CN109139255A - 具有涡流发生器的排气组件及其排气方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于涡轮发动机的排气组件的设备和方法，所述排气组件包括逆流部分。所述排气组件可包括排气短管，所述排气短管在排气收集器和排气出口之间延伸，以限定具有所述逆流部分的排气管道。燃烧气体流可离开所述发动机，并通过所述排气组件。所述排气组件可应用于涡轮螺旋桨发动机。

Description

具有涡流发生器的排气组件及其排气方法
技术领域
本申请涉及用于涡轮发动机的排气组件的设备和方法。
背景技术
现代涡轮螺旋桨发动机飞行器可包括联接到飞行器的发动机的一个或多个推进器。发动机内产生的废气可通过排气组件向外引导。废气离开排气组件的方向可提供推进器提供的推力之外的附加推力。
废气在离开排气组件时在方向方面可进行差不多180度的转向。在排到环境空气之前，这种转向可包括低半径。废气内的分离可降低总排气系统和发动机的性能。对于改进的性能，最小化分离是有益的。
发明内容
在一方面，本申请涉及一种用于涡轮发动机的排气组件，所述排气组件包括排气管道和至少一个涡流发生器，所述排气管道包括限定具有内部的拐弯(turn)的逆流部分，所述至少一个涡流发生器被提供在所述拐弯的内部。
所述逆流部分包括排气短管(exhaust stub)，所述排气短管从排气收集器延伸到排气出口，限定所述排气管道并形成所述拐弯。所述排气收集器可在所述拐弯处包括内径和比所述内径大的外径，且所述涡流发生器定位在所述内径上。所述内径可小于所述外径。
所述涡流发生器可被固定到所述排气收集器或者与所述排气收集器形成一体。所述至少一个涡流发生器可以是沿所述内径堆叠的多个涡流发生器。
所述排气收集器还可包括防冰凹穴。所述防冰凹穴可通过通气管流体连接到防冰系统。所述排气收集器可在所述拐弯处包括内径和比所述内径大的外径，所述防冰凹穴定位在所述内径上。所述防冰凹穴可以是所述涡流发生器。
在另一方面，本申请涉及一种涡轮发动机，所述涡轮发动机具有涡轮部段、压缩机部段和燃烧器，所述涡轮发动机包括：连接到所述涡轮部段的排气组件，所述排气组件具有限定拐弯的逆流部分和在所述拐弯处提供的至少一个涡流发生器。
所述逆流部分可包括排气短管，所述排气短管从排气收集器延伸到排气出口，且形成所述拐弯。所述排气收集器可在所述拐弯处包括内径和比所述内径大的外径，且所述涡流发生器定位在所述内径上。所述涡流发生器可被固定到所述排气收集器或者与所述排气收集器形成一体。所述至少一个涡流发生器可以是沿所述内径堆叠的多个涡流发生器。
所述排气收集器还可包括防冰凹穴。所述防冰凹穴可通过通气管流体连接到防冰系统。所述防冰凹穴可以是所述涡流发生器。
在另一方面，本申请涉及一种从涡轮发动机排出燃烧气体的方法，所述方法包括：使离开所述发动机的涡轮的燃烧气体流反转；以及在所述反转期间在所述燃烧气体流中生成涡流。
所述反转可包括使所述燃烧气体通过排气管道中的拐弯流动。生成涡流可包括使所述燃烧气体在位于所述拐弯内的涡流发生器上方流动。所述方法还可包括，舀取所述燃烧气体的一部分使其进入防冰凹穴中，并使所述燃烧气体围绕入口循环。
技术方案1.一种用于涡轮发动机的排气组件，所述排气组件包括排气管道和至少一个涡流发生器，所述排气管道包括限定具有内部的拐弯的逆流部分，所述至少一个涡流发生器被提供在所述拐弯的内部。
技术方案2.根据技术方案1所述的排气组件，其中，所述逆流部分包括排气短管，所述排气短管从排气收集器延伸到排气出口，限定所述排气管道并形成所述拐弯。
技术方案3.根据技术方案2所述的排气组件，其中，所述排气收集器在所述拐弯处包括内径和比所述内径大的外径，且所述涡流发生器定位在所述内径上。
技术方案4.根据技术方案3所述的排气组件，其中，所述内径小于所述外径。
