CN114483366A - 尾喷管组件和喷气系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种尾喷管组件和喷气系统，尾喷管组件包括喷管和尾锥，喷管为筒状，并包括一开口；尾锥为轴对称体，所述尾锥的对称轴与所述喷管的中心轴共线；所述尾锥包括一锥形部，所述锥形部沿对称轴的两端分别为第一端和第二端，所述锥形部的径向截面的半径从其第一端至其第二端逐渐减小；所述锥形部的第一端插入至所述喷管内，所述尾锥的外侧壁与所述喷管之间的空间形成涵道；所述尾锥能够被轴向移动，以调整所述涵道在所述开口处的径向面积。本申请在喷管内设置可轴向移动的尾锥，且该尾锥的径向半径是渐变的，使得涵道在喷管开口处的径向面积是能够调整的；在流量调整过程中，喷管与短舱的连接处保持为光滑的流线形结构，不会增加空气阻力。

Description

尾喷管组件和喷气系统

技术领域

本申请涉及电推进涵道风扇发动机技术领域，具体涉及一种尾喷管组件和喷气系统。

背景技术

近年来，航空业巨头、各大研究机构以及初创企业等不断加快电推进飞机(EAP)研发脚步，各种设计概念不断推出。空客E-FAN、中国锐翔等多款电推进通用飞机已经问世。电推进涵道风扇发动机作为未来绿色电动飞机的动力推进系统，其喷管的设计也十分重要。

传统的风扇喷管具有固定的几何形状，固定几何形状的风扇喷管是适合于飞机起飞、降落状态以及巡航状态下的折衷方案。为了发动机的内流特性能被调整以更好地匹配特定的飞行条件，现有技术中将风扇喷管设计为喷管的部分结构可移动，使得涵道的横截面积可以被调整，从而调整涵道出口的气流量，该喷管包括两段区域，其中第一段区域固定，通过移动第二段区域有选择地改变涵道出口处的面积。但是两段式结构的喷管对短舱的外形产生影响，会增加飞机飞行时的空气阻力。

发明内容

本申请提供一种尾喷管组件和喷气系统，用以解决现有涵道流量可调整的喷管结构容易增加飞行阻力的技术问题。

本申请提供一种尾喷管组件，其包括喷管和尾锥，喷管为筒状，并包括一开口；尾锥为轴对称体，所述尾锥的对称轴与所述喷管的中心轴共线；所述尾锥包括一锥形部，所述锥形部沿对称轴的两端分别为第一端和第二端，所述锥形部的径向截面的半径从其第一端至其第二端逐渐减小；所述锥形部的第一端插入至所述喷管内，所述尾锥的外侧壁与所述喷管之间的空间形成涵道；

其中，所述尾锥能够被轴向移动，以调整所述涵道在所述开口处的径向面积。

可选的，所述锥形部的第一端从所述开口处插入至所述喷管内，其第二端突出于所述开口外。

可选的，所述锥形部的第二端与所述开口的轴向距离为L1，所述锥形部的轴向长度为L2；所述尾锥被移动时，0＜L1≤L2。

可选的，所述尾锥还包括衔接部，衔接部沿对称轴的两端分别为第一端和第二端，所述衔接部的第二端连接至所述锥形部的第一端。

可选的，所述衔接部的径向截面的半径从其第一端至其第二端逐渐增大。

可选的，当所述衔接部和所述锥形部的连接处与所述喷管的开口共面时，所述涵道的径向面积最小。

可选的，所述衔接部的母线为弧线或直线或折线。

可选的，所述喷管的落压比与所述涵道在所述开口处的流量单调变换。

相应的，本申请还提供一种喷气系统，其包括上述任一项所述的尾喷管组件。

可选的，喷气系统还包括发动机、风扇和短舱，发动机连接至尾锥；风扇可转动式安装至所述发动机，所述风扇和所述尾锥分别位于所述发动机的相对侧；短舱环绕式设置在所述风扇的外部，且所述短舱的一端连接至所述喷管；

