CN113090411A - 一种带扰流肋-气膜冷却结构的三涵道s弯喷管 - Google Patents
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Abstract
本发明一种带扰流肋‑气膜冷却结构的三涵道S弯喷管，属于航空发动机领域；包括收敛段、扩张段、第三涵道、扰流肋‑气膜冷却结构和流道调节装置；扰流肋‑气膜冷却结构包括气膜冷却孔和扰流肋，若干所述气膜冷却孔沿周向布置于靠近环形出口的扩张段内壁面上和喷管排气口处的扩张段外壁面上，喷管外壁面上沿中心线设置有多个环形凸起，作为扰流肋；所述流道调节装置包括可调喷管壁面和作动筒，通过作动端的伸缩控制片状结构的转动位置，进而改变第三涵道的环形出口的径向截面积；本发明解决了现有技术热应力大而发生破坏的问题、高红外辐射问题、产生的变形问题和三涵道S弯喷管在不同工况下流动控制问题。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机领域，具体涉及一种带扰流肋-气膜冷却结构的三涵道S弯喷管。
背景技术
变循环发动机通过改变发动机内部部件位置、几何尺寸和形状来调控发动机的热力循环特性。而自适应循环发动机是构型最新颖的最新一代变循环发动机，其独特之处在于它在传统的两流道变循环发动机的基础上又增加一个流道构成三个流道，使其具备更多的工作模式。自适应循环发动机综合利用涡喷发动机高推重比、高空高速性以及涡扇发动机的低油耗、大航程等优点，可以解决新一代战斗机遇到的动力瓶颈问题。因此，它将广泛应用于具有超高音速突防和亚音速长航特点的新一代战斗机上。目前关于变循环发动机的三涵道尾喷管设计大多是针对轴对称收敛喷管，而为了实现跨声速与超声速飞行，有必要研究收扩喷管。
新一代战斗机需具备高隐身性能、超机动性能和超巡航能力。战斗机的排气系统是飞机上最强的红外辐射源以及主要的雷达反射源，而S弯喷管由于其特殊构型，可有效降低排气系统的红外、雷达信号，因此S弯喷管被广泛应用于隐身战斗机。提高战斗机机动性能最有效的办法是提高涡轮前温度，这会导致发动机的尾喷管承受高的热载荷而损坏，并且温度过高的喷管壁面与尾喷流会使排气系统的红外辐射增加，因此喷管冷却问题需要深入研究。
关于喷管冷却的研究大多针对的是轴对称喷管和二元喷管，南航张靖周的文章“气膜孔排布对排气系统中心锥冷却和红外辐射特性的影响”文章指出，气膜冷却可有效降低排气系统中心锥与尾喷流温度，从而降低排气系统的红外辐射。而相较于轴对称喷管与二元喷管，S弯喷管弯曲的构型使得喷管内部存在非均匀的流动特征，这使得喷管壁面出现复杂的应力应变分布，并且变循环发动机的三涵道S弯喷管的内壁面受到高温燃气冲刷，外壁面被第三涵道冷气流冷却，内外壁面温差大，因此热应力也很大，更容易破坏。而且为了降低自身重量，S弯喷管广泛采用新型轻质材料并采用大型薄壁结构设计，这种特殊的气动布局与材料选择使得S弯喷管结构相对柔度较大，结构非线性弹性特征更加明显，在高马赫数飞行下容易产生变形。战斗机从起飞、亚音速、跨音速、超音速工况下要想满足流出喷管的气流是完全膨胀的，就需要在低落压比(起飞、亚音速、跨音速)情况下流道是收敛的，在高落压比(超音速)情况下流道是收扩的，三涵道喷管第三涵道出口面积可调节性不强，无法满足战斗机从起飞、亚音速、跨音速、超音速工况下都可以满足流出喷管的气流是完全膨胀的。因此需要针对变循环发动机使用的三涵道S弯喷管提出合理的调节、冷却和加固方案。
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，本发明提出一种带扰流肋-气膜冷却结构的三涵道S弯喷管，通过扰流肋-气膜冷却结构和流道调节装置的配合，解决了现有技术三涵道S弯喷管因内外壁面热应力大而发生破坏的问题、高温喷管壁面与高温尾喷燃气带来的高红外辐射问题、S弯喷管因为是大型薄壁结构产生的变形问题和三涵道S弯喷管在不同工况下流动控制问题。
