CN114718757A - 一种微型涡喷发动机尾喷管设计方案 - Google Patents

一种微型涡喷发动机尾喷管设计方案 Download PDF

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张群
杨卓蒙
吴智迪
夏怡真
周子豪
范颖静
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Abstract

本发明提供一种微型涡喷发动机尾喷管设计方案，涉及微型涡轮喷气发动机技术领域。本发明对微型涡轮喷气发动机的尾喷管进行改进。将尾喷管分为两部分，通过控制尾喷管可变化段的扩张角度，可以有效控制尾喷管高速气流的矢量方向，同时采用双层出口结构，将尾喷管气流一分为二，可以有效整合出口流场，实现核心气流进入中间可变化段，提升微型涡喷发动机的推进性能。

Description

一种微型涡喷发动机尾喷管设计方案
技术领域
本发明属于微型涡轮喷气发动机技术领域，具体涉及一种微型涡喷发动机尾喷管设计方案。
背景技术
微型发动机具有结构相对简单、成本低、研发周期短的特点，同时又涵盖了燃气涡轮各个方面的核心技术，非常有利于作为科研、教学及产业平台。从微型发动机开始做起，将其作为各种新技术的验证平台，可以快速积累航空发动机的研发经验，建立研发能力。并且微型航空发动机和微型燃气轮机的很多核心技术是相同的，一款微型航空发动机研发成功后，可以快速的移植到地面应用，相较大型发动机来说，使用场景更灵活、通用性更强、市场范围更广。
尾喷管是微型涡轮喷气发动机上重要的气动部件之一。在微型发动机工作过程中，由于其特殊的应用场景，涡轮出口流场通常不均匀，故在尾喷管段会产生较大的流动损失，影响发动机的推进性能。传统的大型发动机经常采用收敛—扩张喷管，但在工作条件较低，整体尺寸小的微型涡轮喷气发动机上，直接移植收敛—扩张喷管，在微型涡喷发动机上不可行。因此，优化涡轮出口流场、改善尾喷管气动性能对微型涡轮喷气发动机的性能及发展十分重要。
本发明通过对微型涡轮喷气发动机的尾喷管结构进行改进，可以一定程度上改善发动机的流场结构，提升微型涡喷发动机的推进性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种微型涡喷发动机尾喷管设计方案。与现有的技术结构相比，本发明的优点是将涡轮出口气流分为内外两层，外层(靠近发动机机匣)通过外环通道道，直接推出发动机，可以有效防止湍流气流扰动整体流场。同时涡轮出口核心温度气流通过内环通道，可调喷管的存在对核心流场进行整流并且通过对应的最佳尾喷管截面，提升了一定的推进性能。内外环气流通道嵌套装配，尾部通过弹簧支连杆与可调尾喷管连接，对出口气流实现矢量控制。
技术方案
本发明的目的在于提供一种微型涡喷发动机尾喷管设计方案，它能够有效改善涡轮出口流场，并优先提升发动机推进性能，通过尾喷管实现对发动机的矢量控制。
本发明技术方案如下：
一种微型涡喷发动机尾喷管设计方案，包括外环(机匣)通道、内环通道、弹簧支连杆、可调喷管，其特征在于：基于传统微型涡轮喷气发动机的结构及作用，本发明将涡轮出口气流分为两层，有效改善涡轮出口流场；将尾端设计成可调结构，出口截面可调以对应于各种工况，提升推进性能，弹簧支连杆会调动尾喷管的方向，实现矢量控制。
所述微型涡喷发动机尾喷管，其特征在于：设计喷管内外环嵌套通道为50mm，采用收缩结构，收缩半角15°，收敛段与可调喷管采用弹簧支连杆连接，喷管出口方向和横截面积可调，保证喷管气密性的同时，控制喷管面积对应发动机的工作状态。
本发明具有以下有益效果：
这种微型涡喷发动机尾喷管设计方案，相较于微型涡喷发动机尾喷管结构更加优化。内外环通道设计可以改善涡轮出口流场，起整流作用。内外环通道后端通过弹簧支连杆与可调喷管连接。外层湍流度较大的气流直接通过外环通道排出喷管，内部核心温度流通过内环通道先整流，再进入可调喷管中，通过弹簧支连杆对可调喷管面积进行调节以对应发动机工作状态，随后再排出发动机，借此提升发动机的推进性能。
发动机喷管处设计可调节式一方面可确保喷管的横截面积对应发动机的工作状态，避免喷管堵塞，另一方面提升了发动机的推进性能。四联弹簧支连杆控制发动机尾喷管的摆向，可以有效控制径向方向速度，相比复杂的矢量喷口而言，结构更为简单，但可以起到同样的矢量控制效果，保证发动机性能。
附图说明
图1：微型涡喷发动机尾喷管弹簧支连杆示意图
图2：微型涡喷发动机尾喷管扩张形态正等轴测图
图3：微型涡喷发动机尾喷管扩张形态右视图
图4：微型涡喷发动机尾喷管收缩形态正等轴测图
图5：微型涡喷发动机尾喷管收缩形态右视图
图中：1-尾喷管外环通道，2-尾喷管内环通道，3-弹簧支连杆，4-可调喷管
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步描述：
结合图1、图2、图3、图4、图5，本发明为一种微型涡喷发动机尾喷管设计方案。图1为微型涡喷发动机尾喷管弹簧支连杆示意图，图2为微型涡喷发动机尾喷管扩张形态正等轴测图，图3为微型涡喷发动机尾喷管扩张形态右视图，图4为微型涡喷发动机尾喷管收缩形态正等轴测图，图5为微型涡喷发动机尾喷管收缩形态右视图。
此设计方案直接与发动机涡轮出口连接，高温燃气从涡轮出口流出，外层流体直接通过外观通道1流出发动机直接提供推力，内层核心温度流体通过内环通道2，对其进行整流之后，由弹簧支连杆3控制可调喷管4进行工况适配，从而将可调喷管截面调整成对应于发动机工况的最佳状态，以提升发动机的推进性能。在弹簧支连杆3的调节下，可以保证喷管在径向产生方向速度，控制高温高速燃气的出口方向，有效得到对发动机的矢量控制。

Claims (4)

1.一种微型涡喷发动机尾喷管设计方案，包括外环喷管、内环喷管、弹支控制杆、异型可调喷管，其特征在于：基于传统微型涡轮喷气发动机的结构及作用，本发明将微型涡喷发动机的尾喷管分级设计，有效控制尾部流场；将喷管设计为两级可调喷管，以控制发动机推进性能。
2.根据权利要求1所述的一种微型涡喷发动机尾喷管设计方案，其特征在于：所设计的发动机尾喷管分为内环和外环通道，外环通过涡轮出口靠近机匣的气流，内环通道通过涡轮出口核心气流，将出口流场分为两层，分别排出。
3.根据权利要求1和权利要求2所述的一种微型涡轮喷气发动机尾喷管设计方案，其特征在于：外环内环通道嵌套设计，杂乱气流直接从外环排出，核心流动通过可调式尾喷管通道引射排出，采用弹簧支连杆控制尾喷管横截面积，以控制气流流动，修正流场。
4.根据权利要求1所述的一种微型涡喷发动机尾喷管设计方案，其特征在于：所设计的尾喷管分为两部分，内外环重叠嵌套放置，长50mm，采用弹簧支连杆与可调尾端相连，长70mm，可调尾端可以从扩张型平滑变化到收敛型。
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