其中，所述风扇的中心轴、所述尾锥的中心轴与所述发动机的中心轴均共线设置。

本申请提供一种尾喷管组件和喷气系统，在喷管内设置可轴向移动的尾锥，且该尾锥的径向半径是渐变的，使得涵道在喷管开口处的径向面积是能够调整的，进而导致涵道背压发生改变，从而调整涵道在开口处的流量，使得该流量适配发动机的内流特性，以使得发动机更好地匹配特定的飞行条件；在流量调整过程中，喷管的位置无需改变，因而喷管与短舱的连接处保持为光滑的流线形结构，不会增加飞行过程中的空气阻力。

上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：由于本申请中锥形部的径向截面的半径从其第一端至其第二端逐渐减小，在尾锥被连续同向移动的过程中，涵道在开口处的径向面积可以单调变换。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请提供的电推进涵道风扇发动机的示意图；

图2是本申请提供的尾喷管组件中喷管与尾锥在第一位置处的示意图；

图3是本申请提供的尾喷管组件中喷管与尾锥在第二位置处的示意图；

图4是本申请提供的尾喷管组件的流量曲线图；

图5是本申请提供的电推进涵道风扇发动机中风扇的工作特性示意图。

附图标记说明：

100、喷管；200、尾锥；210、衔接部；220、锥形部；300、涵道；310、排气口；400、风扇；410、气道；500、发动机；600、短舱。

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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。此外，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本申请，并不用于限制本申请。在本申请中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上”、“下”、“左”、“右”通常是指装置实际使用或工作状态下的上、下、左和右，具体为附图中的图面方向。

本申请提供一种尾喷管组件和喷气系统，以下分别进行详细说明。需要说明的是，以下实施例的描述顺序不作为对本发明实施例优选顺序的限定。且在以下实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

请参阅图1-图5，本申请提供一种尾喷管组件，其包括喷管100和尾锥200；其中，喷管100为筒状结构，并且喷管100包括一开口，本申请中喷管100套设在发动机500的外部，收敛型喷管100使高压气体继续膨胀，将气体的可用功转变为动能，气体以高速向后喷出，使得发动机500产生反作用推力。尾锥200为轴对称体结构，尾锥200的对称轴与喷管100的中心轴共线设置，以保证飞行中的稳定性。尾锥200包括一锥形部220，锥形部220沿对称轴的两端分别为第一端和第二端，锥形部220的径向截面的半径从其第一端至其第二端逐渐减小；其中，以垂直于对称轴方向的平面为径向截面。

锥形部220的第一端插入至喷管100内，尾锥200的外侧壁与喷管100的内表面之间的空间形成用于流通高压气体的涵道300。

尾锥200能够沿对称轴往复运动，以改变尾锥200插入至喷管100内部的长度，由于本申请中尾锥200的径向截面的半径从其第一端至其第二端逐渐减小，使得尾锥200的不同位置与喷管100的开口之间形成的径向面积不同，从而可以根据飞机条件调整涵道300的在开口处的径向面积，同时将涵道300在开口处的位置定义为排气口。

飞机在起飞、降落以及巡航状态下，不同飞行条件下对发动机500内流特性有不同的要求；本申请中通过控制尾锥200相对于喷管100开口的轴向运动，可以调整涵道300排气口310的径向面积，使得涵道300的背压发生改变，从而调整涵道300在开口处的流量，使得上述流量适配发动机500的内流特性，以使得发动机500更好地匹配特定的飞行条件。

现有技术中将风扇400喷管100设计成可变面积的结构，利用一段固定设置的喷管100与另一移动式的喷管100配合，通过控制移动式喷管100相对于固定式喷管100的相对位置，以调整风扇400喷管100出口的面积。相较于现有技术中可变面积的风扇400喷管100，本申请中尾喷管组件与其设计思路完全不同。本申请中沿中心轴的方向，移动尾锥200相对于喷管100的开口的位置，用以调整涵道300排气口310的径向面积，所以在调整电推进涵道风扇发动机的内流特性过程中，喷管100的位置无需改变。因而喷管100与短舱600的连接处光滑且连续，使得短舱600的外表面和内表面均符合流线型的设计要求，从而减小了飞行过程中的空气阻力。同时，通过移动结构相对简单、径向尺寸相对较小的尾锥200，可以简化尾喷管组件的加工以及装配。此外，现有技术中为保证可变面积的风扇400喷管100的强度和刚度要求，移动式喷管100和固定式喷管100需要预留一定的重合部分，因而增加了喷管100的设计重量。本申请可移动式尾锥200相较于现有技术中的尾锥200，其重量不会大幅度的增加，因而可以实现尾喷管组件的轻量化设计。

