CN107636290B - 包括带风戽的波瓣形混合器的涡轮发动机 - Google Patents
包括带风戽的波瓣形混合器的涡轮发动机 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种波瓣形混合器(8),该波瓣形混合器被布置在将两个同轴流分开的发动机罩(4)的下游端上,混合器(8)的形状被设计成具有关于混合器的纵向轴线(LL’)总体径向定向的至少一个外周相继的波瓣(20,21),每个波瓣(20,21)形成主要沿纵向轴线延伸的通道并且包括从第一流穿到第二流和/或从第二流穿到第一流的、被布置在所述波瓣(20,21)上的至少一个外周相继的导流板(26)。
Description
技术领域
本发明涉及涡轮发动机中的汇合气体流的混合器,尤其是双路式涡轮发动机中的混合气体流的混合器。
背景技术
一般地,双路式涡轮发动机包括出口排气喷管,来自发动机的热气体的主流通过风扇式螺旋桨的推动而与次级冷却空气流汇合。
典型地,这种具有汇合流的排气喷管由主罩、次级罩以及中心体构成,主罩以涡轮发动机的纵向轴线为中心,次级罩被布置成与主罩同心以便限定出环形通道以用于次级流的流动,中心体与主罩一同限定出第二环形通道以用于主流的流动,次级罩延伸超过主罩。
一般地,混合器被安装在主罩的下游端处,尤其是为了通过驱使主热流和次级冷却流在它们被排放之前进行混合而减少排气喷管的出口处的喷气噪声。实际上,众所周知的是,通过在冷却流与离开涡轮发动机的热流被排放之前增加冷却流与热流之间的混合来获得声音增益。从这点来看,在次级罩内的路径区域中尽可能快速地混合对于这些流来说是有益的。
在具有汇合流的排气喷管混合器中,尤其已知的是菊花型混合器,该菊花型混合器呈正弦部分的形状,限定出被分布在排气喷嘴的主罩的整个圆周上的内波瓣和外波瓣。在菊花型混合器的情况下,内波瓣形成将冷却流朝其中流动有热流的次级通道径向地引导的槽,以及,外波瓣形成将热流朝其中流动有冷却流的通道径向地引导的槽。因此,在混合器的出口处,冷却流和热流通过沿大体径向的方向进行截断(shearing)而被混合在一起。
该混合使得能够产生漩涡,该漩涡的旋转轴线是整体轴向的,并且其密度主要取决于两股流的排放情况以及混合器的波瓣的基部的供给情况。然而,这些情况不能总是特别在涡轮发动机的一些使用情况下,诸如在飞行器的起飞阶段成为可能,以实现混合器的足以将喷气噪声的强度减小到所寻求的水平的效能。实际上,可注意到,这些流的混合可能会多次在不均匀被吸收之前在与排气喷管的出口直径相等的距离处保持为不均匀的。
波瓣的形状的大量的优化被使用以通过产生最不可能的压降来改善菊花型波瓣形混合器的效能。例如,申请人在FR2902469中提出了具有弯曲波瓣的混合器,以用于沿圆周方向产生多股流的混合。在如EP1870588中描述的另一设计中,波瓣的径向倾角包括流的整体回转运动,该整体回转运动可增加多股流之间的截断效果。
本发明的目的在于提出一种针对现有方案的替代方案以进一步改善波瓣形混合器的效能。
发明内容
为此,本发明涉及一种波瓣形混合器,该波瓣形混合器位于用于将两个同轴的管道分开的罩的下游端处,这两个同轴的管道为内部管道和外部管道,混合器包括关于混合器的纵向轴线具有总体径向定向的至少一个外周相继的波瓣,每个波瓣形成主要沿纵向轴线延伸的槽,并且每个波瓣包括从第一管道穿到第二管道和/或相反地从第二管道穿到第一管道的至少一个外周相继的风戽,所述风戽位于所述波瓣上,所述风戽中的至少一个通过混合器的在所述波瓣的区域处的壁中的开口以及盖形成,开口沿具有主要轴向分量的给定方向是细长的,所述盖关于所述壁整体地位于第一管道一侧上或位于第二管道一侧,所述盖被连接到开口的除了下游部分之外的边缘,以便形成在两个管道之间穿过的孔,所述开口的边缘包括两个侧部部分,这两个侧部部分从上游到下游逐渐地相互远离。
风戽在混合器的后缘的上游处产生额外的截断,该额外的截断是通过波瓣产生的。
这种类型的风戽对当于齐平风戽,该齐平风戽在一侧上吸入流动并在另一侧上排出。所使用的风戽的特定形状会使流动随着它穿过所述风戽而发生稍微的压降。