本发明的技术方案是：一种带扰流肋-气膜冷却结构的三涵道S弯喷管，沿气流方向依次为收敛段、扩张段，并在外围设置第三涵道；收敛段的入口为喷管的进气口，包括内涵进气口和外涵进气口，扩张段的出口为喷管的排气口，收敛与扩张的衔接处形成喷管喉道；其特征在于：还包括扰流肋-气膜冷却结构和流道调节装置；
所述第三涵道的出口是位于扩张段的环形出口，由扩张段外壁面套装于扩张段内壁面的重叠部分之间的环形缝隙构成；
所述扰流肋-气膜冷却结构包括气膜冷却孔和扰流肋，若干所述气膜冷却孔沿周向布置于外涵气流与第三涵道冷却气流无法覆盖的喷管壁面，即靠近环形出口的扩张段内壁面上和喷管排气口处的扩张段外壁面上，冷却气流通过气膜冷却孔流入喷管内部，并覆盖于喷管内壁面上；喷管外壁面上沿中心线设置有多个环形凸起，作为扰流肋；
所述流道调节装置包括可调喷管壁面和作动筒，所述可调喷管壁面是由多个片状结构组成的环形，各片状结构的根部沿周向铰接于扩张段内壁面的出口，作为所述环形出口的内环面的一部分；所述作动筒与片状结构一一对应，其固定端与扩张段内壁面的外周面铰接，作动端与片状结构的外侧面铰接；通过作动端的伸缩控制片状结构的转动位置，进而改变第三涵道的环形出口的径向截面积。
本发明的进一步技术方案是：所述第三涵道结构包括第三涵道入口、第三涵道支板、第三涵道外壁面和第三涵道出口；所述第三涵道外壁面通过多个沿中心线设置的第三涵道支板固定于喷管的壁面外围；喷管外壁面和第三涵道内壁面之间形成第三涵道；所述第三涵道为单独流道，其入口与第三涵道风扇连接，且进入第三涵道入口的气体是经过加压后的冷却气流；所述第三涵道出口位于喷管扩张段，冷气流通过所述第三涵道出口流入喷管内部，并覆盖在其后的喷管扩张段的壁面上，起到冷却作用。
本发明的进一步技术方案是：所述第三涵道支板为环形片状结构，沿着喷管轴向均布在第三涵道3-10处，用于支撑第三涵道外壁面；并在第三涵道支板上开有若干小孔，冷却气流通过小孔在第三涵道内流动。
本发明的进一步技术方案是：所述第三涵道出口位于喷管扩张段的轴向长度1\3处，由扩张段内壁面、扩张段外壁面形成的环形空隙；所述第三涵道的出口径向高度为喷管进气口直径的1\15,所述第三涵道轴向长度为进气口直径的1\10。
本发明的进一步技术方案是：所述收敛段与扩张段均为S形，收敛段和扩张段在轴向的长度比在1：2至3:2之间。
本发明的进一步技术方案是：若干所述气膜冷却孔沿喷管外周面均布；均布方式为，沿S弯喷管轴向均布多排，相邻两排通孔以顺排或插排方式布置；所述气膜孔的孔径为d,每排内相邻孔之间的周向距离为2d～6d，相邻两排孔之间的间距为2d～10d。
本发明的进一步技术方案是：所述扰流肋为截面是圆形或方形的实心环形凸起，其径向高度为进气口直径的1\100，扰流肋通过焊接方式固连到喷管外壁面，且沿着喷管轴向均布在喷管外壁面5-20处；所述扰流肋能够加强第三涵道内的冷却气流和喷管壁面的对流换热效果，同时起到了壁面加强筋的作用，防止喷管壁面由于大的气动载荷与热载荷产生结构变形。
本发明的进一步技术方案是：所述可调喷管壁面包括4个片状结构，分别构成所在位置的喷管矩形截面的四个边。
本发明的进一步技术方案是：所述喷管总长度与喷管进气口直径之比在1.8至3之间，所述喷管喉道截面积与进气口面积比在0.4至0.9之间，且喷管喉道面积与排气口面积比在0.4至0.9之间。
