CN113309585A - 排气结构及发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种排气结构及发动机，安装于发动机的涡轮部件与飞机的排气系统之间，排气结构包括用于分别连接涡轮部件的排气端和排气系统的进气端的外罩、安装于外罩内的内锥体、用于连接内锥体与外罩的支板以及与内锥体的排气端连接且径向尺寸逐渐变小的尾锥体，支板的内端固定于内锥体上，外罩的内壁面上沿径向设有用于插设支板的外端的插槽，通过将支板的外端插入插槽内，支板的外端可在插槽内沿径向移动，以自适应内锥体、支板和/或外罩的径向膨胀量；内锥体的外壁面通过多个支板与外罩的内壁面连接，内锥体与外罩之间形成沿气流方向逐渐扩张的排气通道，进而通过尾锥体将排气通道排出的气流进一步扩张减速后流至排气系统。

Description

排气结构及发动机
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，特别地，涉及一种排气结构及发动机。
背景技术
排气结构是涡桨型航空发动机的重要结构件之一，它装在发动机涡轮部件与飞机排气管之间，为用于组织排气的重要构件，它将涡轮部件后的燃气继续膨胀，同时将燃气中剩余能量转换产生很小的反作用推力，从而提高发动机工作效率。
现有技术中，支板两端分别直接焊接在外罩和内锥体上，在工作过程中支板存在热胀冷缩现象，容易产生拉、缩应力，引起支板、外罩和内锥体出现裂纹，从而影响排气结构的可靠性，进而影响发动机安全使用。且排气通道呈环形直桶状，整个气流通道内径不变，燃气速度不变，容易导致飞机上发动机排气系统受到燃气的冲击，燃气流动损失较大。
发明内容
本发明提供了一种排气结构及发动机，以解决现有的排气结构由于支板受热膨胀而可靠性降低，以及发动机的涡轮部件排出的气体经排气结构排出至排气系统后排气系统容易受到燃气的冲击，且燃气流动损失较大的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种排气结构，安装于发动机的涡轮部件与飞机的排气系统之间，排气结构包括用于分别连接涡轮部件的排气端和排气系统的进气端的外罩、安装于外罩内的内锥体、用于连接内锥体与外罩的支板以及与内锥体的排气端连接且径向尺寸逐渐变小的尾锥体，支板的内端固定于内锥体上，外罩的内壁面上沿径向设有用于插设支板的外端的插槽，通过将支板的外端插入插槽内，支板的外端可在插槽内沿径向移动，以自适应内锥体、支板和/或外罩的径向膨胀量；内锥体的外壁面通过多个支板与外罩的内壁面连接，内锥体与外罩之间形成沿气流方向逐渐扩张的排气通道，进而通过尾锥体将排气通道排出的气流进一步扩张减速后流至排气系统。
进一步地，内锥体上设有用于支板的内端插入的插孔，排气结构还包括与支板的内端和内锥体的外壁面连接的外加强边以及与支板的内端和内锥体的内壁面连接的内加强边。
进一步地，外加强边的一端与内锥体的外壁面贴合连接，外加强边的另一端朝内锥体外弯曲并与支板连接，内加强边的一端与内锥体的内壁面贴合连接，内加强边的另一端朝内锥体内弯曲并与支板连接，通过外加强边和内加强边上的弯曲部位的弹性变形自适应内锥体和支板的轴向膨胀量。
进一步地，排气结构包括固定于外罩的内壁面上的支板底座以及与支板底座连接的支板套，支板的外端插设于支板套内，支板底座的一端与外罩的内壁面贴合连接，支板底座的另一端朝外罩内弯曲并与支板套连接，通过支板底座上的弯曲部位的弹性变形自适应外罩和支板的轴向膨胀量。
