CN110748436A - 一种双层冷却混合管引射式红外抑制器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双层冷却混合管引射式红外抑制器,包括内外双层混合管、波瓣喷管和带狭缝的中空导流器。本发明采用上下非对称的波瓣喷管,使得各部分高温排气都可以恰好在混合管出口处附壁,最大程度利用高温排气动量,尽可能多地引射外界冷空气;向双层混合管强迫进气入口内通强迫冷却气流,强迫冷却气流流过双层混合管之间的夹层,冷却混合管壁面;强迫冷却气流通过中空分流导板的狭缝流入内层混合管内部,与热排气掺混,进一步降低排气温度;双层混合管内的热排气经过中空分流导板产生多股流,提升高温排气和引射冷却气流之间的掺混均匀程度;采用双层冷却混合管引射式红外抑制器可以大幅降低混合管壁面温度和排气温度,降低其红外辐射强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种双层冷却混合管引射式红外抑制器,属于航空发动机排气系统设计与红外抑制技术领域。
背景技术
武装直升机由于其良好的机动性能,不仅可以对地面及超低空目标实施精确打击,也被用于执行紧急运输、空中指挥、空中预警等重要军事任务,已经成为现代战争中重要的常规武器。但随着红外成像探测系统、机载红外前视装置和新型红外制导武器的迅速发展,红外探测设备的灵敏度和系统的识别能力有了明显提高,红外制导武器的打击水平大大提升,使得采用热动力推进系统的武装直升机在现代战争中受到的威胁日益严重。武装直升机本身不具备通过战术机动规避导弹攻击的能力,只有降低自身特征信号,实现隐身,才能在战场上存活。所以说,红外辐射目标特性是评价武装直升机总体性能的一项重要指标,抑制外露的热端部件和发动机高温排气尾焰产生的红外辐射是提升武装直升机生存能力的重中之重。
直升机采用的是涡轴发动机,排气不用于产生推力,因此可以利用高温高速排气所具有的动能引射外界冷空气进行掺混,实现降低排气与外露壁面温度的目的。基于这一原理,红外抑制器应运而生。从上世纪五十年代开始,历经半个多世纪的研究,共发展出了三代红外抑制器。
第一代红外抑制器是为了应对第一代红外制导导弹(工作波段1-3μm)的威胁,其主要措施是通过混合管遮蔽暴露的热端部件,达到抑制辐射的作用。法国小羚羊直升机上的排气偏转器便是其中的典型代表。目前国内外武装直升机上普遍装备的是第二代红外抑制器,在一代的基础上,二代红外抑制器尾焰温度大幅降低,对3-5μm波段的红外抑制效果明显,其核心技术是大引射流量比、高混合效率、低流动损失的引射喷管结构,最典型的引射喷管结构是波瓣喷管。第二代红外抑制器可以很大程度降低排气尾焰温度并遮挡热端部件,但是相对机身来说,其外露的外层混合管和尾焰依旧是高温热点,这是因为二代红外抑制器仅仅是发动机系统后部的加装部件,在形状和尺寸上受到很大的限制,在此背景下,采用红外抑制器与机身一体化设计的第三代红外抑制器发展起来。第三代红外抑制器的代表是美国波音和西科斯基公司联合研发的科曼奇RAH-66直升机,它第一次将红外抑制技术运用到直升机机身总体设计中去。除了二代红外抑制器所具备的引气掺混作用外,一体化红外抑制器还可以充分利用旋翼下洗气流的掺混、冷却作用和机身的遮蔽、隔热作用,从而实现3~5μm和8~14μm双波段的红外隐身功能。同时,排气系统内埋入机身内部的设计,不仅最大限度地利用了机身尾梁内部的空余空间,同时还有利于直升机的总体气动布局并且兼顾雷达隐身的要求。采取这些措施后,“科曼奇”直升机的红外特征降到极低的程度,可以说是一款真正具备隐身能力的直升机。
一体化红外抑制器的设计是未来直升机隐身设计的发展方向。波瓣喷管-内层混合管是一体化红外抑制器的核心部件,目前我们对其复杂的气动掺混性能和红外隐身效果的认识几乎还是空白。因此,寻找一种能最大程度降低尾焰和壁面红外辐射的波瓣喷管-内层混合管结构是直升机红外隐身研究的重要方向。
发明内容:
本发明提供一种能有效降低排气系统红外辐射的直升机后机身一体化红外抑制器及其红外抑制方法,针对现有波瓣喷管-内层混合管结构,通过改变波瓣形状提升其引射性能;在混合管外部加装另一层混合管,并通入强迫冷却气流,降低外露壁面的辐射强度;在混合管出口加入带狭缝的中空导流器,引导夹层内强迫冷却气流与混合热排气掺混,进一步降低尾焰温度,从而全方位多角度地增强排气系统抑制辐射的能力。
