CN114370337B - 一种射流振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种射流振荡器，其第一出口流道及第二出口流道均包括与振荡腔体所在平面共面设置的水平流道以及与所述振荡腔体所在平面相交设置的倾斜流道。并且通过在第一流道和第二流道相交处形成圆弧状分流点，解决非对称非平面脉冲型振荡器将不会振荡工作的技术问题。

Description

一种射流振荡器

技术领域

本发明属于航空燃气涡轮发动机内流动分离主动控制方法及结构，尤其是一种改进的自激发射流振荡器改进结构，能够改进其在特定应用场景下的启动特性。

背景技术

在本发明人的关联发明申请CN 202010698826.5中提出，将流体振荡器应用于进气道内流动分离、压气机/涡轮静子角区分离、压气机/涡轮转子叶顶分离流、压气机高低压转接扩压段内的流动分离主动控制，在发动机机匣或者轮毂结构内部形成流体振荡器流道，从外部或者后级压气机引入高压气源，通过调节流体振荡器流道进口处的压力，在振荡器出口处形成所需的振荡射流工作频率和幅值，由此将会在不增加现有结构复杂性、不降低现有燃气涡轮发动机可靠性和安全性的前提下，同时实现发动机工作效率、工作裕度以及整体性能的大幅提升。

基于自激发振荡射流的航空发动机内流动分离主动控制技术同时结合了主动流动控制效率高，以及被动流动控制可靠性高/安全性高的优点，以被动控制的形式获得了主动控制的良好效果。应用到进气道、压气机、涡轮上，能够显著提高航空发动机的工作效率和工作裕度以及整体性能，同时兼顾了安全性、可靠性以及系统结构的复杂性，在实际工程应用上具有广阔的前景。

通过在扫掠型流体振荡器的出口放置分流楔的方式，能够将扫掠式振荡射流变为脉冲式振荡射流，如图1所示。

当采用如图1右所示的脉冲式振荡射流器构型，流体振荡器内部的流道平面与机匣所处的平面一致时，由于出口射流孔一般与机匣表面成一定角度β，所以需要激励的位置处打一个直径为D的小孔，此激励孔的出口端即为振荡射流的激励位置，其进口端则需要与射流振荡器平面的射流出口连接，同时保证脉冲射流振荡器每个出口通道的截面积与激励孔的截面积相同，即非对称非平面式的脉冲振荡射流器结构形式。

此时，射流振荡器的工作特性会发生较大的变化，虽然其射流振荡器平面内的流道完全一样，但由于倾斜圆型通道的加入，此新型的非对称非平面脉冲型振荡器将不会振荡工作，在稳定的进口压力作用下，在两个出口都形成稳定的射流。

发明内容

本发明专利就是为了解决此非对称非平面型脉冲振荡射流器不能产生自激发振荡射流的问题，提出新型的结构改进设计方案。

一种射流振荡器，包括振荡腔体、设置于振荡腔体两侧且与振荡腔体连通的两个反馈通道、分别设置于振荡腔体两端的喷口及进口、与所述喷口连接的第一出口流道及第二出口流道，所述第一出口流道及第二出口流道均包括与所述振荡腔体所在平面共面设置的水平流道以及与所述振荡腔体所在平面相交设置的倾斜流道；第一流道和第二流道相交处形成分流点，所述分流点呈圆弧状。

进一步地，0.1T≤R≤5T，其中R为圆弧状的圆角半径，T是进口的喉道宽度。

进一步地，0.8ξ≤ψ≤1.2ξ，其中ξ为水平流道截面积，ψ为倾斜流道截面积。

进一步地，分流点与振荡器主体结构出口中点的距离为D,且0.5T≤D≤10T。

进一步地，所述进口连接进口流道，所述进口流道为弯折状。

进一步地，分流点与第一出口流道及第二出口流道形成扩张角。

进一步地，所述扩张角包括扩张角α，下扩张角β，其中5°≤α≤140°,15°≤β≤140°。

进一步地，所述第一流道与第二流道长度不相等。

进一步地，所述第一流道的水平流道与倾斜流道呈10～50度角。

进一步地，所述第二流道的水平流道与倾斜流道呈10～50度角。

相比于现有技术本发明的优势在于：本发明提供了一种射流振荡器，其第一出口流道及第二出口流道均包括与振荡腔体所在平面共面设置的水平流道以及与所述振荡腔体所在平面相交设置的倾斜流道。并且通过在第一流道和第二流道相交处形成圆弧状分流点，解决非对称非平面脉冲型振荡器将不会振荡工作的技术问题。

