CN113982755A - 防冰喷嘴、防冰装置和航空发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空发动机防冰技术领域，特别涉及一种防冰喷嘴、防冰装置和航空发动机。本发明的防冰喷嘴，包括：喷嘴腔体，内部设有空腔，并包括前壁和侧壁，侧壁连接于前壁的四周并包括连接于前壁左右两侧的左壁和右壁，喷嘴腔体的后端设有进气口，进气口用于与将除冰气体引入分流环中的分流管的出口连通；其中，前壁上设有第一孔，左壁上设有第二孔，右壁上设有第三孔，且第一孔的总通流面积小于第二孔和第三孔的总通流面积。将本发明的防冰喷嘴设置于分流管的出口，能有效改善分流环的热均匀性。

Description

防冰喷嘴、防冰装置和航空发动机

技术领域

本发明涉及航空发动机防冰技术领域，特别涉及一种防冰喷嘴、防冰装置和航空发动机。

背景技术

结冰对飞行安全的影响极大，尤其对于航空发动机来说，一旦发生结冰，轻则引起发动机进气不畅，降低发动机的工作效率；重则引起发动机熄火，甚至物理损伤，引发严重安全事故。

分流环是航空发动机的位于风扇下游用于分隔内外涵气流的物理元件，对其进行防冰设计是必要的。

对分流环一般采用热气防冰方式进行防冰。分流环作为一个环形的腔体，热气在进入分流环环腔时会存在因周向流动导致的周向温降。为了在保证防冰效果的同时，尽可能的减少防冰引气量，热分布的均匀性是分流环防冰系统设计中的关键技术。

为了改善分流环的热分布均匀性，相关技术中的技术手段主要是多管路供气，即高压引气管在接近分流环时通过一根分配管将原本一股气流分成周向多股气流，这多股气流经由沿着周向分布的对应数量的分流管分别进入分流环环腔中，达到增加热均匀性的目的。然而，由于重量的限制，分流管的数量不宜过多，这导致相邻的两个分流管之间仍然具有较大的距离。当气流从每一根分流管冲出后，主要还是直接冲击在分流管管口正对的位置，导致分流环的位于管口正前方的壁面温度较高，而位于相邻分流管间的壁面温度却依旧较低，存在周向温降。可见，分流环的热分布均匀性仍有待提高。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题为：改善分流环的热均匀性。

为了解决上述技术问题，本发明第一方面提供一种防冰喷嘴，其包括：

喷嘴腔体，内部设有空腔，并包括前壁和侧壁，侧壁连接于前壁的四周并包括连接于前壁左右两侧的左壁和右壁，喷嘴腔体的后端设有进气口，进气口用于与将除冰气体引入分流环中的分流管的出口连通；

其中，前壁上设有第一孔，左壁上设有第二孔，右壁上设有第三孔，且第一孔的总通流面积小于第二孔和第三孔的总通流面积。

在一些实施例中，左壁上设有多个第二孔，且多个第二孔的孔径沿着由进气口至前壁的方向依次减小；和/或，右壁上设有多个第三孔，且多个第三孔的孔径沿着由进气口至前壁的方向依次减小。

在一些实施例中，沿着由进气口至前壁的方向，左壁和右壁逐渐靠拢。

在一些实施例中，第一孔的孔径小于第二孔及第三孔的孔径。

在一些实施例中，前壁上设有至少两排第一孔，至少两排第一孔沿着上下方向间隔排布。

在一些实施例中，左壁上的第二孔和右壁上的第三孔关于喷嘴腔体的左右方向的中轴线对称布置。

在一些实施例中，前壁呈长圆形。

本发明第二方面还提供一种防冰装置，其包括分配管和设置于分配管上的分流管，分流管沿着分配管的周向布置并通过分配管与除冰气源连通，并且，该防冰装置还包括本发明的防冰喷嘴，防冰喷嘴的进气口与分流管的出口连通，用于将除冰气源提供的防冰气体引入分流环中。

本发明第三方面还提供一种航空发动机，其包括分流环及本发明的防冰装置。

在一些实施例中，除冰气源为航空发动机的压气机。

通过在分流管出口增设防冰喷嘴，并将防冰喷嘴构造为前壁总通流面积小于左右壁总通流面积，能使得防冰气体在流入分流环环腔时不再过分集中于分流管出口正对的分流环壁面，从而能有效改善分流环的热均匀性。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例进行详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一些实施例中航空发动机的结构示意简图。