另外,将开口设计成便于被展开或从上游到下游逐渐地展开使得流动的在风戽的出口处的部分能够向外展开并形成漩涡结构,从而增强了冷却流和热流之间的混合效果,并使冷却流和热流之间的混合效果均匀化,并且这进一步限制了在飞行器的起飞阶段期间的喷气噪声减小的水平。
所述开口的边缘处的两个侧部部分给予所述开口凸形的形状。
根据本发明的另一特征,盖具有平坦部分,该平坦部分与开口的形状相对应,并且该平坦部分逐渐地远离波瓣的壁以便形成斜坡。
多个所述风戽可被布置在由沿圆周方向相继的两个波瓣形成的槽的基线之间。换言之,波瓣的至少一个侧壁可包括多个所述风戽。这种类型的设计使得能够增加平齐风戽的正切截断的效果。
在一特定实施例中,混合器包括如下的风戽,该风戽的盖被安置在第二管道侧。
所述波瓣还可包括如下的风戽,该风戽的盖被安置在第一管道侧。
具有不同伸长方向的两个风戽可被布置在由沿圆周方向相继的两个波瓣形成的槽的基线之间。换言之,波瓣的至少一个侧壁可包括具有不同伸长方向的两个风戽。
从第一管道穿到第二管道的至少一个风戽以及从第二管道穿到第一管道的至少一个风戽可被布置在由沿圆周方向相继的两个波瓣形成的槽的基线之间。
在所述波瓣形混合器中,形成槽的所述波瓣是圆周相继的,槽的基线关于纵向轴线沿下游方向具有交替的正的入射角度和负的入射角度。
本发明还涉及一种包括如上所述的波瓣形混合器的涡轮发动机。
附图说明
通过参照附图阅读下文中的说明,本发明将被更容易地理解,并且本发明的其它细节、特征和优点将变得明显,在附图中:
图1为使用本发明的涡轮发动机的示意性轴向截面图。
图2为根据本发明的波瓣形混合器的第一变型的透视图。
图3a为用于本发明的风戽的如从流动被吸入的侧部从前面所看到的示意性透视图。
图3b为用于本发明的风戽的如从已被吸入的流动出现的侧部从前面所看到的示意性透视图。
图4a为根据本发明的第一实施例的混合器的波瓣的透视图。
图4b示出了如从混合器的后面看到的图4a的波瓣。
图5a、图5b和图5c示出了如透视图中所看到的混合器的波瓣的第一实施例的不同变型。
图6a为根据本发明的第二实施例的混合器的波瓣的透视图。
图6b示出了如从混合器的后面看到的图6a的波瓣。
具体实施方式
本发明例如涉及一种诸如在图1中示意性示出的双路式涡轮发动机。意在为本发明所使用的类型的涡轮发动机通常关于其纵向轴线LL’旋转地对称。按照惯例,半径、轴向平面以及横向平面的概念通常是关于所述轴线LL’而被用于本说明书中。在其他方面,上游和下游的概念在这种情况下是关于涡轮发动机中的流动的主方向(如箭头F0、F1和F2)而沿轴线LL’被采取的。
在此,涡轮发动机包括短舱1,该短舱环绕涡轮发动机并且空气流F0进入到该短舱中。该空气流F0由风扇2驱动,所述空气流在出口处被分为进入发动机3的空气流以及进入短舱1和围绕发动机3的罩4之间的次级空气流F2。离开发动机3的气体形成主气体流F1,该主气体流在发动机3的罩4的下游端处与次级空气流F2汇合。
在所示的示例中,尽管不是限制性的,罩4和中心体5形成主流F1的具有环形形状的主管道6,同时,罩4和短舱1形成次级流F2的次级管道7,该次级管道也是环形的。这里同样地,管道6、7汇聚到由短舱1环绕的管道中,尽管在其他的涡轮发动机设计中,它们可在短舱1外部汇聚。
更具体地,本发明涉及一种波瓣(lobe)形混合器8,该波瓣形混合器在此位于主管道6和次级管道7的汇聚处。
参照图2,根据本发明的波瓣形混合器8包括大体为圆柱形的部分8a以及处于横向部段9的下游处的波状端部8b,该圆柱形部分被连接到罩4的下游端,该波状端部用于使主流F1和次级流F2进行转向以便于促进它们进行混合。所述波状端部8b具有下游边缘18,该下游边缘形成混合器8的下游端。
在以下的说明中,术语“内”、“内部”或“向内”以及“外”、“外部”或“向外”分别表示混合器的靠近或远离纵向轴线LL’的元件或围绕物。
