CN115628151A - 一种涡扇发动机使用的全遮挡导流支板 - Google Patents

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施小娟
马壮
吉洪湖
王浩
王丰
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Abstract

本发明属于支板成型设计技术领域，尤其涉及一种涡扇发动机使用的全遮挡导流支板，它采用高气动性能全遮挡导流支板型面设计方法，可实现对末级涡轮的完全遮挡，通过引入外涵通道冷气对其进行冷却，能够在显著降低发动机排气系统尾向红外辐射特征的同时，保持排气系统较高的气动性能，能有效提高战场上飞行器的生存能力。

Description

一种涡扇发动机使用的全遮挡导流支板
技术领域
本发明属于支板成型设计技术领域，尤其涉及一种涡扇发动机使用的全遮挡导流支板。
背景技术
目前飞行器面临的探测威胁虽然以雷达探测为主，红外探测为辅，其他探测手段作为补充，但是红外探测对飞行器的威胁正变得越来越大。有资料统计显示在1965年～1973年的越南战争中，“响尾蛇”系列红外制导导弹的命中率为18.2％～34.5％；1982年的马岛战争和贝卡谷空战中“响尾蛇”系列红外制导导弹的命中率分别为60％和88.9％；阿富汗战争中“毒刺”系列红外制导导弹的命中率在80％左右。此外，据Nordeen和Morris等学者的统计数据，在上个世纪几次局部战争中，红外制导导弹击落目标的数量与雷达制导导弹击落目标的数量之比大约为3:1；至今，世界范围内各国战斗机的战损数量约为600架，其中49%是被红外制导导弹击落的。由此可见，红外制导导弹已成为当今战斗机的主要威胁之一，战斗机的红外隐身变得日益重要，红外隐身性能是未来战机的必备性能之一。
目前针对排气系统中心锥、喷管等高温固体部件的红外辐射抑制已经开展了大量的研究，如采用低红外辐射特征结构、高温壁面的冷却以及低发射率涂层等，并且相关红外抑制技术已得到了应用。然而，对于末级涡轮转子叶片这一强红外辐射源，目前除了低发射率镀膜以外，尚无其他有效的红外抑制手段，而且仅仅靠低发射率镀膜技术还远远不能满足飞行器红外隐身需求；若出于红外隐身考虑在末级涡轮转子壁面布置冷却措施，则转子的冷却结构会极其复杂，将大大增加设计与制造难度。因此，末级涡轮作为排气系统尾向的主要红外辐射源之一，如何降低末级涡轮对排气系统尾向的红外辐射贡献，是排气系统红外隐身性能进一步突破的关键问题之一。
本发明针对当末级涡轮出口气流偏转角为0°（即气流的方向与发动机轴向平行）的情况，申请公布号为CN 113361027 A的专利对隐身涡扇发动机支板设计中只公开了设计流程，没有公开支板曲线形式；申请公布号为CN 113357045 A的专利公开了高隐身涡扇发动机的结构布局，以及对红外特征和雷达特征的影响，没有公开高性能支板设计的曲线形式，也没有考虑对发动机气动性能的影响。
本发明在有效降低末级涡轮红外辐射贡献的同时兼顾高气动性能，对全遮挡导流支板提出较优的型面设计方案。
发明内容
为解决现有技术中的上述缺陷，本发明公开一种涡扇发动机使用的全遮挡导流支板，它是采用以下技术方案来实现的。
本全遮挡导流支板安装在涡扇发动机排气系统内部，涡扇发动机排气系统包括外涵通道、内涵通道、混合器、中心锥、全遮挡导流支板、隔热屏、加力筒和拉瓦尔喷管；隔热屏安装在加力筒内侧，与加力筒壁面之间形成冷却通道；隔热屏内部为加力燃烧室；拉瓦尔喷管安装在排气系统后部。
末级涡轮出口气流偏转角为0°（即气流的方向与发动机轴向平行）时，全遮挡导流支板进口型面与来流方向相切，出口型面与发动机轴向相切。
支板与混合器交接处为支板外侧，且与混合器交接的截面形状使用支板外侧型面线描述；以中心锥最大直径为圆柱直径，发动机轴线作为圆柱的中心线，作一辅助圆柱面，支板与此圆柱面交接处为支板内侧，且与此圆柱面交接的截面形状使用支板内侧型面线描述。
将与全遮挡导流支板交接的混合器圆柱面展开获得矩形平面，全遮挡导流支板外侧型面线位于混合器圆柱面展开的矩形平面内，以排气系统轴向方向为x轴，上述支板外侧型面曲线方程使用函数y wai (x)来表示，即：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（0<x<L）
其中全遮挡导流支板轴向长度为L；
将与全遮挡导流支板交接的辅助圆柱面展开获得矩形平面，全遮挡导流支板内侧型面线位于辅助圆柱面展开的矩形平面内，以排气系统轴向方向为x轴，上述支板内侧型面曲线方程使用函数y nei (x)来表示，即：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
（0<x<L）
经过上述步骤后，将支板内外两侧圆柱面上的型面曲线通过构造B样条曲面，即UG建模软件中的“通过曲线组”功能的方法构成支板型面，再将此型面内侧型面线通过UG建模软件中的“延伸片体”功能的方法延伸至中心锥表面，即构成全遮挡导流支板。
作为本技术的进一步改进，上述全遮挡导流支板的数量为16个。全遮挡导流支板数量多一些可以使每块支板的弯曲角度小一些，降低流阻，但是会增加摩擦阻力；全遮挡导流支板数量少一些会减小摩擦阻力但是为实现对上游的全遮挡会增大型面弯扭程度，增大流阻，本发明在综合计算选择之后，选择了上述全遮挡导流支板数量。
作为本技术的进一步改进，上述全遮挡导流支板长度与外涵进口直径比L/D为0.318，轴向长径比变小会引起支板段流道形面畸变程度增大，支板轴向长径比的增加减轻了支板段流道形面的畸变程度，流道形面过渡缓慢，有利于降低气流的流动损失，然而由于支板长度增加，支板表面积也随之增加，这又增大了气流与壁面之间摩擦产生的气动损失，本发明在综合计算选择之后，选择了上述全遮挡导流支板长径比。
