅速衰减。

图1A-1C的物件110也具有第二喷嘴对。第二喷嘴对包括与导管140中的第三入口146流体连通的第二导热内喷嘴150，以及环绕第二内喷嘴150的第二外喷嘴160。第一喷嘴对和第二喷嘴对可以在导管140的同一侧上，并且第一入口142和第三入口146可以在导管140的同一侧上。第三入口146可以与第二内喷嘴150轴向对齐。第二喷嘴对可以具有与第一喷嘴对类似的构造。

第二喷嘴对具有与第一喷嘴对相同的功能，以进一步增强动力流体和环境流体的整体夹带。两个喷嘴对能够实现比单个喷嘴对更快的混合(在给定相同总出口面积的情况下，两个喷嘴将更快混合，因为混合长度是喷嘴孔口直径的直接函数)。第二喷嘴对的添加给物件110增加了相对低的成本和复杂性。

喷嘴120、130、140和150以及导管140可以例如通过铸造形成为整体部件。因此，射流的产生和冷却由相对容易制造和维护的物件被动实现。

本文的物件不限于图1A-1C和图2中所示的物件110。例如，一些实施例可以包括仅单个喷嘴对，而其他实施例可以具有两个以上的喷嘴对。

图1A-1C和图2示出对齐的两个喷嘴对。然而，本文的物件并不因此被限制。在一些实施例中，两个喷嘴对可以相对于导管140具有不同出口角度。

本文的物件并不限于具有其专用入口142和146的内喷嘴。在一些实施例中，内喷嘴可以共享共同入口端口。然而，专用入口142和146降低整体润湿面积且最大化局部流(针对相同冷却面积的较小润湿面积意味着对于相同冷却效果，该物件重量较小)。在其他实施例中，每个内喷嘴可以具有多个入口(例如，在该导管侧面上的入口)。

本文的物件并不限于任何特定应用。这些应用包括但不限于发动机短舱唇边蒙皮的防结冰。

现在参照图3和图4，其示出发动机短舱的唇边蒙皮310。该发动机短舱容纳发动机核心，并且唇边蒙皮310形成该短舱的最前段。唇边蒙皮310可以包括蒙皮320和舱壁330，所述蒙皮320和舱壁330形成限定唇边蒙皮腔体340的通道。唇边蒙皮310可以由单片或多个扇区形成。虽然图3示出圆形通道，但是本文的发动机短舱唇边蒙皮并不因此被限制。唇边蒙皮310的蒙皮320可以由标称级铝制成。

发动机短舱唇边蒙皮310进一步包括防结冰系统。该防结冰系统可以包括一个或多个物件510，这些物件包括用于增强动力流体与环境流体混合的同心喷嘴。多个物件510可以均匀分布在该通道周围。

图3示出用于安装三个物件510到舱壁330的三个开口350。图3还示出围绕舱壁330均匀分布的开口350。图4示出通过开口350之一安装到舱壁330的物件510。

现在参照图5。图5的物件510包括从导管540的第一端延伸出的第一喷嘴对520和第二喷嘴对530。该物件进一步包括在导管540的相对的第二端附近的安装凸缘550，以及在导管540的第二端处的动力流体入口560。

现在参照图6，其为在发动机短舱唇边蒙皮310中安装物件510之一的方法的图示。在方框610，物件510安装到舱壁330。入口560延伸穿过舱壁330中的开口350之一，并且凸缘550被紧固到舱壁330。

每个对520和530的同心内外喷嘴位于唇边蒙皮腔体340内并且取向成使得整个漩涡空气流可以进入内喷嘴的入口。喷嘴对520和530可以倾斜，以在唇边蒙皮腔体340内产生漩涡(swirl)。

在方框620，放气源耦合到导管540的入口560。例如，管路410(参见图4)可以将入口560耦合到气体涡轮发动机的压缩机放气端口。放气的温度可以超过用于唇边蒙皮310的蒙皮320的标称级铝的最大允许温度。

现在参照图7，其示出防结冰系统的操作，该防结冰系统包括图5的一个或多个物件510。在方框710，放气被供给到每个导管入口560，且因此被供给到每个物件510的外喷嘴。放气的温度可以超过标称级铝的最大允许温度。

在方框720，对于每个喷嘴对520和530，高压高温射流在防结冰方向上从外喷嘴喷射并且流入唇边蒙皮腔体340中。每个射流通过剪切层夹带与环绕其外喷嘴的较低压力、较冷空气混合。该高压射流也通过剪切层夹带与从内喷嘴喷射的较冷空气混合。该高压射流在与较冷空气流混合之前膨胀至环境压力。在每个射流的内外边缘上的夹带使喷射温度降低到低于该蒙皮的标称级铝的最大允许温度。

