CN113006964A - 一种带冷却结构的s弯收扩喷管 - Google Patents

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Abstract

本发明一种带冷却结构的S弯收扩喷管，属于航空发动机领域；包括收敛段、扩张段和气膜冷却结构；收敛段的第一喷管段的入口为进气口，第二喷管段的出口为喷管喉道；扩张段的入口套装于喷管喉道外围，沿轴向有重叠部分，之间形成的环形间隙为气膜冷却狭缝；气膜冷却结构包括环状冷却气通道、冷却通道支板、气膜冷却孔和气膜冷却狭缝；冷却通道外壁面通过冷却通道支板沿周向固定于喷管的外围，形成环状冷却气通道；气膜冷却孔开于收敛段的外壁面上；冷却气流通过气膜冷却孔和气膜冷却狭缝流入喷管内、并覆盖于高温喷管内壁面上。扩张段激波干扰导致冷却气体难以射入喷管内部问题，以及高温喷管壁面与高温尾喷气流产生的高的红外辐射问题。

Description

一种带冷却结构的S弯收扩喷管
技术领域
本发明属于航空发动机领域，具体涉及一种带冷却结构的S弯收扩喷管。
背景技术
现代战场信息化程度的不断加深与侦测技术的快速发展，极大推动了武器的索敌能力，对战斗机形成了巨大的威胁。因此，战斗机亟待提高隐身性能。航空发动机尾喷管作为推进系统重要部件，其高温壁面及高温燃气所引起的红外辐射成为红外制导武器主要探测对象，因此需要采取措施降低尾喷管的红外辐射。而S弯喷管能够有效抑制排气系统的红外与雷达信号，因此被广泛应用于隐身战斗机和无人机。现代空战形势对战斗机的要求是超机动性能、超音速巡航能力，最显著的方法是提高涡轮前的燃气温度，造成喷管的热负荷也不断增加。因此关于喷管的冷却研究很有必要，关于喷管冷却的研究大多是对于二元喷管，未见关于S弯喷管冷却的研究。而S弯喷管由于是薄壁结构，且壁面曲率变化大，在面对高温燃气冲刷时更容易被破坏，因此S弯喷管的冷却问题待解决。
西北工业大学周莉老师发表的文章“S弯收扩喷管流动特性数值研究”表明，喷管处于过膨胀状态时，在喷管扩张段会产生激波，且随着落压比的增加，激波会向喷管出口方向移动。S弯收扩喷管的扩张段出现的激波会抑制气膜冷却气体的出流，使冷却效率降低，从而导致冷却气覆盖效果差的喷管壁面被高温燃气侵蚀，造成喷管的破坏。所以S弯收扩喷管相较于S弯收敛喷管，还需考虑如何解决其扩张段的气膜冷却气体难以出流的问题。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种带冷却结构的S弯收扩喷管，以至少解决现有技术中S弯收扩喷管受到高温燃气冲刷而产生的结构变形问题、扩张段激波干扰导致冷却气体难以射入喷管内部问题，以及高温喷管壁面与高温尾喷气流产生的高的红外辐射问题。
本发明的技术方案是：一种带冷却结构的S弯收扩喷管，沿气流方向依次包括第一喷管段和第二喷管段，所述第一喷管段的入口为S弯收扩喷管的进气口；其特征在于：所述第一喷管段和第二喷管段为收敛段，从第一喷管段的入口到第二喷管段的出口呈逐渐收敛的结构，第二喷管段的出口为喷管喉道；
所述S弯收扩喷管还包括扩张段和气膜冷却结构；
所述扩张段的入口同轴套装于所述收敛段的喷管喉道外围，其出口作为S弯收扩喷管的排气口，从入口到出口呈逐渐扩张的结构；扩张段的入口内壁与喷管喉道外壁沿轴向有重叠部分，之间形成的环形间隙为气膜冷却狭缝；
所述气膜冷却结构包括环状冷却气通道、冷却通道支板、气膜冷却孔和气膜冷却狭缝；所述冷却通道外壁面通过多个冷却通道支板沿周向固定于喷管的收敛段和扩张段外围，喷管外壁面和冷却通道外壁面之间的封闭环形空腔形成环状冷却气通道；所述环状冷却气通道位于进气口一侧设置有冷却通道供气管道，用于通入冷却气体；所述气膜冷却孔设置于收敛段的外壁面上；冷却气流通过气膜冷却孔和气膜冷却狭缝流入喷管内、并覆盖于高温喷管内壁面上。
本发明的进一步技术方案是：所述收敛段的第一喷管段和第二喷管段均为S形，扩张段的中心线位于收敛段的中心线上。