图2为图1中防冰引起装置在引流环处的安装示意图。

图3为图2中防冰喷嘴和分流管的立体示意图。

图4为图3的右视图。

图5为图3的主视图。

图6为图3中防冰喷嘴的立体示意图。

图中：

100、航空发动机；

10、分流环；20、短舱；30、支板；40、压气机；50、燃烧器；60、涡轮；70、防冰装置；101、环腔；102、后环壁；

1、防冰喷嘴；11、前壁；1a、侧壁；12、左壁；13、右壁；14、顶壁；15、底壁；16、进气口；17、喷嘴腔体；18、空腔；111、第一孔；112、第二孔；113、第三孔；

2、分流管；

3、引气管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有开展创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在本发明的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

图1-6示例性地示出本发明航空发动机、防冰装置和防冰喷嘴的结构。

图1简要地示出了航空发动机的结构。参照图1，一些实施例中，航空发动机100包括短舱20、支板30、压气机40、燃烧器50、涡轮60及分流环10等。

压气机40、燃烧器50及涡轮60沿着空气流动方向依次布置，是航空发动机100的核心机的主要组成部分。

核心机外部罩设有核心机舱(图中未示出)。核心机舱与核心机之间设有内涵流道。

短舱20设置于核心机舱外部。航空发动机100通过短舱20悬挂至机翼的挂架上。短舱20与核心机舱之间设有外涵流道。

由风扇(图中未示出)吸入的空气一部分经由内涵流道，进入燃烧器50的燃烧室，与由燃料获得的燃气一起，燃烧喷射，实现燃烧做功过程，而由风扇吸入的另一部分空气则进入外涵流道，产生正推力。

分流环10设置于航空发动机的进气通道的前端，并沿着空气流动方向位于风扇(图中未示出)下游，用于分隔内外涵气流，并对气流进行整合，以使气流分布更加均匀。

分流环10为环形件，其内部设有环腔101，并与位于外涵流道内的支板30相连。

外部空气首先从航空发动机100的进气口被吸入，并经过风扇转子叶片增压，从风扇转子叶片流出的空气被环形的分流环10同心地分开，一部分经由分流环10外侧的外涵流道排出，另一部分则经由分流环10内侧的内涵流道流入压气机40。

分流环10结冰，将影响航空发动机100的安全和性能，降低航空发动机100的工作稳定性。因此，分流环防冰具有重要意义。

为了防止因分流环10结冰，而影响航空发动机100的正常工作，参照图1，一些实施例中，航空发动机100还包括防冰装置70，用于防止分流环10结冰。

继续参照图1，一些实施例中，防冰装置70通过将防冰气源所提供的防冰气体引入分流环10中，来实现防止分流环10结冰的目的。

所引入的防冰气体具有相对较高的温度，其温度至少高于分流环10外表面冷空气的温度。这样，所引入的防冰气体能与分流环10的外壁面发生热交换，使分流环10上无法结冰，从而起到防冰作用。这种将热气流作为防冰气体，来实现防冰目的的方式，可以称为热气防冰方式。

参照图1，一些实施例中，防冰气体来自压气机40，即，防冰气源为压气机40。压气机40的气体为高温高压气体，因此，将压气机40内的气体引至分流环10中，作为防冰气体，简单方便，能实现较好的防冰效果。压气机40具体可以为高压压气机。

当然，也可以以航空发动机100的其他符合防冰需求的结构部件作为防冰气源，或者，另外设置热气生成装置作为防冰气源。

作为防冰装置70的一种结构形式，参照图1，防冰装置70包括引气管3、分配管(图中未示出)和分流管2等。

引气管3、分配管和分流管2沿着防冰气体由防冰气源流至分流环10的方向依次连通，即，引气管3的入口与防冰气源连通，引气管3的出口与分配管连通，分配管又通过分流管2与分流环10的环腔101连通。

具体地，一些实施例中，分配管为环形管，多根分流管2设置于分配管上并沿着分配管的圆周方向(也是分流环10的圆周方向)分布，且分流管2从分流环10的后环壁102伸至环腔101中，使得分流管2的出口位于环腔101内部。更具体地，一些实施例中，多根分流管2沿着分配管的周向均匀分布。