本发明的进一步技术方案是：所述喷管的进气口为圆形，排气口为矩形，且排气口宽高比为3～15。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明提出了一种带扰流肋-气膜冷却结构的三涵道S弯喷管，由收敛段、扩张段、第三涵道结构、扰流肋-气膜冷却结构和流道调节装置组成。应用本发明的的带扰流肋-气膜冷却结构的三涵道S弯喷管，通过第三涵道内流动的冷却气流与喷管壁面外侧对流换热作用，冷却喷管，扰流肋强化了第三涵道冷气与喷管壁面外侧的对流换热，同时扰流肋也起到了加强筋的作用，加强喷管薄壁结构的强度，防止喷管壁面变形。
冷气流通过第三涵道出口、气膜冷却孔流入并覆盖在喷管壁面内侧，从而对喷管壁面内侧进行全面的冷却与保护，防止了喷管壁面内、外侧热应力大而发生破坏。喷管壁面与尾喷流温度的降低也使得喷管红外辐射降低，增强了S弯喷管的隐身性。通过调节流动调节装置，在起飞、亚音速与跨声速阶段，使可调喷管壁面与前侧喷管壁面共面，使得第三涵道出口面积达到最大状态，第三涵道气流的流入可改善气流在喷管内的膨胀状态，避免气流在扩张段过度膨胀；在超音速巡航状态，通过控制作动筒，使可调喷管壁面旋转，第三涵道出口面积减小，一方面加强了喷管扩张段的扩张程度，避免气流在扩张段欠膨胀，同时第三涵道面积减小使得流出第三涵道的气流速度更高，贴壁性更好，第三涵道冷气对喷管壁面内侧的冷却效果也更好。
带扰流肋的流道的流动状态如图1所示，气流受到扰流肋的阻挡与壁面发生分离，在前面肋的下游区域形成了低速的回流区，这部分对流换热相对较弱。回流区之后，分离的气流再次附着壁面，气流在此处速度高、对流换热强，之后随着边界层发展，传热强化效果沿程降低，直到遇到下一个扰流肋，受到阻挡，气流再次分离，气流分离时在肋上游形成了一个顺时针的涡，强化了该处的换热。第三涵道内的冷气流通过气膜冷却孔流进喷管内部，并与喷管内部高温燃气形成温度较低气膜层，该气膜层覆盖在喷管内壁面，从而将高温燃气隔绝开来，从而达到保护壁面的目的。在喷管入口和第三涵道出口，因为存在外涵气流与第三涵道气流对喷管壁面的冷却作用，所以在这部分喷管壁面不需要开气膜冷却孔。应用本发明的带扰流肋-气膜冷却结构的三涵道S弯喷管，解决了现有技术三涵道S弯喷管因内外壁面热应力大而发生破坏的问题、高温喷管壁面与高温尾喷燃气带来的高红外辐射问题、S弯喷管因为是大型薄壁结构产生的变形问题和三涵道S弯喷管在不同工况下流动控制问题。
附图说明
图1是本发明实施例的带扰流肋的流道的流动状态示意图；
图2是根据本发明实施例可选的一种带扰流肋-气膜冷却结构的三涵道S弯喷管的示意图；
附图标记说明：1、收敛段；11、进气口；12、内涵进气口；13、外涵进气口；2、扩张段；21、排气口；3、喷管喉道；4、第三涵道结构；41、第三涵道入口；42、第三涵道支板；43、第三涵道外壁面；44、第三涵道出口；5、扰流肋-气膜冷却结构；51、气膜冷却孔；52、扰流肋；6、第一气流偏转部；7、第二气流偏转部；8、第三气流偏转部；9、流道调节装置；91、可调喷管壁面；92、作动筒。
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。
参照图2所示，本发明一种带扰流肋-气膜冷却结构的三涵道S弯喷管，包括收敛段1、扩张段2、第三涵道结构4、扰流肋-气膜冷却结构5和流道调节装置9，收敛段1的入口为喷管的进气口11，此进气口11由发动机内涵进气口12和外涵进气口13组成，扩张段2的出口为喷管的排气口21。收敛段1的出口与扩张段2的入口连接，并在此处形成喷管喉道3。
第三涵道结构4包括第三涵道入口41、第三涵道支板42、第三涵道外壁面43和第三涵道出口44。第三涵道外壁面43通过多个第三涵道支板42沿周向固定于喷管的壁面外围，喷管外壁面和第三涵道外壁面43之间形成第三涵道。第三涵道入口41连接到第三涵道风扇，第三涵道是单独流道，且流过第三涵道入口41的气体是经过加压后的冷气流。第三涵道出口44位于喷管扩张段2，第三涵道出口44是一个环形间隙，环形间隙内壁与外壁沿轴向有重叠部分。冷气流通过第三涵道出口44流入喷管内部，并覆盖在其后的喷管扩张段2的壁面上，起到冷却作用。