进一步的，锥形部220的第一端可移动式连接至发动机500，锥形部220的第二端突出于喷管100的开口，用于驱动尾锥200移动的机构可以选用现有技术中的直线驱动部件。通过控制尾锥200相对于喷管100开口的轴向运动，可以更大范围地调整涵道300排气口310的径向面积，使得涵道300的背压发生改变，从而调整涵道300在开口处的流量。

进一步的，锥形部220的第二端与开口的轴向距离为L1，锥形部220的轴向长度为L2；尾锥200被移动时，0＜L1≤L2。当飞机的飞行条件改变时，通过限定锥形部220的第二端与开口的轴向距离L1，驱动锥形部220相对于排气口310沿轴向移动，以调整并获得电推进涵道风扇发动机适配的内流特性。本申请中通过限定锥形部220相对于喷管100开口的位置，同时衔接部210在调整的过程中始终位于喷管100的内部；由于本申请中锥形部220的径向截面的半径从其第一端至其第二端逐渐减小，在移动尾锥200的过程中，由于锥形部220与喷管100的开口配合形成涵道300的排气口310；因而当尾锥200连续同向运动时，涵道300排气口310的径向面积可以单调变换。此外，利用限定锥形部220的第二端与开口的轴向距离限定锥形部220的调整范围，可以更加精准地控制涵道300的排气口310的径向面积，以更好地匹配特定的飞行条件。

进一步的，上述尾锥200还包括衔接部210，衔接部210沿对称轴的两端分别为第一端和第二端，衔接部210的第二端连接至锥形部220的第一端。其中，衔接部210的第一端连接至发动机500。

锥形部220利用衔接部210与发动机500连接，一方面可以使得锥形部220的横截面积可以获得更大的设计范围，当利用上述锥形部220相对于喷管100的开口移动时，可以使得涵道300的排气口310获得更大范围的径向面积区间，因而增加了调整的区间，使尾喷管组件可以适配多种规格的电推进涵道风扇发动机，也可以适配更多特定的飞行条件。另一方面，利用衔接部210实现锥形部220与发动机500的平滑连接，同时衔接部210和锥形部220之间也采用平滑的过渡连接，使得尾锥200更具有流线型，因而可以减小高压气体在涵道300内流动时的摩擦损失。

进一步的，衔接部210的径向截面的半径从其第一端至其第二端逐渐增大，因而衔接部210和锥形部220连接处为尾锥200横截面积的最大位置。此外，尾锥200从衔接部210的第二端与锥形部220的第一端的连接处被移动。

本申请中定义衔接部210和锥形部220的连接处为第一位置a，根据前述论证，衔接部210和锥形部220连接处的径向截面为尾锥200的最大径向截面，因而当上述第一位置a运动至喷管100的开口时，涵道300排气口310的径向面积最小，此时该第一位置a记为最小极限位置。将第一位置a(最小极限位置)限制在衔接部210与锥形部220的连接处，使得尾喷管组件可以调整出最小的流量状态。当锥形部220(或者尾锥200)在第一位置a处运动时，可以获得更大的流量调整区间，使得尾喷管组件可以适配多种规格的电推进涵道风扇发动机，也能够适配更多特定的飞行条件。

当锥形部220沿轴向伸入喷管100至极限位置时，定义锥形部220对应喷管100开口的位置为第二位置b。在驱动锥形部220上的第二位置b运动到与喷管100的开口一致的位置处时，涵道300排气口310处的径向面积最大，此时，排气口310处的流量达到最大值。通过将锥形部220伸入喷管100的极限位置使涵道300排气口310获得最大的径向面积，因而当锥形部220(或者尾锥200)在第一位置a和第二位置b之间往复运动时，可以获得更大的流量调整区间，以适配多种规格的电推进涵道风扇发动机，也能够适配更多特定的飞行条件。

