CN115750133A - 基于带自适应侧向射流的突片的发动机喷管排气掺混结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于带自适应侧向射流的突片的发动机喷管排气掺混结构，通过在主喷管出口附近内侧或外侧或内外侧交错周向均匀设置的带自适应侧向射流的突片，将突片上游气流引流至其内流道并加速后，从突片两侧的侧向缝排出形成侧向射流，不仅有利于降低突片的有效流动阻力，还进一步增强了突片在发动机主喷管出口下游主流区及主流区外侧形成的流向涡的强度，实现发动机主喷管高温排气射流与其外侧低温气流的高效掺混，从而以更低的损失提高了发动机主喷管高温射流与周围低温气流的掺混性能。同时，突片侧向射流的速度可随着发动机工况的变化而进行自适应变化，从而实现对突片下游流向涡强度的调节，满足不同工况下发动机排气掺混的需要。

Description

基于带自适应侧向射流的突片的发动机喷管排气掺混结构

技术领域

本发明涉及航空发动机排气喷管掺混技术领域，涉及一种发动机喷管排气掺混结构，尤其涉及一种基于带自适应侧向射流的突片的喷管掺混结构，特别适用于高性能航空燃气涡轮发动机单通道或多通道排气喷管的射流掺混。

背景技术

自上世纪80年代以来，历次战争中70～80％的损毁战机都是由红外制导导弹造成的，而飞机发动机的高温排气射流及其加热的排气喷管是3μm-5μm波段红外辐射的主要来源，其辐射强度占比可达到80％以上。随着对高性能动力的需求，航空发动机的涡轮前温度不断提高，使得排气喷管的工作温度甚至可达到900K左右，必然会造成发动机尾喷流红外辐射的大幅提升。如果采用先进的强化掺混排气系统，可使排气温度下降50％，红外辐射强度降低90％，从而大大提高飞行器的战场存活率。为了降低排气系统的红外辐射，往往通过强化内涵喷管高温排气射流、外涵喷管低温射流及喷管周围冷空气的快速掺混，从而降低排气温度、缩小排气射流的高温势核区。

目前常用的强化喷管排气掺混的装置包括波瓣掺混器、锯齿掺混器、固体突片掺混器和气动突片掺混器等，这些强化掺混技术虽然具有较好的掺混效果，但往往都存在这样或那样的问题：波瓣掺混器、锯齿掺混器、固体突片掺混器等被动排气掺混装置的掺混损失大，无法实现灵活调节以适应航空发动机各工况下的排气掺混需要，而波瓣掺混器还存在结构复杂、加工困难及成本高的问题；而对于气动突片这类排气主动掺混装置，如中国发明专利申请CN201110368810.9，该发明专利申请公开了一种基于气动突片技术的喷管排气掺混方法及装置，通过在发动机主喷管的排气口附近设置不同气流喷射方向的气动突片，使得发动机主喷管排气口附近的主流区以及主流区的外侧气流均形成流向涡，实现发动机主喷管排气口附近的主流区以及外界气流掺混。然而必须注意到，该发明中所采用的气动突片在工作时，其射流喷注流道的进气口与旁路气流连通，旁路气流为发动机压气机高压级气流或者发动机冷却气流或者外涵气流，且气动突片上设有根据发动机实际工况自动调节该射流喷注流道中喷射流量的射流控制机构。由于该发明采用的气动突片在工作时需要复杂的供气和主动调控机构，其结构尺度大、控制复杂，在严苛的环境(如高温、低温、低气压)下鲁棒性较差。