本发明的进一步技术方案是：所述收敛段的第一喷管段与第二喷管段在轴向的长度比在2:3至2:5之间。
本发明的进一步技术方案是：所述气膜冷却孔均布于第一喷管段的中心轴前半部分和第二喷管段的中心轴前半部分；均布方式为，沿着S弯收扩喷管轴向均匀布置多排，相邻两排通孔以顺排或者插排的方式布置。
本发明的进一步技术方案是：所述气膜冷却孔的孔径为d，每排内相邻孔之间的间距为2d～6d，相邻两排孔之间的间距为3d～12d。
本发明的进一步技术方案是：所述气膜冷却孔的轴向与其所在位置的S弯喷管壁面之间的夹角为0°到90°，气膜冷却孔为双扇形孔、水滴形孔或簸箕形孔。
本发明的进一步技术方案是：所述扩张段的入口内壁与喷管喉道外壁重叠部分的轴向长度为进气口直径的1\20，狭缝的径向高度为重合部分轴向长度的1\3。
本发明的进一步技术方案是：所述收敛段与扩张段轴向长度比在1.5至3之间。
本发明的进一步技术方案是：所述扩张段的排气口的截面宽高比在1.2至2之间，排气口的径向截面积与喷管喉道出口的径向截面积比大于1.7。
本发明的进一步技术方案是：所述冷却通道支板是扇形片状结构，沿轴向在冷却通道内设置4-8处，每处位置在冷却通道的上、下、左、右四个方位各布置一片冷却通道支板。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明提出了一种带冷却结构的S弯收扩喷管，由收敛段、扩张段和气膜冷却结构组成。气膜冷却结构包括冷却通道外壁面、冷却通道支板、气膜冷却狭缝、气膜冷却孔和冷却通道供气管道。应用本发明的带冷却结构的S弯收扩喷管，通过冷却通道内流动的冷却气体与喷管外壁面的对流换热作用，进而冷却喷管。同时，S弯喷管的收敛段布置冷却孔，喷管喉道与扩张段之间形成一圈气膜冷却狭缝，冷却气流通过气膜冷却孔、气膜冷却狭缝流入喷管内部并覆盖在喷管内壁面，降低喷管壁面温度，防止喷管因过热而变形发生损坏，同时降低了喷管壁面与尾喷气流的红外辐射，增强了喷管的隐身性。
在S弯喷管的扩张段采用气膜冷却狭缝的结构引入冷却气，因为冷却气出流面积大，能规避掉扩张段激波抑流作用，而且该冷却方式下产生的气膜层对喷管壁面能产生更有效的覆盖与保护作用。狭缝气膜冷却的原理图如图1所示，在分离点之前，冷却气体可以对喷管壁面全面的覆盖保护，此时冷却气体与喷管对流换热的热量为：Q＝Ah(T2-Tw),其中，A为此处喷管的面积，h为对流换热系数，T2为冷却气体的温度，Tw为喷管壁面的温度，冷却气体的温度T2是远小于高温燃气的温度T1的，因此此处对流换热热量与壁面的温度会远低于不采用气膜冷却的情况。在分离点后，与壁面发生对流换热的不再是冷却气体，而是冷却气体和高温燃气掺混后形成的气膜层，气膜层的温度Tm介于冷却气体的温度T2与燃气的温度T1之间，因此气膜层对喷管壁面也有很好的冷却效果。
优选的，所述扩张段的入口内壁与喷管喉道外壁重叠部分的轴向长度为进气口直径的1\20，狭缝的径向高度为重合部分轴向长度的1\3。其中重合部分如果过长，会增加喷管重量，重合部分过短，狭缝对冷却气流的整流效果不佳。而狭缝高度过高，需要的冷却气流量会很大，而从压气机引入的冷却气体是有限的，狭缝高度过窄会导致气膜层太薄，气膜层覆盖效果不好，通过计算和，拟选用该优化参数的冷却效果明显增加。冷却气流可以通过气膜冷却孔和气膜冷却狭缝流入S弯收扩喷管内，并覆盖在喷管内壁面上。
相比于狭缝气膜冷却，以气膜孔形式出流的冷却气体在流出气膜孔后很难直接覆盖在待冷却的壁面上，而是与高温燃气掺混形成气膜层对壁面进行保护。应用本发明的带冷却结构的S弯收扩喷管，解决了现有技术中S弯收扩喷管受到高温燃气冲刷而产生的结构变形问题，扩张段激波干扰导致冷却气体难以射入喷管内部问题，以及高温喷管壁面与高温尾喷气流产生的高的红外辐射问题。
附图说明
图1是本发明实施例的狭缝气膜冷却示意图；