附图说明

附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是一种自激发脉冲振荡器；

图2是一种非对称非平面式的脉冲振荡射流器；

图3是图2中A-A剖面示意图；

图4是图2中B-B剖面示意图；

图5是脉冲振荡射流器的侧视图、C-C剖面示意图；

图6是图5中脉冲振荡射流器放大示意图。

其中：

100、模块；110、接头；120、进口流道；130、振荡器本体；131、反馈通道；132、振荡腔体；133、喷口；134、分流点；135、进口；140、第一出口流道；141、第一水平流道；142、第一倾斜流道；150、第二出口流道；151、第二水平流道；152、第二倾斜流道；200、涡流。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。

参见说明书附图1，展示了一种基本平面对称型主体结构，包括扫掠型及脉冲型，以上结构能够在适合的进口压力下产生自激振荡或脉冲射流。当改变了平面非对称主体结构，即使得脉冲型振荡器的两个出口流道具有不同的长度，在适宜的进口压力下，仍然能够产生脉冲振荡。但是在实际应用中，脉冲射流孔的激励方向一般与壁面成一定的角度，而为了节省空间，降低机匣壁面的重量，射流振荡器的主体部分所在平面一般与壁面平面平行，且与机匣进行一体化的结构融合，出口流道也会从铣削方形流道变为圆孔型直通道。当脉冲型射流振荡器的流道从二维平面构型，根据需要变为非对称非平面型的结构形式时，不论采用何种进口压力，非对称非平面型脉冲振荡射流器均不能正常工作。参见附图2，本发明改进了射流振荡器。在一模块100上设置有射流振荡器，该模块100可以是机匣或其他可以设置射流振荡器的壁面，该模块100呈现薄壁状。射流振荡器包括接头110、进口流道120、振荡器本体130、第一出口流道140及第二出口流道150。

接头110为内螺纹接头或快锁接头，用于将振荡器与外部的提供高压流体的设备、管道连接。该流体包括液体或气体。接头110一端的从薄壁状的模块100表面伸出，另一端与位于模块100内部的进口流道120连通。为了节省空间，接头110与进口流道120的连接处呈现为较大的转折。具体地，流体将从基本垂直于模块100表面的流动方向转变为基本平行与模块100表面的流动方向，从而能够实现结构的精简。

进口流道120接近接头110的一端，宽度与接头110内径一致。进口流道120沿着流体流动的方向不断缩小，在与振荡器本体130的进口135连接处，流道的宽度减小至与进口135宽度一致，从而能够提高流体流速。

参见附图6，振荡器本体130包括振荡腔体132、设置于振荡腔体132两侧且与振荡腔体132连通的两个反馈通道131、分别设置于振荡腔体132两端的喷口133及进口135。

其中，流体通过收缩的进口135进入振荡腔体132。振荡腔体132与进口135连接的端部连接两个反馈通道131的一端，振荡腔体132远离进口135的另一端部与反馈通道131的另一端及喷口133连接。

具体地，通过进口135进入振荡腔体132的流体在振荡腔体132中扩散，主流体将部分沿着一侧壁流动并形成涡流200。主流体沿其中一侧侧壁流动的过程中，必然造成了在进口135处沿着以上侧壁的反馈通道131端口压力降低，导致流体沿着该侧壁的反馈通道131回流，推动主流体向另一侧壁移动，同时由于涡流200的作用，加强了向另一侧壁的移动趋势。进而主流体沿另一侧壁流动并在主流体相反一侧形成涡流200。

值得注意的是，为了实现涡流200的吸附增强作用，该实施方式中在接近喷口133处的振荡腔体132形成了凹形的引导，从而使得贴附接近任一反馈通道131所在振荡腔体132侧壁流动的主流体从另一侧面的出口流道流出。

参见附图2，在本实施方式中，为了适配外部的连接结构，第一出口流道140与第二出口流道150的长短不一致，形成复杂的流道形式。并且需要在规定的位置产生射流，发动机机匣的流道设置在机匣内壁中，当流体流动到设计的位点，需要将流体从机匣的内壁面喷出，因此第一出口流道140及第二出口流道150必须将流体从模块100的中部向模块100的边缘处进行引导。参见附图3-4，本申请将第一出口流道140设置为具第一水平流道141及第一倾斜流道142的两部分，第二出口流道150也设置为具有第二水平流道151及第二倾斜流道152两部分。第一水平流道141及第二水平流道151将从喷口133输出的射流引导至喷射点附近，再由第一倾斜流道142或第二倾斜流道152引导流体验证模块100或机匣的壁面倾斜喷出。第一水平流道141及第二水平流道151与振荡腔体132所在平面共面设置，倾斜流道与振荡腔体132所在平面相交设置。具体地，当模块100或机匣壁面均匀延伸，沿着水平流道流动的方向，第一水平流道141到模块100或机匣的外壁面的距离是相等的。当模块100或机匣的壁面具有变化的曲面，沿着水平流道流动的方向，第一水平流道141到模块100或机匣的外壁面的距离与模块100或机匣的厚度关系呈固定的比例关系。

