CN113339156A - 一种双轴承二元塞式矢量喷管 - Google Patents

Abstract

本发明一种双轴承二元塞式矢量喷管，属于航空发动机领域；包括第一段筒体、第二段筒体和尾喷口，所述第一段筒体的一端与发动机连接，另一端与第二段筒体的入口端连接，第一段筒体和第二段筒体之间通过第一轴承连接，使第二段筒体能够绕轴360°旋转，即喷管的轴向偏转；尾喷口通过支撑结构安装于第二段筒体的出口端，支撑结构入口处为圆转方过渡段；尾喷口内设置有塞锥；支撑结构的出口通过第二轴承与尾喷口的入口连接，使得塞锥及尾喷口能够沿着第二轴承的轴向偏转，即喷管的横向偏转。本发明减轻了喷管重量，具有良好的应用前景。同时喷管尾部的塞锥能够对内部部件进行有效遮挡，使得塞式喷管具有较好的电磁散射特性与红外抑制前景。

Description

一种双轴承二元塞式矢量喷管

技术领域

本发明属于航空发动机领域，具体涉及一种双轴承二元塞式矢量喷管。

背景技术

现代的作战飞机采用矢量偏转技术以后在空战中能够获得较大优势，即通过尾喷管的偏转，获得附加力矩，实现飞行姿态的控制。传统的喷管无法实现对内部高温部件的遮挡，造成红外特征明显、隐身效果不佳等问题，而塞式喷管作为一种机械式矢量喷管，在红外抑制、电磁散射与矢量偏转等方面具有优势，已经被应用于实际的轴对称喷管和二元喷管中。

目前国内外相关研究人员已设计出许多塞式喷管，结构上主要分为轴对称塞式喷管和二元塞式喷管。但国内针对可进行矢量偏转的二元塞式喷管的设计还很少。授权公告号CN106762219B，授权日2019.03.22，名称为“一种新式二元塞式喷管”的发明专利，该方案提供一种新式二元塞式喷管，包括支撑构件、锥体、混合器，其优点是中心锥和塞锥一体化设计，整个气动流路过渡光滑，气动损失小，可以实现发动机内部高温部件的完全遮挡，具有良好的隐身能力，同时兼具结构简单、长度短、重量轻的优点。其不足之处在于喷管方向不可调节，不具有矢量偏转特性。同时传统的矢量喷管多以三轴承设计以达到矢量偏转的目的，通过三段不均匀筒体的旋转组合实现全向的偏转，但这种三轴承设计会增加喷管的重量，其长度也会存在过长的问题，如公布号CN109505708A，公布日期2019.03.22的专利所示。

针对目前国内的二元塞式喷管并无偏转特性设计的这一不足，需要一种能够进行全向矢量偏转的、结构简单的二元塞式喷管。

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，本发明提出一种双轴承二元塞式矢量喷管，是一种全向矢量喷管，能达到轴向与横向偏转的目的。

本发明的技术方案是：一种双轴承二元塞式矢量喷管，包括第一段筒体、第二段筒体和尾喷口，所述第一段筒体的一端与发动机连接，另一端与第二段筒体的入口端连接，所述第二段筒体的出口端设置有尾喷口；其特征在于：所述第一段筒体和第二段筒体之间通过第一轴承连接，使第二段筒体能够绕轴360°旋转，即喷管的轴向偏转；

所述尾喷口通过支撑结构安装于第二段筒体的出口端，所述支撑结构入口处为圆转方过渡段，由与第二段筒体的出口端相配合的截面逐渐转化为矩形出口；所述尾喷口内设置有塞锥；所述支撑结构的出口通过第二轴承与尾喷口的入口连接，使得塞锥及尾喷口能够沿着第二轴承的轴向偏转，即喷管的横向偏转。

本发明的进一步技术方案是：所述第一段筒体的尾部为扩张段，其内包括内外涵道和混合器，所述内涵道流过的高温燃气与外涵道流过的冷却气经混合器混合后排向第二段筒体。

本发明的进一步技术方案是：所述第二段筒体通过作动机构与电动机相连，通过电动机产生的动力，使第二段筒体能够实现轴向旋转，改变气流的流动。

本发明的进一步技术方案是：所述塞锥及尾喷口为一体化成型。

本发明的进一步技术方案是：所述塞锥包括前缘和后缘，前缘设置有与第二轴承配合安装的圆轴，前缘外轮廓面的上下侧面与圆轴相切、且上下侧面延长线过尾喷口的中心轴；所述后缘位于尾喷口的出口处，其截面为锥形。