图2是根据本发明实施例可选的一种带冷却结构的S弯收扩喷管的示意图；
图3是本发明实施例的冷却通道支板剖视图。
附图标记说明：T1、高温燃气的温度；T2、冷却气流的温度；Tw、喷管壁面的温度；Tm、气膜层的温度；1、收敛段；11、进气口；12、第一喷管段；13、第二喷管段；2、扩张段；21、排气口；3、喷管喉道；4、气膜冷却结构；41、冷却通道外壁面；42、冷却通道支板；43、气膜冷却狭缝；44、气膜冷却孔；45、冷却通道供气管道；5、第一气流偏转部；6、第二气流偏转部；7、第三气流偏转部。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
根据本发明实施例的带冷却结构的S弯收扩喷管，如图2所示，包括：收敛段1、扩张段2和气膜冷却结构4，收敛段1的第一端是与发动机的高温涡轮出口相连的进气口11，收敛段1的第二端与扩张段2的第一端连接并于此处形成喷管喉道3，且扩张段2的第二端为排气口21。气膜冷却结构4包括冷却通道外壁面41、冷却通道支板42、气膜冷却狭缝43、气膜冷却孔44和冷却通道供气管道45。冷却通道外壁面41通过冷却通道支板42连接到S弯喷管外侧壁面，并与S弯喷管外侧壁面形成冷却通道。冷却通道内流动的冷却气体会与喷管外壁面对流换热，从而冷却喷管。在S弯喷管的收敛段1会布置气膜冷却孔44，在靠近喷管喉道3的扩张段2会设置一圈气膜冷却狭缝43，冷却气流通过气膜冷却孔44、气膜冷却狭缝43流入喷管内部并覆盖在喷管内壁面，降低喷管壁面温度，防止喷管因过热而变形发生损坏，同时降低了喷管壁面与尾喷气流的红外辐射，增强了喷管的隐身性。
应用本发明技术方案的带冷却结构的S弯收扩喷管，解决了现有技术中S弯收扩喷管受到高温燃气冲刷而产生的结构变形问题，扩张段激波干扰导致冷却气体难以射入喷管内部问题，以及高温喷管壁面与高温尾喷气流产生的高的红外辐射问题。
具体的，S弯喷管收敛段1由S形的第一喷管段12与S形的第二喷管段13构成，且收敛段1从进气口11至喷管喉部3，依次形成第一气流偏转部5、第二气流偏转部6与第三气流偏转部7。第一气流偏转部5在喷管进气口11附近，第一气流偏转部5使得轴向来流向下偏转；第二气流偏转部6处于第一喷管段12与第二喷管段13过渡的地方，第二气流偏转部6使向下偏转的气流转为向上偏转；第三气流偏转部7处于喷管喉部3附近，第三气流偏转部7使得向上偏转的气流转为与涡轮出口平行的方向，并流进扩张段2。通过调节三个气流偏转部的纵向偏距，对涡轮等高温部件进行有效遮挡。S弯喷管扩张段2的中心线为一条直线，气流在扩张段2内不会发生偏转。S弯收扩喷管的进气口11为圆形，喷管喉道3为方形，在收敛段1内喷管截面是圆转方的，且在扩张段喷管各个截面均为方形。
可选的，为了保证喷管的气动性能，收敛段1的第一喷管段12与第二喷管段13在轴向的长度比应在2:3至2:5之间。第一喷管段12与第二喷管段13的中心线的纵向偏距和相对应喷管段长度比在0.1到0.6之间。收敛段1与扩张段2长度比应在1.5至3之间。扩张段2的排气口21的截面宽高比在1.2至2之间，排气口21的横截面积与喷管喉道3的横截面积比应大于1.7。
如图2所示，气膜冷却结构4包括冷却通道外壁面41、冷却通道支板42、气膜冷却狭缝43、气膜冷却孔44和冷却通道供气管道45。冷却通道外壁面41通过冷却通道支板42连接到S弯喷管外侧壁面，并与S弯喷管外侧壁面形成冷却通道。冷却通道通过冷却通道供气管道45获取冷却气体，进入冷却通道内的冷却气体只能通过气膜冷却孔44和气膜冷却狭缝43流出冷却通道，冷却通道内的其他壁面均为封闭壁面。冷却通道支板42的剖视图如图3所示，冷却通道支板42连接着喷管外侧壁面与冷却通道外壁面41，主要起到支撑、连接冷却结构与S弯喷管的作用，同时增强整个结构的可靠性与完整性。冷却通道支板42是扇形片状结构，沿轴向在冷却通道内的4-8处布置冷却通道支板，每处位置在冷却通道的上、下、左、右四个方位各布置一片冷却通道支板。