CN113107705B - 一种带红外抑制措施的双s弯收扩喷管 - Google Patents
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Abstract
本发明一种带红外抑制措施的双S弯收扩喷管，属于航空发动机领域；包括发动机外涵道、发动机混合器、发动机内涵道、冷却通道、喷管收缩段、喷管扩张段、喷管喉部；冷却通道位于S弯喷管背风区的外周，由覆盖于S弯喷管背风区的冷却通道壁与S弯喷管壁构成；冷却通道起始端设有开口，其余侧均由冷却通道壁边缘与S弯喷管壁连接为封闭结构，并通过旁路进气孔、冷却出口与S弯喷管内连通；多个旁路进气孔沿周向均布于冷却通道起始端，冷却出口位于冷却通道末端，并由多个冷却出气孔与S弯喷管连通。利用冷却通道中的气流降低喷管壁面的温度，从而降低喷管红外辐射特征。利用冷却孔排出的气流改善双S弯喷管背风区域的流动分离，提高喷管推力。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机领域，具体涉及一种带红外抑制措施的双S弯收扩喷管。
背景技术
S弯喷管结构能够遮蔽航空发动机中的涡轮叶片、中心锥等热壁面，从而降低探测器接受到的固体壁面的红外辐射强度；此外，S弯管道与二元或异形出口还加剧了气流的掺混作用，降低了羽流区高温区域的范围，进而降低了燃气的红外辐射强度。在雷达散射方面，S弯喷管结构使得单站雷达接受到的雷达回波强度降低。正是这种结构上的特点，使得S弯喷管能够降低飞行器正后向的红外与雷达特征，在隐身飞机研制中被广泛关注。
当下，喷管中心线的发展逐渐由单弯、双弯甚至到三弯型；喷管流道面积的变化规律由收敛型发展至收扩型；喷管轴向长度由长距离向短距离发展。S弯喷管的结构逐渐紧凑、复杂。大多数的研究分析了S弯喷管的气动问题、发动机匹配问题以及红外隐身及雷达隐身问题。如CN107229798A公开“一种双S弯喷管设计方法”，提出了S弯管道的设计流程，能够提高双S弯喷管的管道型面的生成效率，但在双S弯喷管设计中并未考虑喷管的壁面温度的影响。CN208310917U公开了“一种解决S弯喷管与涡扇发动机匹配问题的转接段结构”，提出改善发动机匹配性的一种结构，从喷管与发动机连接的外形上进行了分析，通过所提出一种收缩形式的连接结构来改善S弯喷管与发动机的匹配性，但未分析S弯喷管的红外隐身性能也没有考虑壁面的冷却。
当双S弯喷管用于小涵道比涡轮发动机中，发动机涡轮出口的高温燃气突破来自外涵道冷流会冲击双S弯喷管的弯曲壁面，造成弯曲部分温度升高，局部热应力增加，甚至会产生气流分离造成气动性能下降，给结构、气动以及红外隐身性能都会带来不利影响，从而影响到飞行器的性能。因此，迫切需要一种技术方案解决双S弯喷管中弯折处温度及压力分布不均匀的问题。
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，本发明提出一种带红外抑制措施的双S弯收扩喷管，用以改善小涵道比发动机高温燃气冲击喷管壁面使得喷管壁面局部温度升高、喷管红外特征增大以及发动机推力损失增加的现象。利用冷却通道中的气流降低喷管壁面的温度，从而降低喷管红外辐射特征。利用冷却孔排出的气流改善双S弯喷管背风区域的流动分离，提高喷管推力。
本发明的技术方案是：一种带红外抑制措施的双S弯收扩喷管，包括发动机外涵道1、发动机内涵道4、发动机混合器3、喷管收缩段6、喷管扩张段7、喷管喉部8，发动机外涵道1的出口、发动机内涵道4的出口均与发动机混合器3的进口连通，发动机混合器3、喷管收缩段6、喷管喉部8、喷管扩张段7依次连接，构成喷管的主流流道；其特征在于：还包括旁路进气孔2、冷却通道5和冷却出口9；冷却通道5位于S弯喷管背风区的外周，由覆盖于S弯喷管背风区的冷却通道壁与S弯喷管壁构成，冷却通道5的径向截面为弧形空腔；冷却通道5位于发动机外涵道1一侧的起始端设有开口，其余侧均由冷却通道壁边缘与S弯喷管壁连接为封闭结构；
所述冷却通道5分别通过旁路进气孔2、冷却出口9与S弯喷管内连通；多个旁路进气孔2沿周向均布于冷却通道5起始端的S弯喷管壁上；冷却出口9位于冷却通道5末端，并由多个冷却出气孔91与S弯喷管连通。