此外，喷管100的开口处对应的锥形部220分别处于第一位置和第二位置之间时，对涵道300排气口310进行数据计算得到如图4所示的流量曲线。根据上述流量曲线分析可得，横坐标表示喷管100的落压比，纵坐标表示排气口310的流量；其中，喷管100的落压比为喷管100的进口处的总压力与其出口处的总压力的比值。喷管100的落压比与排气口310的流量单调变换；当喷管100的落压比增加时，排气口310的流量也随之增加；当锥形部220由第一位置运动到第二位置的过程中，涵道300排气口310处的径向面积增加，使得涵道300排气口310处的压力减小，流量增加，此时，喷管100的落压比增加，同时排气口310的流量也增加。当喷管100的落压比减小时，排气口310的流量也随之减小；当锥形部220由第二位置运动到第一位置的过程中，涵道300排气口310处的径向面积减小，使得涵道300排气口310处的压力增大，流量减小，此时，喷管100的落压比减小，同时排气口310的流量也减小。综上所述可以推知，通过移动尾锥200沿对称轴方向的位置，可以改变涵道300的背压，实现发动机500流量的调节。

此外，根据图4中的流量曲线图还可以推断出，当喷管100的落压比为一固定值时，涵道300排气口310径向面积大时对应的流量均大于径向面积小时对应的流量，因而落压比不变时，涵道300排气口310的径向面积与涵道300排气口310处的流量也为单调变换。

进一步的，衔接部210的母线为弧线或直线或折线，本申请中衔接部210的母线为弧线，且上述弧线的凹面朝向尾锥200的中心轴设置。利用弧形的母线形成的衔接部210与锥形部220的连接处更加光滑，使得尾锥200的表面更加流畅，以实现流线型设计。

技术效果：

在喷管100内设置可沿对称轴方向移动的尾锥200，且该尾锥200的径向半径是渐变的，使得涵道300在喷管100开口处的径向面积是能够调整的，进而导致涵道300背压发生改变，从而调整涵道300在开口处的流量，使得该流量适配发动机的内流特性，以使得发动机更好地匹配特定的飞行条件。同时，限定本申请中锥形部220的径向截面的半径从其第一端至其第二端逐渐减小，当尾锥200连续同向运动时，涵道300排气口310的径向面积可以单调变换。利用涵道300的排气口310与尾锥200间的单调变换的关系，同时利用限定锥形部220的第二端与开口的轴向距离限定锥形部220的调整范围，可以更加精准地控制涵道300的排气口310的径向面积，以更好地匹配特定的飞行条件。

此外，在流量调整过程中，喷管100的位置无需改变，因而喷管100与短舱600的连接处保持为光滑的流线形结构，不会增加飞行过程中的空气阻力。

实施例二

本实施例提供一种用于飞机的喷气系统，参照图1-图5所示，其包括实施例一中尾喷管组件全部的技术方案，并与实施例一相比其还包括以下的技术特征，具体分析如下：

喷气系统包括发动机500、风扇400、短舱600以及实施例一中公开的尾喷管组件，其中尾喷管组件包括喷管100和尾锥200。风扇400和尾锥200分别位于发动机500的两相对侧，并且风扇400可转动式连接至发动机500，以利用发动机500驱动上述风扇400旋转；尾锥200可移动式连接至发动机500，使得尾锥200能够沿中心轴的方向运动，本申请具体驱动尾锥200移动的结构可以选用现有技术中的直线驱动件，在此不做赘述。

短舱600环绕式设置在风扇400的外部，并且短舱600的一端与喷管100的一端光滑且连续的连接，此时短舱600环绕风扇400可以形成气道410，以将空气经气道410压缩为高压气体。同时，风扇400的中心轴、尾锥200的中心轴与发动机500的中心轴均共线设置，以满足电推进涵道风扇发动机使用性能的要求。

发动机500驱动风扇400旋转，将空气吸入气道410内部，并压缩形成高压气体；由于气道410与涵道300连通，因而上述高压气体经气道410流通至涵道300内部，并从涵道300的排气口310处排出，将高压气体的压力势能转变为动能；当气体从排气口310高速向后喷出时，可以产生反作用力。当飞机在起飞状态、巡航状态以及降落状态中切换时，随着飞行条件的改变，使得风扇400的工作条件也偏离设计状态，从而造成风扇400的增压比以及效率发生变化。根据发动机500在不同状态下的流量需求，调整尾锥200相对于喷管100开口的位置，改变涵道300排气口310的径向面积，从而调节涵道300排气口310处的流量，以使得上述流量可以更好地适配飞机条件。