扰流肋-气膜冷却结构5包括气膜冷却孔51和扰流肋52。气膜冷却孔51布置于第三涵道出口44前侧的喷管扩张段2壁面和喷管排气口21处的喷管壁面。冷却气流通过气膜冷却孔51流入喷管内部，并覆盖在喷管内壁面上。扰流肋52设置在喷管外壁面上，用于强化对流换热，同时加强薄壁结构强度，防止喷管壁面变形。
流道调节装置9包括可调喷管壁面91和作动筒92；可调喷管壁面91是由4个片状结构组成的环形，各片状结构的根部沿周向铰接于扩张段内壁面的出口，作为所述环形出口的内环面的一部分；作动筒92与片状结构一一对应，其固定端与扩张段内壁面的外周面铰接，作动端与片状结构的外侧面铰接；通过作动端的伸缩控制片状结构的转动位置，进而改变第三涵道的环形出口的径向截面积。
应用本发明的带扰流肋-气膜冷却结构的三涵道S弯喷管，解决了现有技术三涵道S弯喷管因内外壁面热应力大而发生破坏的问题、高温喷管壁面与高温尾喷燃气带来的高红外辐射问题、S弯喷管因为是大型薄壁结构产生的变形问题和三涵道S弯喷管在不同工况下流动控制问题。
具体的，S弯喷管从进气口11到排气口21依次形成第一气流偏转部6、第二气流偏转部7、第三气流偏转部8。第一气流偏转部6位于喷管进气口11附近，第一气流偏转部6使得轴向来流向下偏转；第二气流偏转部7位于喷管喉道3附近，第二气流偏转部7使得向下偏转气流变成向上偏转；第三气流偏转部8位于排气口21附近，第三气流偏转部8使得向上偏转气流轴向流出喷管。喷管进气口11为圆形，排气口21为矩形，且排气口21宽高比为3～15。
可选的，喷管总长度与喷管进气口11直径之比在1.8至3之间，喷管喉道3面积与进气口11面积比在0.4至0.9之间，且喷管喉道3面积与排气口21面积比也在0.4至0.9之间。收敛段1与扩张段2均为S形，收敛段1和扩张段2在轴向的长度比在1：2至3:2之间。
由图2所示，第三涵道结构4包括第三涵道入口41、第三涵道支板42、第三涵道外壁面43和第三涵道出口44。第三涵道外壁面43通过多个第三涵道支板42沿周向固定于喷管的壁面外围，喷管外壁面和第三涵道外壁面43之间形成第三涵道。第三涵道支板42为环形片状结构，沿着喷管轴向均布在第三涵道3-10处，用于支撑第三涵道外壁面43。第三涵道支板42上开有小孔，冷却气流会通过小孔在第三涵道内流动。第三涵道出口44位于喷管扩张段2轴向长度的1\3处，第三涵道的出口44径向高度为进气口11直径的1\15,环形间隙的重合部分长度为进气口11直径的1\10。
扰流肋-气膜冷却结构5包括气膜冷却孔51和扰流肋52。气膜冷却孔51均布于第三涵道出口44前侧的喷管扩张段2壁面和喷管排气口21处的喷管壁面；均布方式为，沿着三涵道S弯喷管轴向均布多排，相邻两排通孔以顺排或插排方式布置。气膜冷却孔51的孔径为d,每排内相邻孔之间的距离为2d～6d，相邻两排孔之间的间距为2d～10d。扰流肋52为圆形或方形的实心结构，其特征尺寸为进气口11直径的1\100，扰流肋52通过焊接方式固连到喷管壁面，且沿着喷管轴向均布在喷管外壁面5-20处，扰流肋52可以加强第三涵道内的冷却气流和喷管壁面的对流换热效果，同时扰流肋52还可以起到了壁面加强筋的作用，防止喷管壁面由于大的气动载荷与热载荷产生结构变形。
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)
1.一种带扰流肋-气膜冷却结构的三涵道S弯喷管，沿气流方向依次为收敛段、扩张段，并在外围设置第三涵道；收敛段的入口为喷管的进气口，包括内涵进气口和外涵进气口，扩张段的出口为喷管的排气口，收敛与扩张的衔接处形成喷管喉道；其特征在于：还包括扰流肋-气膜冷却结构和流道调节装置；