本发明的进一步技术方案是：所述喷管收缩段6包括第一弯段61和第二弯段62，第一弯段61与第二弯段62的连接处是S弯的弯曲转折处63。
本发明的进一步技术方案是：所述喷管收缩段6的流通面积大于喷管喉部8的流通面积，喷管喉部8的流通面积小于喷管扩张段7的流通面积。
本发明的进一步技术方案是：所述冷却通道5末端与S弯喷管壁的连接处位于第二弯段62的背风区。
本发明的进一步技术方案是：所述旁路进气孔2为收缩型管道结构，其位于发动机外涵道1侧的出气口截面积是位于冷却通道5侧的进气口截面积的0.8至0.9；单个旁路进气孔2沿来流方向的投影面积为发动机外涵道面积的0.2％至1％。
本发明的进一步技术方案是：所述旁路进气孔2的数量为7～21个，沿发动机外涵道周向均匀分布，并与喷管收缩段6进口的轴向距离为100mm～300mm。
本发明的进一步技术方案是：所述冷却出气孔91为等径圆管结构，直径为2mm～5mm，其进气口位于冷却出口9端，出气口位于S弯喷管的第二弯段62内。
本发明的进一步技术方案是：所述冷却出口9位于S弯喷管的弯曲转折处63和喷管喉部8之间；冷却出气孔91的数量为15～30个，沿喷管周向均匀分布于冷却出口9；相邻两个冷却出气孔91的间隔宽度为冷却出气孔91直径的4～5倍。
有益效果
本发明的有益效果在于：
1、冷却气流通过冷却通道能够降低双S弯喷管弯折区域的壁面温度，从而降低中波红外辐射强度；当发动机涵道比为0.7时，外涵道温度为400K，内涵道温度为950K时，能够使S弯喷管弯折处壁面最高温度从615K降低至530K，使后向红外辐射强度降低约4％。
2、从外涵道引气冷却喷管收缩段，冷却气从双S弯喷管背风区的冷却出口进入喷管主流流道，没有损失喷管的气流流量，降低了由于流量减小而造成的推力损失。此外，还冷却了双S弯喷管弯折处附近、第一弯段的壁面温度，降低了壁面的温度的不均匀性，减少了由于温度不均匀带来的热疲劳。
3、冷却气从双S弯喷管背风区的冷却出口进入主流流道，能够改善双S弯喷管背风区域气流分离的现象，提高了发动机的推力。当发动机工作在90％转速时，相比存在背风区分离的S弯喷管，能够使总压恢复系数从0.975至0.983，按工程估算方法能够使发动机推力提高0.7％至1.2％。此外，还削弱了由于附面层分离及其再次附着带来的壁面压力脉动，减小了背负区域喷管壁面的由于振动带来的损伤。
4、冷却通道外壁面强化了双S弯喷管的结构，提高了双S弯喷管的使用寿命。
附图说明
图1带红外抑制措施的双S弯收扩喷管轴测图。
图2带红外抑制措施的双S弯收扩喷管整体的示意图。
图3带红外抑制措施的双S弯收扩喷管侧视图。
图4带红外抑制措施的双S弯收扩喷管混合器附近局部放大图。
图5带红外抑制措施的双S弯收扩喷管冷却出口局部视图。
图6带红外抑制措施的双S弯收扩喷管冷却出气孔的排列示意图。
图7带红外抑制措施的双S弯收扩喷管冷却出气孔的结构示意图。
附图标记说明：1.外涵道、2.旁路进气孔、3.发动机混合器、4.发动机内涵道、5.冷却通道、6.喷管收缩段、61.第一弯段、62.第二弯段、63.弯曲转折处、7.喷管扩张段、8.喷管喉部、9.冷却出口、91.冷却出气孔、10.中心锥、11.支板、12.发动机。
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。
如图1到图5所示，本发明包含的组件有：发动机外涵道1、旁路进气孔2、发动机混合器3、发动机内涵道4、冷却通道5、喷管收缩段6、喷管扩张段7、喷管喉部8、冷却出口9。
发动机外涵道1的出口、发动机内涵道4的出口同时与发动机混合器3的进口连通，发动机混合器3、喷管收缩段6、喷管喉部8、喷管扩张段7依次连接，构成喷管的主流流道。
喷管收缩段6包括第一弯段61和第二弯段62，第一弯段61与第二弯段62的连接处是弯曲转折点63。
冷却通道5位于发动机外涵道1的外周，由覆盖于S弯喷管背风区的冷却通道壁与S弯喷管壁构成，冷却通道(5)的径向截面为弧形空腔；旁路进气孔2位于冷却通道5的起点处，并将发动机外涵道1与冷却通道5连通；冷却出口9位于冷却通道5的终点处，并通过冷却出气孔91将冷却通道5与第二弯段6连通。