相对于传统的涡扇发动机排气系统中布置的导流支板，本发明综合考虑低红外辐射特征与高气动性能要求，将末级涡轮下游的导流支板进行重新设计，对上游高温部件实现全遮挡，同时通过对全遮挡导流支板进行合理的型面设计，减少了气动损失与推力损失。
附图说明
图1是整体排气系统示意图。
图2是全遮挡导流支板内外侧圆柱面展开示意图。
图3是不同型面线型对排气系统总压恢复系数的影响。
图4是不同型面线型对排气系统推力系数的影响。
图中标号名称：1、内涵通道；2、混合器；3、外涵通道；4、隔热屏；5、加力筒；6、拉瓦尔喷管；7、中心锥；8、全遮挡导流支板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例或者附图用于说明本发明，但不用来限制本发明的保护范围。
如图1所示，内涵气流从内涵通道1流入排气系统，为高温气流；全遮挡导流支板8外侧安装有混合器2；全遮挡导流支板8内侧安装有中心锥7；中心锥外壁面与混合器内壁面构成内涵通道1；外涵气流从外涵通道3流入排气系统；内外涵气流经过混合器2后掺混，进入加力燃烧室点燃进行燃烧；隔热屏4安装在加力筒5内侧，隔热屏4与加力筒5壁面之间形成冷却通道，利用外涵气流对隔热屏4进行冷却，同时也可以使加力筒5壁面温度降低；拉瓦尔喷管6位于排气系统后部，高温气体进入拉瓦尔喷管6膨胀加速，产生推力。
当末级涡轮出口气流偏转角为0°时，两个全遮挡导流支板之间的流道类似S形流道，因此支板型面线的构造参考了S形进/排气系统流道型面设计中常用的中心线变化率构造方法，构造出单调连续的光滑曲线。
支板与混合器交接处为支板外侧，且与混合器交接的截面形状使用支板外侧型面线描述；以中心锥最大直径为圆柱直径，发动机轴线作为圆柱的中心线，作一辅助圆柱面，支板与此圆柱面交接处为支板内侧，且与此圆柱面交接的截面形状使用支板内侧型面线描述。
将与全遮挡导流支板交接的混合器圆柱面展开获得矩形平面，全遮挡导流支板外侧型面线位于混合器圆柱面展开的矩形平面内，以排气系统轴向方向为x轴，上述支板外侧型面曲线方程使用函数y wai (x)来表示。
将与全遮挡导流支板交接的辅助圆柱面展开获得矩形平面，全遮挡导流支板内侧型面线位于辅助圆柱面展开的矩形平面内，以排气系统轴向方向为x轴，上述支板内侧型面曲线方程使用函数y nei (x)来表示。
经过上述步骤后，将支板内外两侧圆柱面上的型面曲线通过构造B样条曲面，即UG建模软件中的“通过曲线组”功能的方法构成支板型面，再将此型面内侧型面线通过UG建模软件中的“延伸片体”功能的方法延伸至中心锥表面，即构成全遮挡导流支板。
本发明对全遮挡导流支板型面共设计了五种（n 1，n 2，n 3，n 4，n 5）不同型面曲线方程，图2给出了五种型面曲线形状示意图，五种型面曲线方程分别为
n 1型:
Figure DEST_PATH_IMAGE006
(0<x<L）
Figure DEST_PATH_IMAGE008
（0<x<L）
n 2型:
Figure DEST_PATH_IMAGE010
(0<x<L)
Figure DEST_PATH_IMAGE012
（0<x<L）
n 3型:
Figure DEST_PATH_IMAGE014
（0<x<L）
Figure DEST_PATH_IMAGE016
（0<x<L）
n 4型:
Figure 813595DEST_PATH_IMAGE002
（0<x<L）
Figure 402839DEST_PATH_IMAGE004
（0<x<L）
n 5型:
Figure DEST_PATH_IMAGE018
（0<x<L）
Figure DEST_PATH_IMAGE020
（0<x<L）
选择n 4型曲线函数有如下优点：全遮挡导流支板进口型面曲线与来流方向相切，出口形面曲线与发动机轴向相切，可减少气流流动损失；定义排气系统总压恢复系数б n 是气流出口总压与气流进口总压的比值，是用于表征压力势能损失的参数；定义排气系统推力系数C f 为实际推力与理想推力的比值。如图3与图4所示，经过数值计算，由n 4线型构成的全遮挡导流支板的排气系统总压恢复系数б n 为0.9622，高于其他线型设计方案，推力系数C f 为0.944，也略高于其他线型设计方案；本发明设计的带全遮挡导流支板的排气系统，相比带常规直导流支板的排气系统（两种排气系统支板段流道流通面积保持不变），在总压恢复系数б n 仅下降1.33%、推力系数C f 仅下降1.85%的情况下，使得末级涡轮在排气系统尾向各方向上的红外辐射强度几乎为0，达到了预期完全遮挡的目的，有效地抑制了末级涡轮对排气系统尾向的红外辐射贡献。
全遮挡导流支板靠近混合器的一端与混合器固定连接，靠近中心锥的一端与中心锥固定连接；全遮挡导流支板沿排气系统轴向的投影对上游形成完全遮蔽。
上述全遮挡导流支板8的数量为16个。全遮挡导流支板8数量多一些可以使每块支板的弯曲角度小一些，降低流阻，但是会增加摩擦阻力；全遮挡导流支板8数量少一些会减小摩擦阻力但是为实现对上游的全遮挡会增大型面弯扭程度，增大流阻，本发明在计算之后，选择了上述全遮挡导流支板8数量为16个。
上述全遮挡导流支板长径比L/D取0.318，轴向长径比变小会引起支板段流道形面畸变程度增大，支板轴向长径比的增加减轻了支板段流道形面的畸变程度，流道形面过渡缓慢，有利于降低气流的流动损失，然而由于支板长度增加，支板表面积也随之增加，这又增大了气流与壁面之间摩擦产生的气动损失，本发明在综合计算选择之后，选择了上述全遮挡导流支板长径比。
综上所述：
1、为了能够对末级涡轮红外辐射形成有效抑制，全遮挡导流支板8应能够形成对上游的完全遮挡；
2、全遮挡导流支板8虽然有效降低了末级涡轮的红外辐射特征，但是也会使气动损失增加，为了尽可能地减少气动性能的损失，采取合适的全遮挡导流支板8数量为16个，对全遮挡导流支板8进行合理的型面设计，使排气系统保持较高的推力水平。