其中，分流环10的后环壁102是指分流环10的沿着防冰气体流出分流管2的方向位于后端的壁。后续提到的“前”和“后”也是根据防冰气体流出分流管2的方向定义的，其中，将在防冰气体流出分流管2的方向上的下游称为“前”，将在防冰气体流出分流管2的方向上的上游称为“后”。并且，还将面向前方时的上下左右称为上下左右。

相关技术中，分流管2的出口即为防冰装置70的末端，即，分流管2的出口与环腔101直接连通，防冰气体从分流管2出口流出后，直接流入环腔101中。如前面所提及的，这种情况下，防冰气体从分流管2出口流出时，主要沿着分流环10的轴向流动，较为集中地冲击在分流环10的与分流管2出口正对的壁面上，而位于相邻分流管2之间的，未正对分流管2出口的壁面，则接受到较少的防冰气体，导致分流环10沿着周向温差较大，热均匀性较差，影响防冰效果。虽然此时可以通过增大引气量，来改善防冰效果，但过多的使用压气机40等的气体进行防冰，也会影响发动机的性能。

针对上述情况，参照图1-6，本发明在防冰装置70中增设了防冰喷嘴1，利用防冰喷嘴1来改善分流环10的热分布均匀性，以改善防冰效果，并减少防冰引气量，提高防冰气体的利用率。

由图1和图2可知，防冰喷嘴1设置于分流管2的出口，用于将防冰气体引入分流环10中。此时，分流管2的出口不再直接与环腔101连通，而是通过防冰喷嘴1与环腔101连通，防冰气体从分流管2出口流出后，经由防冰喷嘴1进入环腔101中。

具体地，如图2所示，防冰喷嘴1位于环腔101中。防冰喷嘴1与分流管2一一对应。在多个分流管2沿着分配管的周向均匀分布时，多个喷嘴1也沿着分配管的周向均匀分布。

接下来将结合图3-6对防冰喷嘴1的结构予以介绍。

参照图3，一些实施例中，防冰喷嘴1包括喷嘴腔体17。喷嘴腔体17内部设有空腔18，并包括前壁11和侧壁1a。

参照图3和图4，侧壁1a连接于前壁11的四周，与前壁11共同围成空腔18。具体地，侧壁1a包括左壁12、右壁13、顶壁14和底壁15。左壁12和右壁13连接于前壁11的左右两侧。顶壁14和底壁15则连接于前壁11的上下两侧。

并且，参照图3和图6，喷嘴腔体17的后端设有进气口16，该进气口16与分流管2的出口连通。这样，从分流管2流出的防冰气体能经由进气口16流至空腔18中。具体地，一些实施例中，喷嘴腔体17的后端未设置后壁，完全敞开，形成进气口16。此时，进气口16的通流面积较大，等于喷嘴腔体17后端面的整个面积，有利于实现更顺畅高效的防冰引气过程。

但应当理解，其他实施例中，喷嘴腔体17的后端也可以设有后壁，并在后壁上设置面积小于后壁面积的进气口16。

其中，基于前文对前后左右的定义可知，前壁11是指喷嘴腔体17的沿着防冰气体流出分流管2的方向位于最下游的壁。后端是指喷嘴腔体17的沿着防冰气体流出分流管2的方向位于最上游的一端。前壁11和位于后端的进气口16沿着防冰气体流出分流管2的方向相对布置。左壁12和右壁13为喷嘴腔体17的位于前壁11左右两侧的壁，也是喷嘴腔体17的沿着分流环10周向相对布置的两个壁。

参照图3和图5，在一些实施例中，前壁11呈长圆形。同时，喷嘴腔体17的后端面也呈长圆形。此时，防冰喷嘴1整体呈扁平型，能更好地适应分流管2出口处扁平状的形状特点，与分流管2之间实现更严密地连通。

为了改善分流环10的周向热均匀性，参照图3-6，一些实施例中，前壁11上设有第一孔111，左壁12上设有第二孔112，右壁13上设有第三孔113，且第一孔111的总通流面积小于第二孔112和第三孔113的总通流面积，即，前壁11上所有第一孔111的通流面积之和小于左壁12上所有第二孔112和右壁13上所有第三孔113的通流面积之和。