进一步地，支板套的端部设有向插槽内延伸的收口结构，或者支板套的端部设有朝插槽内倾斜布设的加固片，通过收口结构或加固片沿轴向夹紧支板，以限制内锥体相对于外罩的轴向活动量。
进一步地，外罩包括沿气流方向逐渐扩张的外锥筒，内锥体包括沿气流方向逐渐收缩的内锥筒，从而使得外锥筒与内锥筒之间形成沿气流方向逐渐扩张的排气通道。
进一步地，支板内设有空心腔，且支板上开设有与空心腔连通的出气孔。
进一步地，内锥体为具有内腔的筒状结构，内锥体的进气端设有隔板，且隔板上设有与内锥体的内腔相连通的进气孔。
进一步地，外罩上设有用于安装热电偶以测量排气通道内燃气温度的热电偶接头以及用于与油雾分离器的出气端或封严腔的调压口连通的弯管。
根据本发明的另一方面，还提供了一种发动机，包括上述排气结构。
本发明具有以下有益效果：
本发明的排气结构，通过多个支板将内锥体的外壁面与外罩的内壁面连接，且内锥体与外罩之间形成沿气流方向逐渐扩张的排气通道，且内锥体的排气端连接有径向尺寸逐渐变小的尾锥体，从而使得发动机的涡轮部件排出的高速气流先经过排气通道的扩张减速，再经过尾锥体的扩张减速后流至排气系统，从而避免高速气流冲击排气系统，并减少了流动损失。此外，通过将支板的内端固定于内锥体上，而支板的外端沿径向插设于插槽内，使得支板的外端可在插槽内沿径向移动，当内锥体、支板和/或外罩受热而沿径向膨胀以及冷却后沿径向收缩时支板的外端在插槽内沿径向适应性的移动，从而防止内锥体、支板和/或外罩受热膨胀时产生的拉应力以及冷却收缩时产生的缩应力而引起支板、外罩和内锥体出现裂纹，因此，提高了排气结构的可靠性，保证了发动机的安全运行。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的排气结构的结构示意图；
图2是本发明优选实施例的排气结构的结构示意图；
图3是本发明优选实施例的支板的结构示意图；
图4是本发明优选实施例的收口结构的结构示意图；
图5是本发明优选实施例的第四安装边的结构示意图。
图例说明：
1、外罩；2、内锥体；3、支板；4、尾锥体；5、支板底座；6、支板套；7、内加强边；8、外加强边；9、收口结构；10、出气孔；11、隔板；12、进气孔；13、热电偶接头；14、弯管；15、加强环；16、第一安装边；17、第二安装边；18、第三安装边；19、第四安装边；20、垫板；21、保险孔。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
图1是本发明优选实施例的排气结构的结构示意图；图2是本发明优选实施例的排气结构的结构示意图；图3是本发明优选实施例的支板的结构示意图；图4是本发明优选实施例的收口结构的结构示意图；图5是本发明优选实施例的第四安装边的结构示意图。
如图1所示，本实施例的排气结构，安装于发动机的涡轮部件与飞机的排气系统之间，排气结构包括用于分别连接涡轮部件的排气端和排气系统的进气端的外罩1、安装于外罩1内的内锥体2、用于连接内锥体2与外罩1的支板3以及与内锥体2的排气端连接且径向尺寸逐渐变小的尾锥体4，支板3的内端固定于内锥体2上，外罩1的内壁面上沿径向设有用于插设支板3的外端的插槽，通过将支板3的外端插入插槽内，支板3的外端可在插槽内沿径向移动，以自适应内锥体2、支板3和/或外罩1的径向膨胀量；内锥体2的外壁面通过多个支板3与外罩1的内壁面连接，内锥体2与外罩1之间形成沿气流方向逐渐扩张的排气通道，进而通过尾锥体4将排气通道排出的气流进一步扩张减速后流至排气系统。在本实施例中，五个支板3沿内锥体2的周向均匀排布。