本发明的进一步技术方案是：所述塞锥的前缘位于与轴承连接的圆轴部分为实心结构，其余部分及塞锥后缘为中空结构，以减轻塞锥重量。

本发明的进一步技术方案是：所述混合器为波瓣混合器、环形混合器或漏斗形混合器。

本发明的进一步技术方案是：所述双轴承二元塞式矢量喷管的尺寸为：长度2300mm、内涵道直径750mm、外涵道直径1000mm；

第一段筒体长560mm；第二段筒体长1050mm；圆转方过渡段长290mm、圆转方过渡段由直径1085mm圆柱过渡到长为950mm宽为750mm的矩形；

塞锥前缘直径145mm、塞锥前部角30°、塞锥后部角20°、塞锥前后缘的过渡段圆弧半径10mm、塞锥长700mm、高113mm。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明的双轴承塞式喷管，是一种全向矢量塞式喷管。传统矢量喷管通过三轴承设计达到全向偏转，而本发明巧妙之处在于通过在喷管前段设置一个轴承达到轴向转动的目的、通过在塞锥前缘设置第二个轴承达到横向偏转的目的，两个轴承的配合转动可使喷管进行全向的矢量偏转，因此相较于传统三轴承达到全向偏转目的的喷管，本发明减少了一个轴承，减轻了喷管重量，具有良好的应用前景。同时喷管尾部的塞锥能够对内部部件进行有效遮挡，使得塞式喷管具有较好的电磁散射特性与红外抑制前景。其中塞锥前部角设计在30°左右，有利于减小气流的流动损失。

参考图4所示，为本发明提出的双轴承二元塞式矢量喷管的后视图，表明塞锥能够对发动机内部高温部件实现遮挡，使其在红外隐身方面具有优势。同时除了塞锥前缘部分结构于圆轴一体成型外，包括后缘在内的其余结构为中空设计，有利于降低塞锥重量，同时中空设计也有利于后续塞锥内部冷却流道的设计，以降低其表面温度，因此有较好的红外隐身效果前景。

参考图5和图6所示，是利用迭代物理光学法对上述二元塞式喷管模型进行RCS仿真计算获得的结果，即在X波段某频率下，水平极化和垂直极化的仿真结果。在水平探测平面内，由于二元喷管结构的对称性，故只需计算在后向0°～30°探测角范围内的RCS值。以水平极化方式为例，由于塞锥在某些角度范围内对镜面反射回波的遮挡作用，本发明涉及的二元塞式喷管仿真获得的RCS均值(7.62dBsm)相较于原始喷管模型(14.44dBsm)降低了约47％，因此本发明提出的双轴承二元塞式矢量喷管具有良好的电磁散射特性。

附图说明

图1为本发明双轴承二元塞式矢量喷管整体示意图。

图2为本发明双轴承二元塞式矢量喷管沿中间对称面剖视图。

图3为本发明双轴承二元塞式矢量喷管第一段筒体内部件的结构示意图，内涵、外涵、中心锥、混合器。

图4为本发明双轴承二元塞式矢量喷管后视图。

图5为本发明双轴承二元塞式矢量喷管后向0°～30°水平探测角内垂直极化方式下RCS分布曲线图。

图6为本发明双轴承二元塞式矢量喷管后向0°～30°水平探测角内水平极化方式下RCS分布曲线图。

附图标记说明：1.喷管第一段筒体，11.(波瓣)混合器，12.中心锥，2.第二段筒体，21.第一、二段筒体连接处轴承，3.支撑结构，31.圆转方过渡段，32.塞锥处轴承，4.塞锥及其尾喷口部分，41.塞锥(后缘)。

