CN114893319A

CN114893319A - 一种涡轮喷气发动机核心机喷口结构

Info

Publication number: CN114893319A
Application number: CN202210472095.1A
Authority: CN
Inventors: 朱逸阳; 肖霄; 黄金泉
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2022-04-29
Filing date: 2022-04-29
Publication date: 2022-08-12

Abstract

本发明公开一种涡轮喷气发动机核心机喷口结构，采用了尾锥体斜面与喷管外筒体相结合的形式构成环形收缩喷口，保证环形喷口出口处即为涡轮后出口流道最小截面。利用尾锥筒体与后支承筒体搭接的方式，结合筒体内弹簧与调整螺栓，实现锥体的前后移动，从而实现离线面积连续可调。

Description

一种涡轮喷气发动机核心机喷口结构

技术领域

本发明属于航空发动机领域，具体涉及涡轮喷气发动机的核心机喷口结构。

技术背景

正向设计涡轮喷气发动机，首先需要设计一款核心机，经过不断仿真计算和试验验证后，核心机才基本定型，成为一系列推力范围的涡喷发动机系列化发展平台。发展型的指标先进与否关键也在于核心机，因此核心机的压气机与涡轮的转速、强度、功率匹配性至关重要。

随着航空发动机的更新换代，四代机已成主流，五代机的成熟度已到达5，在一些成熟的核心机平台上，以较小改动代价进行核心机升级的需求日渐紧迫，在核心机流量不变的条件下，提高压气机、涡轮的效率，优化空气系统降低冷却气比例等，都可以在短周期内实现5％～10％的性能提升。这种方式相对于新设计一款核心机明显周期和成本上是更优的选择。

核心机在试验前，关键尺寸会根据仿真计算结果进行确定，如高压涡轮导向器喉道面积A₄和喷口面积A₅，其中核心机喷口面积相当于双转子的低压涡轮导向器喉道的面积，众所周知，大多数涡轮喷气发动机工作在慢车以上时，高压涡轮导向器喉道面积和低压涡轮导向器喉道处于临界状态，此时高压涡轮的落压比决定于高压涡轮导向器喉道面积A₄和低压涡轮导向器喉道面积的A₅比值，即

k表示绝热系数，cp/cv。

在核心机试验时，高压涡轮导向器一般为高温合金铸造件，几何面积不可调，也不方便通过换组别的方式进行调节，此时唯一调节涡轮落压比的手段就是调整核心机的喷口面积。调节核心机喷口面积通常有以下几种方法：第一种方法是通过计算得到一定的调节范围的喷口面积，生产若干组不同面积大小的喷口，试验时通过更换喷口部件来实现落压比的调整；第二种方法是安装可调喷管部件，该方法能实现喷口在线无极调节，但成本较高，机械结构复杂，且核心机喷口前期调定后基本就不再变动，安装在线可调喷管部件会产生较大浪费。

发明内容

本发明针对上述不足，提出了一种涡轮喷气发动机核心机喷口设计方法，能够低成本的实现核心机喷口面积离线连续可调的方法，达到提高试验效率和降低成本的目的。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种涡轮喷气发动机核心机喷口结构，包括涡轮后支承、尾锥、喷管外筒体，所述尾锥自前向后包括依次连接的平直段、直径扩大段和直径收缩段；所述喷管外筒体与直径扩大段构成环形收缩喷口，环形收缩喷口出口处即为涡轮后出口流道最小截面；所述尾锥能够前后移动，以实现喷口面积连续可调。

进一步的，所述涡轮后支承包括底盘和圆筒；所述底盘紧固于发动机机匣，中心开有圆孔，通过轴承与发动机核心机的轴体连接，不随轴体转动；所述平直段为开口朝向所述涡轮后支承的空心圆柱，其侧壁与所述圆筒套接。所述圆筒通过焊接的方式与底盘连接。

进一步的，所述平直段的底部设置调整螺柱；所述调整螺柱与发动机核心机的轴体螺纹连接，旋转调整螺柱能够调整所述尾锥轴向的位置。

进一步的，所述调整螺柱穿过平直段的底部，平直段的底部与直径扩大段之间可拆卸式连接，拆下直径扩大段后可手动旋转调整螺柱。

进一步的，所述平直段的底部与所述轴承的内侧之间设置弹簧，用于提供尾锥向后的弹力，以锁紧调整螺柱，防止实验过程中调整螺柱转动导致尾椎水平移动。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：现有技术通过产生不同组别直径的喷管筒体来实现阶跃式喷口面积调整，试验时调整周期较长，且可能与设计的涡轮落压比对应的喷口面积不在生产的喷口面积上。本发明的涡轮喷气发动机核心机喷口结构实现了低成本连续喷口面积可调，极大降低试验周期和提高实物与设计结果的吻合度，通过不同的调整，还可获得更多的核心机涡轮与压气机匹配数据。