本发明的排气结构，通过多个支板3将内锥体2的外壁面与外罩1的内壁面连接，且内锥体2与外罩1之间形成沿气流方向逐渐扩张的排气通道，且内锥体2的排气端连接有径向尺寸逐渐变小的尾锥体4，从而使得发动机的涡轮部件排出的高速气流先经过排气通道的扩张减速，再经过尾锥体4的扩张减速后流至排气系统，从而避免高速气流冲击排气系统，并减少了流动损失。此外，通过将支板3的内端固定于内锥体2上，而支板3的外端沿径向插设于插槽内，使得支板3的外端可在插槽内沿径向移动，当内锥体2、支板3和/或外罩1受热而沿径向膨胀以及冷却后沿径向收缩时支板3的外端在插槽内沿径向适应性的移动，从而防止内锥体2、支板3和/或外罩1受热膨胀时产生的拉应力以及冷却收缩时产生的缩应力而引起支板3、外罩1和内锥体2出现裂纹，因此，提高了排气结构的可靠性，保证了发动机的安全运行。
内锥体2上设有用于支板3的内端插入的插孔，排气结构还包括与支板3的内端和内锥体2的外壁面连接的外加强边8以及与支板3的内端和内锥体2的内壁面连接的内加强边7。通过将支板3的内端插设于插孔中，从而通过外加强边8和内加强边7分别从内锥体2的外侧和内侧将支板3进行固定，进一步地提高了支板3的可靠性。在本实施例中，外加强边8和内加强边7均通过焊接的方式与支板3和内锥体2连接。
外加强边8的一端与内锥体2的外壁面贴合连接，外加强边8的另一端朝内锥体2外弯曲并与支板3连接，内加强边7的一端与内锥体2的内壁面贴合连接，内加强边7的另一端朝内锥体2内弯曲并与支板3连接，通过外加强边8和内加强边7上的弯曲部位的弹性变形自适应内锥体2和支板3的轴向膨胀量。
排气结构包括与外罩1的内壁面连接的支板底座5以及与支板底座5连接的支板套6，支板3的外端插设于支板套6内，支板底座5的一端与外罩1的内壁面贴合连接，支板底座5的另一端朝外罩1内弯曲并与支板套6连接，通过支板底座5上的弯曲部位的弹性变形自适应外罩1和支板3的轴向膨胀量。工作时，支板3、内锥体2以及外罩1受热后径向膨胀量较大，轴向膨胀量较小，因此通过将支板3的外端插入支板套6的插槽内，使支板3与支板套6可发生径向上的相对运动，从而自适应较大的径向膨胀量；通过利用外加强边8、内加强边7以及支板底座5上的弯曲部位的弹性变形能力自适应支板3、内锥体2以及外罩1受热时产生的较小的轴向膨胀量，从而防止支板3、内锥体2以及外罩1受热时轴向膨胀时产生的拉应力以及冷却时轴向收缩产生的缩应力而影响结构稳定性。在本实施例中，支板底座5与外罩1的内壁面焊接连接。支板套6与支板底座5焊接连接。
支板套6的端部设有向插槽内延伸的收口结构9，或者支板套6的端部设有朝插槽内倾斜布设的加固片，通过收口结构9或加固片沿轴向夹紧支板3，以限制内锥体2相对于外罩1的轴向活动量。为确保支板3在两个支板套6之间沿径向移动，支板3与支板套6之间为间隙配合，但同时为避免内锥体2与外罩1在轴向上产生的相对位移过大而造成结构不稳定，通过在支板套6的端部设置收口结构9或焊接加固片，从而沿轴向夹紧支板3，同时不会阻碍支板3的径向移动。在本实施例中，支板套6与支板3之间的配合间隙为0.3mm。收口结构9的长度为7mm，内锥体2相对于外罩1的轴向活动量为0mm。由于支板套6靠近外罩1的进气端处的前边沿长度较小，难以设置收口结构9或焊接加固片，因此只在支板套6靠近外罩1的排气端处的后边沿设置收口结构9或焊接加固片。可选地，支板套6端部的前边沿和后边沿均可设置收口结构9或焊接加固片。