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。

参照图1所示，本发明一种双轴承二元塞式矢量喷管，包括第一段筒体、第二段筒体和尾喷口，所述第一段筒体的一端与发动机连接，另一端与第二段筒体的入口端连接，所述第一段筒体和第二段筒体之间通过第一轴承连接，第二段筒体通过作动机构与电动机相连，通过电动机产生的动力，使第二段筒体能够实现轴向360°旋转，改变气流的流动，即喷管的轴向偏转；所述第一段筒体的尾部为扩张段，其内包括内外涵道和混合器，所述内涵道流过的高温燃气与外涵道流过的冷却气经混合器混合后排向第二段筒体。所述混合器为波瓣混合器、环形混合器或漏斗形混合器。

所述尾喷口通过支撑结构安装于第二段筒体的出口端，所述支撑结构入口处为圆转方过渡段，由与第二段筒体的出口端相配合的截面逐渐转化为矩形出口；所述尾喷口内设置有塞锥，且塞锥与尾喷口为一体化成型。；所述支撑结构的出口通过第二轴承与尾喷口的入口连接，使得塞锥及尾喷口能够沿着第二轴承的轴向偏转，即喷管的横向偏转。

所述塞锥包括前缘和后缘，前缘设置有与第二轴承配合安装的圆轴，前缘外轮廓面的上下侧面与圆轴相切、且上下侧面延长线过尾喷口的中心轴；所述后缘位于尾喷口的出口处，其截面为锥形。

所述塞锥的前缘位于与轴承连接的圆轴部分为实心结构，其余部分及塞锥后缘为中空结构，以减轻塞锥重量。

实施例：

本实施例种双轴承二元塞式矢量喷管的尺寸为：长度2300mm、内涵道直径750mm、外涵道直径1000mm；第一段筒体长560mm；第二段筒体长1050mm；圆转方过渡段长290mm、圆转方过渡段由直径1085mm圆柱过渡到长为950mm宽为750mm的矩形；塞锥前缘直径145mm、塞锥前部角30°、塞锥后部角20°、塞锥前后缘的过渡段圆弧半径10mm、塞锥长700mm、高113mm。

如图1所示，为本发明提出的一种新型双轴承二元塞式矢量喷管整体示意图，包括第一段筒体及内部构件，第二段筒体，支撑结构，塞锥及其尾喷口部分依次首尾对接构成的航空发动机末端部件，其特征1为进口处为圆形，出口处为矩形并带有塞锥的二元喷管，其特征2为具有两个轴承结构，并具有矢量偏转特性，即高温燃气在喷管流动时能够在轴承的作用下实现偏转。

如图2所示，为喷管沿中间对称面剖视图。本发明提出的双轴承二元塞式矢量喷管由四部分组成：

1.第一段筒体及内部构件：如图3所示，圆形进口处包含了用于高温燃气进口的内涵道，冷却气流进口的外涵道，内外涵道之间为用于支撑混合器的环形安装结构，内涵道中间为中心锥。波瓣混合器能够增强两股气流的掺混效果，也可使用环形混合器与漏斗形混合器替代。筒体外壁沿着入口方向的后部存在扩张段，有利于气流的混合、膨胀。

2.第二段筒体：入口处通过轴承结构与第一段筒体相连，通过作动机构与电动机相连，通过电动机产生的动力，使本段筒体与后端部件能够实现轴向旋转，改变气流的流动。

3.支撑结构：入口处为圆转方过渡段，与第二段筒体相连，通过截面过渡形式为圆形、矩形或椭圆形使截面形状由圆形转变为矩形，以和二元喷管出口形状相匹配。支撑结构的后半部分是一个的套筒结构，用于安装喷管的第二个轴承。

4.塞锥及其尾喷口部分：塞锥分为前缘和后缘两个部分，其中轴承处部分圆轴与塞锥前缘为一体结构，当轴承转动时，能够同时带动塞锥实现矢量偏转。塞锥前部角设计在30°左右，有利于减小气流的流动损失，塞锥后部角的取值则需要根据喷管出口收敛段倾角情况确定，即后部角大于倾角时，喷管出口存在收敛-扩张段，当后部角小于倾角时，喷管出口只存在收敛段，本发明所述的塞锥后部角为19～24°之间。塞锥与尾喷口为一体化成型，该设计能够使包含塞锥在内的尾喷口同时实现横向偏转。