波状端部8b包括一系列大体为正弦曲线的波动,该波动限定出一系列菊花类型的内波瓣20和外波瓣21。混合器的内波瓣20和外波瓣21被布置成便于在混合器8的整个圆周上交替并可被均匀地分布在混合器8的整个圆周上。
如图2所示,内波瓣20可被限定成槽,该槽包括沿基线24而互相连接的侧壁22、23,该基线沿横向方向限定出波瓣20的最小半径。所述基线24沿轴向方向LL’从横向部段9开始径向地向内延伸。两个侧壁从基线24向外行进地远离,并且这限定出所述波瓣的整体的径向定向,而该径向定向是向内的。
相反地,外波瓣21也可被限定为包括侧壁23、22的槽,这些侧壁具有共同的纵向边缘,该纵向边缘此时对应于沿轴向方向LL’从横向部段9开始向外径向延伸的基线25。所述两个侧壁从基线25向外行进地远离,在这种情况下,基线限定出外波瓣21的最大半径,并且这限定出所述波瓣的整体径向的定向,该径向定向是向外的。
这里,不论内波瓣20或外波瓣21都能够被认为是与相邻的波瓣公用其侧壁,侧壁22、23如相反的纵向边缘那样具有两个相继的、在径向上沿相反方向延伸的主干线24、25。
有利地,侧壁22、23正切于基线24、25被连续地互相连接。因此,所述壁在该区域中具有圆形的横向剖面。同样有利地,所述壁在其圆形端部之间具有大体平坦的中间部分。
所述平坦的中间部分可大体上沿涡轮发动机的径向平面被定向。内波瓣20和外波瓣21可不具有相同的周向宽度。一般地,外波瓣21比内波瓣20更窄。
与内波瓣21的基线25相比,内波瓣20的基线24可进一步延伸到下游。此外,侧壁22、24在下游处终止于下游边缘,该下游边缘属于混合器18的下游端18。
此外,内波瓣20径向伸入到壳体4内部,即它们进入到主管道6的延伸部中,同时,外波瓣21径向伸出到壳体4的外部,即它们进入到次级管道7的延伸部中。
参照图2,外波瓣21因此形成主要将主流F1在混合器8的出口处向外引导的槽,并且内波瓣20形成主要将次级流F2在混合器8的出口处向内引导的槽。以这种方式,波瓣形混合器8的出口处产生了主流和次级流之间的整个径向截断,从而促进所述流进行混合。
在本发明的优选实施例中,参照图2和图4,风戽26被安装在波瓣的每个侧面部22、23上,以便对主流的在外波瓣21中沿侧壁22、23流动的部分F’1进行牵引以将其吹送到内波瓣20中。优选地,该风戽26被安装在侧壁22、23的大体平坦的部分中。
优选地,参照图3a和图3b,所述风戽是齐平(以下在英语术语中被称为“齐平”)式风戽。
齐平风戽26包括被制成于侧壁22、23中的开口,该开口沿给定的方向Y伸长。此处,方向Y在一个方向上定向使得它与主流F1的沿侧壁流动的流线C形成微小的甚至为零的角度。因此,可认为方向Y被定向成从上游到下游。
开口从上游到下游在侧部边缘30、31之间被增宽,并且包括大体上横向于方向Y的下游边缘33。
风戽26还包括盖34,在这种情况下,盖34关于侧壁完全地位于内波瓣20侧,所述盖34被连接到开口的除了下游边缘33之外的边缘30、31,以便形成用于在波瓣的侧壁22的两侧之间进行流通的孔。这里,例如,盖34具有大体平坦的部分,该部分对应于开口的形状并通过大体横向的壁被连接到开口的侧部边缘。此外,平坦部分逐渐地远离波瓣的侧壁22,以便形成通到风戽26的出口孔上的斜坡。
这里,开口的侧部边缘30、31具有向下游增加的发散角度,因此给出开口凸状的形状。这可产生渐扩喷管的效果,该渐扩喷管遵循由盖34形成的斜坡而将流动F’1吸入。
以这种方式,如在图3a和图3b中示出的,主流流动的部分F’1沿盖被吸入以便以由开口的定向Y给出的总的定向遵循盖34的斜坡的倾角经由出口孔引入到次级流F2中。该流动F’1同样遵循开口的侧部边缘30、31之间的发散角度随着其离开风戽26而向外扩张。
因此,风戽26在其区域中产生正切截断效果,另外还在波瓣20、21的下游端18处产生正切截断效果。此外,如图3a和图3b所指示的,主流流动的穿过所述风戽的部分F’1随着它的穿行而趋于形成涡旋结构,该涡旋结构增强了与次级流的在风戽26的出口处与所述主流汇合的部分F2混合的效果。