循环空气团加热唇边蒙皮310，以防止在唇边蒙皮310上结冰。通过高压流在唇边蒙皮310周围的均匀分布来使效率最大化。

射流被朝向蒙皮320导向。冲击蒙皮320的每个射流在蒙皮320上产生热点。即使放气的温度可能超过标称级铝的最大允许温度，该射流在到达蒙皮320之前已经被迅速冷却到低于该蒙皮320的最大允许温度。

这能够使蒙皮320由相对不昂贵的铝制成，而不必采取较高等级材料，其中原始形式的较高等级材料更昂贵，并且形成唇边蒙皮也更昂贵。

此外，本公开包括根据下列列举段落的实施例：

A1、一种用于混合环境流体与动力流体的物件，该物件包括：

导管；和

从该导管延伸出的导热同心内外喷嘴；

该导管被配置成供给动力流体到外喷嘴并且供给环境流体到内喷嘴；

其中该内喷嘴比该外喷嘴在更下游处从该导管延伸。

A2、根据段落A1所述的物件，其中该内喷嘴进一步向更下游延伸一段距离，该距离足够用于使来自该外喷嘴的流动在到达该内喷嘴的出口站之前膨胀至环境压力。

A3、根据段落A1或A2所述的物件，其中该内喷嘴在该外喷嘴的下游延伸一段下游距离，该下游距离约等于内喷嘴直径的四分之一到该内喷嘴的一个完整直径。

A4、根据段落A1-A3中任一项所述的物件，其中所述喷嘴从该导管的第一侧延伸出；以及其中到该内喷嘴的入口位于该导管的相对侧，与该内喷嘴轴向对齐。

A5、根据段落A1-A4中任一项所述的物件，其中该导管被配置成使得动力流体在进入该外喷嘴之前转过约90度。

A6、根据段落A1-A5中任一项所述的物件，其进一步包括从该导管延伸出的第二对导热同心内外喷嘴，其中第二对的内喷嘴比第二对的外喷嘴在更下游处从该导管延伸出。

A7、根据段落A6所述的物件，其中该导管限定第一通路，该第一通路用于供给动力流体到每一对的外喷嘴。

A8、根据段落A6或A7所述的物件，其中所述喷嘴从该导管的第一侧延伸出；以及其中到该内喷嘴的入口位于该导管的相对侧并且与其相应的内喷嘴轴向对齐。

A9、一种发动机短舱唇边蒙皮，其包括：

形成唇边蒙皮腔体的通道；和

物件，其包括导管和从该导管延伸出的导热同心内外喷嘴，该导管固定到该通道，以便所述喷嘴位于该腔体内并且在防结冰流的方向上取向，该导管被配置成供给动力流体到该外喷嘴并且供给该腔体内的环境流体到该内喷嘴。

A10、根据段落A9所述的发动机短舱唇边蒙皮，其中该内喷嘴比该外喷嘴在更下游处从该导管延伸出。

A11、根据段落A9或A10所述的发动机短舱唇边蒙皮，其进一步包括从该导管延伸出的第二对导热同心内外喷嘴，其中第二对的内喷嘴比第二对的外喷嘴在更下游处从该导管延伸出。

A12、根据段落A9-A11中任一项所述的发动机短舱唇边蒙皮，其中所述喷嘴从该导管的第一侧延伸处；以及其中到该内喷嘴的入口位于该导管的相对侧，与该内喷嘴轴向对齐。