所述第三涵道的出口是位于扩张段的环形出口，由扩张段外壁面套装于扩张段内壁面的重叠部分之间的环形缝隙构成；
所述扰流肋-气膜冷却结构包括气膜冷却孔和扰流肋，若干所述气膜冷却孔沿周向布置于外涵气流与第三涵道冷却气流无法覆盖的喷管壁面，即靠近环形出口的扩张段内壁面上和喷管排气口处的扩张段外壁面上，冷却气流通过气膜冷却孔流入喷管内部，并覆盖于喷管内壁面上；喷管外壁面上沿中心线设置有多个环形凸起，作为扰流肋；
所述流道调节装置包括可调喷管壁面和作动筒，所述可调喷管壁面是由多个片状结构组成的环形，各片状结构的根部沿周向铰接于扩张段内壁面的出口，作为所述环形出口的内环面的一部分；所述作动筒与片状结构一一对应，其固定端与扩张段内壁面的外周面铰接，作动端与片状结构的外侧面铰接；通过作动端的伸缩控制片状结构的转动位置，进而改变第三涵道的环形出口的径向截面积。
2.根据权利要求1所述带扰流肋-气膜冷却结构的三涵道S弯喷管，其特征在于：所述第三涵道结构包括第三涵道入口、第三涵道支板、第三涵道外壁面和第三涵道出口；所述第三涵道外壁面通过多个沿中心线设置的第三涵道支板固定于喷管的壁面外围；喷管外壁面和第三涵道内壁面之间形成第三涵道；所述第三涵道为单独流道，其入口与第三涵道风扇连接，且进入第三涵道入口的气体是经过加压后的冷却气流；所述第三涵道出口位于喷管扩张段，冷气流通过所述第三涵道出口流入喷管内部，并覆盖在其后的喷管扩张段的壁面上，起到冷却作用。
3.根据权利要求1所述带扰流肋-气膜冷却结构的三涵道S弯喷管，其特征在于：所述第三涵道支板为环形片状结构，沿着喷管轴向均布在第三涵道3-10处，用于支撑第三涵道外壁面；并在第三涵道支板上开有若干小孔，冷却气流通过小孔在第三涵道内流动。
4.根据权利要求1所述带扰流肋-气膜冷却结构的三涵道S弯喷管，其特征在于：所述第三涵道出口位于喷管扩张段的轴向长度1\3处，由扩张段内壁面、扩张段外壁面形成的环形空隙；所述第三涵道的出口径向高度为喷管进气口直径的1\15,所述第三涵道轴向长度为进气口直径的1\10。
5.根据权利要求1所述带扰流肋-气膜冷却结构的三涵道S弯喷管，其特征在于：所述收敛段与扩张段均为S形，收敛段和扩张段在轴向的长度比在1：2至3:2之间。
6.根据权利要求1所述带扰流肋-气膜冷却结构的三涵道S弯喷管，其特征在于：若干所述气膜冷却孔沿喷管外周面均布；均布方式为，沿S弯喷管轴向均布多排，相邻两排通孔以顺排或插排方式布置；所述气膜孔的孔径为d,每排内相邻孔之间的周向距离为2d～6d，相邻两排孔之间的间距为2d～10d。
7.根据权利要求1所述带扰流肋-气膜冷却结构的三涵道S弯喷管，其特征在于：所述扰流肋为截面是圆形或方形的实心环形凸起，其径向高度为进气口直径的1\100，扰流肋通过焊接方式固连到喷管外壁面，且沿着喷管轴向均布在喷管外壁面5-20处；所述扰流肋能够加强第三涵道内的冷却气流和喷管壁面的对流换热效果，同时起到了壁面加强筋的作用，防止喷管壁面由于大的气动载荷与热载荷产生结构变形。
8.根据权利要求1所述带扰流肋-气膜冷却结构的三涵道S弯喷管，其特征在于：所述可调喷管壁面包括4个片状结构，分别构成所在位置的喷管矩形截面的四个边。
9.根据权利要求1所述带扰流肋-气膜冷却结构的三涵道S弯喷管，其特征在于：所述喷管总长度与喷管进气口直径之比在1.8至3之间，所述喷管喉道截面积与进气口面积比在0.4至0.9之间，且喷管喉道面积与排气口面积比在0.4至0.9之间。
10.根据权利要求1所述带扰流肋-气膜冷却结构的三涵道S弯喷管，其特征在于：所述喷管的进气口为圆形，排气口为矩形，且排气口宽高比为3～15。
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