通过在喷嘴腔体1的前壁11、左壁12和右壁13上分别设孔，使得从分流管2流出的防冰气体能被分成三路流入环腔101中。

并且，将前壁11各孔的总通流面积设置为小于左右两侧侧壁各孔的总通流面积，使得能够通过增加周向防冰气体流量，及减慢周向防冰气体流速，来改善分流环10的周向热均匀性。

一方面，前壁11的总通流面积小于左右两侧侧壁的总通流面积，可以增加沿分流环10周向流动的防冰气体流量，增强防冰气体的周向扩散程度，扩大防冰气体的周向覆盖面积，因此，可以使得防冰气体在流入环腔101时不再过分集中于分流管2出口正对的分流面壁面，有效改善分流环10的周向热均匀性。

另一方面，左右两侧侧壁的总通流面积较大，还使得从左右两侧流出的防冰气体具有相对较低的流速，较低的速度可以减小防冰气体与分流环10上下壁面的换热，这有利于减小防冰气体在周向流动过程中的温降，使得防冰气体冲击至相邻两分流管2之间的分流环壁面上时，仍具有较高的温度，与冲击至分流管2出口正对的分流环壁面上的防冰气体的温差较小，这也有利于改善分流环10的周向热均匀性。

其中，参照图3和图5，一些实施例中，前壁11上第一孔111、左壁12上第二孔112和右壁13上第三孔113的数量均为多个。

为了使前壁11的总通流面积小于左壁12和右壁13的总通流面积，一些实施例中，第一孔111的孔径小于第二孔112和第三孔113的孔径。此时，第一孔111的数量可以多于第二孔112和第三孔113的数量之和。

参照图3-6，一些实施例中，前壁11上设有至少两排第一孔111，且这至少两排第一孔111沿着上下方向间隔排布。

与前壁11上仅设置一排第一孔111的情况相比，在前壁11上设置两排或多排第一孔111时，可以对由前壁11流出的防冰气体进行分流，降低防冰气体在防冰装置70正前方的集中程度，从而有利于进一步改善分流环10的热均匀性。

其中，各第一孔111的孔径可以相等，以使从各第一孔111流出的气流更加均匀，进一步改善热分布均匀性。

另外，参照图3、图4和图6，在一些实施例中，左壁12上的多多个第二孔112和/或右壁13上的多个第三孔113，被设置为孔径沿着由进气口16至前壁11的方向依次减小。

由于越远离分流管2出口的气流流速越大，因此，若左右壁上的各孔的孔径一样大，则左右壁上各孔的气流流量差别较大，靠近分流管2出口的流量较少。而通过将左壁12上各第二孔112或右壁13上各第三孔113的孔径设置为沿着由进气口16至前壁11的方向(即防冰气体流出分流管2的方向)逐渐减小，可以使左壁12或右壁13的靠近分流管2出口的孔处的流量增大，且远离分流管2出口的孔处的流量减小，最终使各孔的流量较为均匀。而使左壁12或右壁13沿防冰气体流出分流管2的方向的各处流量较为均匀，有利于改善分流环10的热分布均匀性。

其中，左壁12上的第二孔112和右壁13上的第三孔113的布置方式可以相同或不同。

例如，一些实施例中，左壁12和右壁13上分别布置一排第二孔112和一排第三孔113，第二孔112和第三孔113的数量相等并一一相对，各第二孔112的孔径沿着由进气口16至前壁11的方向逐渐减小，各第三孔113的孔径沿着由进气口16至前壁11的方向逐渐减小，且相对布置的第二孔112和第三孔113孔径相等。此时，左壁12上的第二孔112和右壁13上的第三孔113的布置方式相同，即，左壁12上的第二孔112和右壁13上的第三孔113关于喷嘴腔体17的左右方向的中轴线对称布置，由于这样有利于使从防冰喷嘴1左右两侧流出的防冰气流更均匀，因此，也有利于进一步改善分流环10的热分布均匀性。

可以理解，在各第二孔112的孔径和各第三孔113的孔径沿着由进气口16至前壁11的方向逐渐减小的情况下，前述第一孔111的孔径小于第二孔112及第三孔113的孔径，是指第一孔111的最大孔径小于第二孔112及第三孔113的最小孔径。