A13、根据段落A9-A12中任一项所述的发动机短舱唇边蒙皮，其中该物件的第二入口被耦合到高温高压空气源。

A14、根据段落A9-A13中任一项所述的发动机短舱唇边蒙皮，其中该通道包括由标称级铝制成的蒙皮。

A15、一种方法，其包括：

将导热同心内外喷嘴安装在发动机短舱的唇边蒙皮腔体内，以便在该腔体内流动的环境空气被供给到该内喷嘴的入口；以及

将放气源耦合到该外喷嘴的入口。

A16、一种包括加热发动机短舱唇边蒙皮的方法，其包括：

经由喷嘴喷射高压高温空气的射流到该唇边蒙皮的腔体内，其中环绕所述喷嘴的环境空气与该射流混合；以及

供给环境空气流穿过该射流的中心部分，其中该射流在与环境空气流混合之前膨胀至环境压力。

A17、根据段落A16所述的方法，其中所述喷嘴是外喷嘴，并且其中该环境空气流是由与所述外喷嘴同心的内喷嘴供给的。

A18、根据段落A16或A17所述的方法，其进一步包括还使用第二同心喷嘴对来喷射高温高压空气的第二射流到该唇边蒙皮腔体中。

A19、根据段落A16-A18中任一项所述的方法，其进一步包括供给放气到所述喷嘴的入口。

A20、根据段落A16-A19中任一项所述的方法，其中该放气具有比该唇边蒙皮的铝蒙皮的最大允许温度更高的温度。

本文的物件并不限于发动机短舱唇边蒙皮。另一应用可以是在喷射发动机喷嘴中的噪声抑制，该喷射发动机喷嘴具有收缩部分、喉部和扩张部分。本文的物件可以位于扩张部分内。噪声抑制是通过降低射流的整体速度实现的，因为射流噪声与速度的对数成比例。本文的物件可以迅速地降低射流整体温度和速度，以实现射流噪声的充分降低。

本文物件的另一应用是增强环境空气在发动机舱中的运动。通过迅速降低射流温度，本文的物件可以消除在发动机舱壁上绝缘的需要，以防止由于局部热点而引起的材料性质的热劣化。

Claims (16)

1.一种用于混合环境流体与动力流体的物件，所述物件包括：

导管；和

从所述导管延伸出的导热同心内外喷嘴；

所述导管被配置成将所述动力流体供给到所述外喷嘴并且将所述环境流体供给到所述内喷嘴；

其中所述内喷嘴比所述外喷嘴在更下游处从所述导管延伸出。

2.根据权利要求1所述的物件，其中所述内喷嘴向更下游延伸一段距离，所述一段距离足够用于使来自所述外喷嘴的流动到达所述内喷嘴的出口站之前膨胀至环境压力。

3.根据权利要求1或2所述的物件，其中所述内喷嘴向所述外喷嘴的下游延伸一段下游距离，所述一段下游距离约等于所述内喷嘴的直径的四分之一到所述内喷嘴的一个完整直径。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的物件，其中所述喷嘴从所述导管的第一侧延伸出；以及其中到所述内喷嘴的入口位于所述导管的相对侧，与所述内喷嘴轴向对齐。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的物件，其中所述导管被配置成在所述动力流体进入所述外喷嘴之前使所述动力流体转过大约90度。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的物件，其进一步包括从所述导管延伸出的第二对导热同心内外喷嘴，其中所述第二对的内喷嘴比所述第二对的外喷嘴在更下游处从所述导管延伸出。

7.根据权利要求6所述的物件，其中所述导管限定第一通路，所述第一通路用于将所述动力流体供给到每一对的所述外喷嘴。

8.根据权利要求6或7所述的物件，其中所述喷嘴从所述导管的第一侧延伸出；以及其中到所述内喷嘴的入口位于所述导管的相对侧并且与其相应的内喷嘴轴向对齐。

9.一种发动机短舱唇边蒙皮，其包括：

形成唇边蒙皮腔体的通道；和

根据权利要求1-8中任一项所述的物件，所述导管固定到所述通道，以便所述喷嘴位于所述腔体内并且在防结冰流的方向上取向，所述导管被配置成将动力流体供给到所述外喷嘴并且将所述腔体内的环境流体供给到所述内喷嘴。

10.根据权利要求9所述的发动机短舱唇边蒙皮，其中所述物件的第二入口被耦合到高温高压空气源。

11.根据权利要求9所述的发动机短舱唇边蒙皮，其中所述通道包括由标称级铝制成的蒙皮。

12.一种包括加热发动机短舱唇边蒙皮的方法，该方法包括：

经由喷嘴喷射高压高温空气的射流到所述唇边蒙皮的腔体内，其中环绕所述喷嘴的环境空气与所述射流混合；以及

供给环境空气流穿过所述射流的中心部分，其中所述射流在与所述环境空气流混合之前膨胀至环境压力。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述喷嘴是外喷嘴，并且其中所述环境空气流是由与所述外喷嘴同心的内喷嘴供给的。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其进一步包括还使用第二同心喷嘴对来喷射高温高压空气的第二射流到所述唇边蒙皮腔体内。

15.根据权利要求12-14中任一项所述的方法，其进一步包括供给放气到所述喷嘴的入口。

16.根据权利要求12-15中任一项所述的方法，其中所述放气具有比所述唇边蒙皮的铝蒙皮的最大允许温度更高的温度。