技术方案5.根据技术方案4所述的排气组件，其中，所述涡流发生器被固定到所述排气收集器或者与所述排气收集器形成一体。
技术方案6.根据技术方案5所述的排气组件，其中，所述至少一个涡流发生器是沿所述内径堆叠的多个涡流发生器。
技术方案7.根据技术方案2所述的排气组件，其中，所述排气收集器还包括防冰凹穴。
技术方案8.根据技术方案7所述的排气组件，其中，所述防冰凹穴通过通气管流体连接到防冰系统。
技术方案9.根据技术方案8所述的排气组件，其中，所述排气收集器在所述拐弯处包括内径和比所述内径大的外径，所述防冰凹穴定位在所述内径上。
技术方案10.根据技术方案9所述的排气组件，其中，所述防冰凹穴是所述涡流发生器。
技术方案11.一种涡轮发动机，所述涡轮发动机包括涡轮部段、压缩机部段和燃烧器，所述涡轮发动机包括：连接到所述涡轮部段的排气组件，所述排气组件具有限定拐弯的逆流部分和在所述拐弯处提供的至少一个涡流发生器。
技术方案12.根据技术方案11所述的涡轮发动机，其中，所述逆流部分包括排气短管，所述排气短管从排气收集器延伸到排气出口，限定排气管道并形成所述拐弯。
技术方案13.根据技术方案12所述的涡轮发动机，其中，所述排气收集器在所述拐弯处包括内径和比所述内径大的外径，且所述涡流发生器定位在所述内径上。
技术方案14.根据技术方案13所述的涡轮发动机，其中，所述涡流发生器被固定到所述排气收集器或者与所述排气收集器形成一体。
技术方案15.根据技术方案14所述的涡轮发动机，其中，所述至少一个涡流发生器是沿所述内径堆叠的多个涡流发生器。
技术方案16.根据技术方案15所述的涡轮发动机，其中，所述排气收集器还包括防冰凹穴。
技术方案17.根据技术方案16所述的涡轮发动机，其中，所述防冰凹穴通过通气管流体连接到防冰系统。
技术方案18.根据技术方案16所述的涡轮发动机，其中，所述防冰凹穴是所述涡流发生器。
技术方案19.一种从涡轮发动机排出燃烧气体的方法，所述方法包括：使离开所述发动机的涡轮的燃烧气体流反转；以及在所述反转期间在所述燃烧气体流中生成涡流。
技术方案20.根据技术方案19所述的方法，其中，所述反转包括使所述燃烧气体通过排气管道中的拐弯流动。
技术方案21.根据技术方案20所述的方法，其中，生成涡流包括使所述燃烧气体在位于所述拐弯内的涡流发生器上方流动。
技术方案22.根据技术方案19所述的方法，其还包括，舀取所述燃烧气体的一部分使其进入防冰凹穴中，并使所述燃烧气体围绕入口循环。
附图说明
在附图中：
图1是包括排气组件的带涡轮螺旋桨发动机的飞行器的示意图。
图2是图1的带排气收集器的排气组件的放大图。
图3是图2的带涡流发生器的排气收集器的透视图。
图4是根据本说明书中所描述的各种方面的示例性涡流发生器的立体图。
图5A是对于图1飞行器的现有技术排气组件的排气流动路径的俯视图。
图5B是根据本说明书中所描述的本申请各种方面的图1排气组件的排气流动路径的俯视图。
图6是根据本说明书中所描述的排气组件的另一方面的图1的涡轮螺旋桨发动机的入口的透视图。
具体实施方式
所描述的本发明的实施例涉及用于涡轮发动机的排气组件。出于说明的目的，将关于用于飞行器的涡轮螺旋桨发动机来描述本申请。然而，应理解，本发明并不如此受限并且可在其它飞行器发动机内以及在非飞行器应用中可具有一般适用性，所述非飞行器应用例如其它移动应用和非移动工业、商业和住宅应用。
所有方向性参考(例如，径向、轴向、近侧、远侧、上部、下部、向上、向下、左、右、横向、前方、后方、顶部、底部、上方、下方、竖直、水平、顺时针、逆时针、上游、下游、向前、向后等)仅用于识别目的以辅助读者理解本申请，并且具体地关于位置、取向或本申请的用途并不产生限制。除非另外指明，否则连接参考(例如，附接、耦合、连接和接合)应在广义上来解释，且可以包括一系列元件之间的中间构件以及元件之间的相对移动。因此，联接参考不一定推断出两个元件直接联接且彼此成固定关系。示例性附图仅仅是出于说明的目的，且本发明的附图中反映的尺寸、位置、次序和相对大小可变化。此外，如本说明书所使用，“组”可包括任何数目的特定元件，包括只有一个。