气膜冷却孔44均匀布置在喷管收敛段1的第一喷管段12与第二喷管段13前半部分，假设孔直径为d,孔间距为2d到6d之间，孔排距为3d到12d之间，孔间距与孔排距视气膜冷却效果决定。气膜冷却孔44与冷却孔处喷管壁面切平面的夹角为0°至90°，气膜冷却孔44可以有不同的结构形式，比如双扇形孔、水滴形孔、簸箕形孔等，还可以在冷却孔出口设置突片等强化换热结构。气膜冷却狭缝43布置于接近喷管喉部3的扩张段2，气膜冷却狭缝43两侧的喷管壁面是分开的，其中狭缝前侧的喷管横截面积稍小，狭缝后侧喷管横截面积稍大，且狭缝前、后侧的喷管在轴向上有重合的部分，但由于两者横截面积不同，相当于狭缝后侧喷管段套在狭缝前侧喷管段上，从而形成了气膜冷却狭缝。冷却气流可以通过气膜冷却44和气膜冷却狭缝43流入S弯收扩喷管内，并覆盖在喷管内壁面上。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种带冷却结构的S弯收扩喷管，沿气流方向依次包括第一喷管段和第二喷管段，所述第一喷管段的入口为S弯收扩喷管的进气口；其特征在于：所述第一喷管段和第二喷管段为收敛段，从第一喷管段的入口到第二喷管段的出口呈逐渐收敛的结构，第二喷管段的出口为喷管喉道；
所述S弯收扩喷管还包括扩张段和气膜冷却结构；
所述扩张段的入口同轴套装于所述收敛段的喷管喉道外围，其出口作为S弯收扩喷管的排气口，从入口到出口呈逐渐扩张的结构；扩张段的入口内壁与喷管喉道外壁沿轴向有重叠部分，之间形成的环形间隙为气膜冷却狭缝；
所述气膜冷却结构包括环状冷却气通道、冷却通道支板、气膜冷却孔和气膜冷却狭缝；所述冷却通道外壁面通过多个冷却通道支板沿周向固定于喷管的收敛段和扩张段外围，喷管外壁面和冷却通道外壁面之间的封闭环形空腔形成环状冷却气通道；所述环状冷却气通道位于进气口一侧设置有冷却通道供气管道，用于通入冷却气体；所述气膜冷却孔设置于收敛段的外壁面上；冷却气流通过气膜冷却孔和气膜冷却狭缝流入喷管内、并覆盖于高温喷管内壁面上。
2.根据权利要求1所述带冷却结构的S弯收扩喷管，其特征在于：所述收敛段的第一喷管段和第二喷管段均为S形，扩张段的中心线位于收敛段的中心线上。
3.根据权利要求1所述带冷却结构的S弯收扩喷管，其特征在于：所述收敛段的第一喷管段与第二喷管段在轴向的长度比在2:3至2:5之间。
4.根据权利要求1所述带冷却结构的S弯收扩喷管，其特征在于：所述气膜冷却孔均布于第一喷管段的中心轴前半部分和第二喷管段的中心轴前半部分；均布方式为，沿着S弯收扩喷管轴向均匀布置多排，相邻两排通孔以顺排或者插排的方式布置。
5.根据权利要求1所述带冷却结构的S弯收扩喷管，其特征在于：所述气膜冷却孔的孔径为d，每排内相邻孔之间的间距为2d～6d，相邻两排孔之间的间距为3d～12d。
6.根据权利要求1所述带冷却结构的S弯收扩喷管，其特征在于：所述气膜冷却孔的轴向与其所在位置的S弯喷管壁面之间的夹角为0°到90°，气膜冷却孔为双扇形孔、水滴形孔或簸箕形孔。
7.根据权利要求1所述带冷却结构的S弯收扩喷管，其特征在于：所述扩张段的入口内壁与喷管喉道外壁重叠部分的轴向长度为进气口直径的1\20，狭缝的径向高度为重合部分轴向长度的1\3。
8.根据权利要求1所述带冷却结构的S弯收扩喷管，其特征在于：所述收敛段与扩张段轴向长度比在1.5至3之间。
9.根据权利要求1所述带冷却结构的S弯收扩喷管，其特征在于：所述扩张段的排气口的截面宽高比在1.2至2之间，排气口的径向截面积与喷管喉道出口的径向截面积比大于1.7。
10.根据权利要求1所述带冷却结构的S弯收扩喷管，其特征在于：所述冷却通道支板是扇形片状结构，沿轴向在冷却通道内设置4-8处，每处位置在冷却通道的上、下、左、右四个方位各布置一片冷却通道支板。
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