进一步的，短舱600的径向厚度大于喷管100的径向厚度，本申请中沿短舱600至喷管100的方向，短舱600的径向厚度逐渐减小，喷管100的径向厚度也逐渐减小，并且短舱600的内表面与喷管100的内表面光滑且连续的连接。利用厚度逐渐减小的短舱600和喷管100可以持续膨胀高压气体，将高压气体的压力势能变为动能。

进一步的，风扇400的转速与排气口310的径向面积适配。根据图5所示的风扇400的工作特性图，其中，n1、n2、n3代表不同风扇转速，且n1>n2>n3；η_c*代表风扇工作效率，π*代表风扇增压比(总压)；m1、m2代表不同流量，且m1<m2；Gv代表流量。当风扇400的转速不同时，风扇400的工作特性曲线会有明显的区别。通常风扇400只有在设计状态下具有符合设计要求的增压比和较高的效率。随着飞行条件的改变，风扇400的工作条件也将偏离设计状态，风扇400的增压比和效率也会发生变化。因此可根据发动机500在不同飞行条件下的流量需求，前后移动尾锥200的位置，调节喷管100出口截面的面积，精确的进行流量调节，使风扇400在每个转速下都尽可能工作在最佳状态附近，实现风扇400的工作效率最大化。

技术效果：

当风扇400将空气吸入并在气道410内压缩成高压气体后，高压气体流动至涵道300的内部，并从排气口310处流出。飞机在起飞状态、巡航状态以及降落状态中切换时，随着飞行条件的改变，使得风扇400的工作条件也偏离设计状态，从而造成风扇400的增压比以及效率发生变化，此时半径渐变的尾锥沿对称轴方向移动，使得涵道背压发生改变，以调整涵道在开口处的流量，使得该流量适配风扇400的工作条件。

本实施例提供的尾喷管组件的功能与实施例一中实现的功能相对应，所以关于本实施例的其他功能可参见实施例一中的内容，在此不再一一赘述。

以上对本申请提供尾喷管组件和喷气系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种尾喷管组件，其特征在于，包括：

喷管，其为筒状，包括一开口；以及

尾锥，其为轴对称体，所述尾锥的对称轴与所述喷管的中心轴共线；所述尾锥包括一锥形部，所述锥形部沿对称轴的两端分别为第一端和第二端，所述锥形部的径向截面的半径从其第一端至其第二端逐渐减小；所述锥形部的第一端插入至所述喷管内，所述尾锥的外侧壁与所述喷管之间的空间形成涵道；

其中，所述尾锥能够被轴向移动，以调整所述涵道在所述开口处的径向面积。

2.根据权利要求1所述的尾喷管组件，其特征在于，所述锥形部的第一端从所述开口处插入至所述喷管内，其第二端突出于所述开口外。

3.根据权利要求1所述的尾喷管组件，其特征在于，所述锥形部的第二端与所述开口的轴向距离为L1，所述锥形部的轴向长度为L2；

所述尾锥被移动时，0＜L1≤L2。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的尾喷管组件，其特征在于，所述尾锥还包括：

衔接部，其沿对称轴的两端分别为第一端和第二端，所述衔接部的第二端连接至所述锥形部的第一端。

5.根据权利要求4所述的尾喷管组件，其特征在于，所述衔接部的径向截面的半径从其第一端至其第二端逐渐增大。

6.根据权利要求5所述的尾喷管组件，其特征在于，当所述衔接部和所述锥形部的连接处与所述喷管的开口共面时，所述涵道的径向面积最小。

7.根据权利要求4所述的尾喷管组件，其特征在于，所述衔接部的母线为弧线或直线或折线。

8.根据权利要求1所述的尾喷管组件，其特征在于，所述喷管的落压比与所述涵道在所述开口处的流量单调变换。

9.一种喷气系统，其特征在于，包括权利要求1-8中任一项所述的尾喷管组件。

10.根据权利要求9所述的喷气系统，其特征在于，还包括：

发动机，其连接至尾锥；

风扇，其可转动式安装至所述发动机，所述风扇和所述尾锥分别位于所述发动机的相对侧；以及

短舱，其环绕式设置在所述风扇的外部，且所述短舱的一端连接至所述喷管；

其中，所述风扇的中心轴、所述尾锥的中心轴与所述发动机的中心轴均共线设置。

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