图1示出具有机身12和机翼14的飞行器10，机翼14从机身12向外延伸。飞行器10可包括联接到飞行器10的至少一个发动机组件，例如涡轮螺旋桨飞行器发动机16，显示为与相对的机翼14联接的一组发动机16。发动机16可包括与发动机16联接的一组推进器组件17，推进器组件17包括推进器叶片18和可旋转毂组件19。发动机16可在由箭头22指示的方向上围绕旋转轴线20驱动推进器组件17。推进器叶片18还可构造成或相对于推进器组件旋转轴线20呈角度，使得推进器叶片18的旋转22为飞行器10产生推力(图示为箭头24)。除了为飞行器10产生附加推力之外，具有一组排气短管32的排气组件30可从发动机16向外延伸以引导废气离开发动机16(或机身12或机翼14上的任何热敏感部件)。
尽管已经图示了具有两个涡轮螺旋桨发动机16的飞行器10，但本申请的实施例可包括任何数目的发动机16、推进器组件17或推进器叶片18，或者相对于飞行器任意设置的发动机16、组件17或叶片18。本申请的实施例还可应用于不同的飞行器发动机16类型，包括但不限于基于活塞的燃烧发动机或电力驱动的发动机。此外，提供推进器组件17或推进器叶片18的旋转22，以理解本申请的实施例。本申请的实施例可包括推进器组件17或推进器叶片18的可替代的旋转方向22，或者一组发动机16在相同或相反方向上使推进器叶片18旋转的实施例。
图2是推进器组件17和发动机16的一部分的放大视图，更详细地图示了排气组件30。推进器组件17和发动机16以虚线示出以强调排气组件30。推进器叶片18可限定由叶片18尖端的完全旋转形成的周向边界33。
排气组件30包括一组排气短管32，图示为两个排气短管32，排气短管32可从入口34延伸到出口36。排气收集器38限定排气的第一部分(A)，并以中心线20为中心，在入口34处流体连接具有涡轮42的涡轮部段40。排气短管32限定从排气收集器38延伸并在出口36中终止的排气的剩余部分(B)。
作为排气收集器38的一部分被包括的逆流部分44包括拐弯46。拐弯46至少部分地由邻近排气短管32的入口34的内径IR和外径OR限定。拐弯46位于内径IR和外径OR之间，此处内径IR小于外径OR。排气短管32与排气收集器38一起限定排气管道47。内径IR和外径OR是排气管道47内相对表面的半径。
在图3中图示了排气收集器38的透视图。为了简洁，去掉了排气短管32。至少部分地由排气收集器38限定排气的内部48。在内部48在内半径IR的内表面52上提供至少一个涡流发生器50。尽管只图示了两个涡流发生器50，但考虑了可沿内表面52在内径IR上提供多个涡流发生器50。
由箭头(G)图示的废气流可通过围绕拐弯46流动并在至少一个涡流发生器50的上方流动，从涡轮部段(图2)通过逆流部分44移动到内部48中。还考虑了拐弯46可包括旋转轮叶(未示出)以进一步实现废气(G)的转向。涡流发生器50可有助于提高拐弯46下游废气流(G)的旋涡运动，以产生涡流(vortex)(V)。涡流(V)可有助于最小化排气内的流动分离。
在图4中图示了示例性涡流发生器的集合。可在正交于每个涡流发生器的主体轴线(X)的平面内观察横截面形状。该外形是从内部表面152上方观察的涡流发生器的轮廓，如本说明书中描述的，涡流发生器的集合从内部表面152突出。
横截面形状的一些非限制性实施例包括矩形、三角形和梯形，且可以至少部分地由涡流发生器的前表面和后表面的形状限定。前表面和后表面的形状的一些非限制性实施例包括倾斜、楔形或圆形。例如，涡流发生器201,205,207,208的前表面大致是倾斜的；涡流发生器202,203,204,206的前表面大致是楔形的；涡流发生器209,210的前表面大致是圆形的。涡流发生器201,202,204,205,206,207的后表面大致是倾斜的；涡流发生器203,208的后表面大致是楔形的；涡流发生器209,210的后表面大致是圆形的。倾斜、楔形或圆形的表面有助于保持沿内部表面152的高废气速度，这可降低灰尘积累在内部表面152上的趋势。