Claims (3)

1.一种涡扇发动机使用的全遮挡导流支板，其特征在于：全遮挡导流支板进口型面与来流方向（即发动机末级涡轮出口气流方向）相切，出口型面与发动机排气系统轴向相切；全遮挡导流支板对其上游的末级涡轮形成完全遮蔽；
支板与混合器交接处为支板外侧，且与混合器交接的截面形状使用支板外侧型面线描述；以中心锥最大直径为圆柱直径，发动机轴线作为圆柱的中心线，作一辅助圆柱面，支板与此圆柱面交接处为支板内侧，且与此圆柱面交接的截面形状使用支板内侧型面线描述；
将与全遮挡导流支板交接的混合器圆柱面展开获得矩形平面，全遮挡导流支板外侧型面线位于混合器圆柱面展开的矩形平面内，以排气系统轴向方向为x轴，上述支板外侧型面曲线方程使用函数y wai (x)来表示，即：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（0<x<L）
其中全遮挡导流支板轴向长度为L；
将与全遮挡导流支板交接的辅助圆柱面展开获得矩形平面，全遮挡导流支板内侧型面线位于辅助圆柱面展开的矩形平面内，以排气系统轴向方向为x轴，上述支板内侧型面曲线方程使用函数y nei (x)来表示，即：
Figure 641561DEST_PATH_IMAGE002
（0<x<L）
经过上述步骤后，将支板内外两侧圆柱面上的型面曲线通过构造B样条曲面，即UG建模软件中的“通过曲线组”功能的方法构成支板型面，再将此型面内侧型面线通过UG建模软件中的“延伸片体”功能的方法延伸至中心锥表面，即构成全遮挡导流支板。
2.根据权利要求1所述的一种涡扇发动机使用的全遮挡导流支板，其特征在于：上述全遮挡导流支板在发动机上安装的数量为16个。
3.根据权利要求1所述的一种涡扇发动机使用的全遮挡导流支板，其特征在于：上述全遮挡导流支板长度与外涵进口直径比L/D为0.318。
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