CN114518229A - 一种吸气式发动机超声速自由射流试验用双涵道扩压器 - Google Patents

一种吸气式发动机超声速自由射流试验用双涵道扩压器 Download PDF

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戴芳立
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Abstract

本发明提供了一种吸气式发动机超声速自由射流试验用超声速扩压器，由收集器、进口段、收缩段、二次喉道段、亚扩段、过渡段、等截面段组成，其中收集器、进口段、收缩段、二次喉道段、过渡段、等截面段的外表面形成发动机周边的超声速绕流扩压通道，过渡段、等截面段的内表面形成发动机喷管的超声速排气流扩压通道，在等截面段下游的二次喉道段内发动机绕流和发动机喷管排气流以亚声速混合并经由亚扩段排出至下游设备或大气环境。实践表明，与常规超声速扩压器相比，本发明的双涵道扩压器可以降低自由射流试验来流总压20％左右，效果显著。

Description

一种吸气式发动机超声速自由射流试验用双涵道扩压器
技术领域
本发明涉及一种吸气式发动机超声速自由射流试验用双涵道扩压器，特别是用于超声速来流总压较低的工况。
背景技术
以吸气式发动机为动力的超声速/高超声速飞行器在高空飞行过程中，吸气式发动机来流为超声速/高超声速，发动机出口排气环境为高空低压环境。在发动机研制过程中，一般在超声速自由射流试验台的高空室内进行超声速自由射流试验，同时模拟发动机来流和发动机出口排气环境。为将发动机外部超声速绕流和发动机排气流顺利排出高空室，需要使用超声速扩压器对发动机外部超声速绕流和发动机超声速排气流进行减速增压，排出至下游引射系统或大气。
超声速自由射流试验用排气扩压方式主要有两种。第一种排气扩压方式的特点是发动机外部超声速绕流和发动机超声速排气流分别通过各自的扩压器减速、增压至亚声速，分别排出至下游引射系统或大气。第一种排气扩压方式在飞行马赫数为2～3左右的超音速战斗机或超音速客机自由射流试验中广泛采用。第一种排气扩压方式的缺点是所需下游排气系统部件数量多、投资多、运行成本高。第二种排气扩压方式的特点是发动机外部超声速绕流和发动机超声速排气流通过一个扩压器完成超声速混合、减速、增压至亚声速的过程，亚声速气流排出至下游引射系统或大气。第二种排气扩压方式在超声速/高超声速冲压发动机自由射流试验中广泛采用。第二种排气扩压方式的优点是系统部件数量少，缺点是超声速气流混合总压损失较大，扩压器总压恢复系数较低，往往需要下游配置引射系统及配套的引射工质源，造成排气引射系统的投资规模、运行成本较高。
为克服上述两种排气扩压方式存在的缺点，需要发明一种组成部件数量少、总压恢复系数高的排气扩压装置。
发明内容
为提高超声速自由射流试验系统的经济性，本发明提出了一种双涵道超声速扩压器。发动机超声速排气通过内涵道扩压器减速、增压至亚声速，发动机外部超声速绕流通过外涵道扩压器减速、增压至亚声速，两股亚声速气流在内涵道扩压器下游的外涵道扩压器内混合，继续减速增压至设定值，然后排出至下游引射系统或大气。
超声速自由射流试验台来流喷管排出的超声速气流一部分进入发动机进气道，在发动机内部与燃料发生燃烧反应等过程增焓增压，经发动机尾喷管排出；另一部分超声速气流绕过发动机外表面，以超声速状态在高空室与发动机外表面之间的空间流动，由于各种斜激波的影响，绕流到达发动机喷管出口附近区域时为低超声速流动状态。为减少超声速发动机排气和超声速绕流形成的超声速剪切混合层内波系造成的总压损失，保证高空室内发动机绕流的超声速状态，要求绕流的反压不影响高空室内超声速流动，外涵道扩压器采用起动压强较低的二次喉道扩压器，且进口段内型面采用多斜激波系的曲面构型。实践表明，采用面积比为0.7的二次喉道扩压器较等截面扩压器的起动反压低25％左右，从而提高自由射流试验中高空室内环境压强、流动速度的保障程度。发动机超声速排气的总压、总温较来流喷管的总压、总温高，且内涵道扩压器位于外涵道扩压器内，因此，为方便安装拆卸更换，内涵道扩压器采用结构简单的等截面扩压器。内外涵道扩压器的排气流在外涵道出口上游进行亚声速混合，总压损失小，经外涵道扩压器亚扩段以指定压强排出。
与发动机排气流/绕流分别扩压排放及超声速绕流/发动机排气流先混合再扩压排放相比，本发明的双涵道扩压器有如下优点：
(1)扩压器增压比高。
进行25公里高度飞行马赫数3.3工况时，发动机排气流/绕流分别扩压排放的扩压器的压缩比为3，超声速绕流/发动机排气流先混合再扩压排放的扩压器压缩比为2.3，本发明的双涵道扩压器的压缩比为5。