沿着气流的流动方向，喷管第一个轴承能够使第二段筒体及后端部件实现360°轴向转动，喷管的第二个轴承能够使塞锥及尾喷口部分实现横向偏转。其中两个轴承的配合转动能使本发明的喷管实现全向的转动，即塞锥及尾喷口在偏转一定角度的同时又可轴向转动，使塞锥不仅局限在水平位置上。同时双轴承设计进一步降低了喷管重量。

参考附图4，为本发明提出的双轴承二元塞式矢量喷管的后视图，表明塞锥能够对发动机内部高温部件实现遮挡，使其在红外隐身方面具有优势。同时除了塞锥前缘部分结构于圆轴一体成型外，包括后缘在内的其余结构为中空设计，有利于降低塞锥重量，同时中空设计也有利于后续塞锥内部冷却流道的设计，以降低其表面温度，因此有较好的红外隐身效果前景。

参考附图5和附图6，是利用迭代物理光学法对上述二元塞式喷管模型进行RCS仿真计算获得的结果，即在X波段某频率下，水平极化和垂直极化的仿真结果。在水平探测平面内，由于二元喷管结构的对称性，故只需计算在后向0°～30°探测角范围内的RCS值。以水平极化方式为例，由于塞锥在某些角度范围内对镜面反射回波的遮挡作用，本发明涉及的二元塞式喷管仿真获得的RCS均值(7.62dBsm)相较于原始喷管模型(14.44dBsm)降低了约47％，因此本发明提出的双轴承二元塞式矢量喷管具有良好的电磁散射特性。

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 (8)

1.一种双轴承二元塞式矢量喷管，包括第一段筒体、第二段筒体和尾喷口，所述第一段筒体的一端与发动机连接，另一端与第二段筒体的入口端连接，所述第二段筒体的出口端设置有尾喷口；其特征在于：所述第一段筒体和第二段筒体之间通过第一轴承连接，使第二段筒体能够绕轴360°旋转，即喷管的轴向偏转；

所述尾喷口通过支撑结构安装于第二段筒体的出口端，所述支撑结构入口处为圆转方过渡段，由与第二段筒体的出口端相配合的截面逐渐转化为矩形出口；所述尾喷口内设置有塞锥；所述支撑结构的出口通过第二轴承与尾喷口的入口连接，使得塞锥及尾喷口能够沿着第二轴承的轴向偏转，即喷管的横向偏转。

2.根据权利要求1所示双轴承二元塞式矢量喷管，其特征在于：所述第一段筒体的尾部为扩张段，其内包括内外涵道和混合器，所述内涵道流过的高温燃气与外涵道流过的冷却气经混合器混合后排向第二段筒体。

3.根据权利要求1所示双轴承二元塞式矢量喷管，其特征在于：所述第二段筒体通过作动机构与电动机相连，通过电动机产生的动力，使第二段筒体能够实现轴向旋转，改变气流的流动。

4.根据权利要求1所示双轴承二元塞式矢量喷管，其特征在于：所述塞锥及尾喷口为一体化成型。

5.根据权利要求1所示双轴承二元塞式矢量喷管，其特征在于：所述塞锥包括前缘和后缘，前缘设置有与第二轴承配合安装的圆轴，前缘外轮廓面的上下侧面与圆轴相切、且上下侧面延长线过尾喷口的中心轴；所述后缘位于尾喷口的出口处，其截面为锥形。

6.根据权利要求1所示双轴承二元塞式矢量喷管，其特征在于：所述塞锥的前缘位于与轴承连接的圆轴部分为实心结构，其余部分及塞锥后缘为中空结构，以减轻塞锥重量。

7.根据权利要求1所示双轴承二元塞式矢量喷管，其特征在于：所述混合器为波瓣混合器、环形混合器或漏斗形混合器。

8.根据权利要求1所示双轴承二元塞式矢量喷管，其特征在于：所述双轴承二元塞式矢量喷管的尺寸为：长度2300mm、内涵道直径750mm、外涵道直径1000mm；

第一段筒体长560mm；第二段筒体长1050mm；圆转方过渡段长290mm、圆转方过渡段由直径1085mm圆柱过渡到长为950mm宽为750mm的矩形；

塞锥前缘直径145mm、塞锥前部角30°、塞锥后部角20°、塞锥前后缘的过渡段圆弧半径10mm、塞锥长700mm、高113mm。

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