另外，参照图5，在一些实施例中，前壁16的面积并不等于喷嘴腔体17后端面的面积，而是小于喷嘴腔体17后端面的面积，这使得沿着由进气口16至前壁11的方向，左壁12和右壁13逐渐靠拢，即，沿着由进气口16至前壁11的方向，左壁12和右壁13均朝喷嘴腔体17的左右方向的中部一侧倾斜。这样设置的好处在于，可以使从左右壁流出的防冰气体在具有周向速度的同时，也具有一定的轴向速度，从而使得从左右壁流出的防冰气体能较快速地流向分流环10的需要重点防冰的前缘位置，从而在冲击前缘位置时仍具有较高的温度，实现更好的防冰效果。

其中，左壁12和右壁13的倾斜角度可以设置为5°等较小的角度。因此，在图2-图4以及图6中，左壁12和右壁13的倾斜未能明显地示出。

可见，将前述各实施例的防冰喷嘴1设置于分流管2的出口处，能有效改善分流环10的热均匀性，由于这使得基于较少的引气量，即可实现较好的防冰效果，因此，有利于减少防冰引气量，提高防冰气体的利用率。

以上所述仅为本发明的示例性实施例，并不用以限制本发明，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，参数均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种防冰喷嘴(1)，其特征在于，包括：

喷嘴腔体(17)，内部设有空腔(18)，并包括前壁(11)和侧壁(1a)，所述侧壁(1a)连接于所述前壁(11)的四周并包括连接于所述前壁(11)左右两侧的左壁(12)和右壁(13)，所述喷嘴腔体(17)的后端设有进气口(16)，所述进气口(16)用于与将除冰气体引入分流环(10)中的分流管(2)的出口连通；

其中，所述前壁(11)上设有第一孔(111)，所述左壁(12)上设有第二孔(112)，所述右壁(13)上设有第三孔(113)，且所述第一孔(111)的总通流面积小于所述第二孔(112)和所述第三孔(113)的总通流面积。

2.根据权利要求1所述的防冰喷嘴(1)，其特征在于，所述左壁(12)上设有多个所述第二孔(112)，且所述多个所述第二孔(112)的孔径沿着由所述进气口(16)至所述前壁(11)的方向依次减小；和/或，所述右壁(13)上设有多个所述第三孔(113)，且所述多个所述第三孔(113)的孔径沿着由所述进气口(16)至所述前壁(11)的方向依次减小。

3.根据权利要求1所述的防冰喷嘴(1)，其特征在于，沿着由所述进气口(13)至所述前壁(11)的方向，所述左壁(12)和所述右壁(13)逐渐靠拢。

4.根据权利要求1-3任一所述的防冰喷嘴(1)，其特征在于，所述第一孔(111)的孔径小于所述第二孔(112)及所述第三孔(113)的孔径。

5.根据权利要求1-3任一所述的防冰喷嘴(1)，其特征在于，所述前壁(11)上设有至少两排所述第一孔(111)，所述至少两排第一孔(111)沿着上下方向间隔排布。

6.根据权利要求1-3任一所述的防冰喷嘴(1)，其特征在于，所述左壁(12)上的第二孔(112)和所述右壁(13)上的第三孔(113)关于所述喷嘴腔体(17)的左右方向的中轴线对称布置。

7.根据权利要求1-3任一所述的防冰喷嘴(1)，其特征在于，所述前壁(11)呈长圆形。

8.一种防冰装置(70)，包括分配管和设置于所述分配管上的分流管(2)，所述分流管(2)沿着所述分配管的周向布置并通过所述分配管与除冰气源连通，其特征在于，所述防冰装置(70)还包括如权利要求1-6任一所述的防冰喷嘴(1)，所述防冰喷嘴(1)的进气口(16)与所述分流管(2)的出口连通，用于将除冰气源提供的防冰气体引入分流环(10)中。

9.一种航空发动机(100)，包括分流环(10)，其特征在于，还包括如权利要求8所述的防冰装置(70)。

10.根据权利要求9所述的航空发动机(100)，其特征在于，所述除冰气源为所述航空发动机(100)的压气机(40)。

Images