外形的一些非限制性实施例包括矩形、梯形、菱形、风筝形、泪珠形、卵形、椭圆形、五边形、六边形和七边形。例如，涡流发生器201具有大致梯形的外形，涡流发生器202,204具有大致五边形的外形，涡流发生器203具有大致六边形的外形，涡流发生器205,208具有大致七边形的外形，涡流发生器206具有大致风筝形外形，涡流发生器207具有大致矩形的外形，涡流发生器209具有大致泪珠形的外形，涡流发生器210具有大致椭圆形的外形。
示例性涡流发生器206包括大致风筝形的外形，楔形前表面和倾斜的后表面使得在前表面发起较小的涡流，并沿与内部表面152相交的发散和扩张侧壁生长。风筝形状的外形对自然生成作为双侧壁上的涡流的废气流造成小的初始扰动。
在任何上面的示例性涡流发生器中，要理解，尽管出于图示目的，图式可能显示具有尖的拐角、边缘和/或与冷却表面的过渡的涡流发生器，但拐角、边缘和/或过渡有平滑的圆角或倒角可能更实用。而且，图示为具有平滑的圆角或倒角的拐角、边缘和/或与冷却表面的过渡的涡流发生器的替代的示例性涡流发生器可实际上具有尖的拐角、边缘和/或过渡。
应理解，本说明书中描述的任何示例性涡流发生器都是涡流发生器50的非限制性实施例。还应理解，涡流发生器50可适于沿内径IR设置，因此不完全如图4图示的形成涡流发生器50。此外，取决于几何形状、定向和由排气产生的流动模式，涡流发生器50可设置在排气收集器38或排气短管32内的任何地方。还考虑了本说明书中描述的形状和外形的任何组合。
图5A是包括逆流部分44的现有技术的排气流动路径的俯视图的示意图示。排气收集器38图示为没有涡流发生器50，关于内部表面52可出现气流分离(AS)。由于拐弯46和高速流动的原因，出现这种气流分离(AS)，导致通过排气收集器38的湍流(T)。
图5B是本说明书中描述的具有涡流发生器50的排气流动路径的示意图示。从涡轮发动机16排出燃烧气体(G)的方法包括：一旦离开发动机16的涡轮42，在逆流部分44中反转燃烧气体流(G)，在反转期间在燃烧气体流(G)中产生涡流(V)。所述方法可包括使燃烧气体(G)通过排气短管32中的拐弯46流动，并使燃烧气体(G)在位于拐弯46内的涡流发生器50上方流动，从而产生涡流(V)。将涡流发生器50设置在被浪费的能量与流动分离或再循环对应的区域(R)的上游会局部激励边界层(BL)，从而减少分离和压力损失。通过摩擦内部表面52，能量也可被浪费，这可导致分离。通过引入涡流发生器50，边界层中的任何低能量或弱流被来自燃烧气体(G)的主流部分的更多的能量流所取代。
图6图示了根据本说明书中描述的本申请的另一方面的涡流发生器150。涡流发生器150与涡流发生器50类似，因此，相似部分将用相似的编号加100来标识，同时应理解，除非另有说明，否则对第一实施例的相似部分的描述适用于第二实施例。
防冰凹穴160可与涡流发生器150形成一体，与涡流发生器150邻近或者取代涡流发生器150。图示描绘了防冰凹穴160和涡流发生器150，不过考虑了防冰凹穴160形成为涡流发生器150。在一些飞行器中，接收空气通过发动机16的发动机入口162包括防冰系统164。防冰系统164可包括连接到防冰凹穴160的管道166，热空气在管道166中循环。被称作通气管168的小管可被设置到排气短管132连接到排气收集器138之处的下游的排气短管132中。通气管168将防冰凹穴160连接至管道166。燃烧气体流(G)可通过防冰凹穴160流入至少一个通气管168中，并通过输送管170。由于防冰凹穴160关于燃烧气体流(G)的定向，燃烧气体流(G)可进入防冰凹穴160。燃烧气体流(G)接着可通过管道166围绕入口162循环，并通过连接到排气短管132的另一个的排气流(S)的排放管172排回。再次讲，防冰凹穴160的定向使得燃烧气体流(G)能够排放到排气流(S)中。本说明书中公开的方法可包括舀取废气(G)的一部分使其进入防冰凹穴160中，并使废气(G)围绕入口162循环。