通常地，在具有以上第一流道及第二流道的振荡器将不再输出脉冲射流。为了进一步解决非对称非平面的振荡器工作。第一出口流道及第二出口流道的交汇处形成了流体的分流点134，也称为分离楔。当在分离楔处倒圆角后，能够有效降低流道对流体产生的流阻，从而使得振荡器重新产生脉冲。优选地，圆角半径为0.1T≤R≤5T。其中，其中R为圆弧状的圆角半径，T为进口135喉道宽度。通常地0.5mm≤T≤5mm，分流点与振荡器主体结构出口中点的距离为D,且0.5T≤D≤10T当D小于0.5T或D大于10T时，将无法再保障自激发振荡产生。

表1(单位：mm)

测试样本	T	D	R	自激振荡
					1	1.25	2.2	0.2～6	振荡
2	2.5	4.4	1～8	振荡
					3	1.25	2.2	0.1	不振荡
4	1.25	2.2	0.05	不振荡
					5	1.25	2.2	7	不振荡
6	1.25	2.2	0	不振荡
					7	1.25	1.5	0	不振荡
8	1.25	3	0	不振荡
					9	1.25	4	0	不振荡
10	1.25	0.65～12	2	振荡
					11	1.25	0.5	2	不振荡
12	1.25	13	2	不振荡
					13	0.5	0.88	0.2～1.6	振荡
14	5	8.8	2～16	振荡

进一步地，振荡器出口流道的截面积，特别是其第一倾斜流道及第二倾斜流道末端的截面积ξ应与第一水平流道或第二水平流道的截面积ψ相当，且具有0.8ξ≤ψ≤1.2ξ关系，以降低流路方向转折、以及流道收扩产生的流阻对激发振荡产生的影响。

优选的，本实验中的倾斜流道末端的宽度为2mm，深度为1.6mm，其对应的截面积为3.2mm²；对应的水平流道的孔径为2mm，其对应的截面积3.14mm²。

同时为了使一个振荡器的两个出口，每个出口均能够控制一个叶栅通道内的角区分离，同时保证每个角区内的激励位置相同，其出口流道的长度和转折角均进行了调整。

在优选的方案中，出口分流楔与两个出口流道形成的两个扩张角，上扩张角α，下扩张角β，根据所需激励位置可对以上扩张角进行适当调整，但应满足10°<α<100°,15°<β<110°。超出此范围，则无法产生自激振荡。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种射流振荡器，包括振荡腔体、设置于振荡腔体两侧且与振荡腔体连通的两个反馈通道、分别设置于振荡腔体两端的喷口及进口、与所述喷口连接的第一出口流道及第二出口流道，其特征在于：

所述第一出口流道及第二出口流道均包括与所述振荡腔体所在平面共面设置的水平流道以及与所述振荡腔体所在平面相交设置的倾斜流道；所述第一出口流道和所述第二出口流道为非对称非平面型流道，所述第一出口流道与所述第二出口流道长度不相等，所述第一出口流道和所述第二出口流道相交处形成分流点，所述分流点呈圆弧状；

0.1T≤R≤5T，其中R为圆弧状的圆角半径，T为进口喉道的宽度；

所述分流点与振荡器主体结构出口中点的距离为D,且0.5T≤D≤10T。

2.如权利要求1所述的一种射流振荡器，其特征在于：0.8ξ≤ψ≤1.2ξ，其中ξ为水平流道截面积，ψ为倾斜流道截面积。

3.如权利要求1所述的一种射流振荡器，其特征在于：所述进口连接进口流道，所述进口流道为弯折状。

4.如权利要求1所述的一种射流振荡器，其特征在于：分流点与第一出口流道及第二出口流道形成扩张角。

5.如权利要求4所述的一种射流振荡器，其特征在于：所述扩张角包括上扩张角α和下扩张角β，其中5°≤α≤140°,15°≤β≤140°。

6.如权利要求1所述的一种射流振荡器，其特征在于：所述第一出口流道的水平流道与倾斜流道呈10~50度角。

7.如权利要求1所述的一种射流振荡器，其特征在于：所述第二出口流道的水平流道与倾斜流道呈10~50度角。

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