参照图4a和图4b,该第一实施例具有沿轴向方向和径向方向大体位于每个侧壁22、23的中心处的风戽26,并且该风戽的定向方向Y与主流的流线F1和次级流F2的流线大体上一致。
在图5a、图5b和图5c所示的变型实施例中,风戽26的位置和定向被改动。在图5a和图5b中,风戽26的定向Y可关于纵向轴向LL’形成正的或负的入射角度(收敛角度或发散角度),以便产生波动效果。在图5c中,风戽26的轴向位置被移动以改变由此产生的截断与由波瓣20、21在混合器8的出口18处产生的截断的相互作用。
在第二实施例中,参照图6a和图6b,如上描述的第一风戽26在相同侧壁上与第二风戽27相关联,该第二风戽与第一风戽相似,但是该第二风戽关于侧壁22、23在内波瓣20和外波瓣21之间的互换而反转。因此,第二风戽27具有将次级流的部分F’2送至主流F1从而进入外波瓣21中的作用。因此,所述风戽此时在外波瓣21中产生额外的混合的效果。
图6a和图6b中示出的设计将第二风戽27布置在第一风戽26的上游。然而,换向地实施是可以设想的。另外,第一实施例的风戽26的位置和定向的在图5a至图5c中示出的不同的变型当然能够被应用到本实施例的两个风戽26、27的每个中。因此,图5c和图6a至图6b中示出的设计可被推广,并且于是能够根据本发明将多个风戽布置在至少一个波瓣上,它能够适应风戽的尺寸以便布置有大于两个数量的风戽。
Claims (7)
1.一种波瓣形混合器(8),所述波瓣形混合器位于用于将两个同轴的管道分开的罩(4)的下游端处,所述两个同轴的管道为第一管道(6)和第二管道(7),所述混合器(8)包括关于所述混合器的纵向轴线(LL’)具有总体径向定向的至少一个外周相继的波瓣(20,21),每个波瓣(20,21)形成主要沿所述纵向轴线延伸的槽,并且每个波瓣包括从所述第一管道(6)穿到所述第二管道(7)和/或相反地从所述第二管道(7)穿到所述第一管道(6)的至少一个外周相继的风戽(26),所述风戽位于所述波瓣(20,21)上,所述风戽(26)中的至少一个通过所述混合器的在所述波瓣的区域处的壁(22,23)中的开口以及盖(34)形成,所述开口沿具有主要轴向分量的给定方向(Y)是细长的,所述盖关于所述壁(22,23)整体地位于所述第一管道(6)一侧或位于所述第二管道(7)一侧,所述盖(34)被连接到所述开口的除了下游部分(33)之外的边缘,以便形成在两个管道之间穿过的孔,其特征在于,所述开口的边缘包括两个侧部部分(30,31),所述两个侧部部分从上游到下游、直到所述下游部分(33)逐渐地相互远离,所述盖具有平坦部分,所述平坦部分与所述开口的形状相对应,并且所述平坦部分逐渐地远离所述波瓣的壁以便形成斜坡。
2.根据权利要求1所述的波瓣形混合器(8),其中,所述开口的边缘处的所述两个侧部部分(30,31)给予所述开口凸形的形状。
3.根据权利要求1或2所述的波瓣形混合器(8),所述波瓣形混合器在由沿圆周方向相继的两个波瓣(20,21)形成的槽的基线(24,25)之间包括多个所述风戽(26,27)。
4.根据权利要求1或2所述的波瓣形混合器,所述波瓣形混合器包括两个风戽(26,27),所述两个风戽在由沿圆周方向相继的两个波瓣(20,21)形成的槽的基线(24,25)之间具有不同的伸长方向(Y)。
5.根据权利要求1或2所述的波瓣形混合器(8),所述波瓣形混合器在由沿圆周方向相继的两个的波瓣(20,21)形成的槽的基线(24,25)之间包括从所述第一管道(6)穿到所述第二管道(7)的至少一个风戽(26)以及从所述第二管道(7)穿到所述第一管道(6)的至少一个风戽(27)。
6.根据权利要求1或2所述的波瓣形混合器,其中,形成槽的所述波瓣(20,21)是圆周相继的,所述槽的基线(24,25)关于所述纵向轴线(LL’)沿下游方向具有交替的正的入射角度和负的入射角度。
7.一种涡轮发动机,所述涡轮发动机包括根据权利要求1至6中任一项所述的波瓣形混合器(8)。
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