具体地，喷管收缩段的流通面积大于喷管喉部的流通面积，喷管喉部的流通面积小于喷管扩张段的流通面积，如图2所示。
本实施例中，旁路进气孔2的数量为7个，沿发动机外涵道周向均匀分布，旁路进气孔2与喷管收缩段进口的轴向距离为200mm，如图3所示。冷却通道5在喷管对称面处的间隙h＝30mm。
单个旁路进气孔沿来流方向的投影面积为发动机外涵道面积的0.2％，旁路进气孔的流道呈收缩状，旁路进气孔的出口面积是其进口面积的0.8至0.9。旁路进气孔2的尺寸参数，直径Φ1＝直径Φ2＝10mm，长度SL1＝30mm，半宽度SH＝4mm。旁路进气孔2距离喷管进口处距离L1＝200mm处。旁路进气孔2出口面积是进口面积的90％，呈收缩型管道。
如图5所示，冷却出气孔91的数量为19个，。位于弯曲转折点和喷管喉部之间，冷却出气孔中心点距弯曲转折点63轴向距离为730mm。冷却出口9宽度W2为此处喷管宽度的90％，Φ3是冷却气出口直径,为4mm；开孔宽度比出口流道9宽度W2小3倍的Φ3，即W1＝W2-3Φ3；冷却出口孔的间隔宽度W3为4Φ3；冷却出口孔91与喷管收缩段后段62的夹角θ1为150°。冷却出气孔91与冷却出口9连接处的高度H2为15mm，冷却出气沿喷管周向均匀分布。
发动机外涵道中的部分气流经过旁路进气孔2加速进入冷却通道5，冷却喷管收缩段后，经过冷却出气孔，进入喷管主流流道。
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 (5)
1.一种带红外抑制措施的双S弯收扩喷管，包括发动机外涵道(1)、发动机内涵道(4)、发动机混合器(3)、喷管收缩段(6)、喷管扩张段(7)、喷管喉部(8)，发动机外涵道(1)的出口、发动机内涵道(4)的出口均与发动机混合器(3)的进口连通，发动机混合器(3)、喷管收缩段(6)、喷管喉部(8)、喷管扩张段(7)依次连接，构成喷管的主流流道；其特征在于：还包括旁路进气孔(2)、冷却通道(5)和冷却出口(9)；冷却通道(5)位于S弯喷管背风区的外周，由覆盖于S弯喷管背风区的冷却通道壁与S弯喷管壁构成，冷却通道(5)的径向截面为弧形空腔；冷却通道(5)位于发动机外涵道(1)一侧的起始端设有开口，其余侧均由冷却通道壁边缘与S弯喷管壁连接为封闭结构；
所述冷却通道(5)分别通过旁路进气孔(2)、冷却出口(9)与S弯喷管内连通；多个旁路进气孔(2)沿周向均布于冷却通道(5)起始端的S弯喷管壁上；冷却出口(9)位于冷却通道(5)末端，并由多个冷却出气孔(91)与S弯喷管连通；所述冷却出口(9)位于S弯喷管的弯曲转折处(63)和喷管喉部(8)之间；
所述喷管收缩段(6)包括第一弯段(61)和第二弯段(62)，第一弯段(61)与第二弯段(62)的连接处是S弯的弯曲转折处(63)；
所述冷却通道(5)末端与S弯喷管壁的连接处位于第二弯段(62)的背风区；
所述旁路进气孔(2)为收缩型管道结构，其位于发动机外涵道(1)侧的出气口截面积是位于冷却通道(5)侧的进气口截面积的0.8至0.9倍；单个旁路进气孔(2)沿来流方向的投影面积为发动机外涵道面积的0.2％至1％。
2.根据权利要求1所述带红外抑制措施的双S弯收扩喷管，其特征在于：所述旁路进气孔(2)的数量为7～21个，沿发动机外涵道周向均匀分布，并与喷管收缩段(6)进口的轴向距离为100mm～300mm。
3.根据权利要求1所述带红外抑制措施的双S弯收扩喷管，其特征在于：所述冷却出气孔(91)为等径圆管结构，直径为2mm～5mm，其进气口位于冷却出口(9)端，出气口位于S弯喷管的第二弯段(62)内。
4.根据权利要求1所述带红外抑制措施的双S弯收扩喷管，其特征在于：所述冷却出气孔(91)的数量为15～30个，沿喷管周向均匀分布于冷却出口(9)；相邻两个冷却出气孔(91)的间隔宽度为冷却出气孔(91)直径的4～5倍。
5.根据权利要求1所述带红外抑制措施的双S弯收扩喷管，其特征在于：所述喷管收缩段(6)的流通面积大于喷管喉部(8)的流通面积，喷管喉部(8)的流通面积小于喷管扩张段(7)的流通面积。
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