(2)对下游引射系统的要求低。
本发明的双涵道扩压器的压缩比高造成扩压器出口压力高，从而所需下游引射系统的压缩比降低，从而所需的引射工质流量降低，减少了引射系统的投资规模及运行成本。
下面结合附图和典型实例对本发明做进一步说明。
附图说明
图1本发明提出的双涵道超声速扩压器示意图
图2本发明提出的双涵道超声速扩压器与高空室及发动机位置示意图
图3发动机悬挂安装时外涵道扩压器收集器的横截面示意图
图4发动机在高空室底部安装时外涵道扩压器收集器的横截面示意图
图5本发明提出的双涵道超声速扩压器出口静压与来流喷管的比值与来流马赫数的关系
具体实施方式
本发明的双涵道扩压器由外涵道扩压器和内涵道扩压器组成。外涵道扩压器为二次喉道扩压器，由收集器1、进口段2、收缩段3、二次喉道段4、亚扩段5组成，内涵道扩压器为等截面扩压器，由过渡段6、等截面段7组成。
外涵道扩压器收集器1用于收集来流喷管9排出的未进入发动机进气道的发动机绕流，由两个裁剪掉局部面积的半圆筒状装置组成，收集器1当量内径大于来流喷管9出口当量直径，长度依据高空室10长度确定(图2)。在发动机支撑台架位于发动机下部情况下，收集器1被裁剪的局部面积位于半圆筒的下部(图4)。在发动机采用悬挂吊装情况下，收集器1被裁剪的局部面积位于半圆筒的上部(图3)。收集器1被裁剪的局部面积用于不与发动机推力测量台架及其他结构发生空间干涉。收集器1的两个半圆筒状装置可以在电动或气动机构作用下打开或闭合，方便发动机及其他结构的安装与拆卸。在收集器1处于工作状态情况下，两个半圆筒状装置的接触面采用耐高温密封方式，两个半圆筒状装置出口端与扩压器进口段2之间的接触面也采用耐高温密封方式。为防止来流喷管9的高焓排气流损伤收集器1，收集器1采用夹层水冷方式进行热防护。
外涵道扩压器进口段2为圆筒状装置，当量内径与收集器当量内径相等，长度与内径比值为1～2。进口段2进口端与收集器1出口端活动连接、耐高温密封。进口端2出口端与外涵道扩压器收缩段3入口端焊接连接。进口段2采用夹层水冷方式进行热防护。
外涵道扩压器收缩段3为锥形收缩筒结构。收缩段3入口截面内径与进口段2出口截面内径相等，收敛角α＝4°～9°，采用多斜激波系进行减速增压。收缩段3出口截面内径与二次喉道段4入口截面内径相等，焊接连接。收缩段采用夹层水冷方式进行热防护。
外涵道扩压器二次喉道段4为圆筒状装置，长度与内径比值为6～13，截面积与进口段2截面积之比为0.55～0.8。二次喉道段采用夹层水冷方式进行热防护。
二次喉道段4的长径比按公式(1)确定：
Figure BSA0000225303120000021
其中 L-二次喉道段长度；
d-二次喉道段内径；
k-外涵气体的绝热指数；
M-二次喉道段入口气流马赫数；
二次喉道段4的气流流通面积按公式(2)确定：
Figure BSA0000225303120000031
其中 Fouter-二次喉道段4的气流流通面积，等于二次喉道段4截面积与内涵道扩压器等截面段7截面积之差；
Fc-来流喷管9出口截面积；
q(M∞)-来流喷管9出口截面内流量密度函数；
ηc-实际激波总压恢复系数；
σc-理论正激波总压恢复系数；
外涵道扩压器亚扩段5为锥形扩张筒结构，亚扩段5入口截面内径与二次喉道段4截面内径相等，出口截面与二次喉道段截面面积之比为3～4，亚扩段扩张角β＝4°～10°。亚扩段采用夹层水冷方式。
内涵道扩压器过渡段6用于发动机排气喷管8与内涵道扩压器等截面段7的连接，连接方式为接触连接或非接触连接。过渡段6入口截面内径大于发动机排气喷管8出口内径，具体尺寸按喷管出口所需环境模拟高度计算确定。过渡段6采用夹层水冷方式进行热防护。
内涵道扩压器等截面段7为等截面圆筒状结构，用于激波串的形成与发动机排气的减速增压。内涵道扩压器等截面段7长径比可参照公式(1)确定，但其出口截面与外涵道扩压器二次喉道段4的出口截面之间的距离不少于2倍的外涵道扩压器二次喉道段4的内径大小。等截面段7采用夹层水冷方式进行热防护。
来流喷管9的气流总压与本发明的双涵道超声速扩压器亚扩段5的出口静压的比值(P0/p)与来流喷管8出口截面马赫数(Mach)的关系参见附图5所示。试验表明，在来流喷管9的气流总压P0∞＝5MPa条件下，采用本发明的双涵道超声速扩压器无需下游引射装置即可起动，完成自由射流试验，而传统的单通道扩压器要求来流喷管9的气流总压P0∞≥6MPa才能起动，起动压力降低20％，试验时间可延长20％，效果明显。