附图说明

图1为涡轮喷气发动机核心机简易示意图。

具体实施方式

本发明在低成本、短周期条件下，设计一种操作方便，喷口面积离线连续可调的涡轮喷气发动机核心机喷口结构：核心机简易示意图如图1所示。本发明主要设计创新点为尾锥部分，尾锥分三段：1、平直段，用于与涡轮后支承向后伸出部分圆筒进行套接，底部与第二段连接处有一通孔，用于穿过调整螺柱，弹簧置于涡轮后支承与尾锥平直段底座之间提供尾锥向后的弹力；2、直径扩大段，主要用于与核心机外喷管筒体形成收缩喷口；3、直径收缩段，主要用于与核心机外喷管筒体形成扩张喷口。直接扩大段和直径收缩段构成可拆卸帽罩，用于调整螺柱。

涡轮后支承包括底盘和圆筒，底盘紧固于发动机机匣，中心开有圆孔，通过轴承与发动机核心机的轴体连接，不随轴体转动。平直段为开口朝向所述涡轮后支承的空心圆柱，其侧壁与圆筒套接。圆筒通过焊接的方式与底盘连接。

发动机核心机的轴体的端部设置内螺纹，调整螺柱与轴体螺纹连接，旋转调整螺柱能够调整所述尾锥轴向的位置。

平直段的底部与轴承的内侧之间设置弹簧，用于提供尾锥向后的弹力，以锁紧调整螺柱，防止实验过程中调整螺柱转动导致尾椎水平移动。

可调尾锥的工作原理：弹簧向后的弹力与螺柱共同固定尾锥体的前后轴向位置，而核心机尾喷管外筒体与锥体第二段的斜面形成环形的收缩喷口，保证喷口流道的最小面积在喷嘴环形出口处，从而通过前后移动尾锥体来实现喷口面积在一定范围内连续可调，其面积变化范围为(πR²-πa²)～(πR²-πb²)，R是尾喷口的半径，a、b代表扩大段在可调范围的最大和最小半径。

本发明的具体操作步骤为：

1.核心机在试验台架安装完成：

2.试验前，初始喷口尾锥体轴向位置可根据设计的喷口面积计算值来确定并对调整螺钉进行调整；

3.开展试验时，根据试验测量数据得出涡轮落压比，与设计值进行对比；

4.若需要调整，则可根据涡轮落压比和喷口与高压涡轮导向器面积比值的大致关系

来对喷口的预调值进行计算，再根据喷口面积与尾锥体轴向位置的关系得出轴向调整量并对调整螺钉进行调整；

5.最后，在停车状态下，打开尾锥体可拆卸帽罩，对调整螺钉进行调整。

本发明采用了尾锥体斜面与喷管外筒体相结合的形式构成环形收缩喷口，保证环形喷口出口处即为涡轮后出口流道最小截面。利用尾锥筒体与后支承筒体搭接的方式，结合筒体内弹簧与调整螺栓，实现锥体的前后移动，从而实现离线面积连续可调。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种涡轮喷气发动机核心机喷口结构，包括涡轮后支承、尾锥、喷管外筒体，其特征在于，所述尾锥自前向后包括依次连接的平直段、直径扩大段和直径收缩段；所述喷管外筒体与直径扩大段构成环形收缩喷口，环形收缩喷口出口处即为涡轮后出口流道最小截面；所述尾锥能够前后移动，以调节喷口面积。

2.根据权利要求1所述的一种涡轮喷气发动机核心机喷口结构，其特征在于，所述涡轮后支承包括底盘和圆筒；所述底盘紧固于发动机机匣，中心开有圆孔，通过轴承与发动机核心机的轴体连接，不随轴体转动；所述平直段为开口朝向所述涡轮后支承的空心圆柱，其侧壁与所述圆筒套接。

3.根据权利要求2所述的一种涡轮喷气发动机核心机喷口结构，其特征在于，所述平直段的底部设置调整螺柱；所述调整螺柱与发动机核心机的轴体螺纹连接，旋转调整螺柱能够调整所述尾锥的前后位置。

4.根据权利要求3所述的一种涡轮喷气发动机核心机喷口结构，其特征在于，所述调整螺柱穿过平直段的底部，平直段与直径扩大段之间可拆卸连接。

5.根据权利要求2所述的一种涡轮喷气发动机核心机喷口结构，其特征在于，所述平直段的底部与轴承内侧之间设置弹簧，用于提供尾锥向后的弹力，以锁紧调整螺柱。