实现上述目的的技术方案是:
一种双层冷却混合管引射式红外抑制器,包括内外双层混合管和波瓣喷管。所述波瓣喷管安装于内层混合管内部,波瓣喷管入口为高温排气入口,波瓣喷管的外壁面和内层混合管内壁面之间为引射冷气通道,引射冷气来自外界冷空气,内层混合管外壁面和外层混合管内壁面之间为强迫进气通道,强迫冷却气流引自发动机内的防砂余气。
进一步的,所述波瓣喷管由直管段和非对称波瓣组成,非对称波瓣在沿混合管外脊线到内脊线的方向,各波瓣瓣长逐渐减小,各波瓣尾缘在一个平面上,该平面与波瓣喷管入口平面之间的夹角为10°-15°。
进一步的,所述内层混合管分为过渡段和出口段,过渡段首端有一段与波瓣喷管同长的直管段,之后其横截面由圆逐渐过渡到椭圆,出口段横截面由沿流动方向逐渐缩小的椭圆和矩形两部分组成。
进一步的,所述内层混合管的出口段任一横截面的面积与该横截面之前的混合管出口面积之和不小于混合管的进口面积。
进一步的,所述外层混合管与内层混合管形状类似,二者之间间距处处相等。
进一步的,所述内外层混合管的末端之间焊接有封闭环,封闭环完全封堵住外层混合管与内层混合管在末端形成的开口;内层混合管的末端设有若干个缺口,该缺口为强迫进气通道的出口。
进一步的,所述缺口为“入”字型,缺口中安装带狭缝的中空导流器,所述中空导流器由两片首端重合但弯曲程度不同的流线型导流板组成,导流板末端与排气出口平齐,且两导流板末端有金属片形成封闭,导流板上开有若干狭缝,方向与排气出口平行。
进一步的,所述中空导流器有若干个,等间距分布在内层混合管出口段。
进一步的,所述内外双层混合管的出口截面与进口截面成90°。
有益效果:
本发明针对混合管的不对称结构,采用上下非对称的波瓣喷管,使得各部分高温排气都可以恰好在混合管出口处附壁,最大程度利用高温排气动量,尽可能多地引射外界冷空气;采用双层混合管可以大幅降低外露壁面的红外辐射强度;向强迫进气入口内通冷却气流,强迫冷却气流流过双层混合管之间的夹层,冷却混合管壁面;混合热排气流经中空导流器产生多股分流,提升高温排气与引射冷却气流之间的掺混均匀程度;同时,由于双层混合管之间的夹层出口封闭,强迫冷却气流只能通过导流器的狭缝流入内层混合管内部,与混合热排气发生掺混,进一步降低尾流温度。
附图说明
图1为本发明一种双层冷却混合管引射式红外抑制器的整体示意图。
图2为外层混合管示意图。
图3为内层混合管示意图。
图4为封闭环示意图。
图5为带狭缝的中空导流器示意图。
图6为波瓣喷管示意图。
图7为波瓣喷管+内层混合管+带狭缝的中空导流器示意图。
其中,1为外层混合管,2为内层混合管,3为封闭环,4为带狭缝的中空导流器(4.1为导流板,4.2为矩形封闭板),5为波瓣喷管,6为高温排气入口,7为引射冷气入口,8为强迫进气入口,9为狭缝开口,10为排气出口,11为“入”字型缺口。
具体实施方式
本发明提供一种双层冷却混合管引射式红外抑制器,为使本发明的目的、技术方案及效果更清楚明确,下面将结合本发明实施例中的附图,举实施例对本发明进行更加详尽的描述。应当指出此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
参照图1至图7所示,本发明一种双层冷却混合管引射式红外抑制器,包括外层混合管1、内层混合管2、封闭环3、带狭缝的中空导流器4和波瓣喷管5。波瓣喷管5安装于内层混合管2内,包括直管段和非对称波瓣,非对称波瓣在靠近内层混合管2外脊线一侧波瓣较长,靠近内脊线一侧波瓣较短,各波瓣尾缘在同一平面上,该平面与波瓣进口平面成一定夹角。波瓣喷管5内壁面之间形成有高温排气入口6,高温排气入口6前接涡轴发动机涡轮出口。波瓣喷管5外壁面和内层混合管2内壁面之间形成有引射冷气入口7,引射冷气入口7与外界环境贯通。
内层混合管2在气流流动的末端等间距分布有四个“入”字型缺口11,四块带狭缝的中空导流器4通过焊接嵌入缺口中。带狭缝的中空导流器4由两片流线型导流板4.1和一片矩形封闭板4.2组成,形状类似镂空的三棱柱。导流板型面与内层混合管2上的缺口一致,可以完全封堵住缺口,每片导流板4.1上开有四排平行的狭缝开口9,狭缝间距在垂直距离上保持一致,矩形封闭板4.2与内层混合管2在气流流动末端的开口截面平齐,宽度一致,可以完全封堵住部分截面。除去被带狭缝的中空导流器4封闭的区域,内层混合管2末端外界贯通的截面即排气出口10,排气出口10被中空导流器分为五个区域。内层混合管2安装于外层混合管1内部,二者形状类似,处处保持相同间距。内层混合管2外壁面和外层混合管1内壁面在气体流动首端形成有强迫进气入口8,强迫冷却气流引自发动机内的防砂余气。外层混合管1在气流流动的末端与内层混合管2平齐,在内外层混合管夹层的出口焊接有封闭环3,完全封堵住外层混合管1与内层混合管2在末端的开口。