外罩1包括沿气流方向逐渐扩张的外锥筒，内锥体2包括沿气流方向逐渐收缩的内锥筒，从而使得外锥筒与内锥筒之间形成沿气流方向逐渐扩张的排气通道。根据发动机排出的高速气流的速度以及扩张减速的需求确定外锥筒和内锥筒的角度。在本实施例中，外锥筒的延伸方向与发动机的轴向之间的夹角为10度。内锥筒的延伸方向与发动机的轴向之间的夹角为9度。可选地，外罩1为直筒结构，内锥体2包括沿气流方向逐渐收缩的内锥筒。可选地，外罩1包括沿气流方向逐渐扩张的外锥筒，内锥体2为直筒结构。
支板3内设有空心腔，且支板3上开设有与空心腔连通的出气孔10。内锥体2为具有内腔的筒状结构，且内锥体2的进气端设有隔板11，且隔板11上设有与内锥体2的内腔相连通的进气孔12。在本实施例中，支板3的空心腔与内锥体2的内腔相连通。内锥体2的进气端上焊接固定有加强环15，隔板11焊接固定于内锥体2上。通过在支板3内设置空心腔，以及在内锥体2内设置内腔，有利于支板3与内锥体2的冷却。通过在隔板11上开设进气孔12，以及在支板3上开设进气孔12，使得涡轮部件排出的一小部分气流从隔板11上的进气孔12进入内锥体2的内腔中，进而进入支板3的空心腔中，最后从支板3上的出气孔10排出至排气通道中，避免支板3内外以及内锥体2内外产生压差，提高支板3和内锥体2的可靠性，同时也有效地防止发动机内的气流与内锥体2内的气流串流而造成燃气热量损失，从而提高发动机的工作效率。
在本实施例中，外罩1的进气端设有用于与涡轮部件的排气端连接的第一安装边16。外罩1的排气端设有用于与排气系统的进气端连接的第二安装边17。内锥体2的排气端设有用于与尾锥体4连接的第三安装边18。第一安装边16、第二安装边17以及第三安装边18的安装边均与发动机的轴线垂直。第一安装边16上的安装孔相对与第三安装边18上的安装孔的角向位移为0.3mm，以保证尾椎体的角向位置准确。
尾锥体4的布设角度根据排气系统的装配需求进行设计，避免尾锥体4与排气系统的进气端的结构相互干涉，便于发动机外场安装于维护。在本实施例中，尾锥体4为板料冲压后焊接而成的圆锥体结构。尾锥体4的轴线与发动机的轴线之间的夹角为7度。尾锥体4包括用于与内锥体2连接的第四安装边19、与第四安装边19连接的尾椎以及固定于第四安装边19上的垫板20，通过螺钉穿过垫板20和第四安装边19后与内锥体2的第三安装边18连接。垫板20上开设有用于锁片锁紧的保险孔21。
外罩1上设有用于安装热电偶以测量排气通道内燃气温度的热电偶接头13以及用于与油雾分离器的出气端或封严腔的调压口连通的弯管14。在本实施例中，外罩1的外壁上焊有四个热电偶接头13以及两个弯管14。热电偶接头13用于安装测量出口燃气温度的热电偶，方便随时监控发动机的工作温度。一个弯管14与油雾分离器的出气端连通，以将油雾分离器分离出来的空气及时排出，从而保证了发动机内腔的压力，进而保证了发动机封严和润滑效果。另一个弯管14与封严腔的调压口连通，以将卸压腔和封严腔的空气引出，从而达到控制和调节封严空气的压力，进而保证了发动机封严和润滑效果。
本实施例的发动机，包括上述排气结构。发动机的涡轮部件排出的高速气流经排气结构的排气通道和尾锥体4扩张减速后进入飞机的排气系统中，有效地避免了高速气流直接冲击排气系统，并减少了流动损失。此外，排气结构在工作过程中受热膨胀时，支板3的外端在插槽内沿径向移动，从而自适应内锥体2、支板3以及外罩1受热产生的径向膨胀量，以及通过内加强边7、外加强边8以及支板底座5上弯曲部位的弹性变形能力自适应内锥体2、支板3以及外罩1受热产生的轴向膨胀量，从而提高了整个排气结构的可靠性，有利于发动机的正常运行。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种排气结构，安装于发动机的涡轮部件与飞机的排气系统之间，其特征在于，