Claims (6)

1.一种吸气式发动机超声速自由射流试验用双涵道扩压器，由收集器(1)、进口段(2)、收缩段(3)、二次喉道段(4)、亚扩段(5)、过渡段(6)、等截面段(7)组成，其特征是收集器(1)、进口段(2)、收缩段(3)、二次喉道段(4)、过渡段(6)、等截面段(7)的外表面形成发动机周边的超声速绕流扩压通道，过渡段(6)、等截面段(7)的内表面形成发动机喷管(8)的超声速排气流扩压通道，在等截面段(7)下游的二次喉道段(4)内发动机绕流和发动机喷管(8)排气流混合并经由亚扩段(5)排出至下游设备或大气环境。
2.根据权利要求1所述的双涵道扩压器，其特征是超声速绕流扩压通道为二次喉道型扩压通道，发动机喷管(8)的超声速排气流扩压通道为等截面型扩压通道。
3.根据权利要求1所述的双涵道扩压器，其特征是超声速绕流扩压通道和发动机喷管(8)的超声速排气流扩压通道共轴。
4.根据权利要求1所述的双涵道扩压器，其特征是收集器(1)为两个裁剪掉部分面积的半圆筒状装置组成，根据发动机安装方式的不同裁剪掉与发动机安装支架相干涉的部分圆筒。
5.根据权利要求1所述的双涵道扩压器，其特征是等截面段(7)的出口截面在二次喉道段(4)出口截面的上游，两个截面的距离与二次喉道段(4)内径之比为3-4。
6.根据权利要求1所述的双涵道扩压器，其特征是过渡段(6)与发动机喷管(8)之间的连接方式为密封连接或间隙非密封连接。
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