从涡轴发动机涡轮后排出的高温尾气进入高温排气入口6,波瓣喷管5利用其动能抽吸外界冷空气,外界冷空气通过引射冷气入口7进入内层混合管2内部,与高温排气混合。波瓣喷管5由于其不对称性,可以最大程度地利用高温排气动能引射冷气,同时由于波瓣特殊的构型会产生大尺度流向涡,强化高温排气与引射冷却气流的混合。外层混合管1完全包裹住内层混合管2,可以遮挡住内层混合管2向外界发射的红外辐射;同时,向强迫进气入口8通入一股冷却气流,强迫冷却气流在外层混合管1和内层混合管2之间的夹层内流动,降低混合管以及外露外层混合管壁面的温度,进一步降低了红外辐射;此外,由于封闭环3完全封堵住双层混合管之间的夹层出口以及中空导流器4的镂空狭缝结构,所有强迫冷却气流只能通过中空导流器4上的狭缝进入混合管内部。中空导流器4的导流板结构对混合管2内的混合热排气起到导流作用,有效改善排气核心区分布,提升排气混合均匀程度,通过狭缝流入混合管2的强迫冷却气流与混合热排气发生掺混,通过排气出口10流出,由于中空导流器共有四个,把排气分为五股,每段出口较短,强迫冷却气流与混合热排气的掺混效果较好。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非用于限定本发明。应当指出,对于本技术领域的普通技术技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进,这些改进都应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种双层冷却混合管引射式红外抑制器,其特征在于,包括内外双层混合管和波瓣喷管;所述波瓣喷管安装于内层混合管内部,波瓣喷管入口为高温排气入口,波瓣喷管的外壁面和内层混合管内壁面之间为引射冷气通道,引射冷气来自外界冷空气,内层混合管外壁面和外层混合管内壁面之间为强迫进气通道,强迫冷却气流引自发动机内的防砂余气。
2.根据权利要求1所述的双层冷却混合管引射式红外抑制器,其特征在于,所述波瓣喷管由直管段和非对称波瓣组成,非对称波瓣在沿混合管外脊线到内脊线的方向,各波瓣瓣长逐渐减小,各波瓣尾缘在一个平面上,该平面与波瓣喷管入口平面之间的夹角为10°-15°。
3.根据权利要求1所述的双层冷却混合管引射式红外抑制器,其特征在于,所述内层混合管分为过渡段和出口段,过渡段首端有一段与波瓣喷管同长的直管段,之后其横截面由圆逐渐过渡到椭圆,出口段横截面由沿流动方向逐渐缩小的椭圆和矩形两部分组成。
4.根据权利要求3所述的双层冷却混合管引射式红外抑制器,其特征在于,所述内层混合管的出口段任一横截面的面积与该横截面之前的混合管出口面积之和不小于混合管的进口面积。
5.根据权利要求1所述的双层冷却混合管引射式红外抑制器,其特征在于,所述外层混合管与内层混合管形状类似,二者之间间距处处相等。
6.根据权利要求1所述的双层冷却混合管引射式红外抑制器,其特征在于,内外层混合管的末端之间焊接有封闭环,封闭环完全封堵住外层混合管与内层混合管在末端形成的开口;内层混合管的末端设有若干个缺口,该缺口为强迫进气通道的出口。
7.根据权利要求6所述的双层冷却混合管引射式红外抑制器,其特征在于,所述缺口为“入”字型,缺口中安装带狭缝的中空导流器,所述中空导流器由两片首端重合但弯曲程度不同的流线型导流板组成,导流板末端与排气出口平齐,且两导流板末端有金属片形成封闭,导流板上开有若干狭缝,方向与排气出口平行。
8.根据权利要求7所述的双层冷却混合管引射式红外抑制器,其特征在于,所述中空导流器有若干个,等间距分布在内层混合管出口段。
9.根据权利要求1所述的双层冷却混合管引射式红外抑制器,其特征在于,所述内外双层混合管的出口截面与进口截面成90°。
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