排气结构包括用于分别连接涡轮部件的排气端和排气系统的进气端的外罩(1)、安装于外罩(1)内的内锥体(2)、用于连接内锥体(2)与外罩(1)的支板(3)以及与内锥体(2)的排气端连接且径向尺寸逐渐变小的尾锥体(4)，
支板(3)的内端固定于内锥体(2)上，外罩(1)的内壁面上沿径向设有用于插设支板(3)的外端的插槽，通过将支板(3)的外端插入插槽内，支板(3)的外端可在插槽内沿径向移动，以自适应内锥体(2)、支板(3)和/或外罩(1)的径向膨胀量；
内锥体(2)的外壁面通过多个支板(3)与外罩(1)的内壁面连接，内锥体(2)与外罩(1)之间形成沿气流方向逐渐扩张的排气通道，进而通过尾锥体(4)将排气通道排出的气流进一步扩张减速后流至排气系统。
2.根据权利要求1所述的排气结构，其特征在于，
内锥体(2)上设有用于支板(3)的内端插入的插孔，排气结构还包括与支板(3)的内端和内锥体(2)的外壁面连接的外加强边(8)以及与支板(3)的内端和内锥体(2)的内壁面连接的内加强边(7)。
3.根据权利要求2所述的排气结构，其特征在于，
外加强边(8)的一端与内锥体(2)的外壁面贴合连接，外加强边(8)的另一端朝内锥体(2)外弯曲并与支板(3)连接，内加强边(7)的一端与内锥体(2)的内壁面贴合连接，内加强边(7)的另一端朝内锥体(2)内弯曲并与支板(3)连接，通过外加强边(8)和内加强边(7)上的弯曲部位的弹性变形自适应内锥体(2)和支板(3)的轴向膨胀量。
4.根据权利要求1所述的排气结构，其特征在于，
排气结构包括固定于外罩(1)的内壁面上的支板底座(5)以及与支板底座(5)连接的支板套(6)，支板(3)的外端插设于支板套(6)内，
支板底座(5)的一端与外罩(1)的内壁面贴合连接，支板底座(5)的另一端朝外罩(1)内弯曲并与支板套(6)连接，通过支板底座(5)上的弯曲部位的弹性变形自适应外罩(1)和支板(3)的轴向膨胀量。
5.根据权利要求4所述的排气结构，其特征在于，
支板套(6)的端部设有向插槽内延伸的收口结构(9)，或者支板套(6)的端部设有朝插槽内倾斜布设的加固片，
通过收口结构(9)或加固片沿轴向夹紧支板(3)，以限制内锥体(2)相对于外罩(1)的轴向活动量。
6.根据权利要求1所述的排气结构，其特征在于，
外罩(1)包括沿气流方向逐渐扩张的外锥筒，内锥体(2)包括沿气流方向逐渐收缩的内锥筒，从而使得外锥筒与内锥筒之间形成沿气流方向逐渐扩张的排气通道。
7.根据权利要求1所述的排气结构，其特征在于，
支板(3)内设有空心腔，且支板(3)上开设有与空心腔连通的出气孔(10)。
8.根据权利要求7所述的排气结构，其特征在于，
内锥体(2)为具有内腔的筒状结构，内锥体(2)的进气端设有隔板(11)，且隔板(11)上设有与内锥体(2)的内腔相连通的进气孔(12)。
9.根据权利要求1所述的排气结构，其特征在于，
外罩(1)上设有用于安装热电偶以测量排气通道内燃气温度的热电偶接头(13)以及用于与油雾分离器的出气端或封严腔的调压口连通的弯管(14)。
10.一种发动机，其特征在于，包括权利要求1-9任一所述的排气结构。
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