把涡流发生器安装在流动分离或再循环可出现区域的上游，会局部激励边界层，这减少了分离和压力损失，因此提高总体发动机性能。另外的益处是使用涡流发生器可允许有较小半径的拐弯，例如如本说明书中描述的内径(IR)，产生更短和更轻的发动机。
此外，涡流发生器可具有一体的防冰凹穴。防冰凹穴可最小化由于充当涡流发生器的防冰通气管的存在造成的性能损失，加之低能量边界层可从排气吸出到防冰系统，进一步降低了流动分离的风险。
应当理解，所公开设计的应用不限于涡轮螺旋桨发动机，而是还适用于涡轮和涡轴发动机。
在尚未描述的程度上，各种实施例的不同特征和结构可按需要彼此组合或替代使用。一个特征未在所有实施例中说明并不意味着被解释为它不能这样，而是为了简化描述才这样。因此，必要时可以混合和匹配不同实施例的各种特征以形成新的实施例，而无论是否已明确描述所述新的实施例。本发明涵盖本说明书所描述的特征的所有组合或排列。
本书面描述使用示例来描述本说明书所述的本申请的方面，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本申请的方面，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本申请的方面的可获专利的范围由权利要求书限定，并且可以包括所属领域的技术人员想到的其它示例。如果此类其它实施例具有并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么它们既定在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种用于涡轮发动机的排气组件，所述排气组件包括排气管道和至少一个涡流发生器，所述排气管道包括限定具有内部的拐弯的逆流部分，所述至少一个涡流发生器被提供在所述拐弯的内部。
2.根据权利要求1所述的排气组件，其中，所述逆流部分包括排气短管，所述排气短管从排气收集器延伸到排气出口，限定所述排气管道并形成所述拐弯。
3.根据权利要求2所述的排气组件，其中，所述排气收集器在所述拐弯处包括内径和比所述内径大的外径，且所述涡流发生器定位在所述内径上。
4.根据权利要求3所述的排气组件，其中，所述至少一个涡流发生器是沿所述内径堆叠的多个涡流发生器。
5.一种涡轮发动机，所述涡轮发动机包括涡轮部段、压缩机部段和燃烧器，所述涡轮发动机包括：
连接到所述涡轮部段的排气组件，所述排气组件具有限定拐弯的逆流部分和在所述拐弯处提供的至少一个涡流发生器。
6.根据权利要求5所述的涡轮发动机，其中，所述逆流部分包括排气短管，所述排气短管从排气收集器延伸到排气出口，限定排气管道并形成所述拐弯。
7.根据权利要求6所述的涡轮发动机，其中，所述排气收集器在所述拐弯处包括内径和比所述内径大的外径，且所述涡流发生器定位在所述内径上。
8.根据权利要求7所述的涡轮发动机，其中，所述至少一个涡流发生器是沿所述内径堆叠的多个涡流发生器。
9.一种从涡轮发动机排出燃烧气体的方法，所述方法包括：
使离开所述发动机的涡轮的燃烧气体流反转；以及
在所述反转期间在所述燃烧气体流中生成涡流。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述反转包括使所述燃烧气体通过排气管道中的拐弯流动。
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