因此，亟需探索一种低阻力、低损失、低成本、高掺混性能、高可靠性及高自适应调节能力的排气喷管掺混结构。

发明内容

(一)发明目的

为了克服现有发动机喷管排气掺混技术存在的上述缺陷和不足，本发明提供了一种基于带自适应侧向射流的突片的发动机喷管排气掺混结构，通过在航空发动机主喷管出口附近内侧或外侧或内外侧交错周向均匀设置的带自适应侧向射流的突片，其将突片上游气流引流至其内流道并加速后，从突片两侧的侧向缝排出形成侧向射流，不仅有利于降低突片的有效流动阻力，还进一步增强了突片在发动机主喷管出口下游主流区及主流区外侧形成的流向涡的强度，实现发动机主喷管高温排气射流与其外侧低温气流的高效掺混，从而以更低的损失提高了发动机主喷管高温射流与周围低温气流的掺混性能。同时，突片侧向射流的速度可随着发动机工况的变化而进行自适应变化，从而实现对突片下游流向涡强度的调节，满足不同工况下发动机排气掺混的需要。

(二)技术方案

为了实现上述技术目的，本发明将采取以下技术方案：

一种适用于发动机喷管排气掺混的带自适应侧向射流的突片，包括一突片本体，其特征在于，

所述突片本体为一横截面大致呈三角形的柱状体，所述柱状体的底部随形固定在发动机主喷管的出口附近处的内侧壁或外侧壁上，所述柱状体的前端面基本正对所述发动机主喷管内主气流或外主气流来流方向而形成为迎风面，所述柱状体的后端面形成为背风面，所述柱状体内开设一前端开口、后端封闭并沿前后方向延伸的内加速流道，所述内加速流道的后端形成在临近所述柱状体的背风面位置处，所述内加速流道的前端开口开设在所述柱状体的前端面上并形成为所述内加速流道的引流进口，所述柱状体的左右两侧面上分别开设至少一面向主气流区的侧向气流缝，且每一所述侧向流气缝的底部与所述内加速流道连通，使得从所述引流进口进入至所述内加速流道内的主气流经加速后由所述柱状体左右两侧面上的侧向气流缝排出而形成为气动型面。

优选地，所述突片本体的横截面为底边为圆弧的等腰三角形，所述柱状体的左右两侧面对称布置，且所述柱状体左右两侧面上的侧向流气缝呈对称布置。

优选地，所述突片本体由底面至其顶点处的高度H与发动机主喷管的出口直径D的比值为0.08≤H/D≤0.18。

优选地，所述突片本体左右两侧面形成的顶角α为5°～150°，所述突片本体沿前后方向的厚度L与其高度H的比值L/H为0.10～1.00。

优选地，所述突片本体与发动机主喷管轴线的夹角(即安装角)β为20°～160°。

优选地，所述引流进口的外形呈喇叭口形状，且所述引流进口的横截面为圆形、椭圆形、腰形或带倒圆的任意多边形。

优选地，所述内加速流道的横截面为圆形、椭圆形、正方形、长方形或带倒圆的任意多边形，所述内加速流道的面积分布根据发动机主喷管射流工况设定为等面积流道、收敛流道、扩张流道、收扩流道或扩收流道。

优选地，所述侧向气流缝与所述突片本体的背风面平行设置，其形状由一个或多个长方形、正方形、平行四边形或腰形组成。

优选地，所述侧向气流缝的宽度w与所述突片本体沿前后方向的厚度L的比值w/L为0.10～0.50，所述侧向气流缝的总高度h与所述突片本体由其底面至顶点处的高度H的比值h/H为0.10～1.00。

本发明的另一个发明目的在于，提供一种基于本发明上述带自适应侧向射流的突片的发动机喷管排气掺混结构，其特征在于，

在所述主喷管出口附近的内侧壁上设置若干沿周向均匀分布的面向主射流区气流的带自适应侧向射流的突片，或在所述主喷管出口附近的外侧壁上设置若干沿周向均匀分布的面向外部气流的带自适应侧向射流的突片，或同时在所述主喷管出口附近的内侧壁和外侧壁上设置若干沿周向交错均匀分布的带自适应侧向射流的突片。

所述航空发动机主喷管为涵道式喷管，根据发动机具体的工作条件，内向新型突片和外向新型突片的引射进口都可设计为引流该涵道式喷管的主射流或其外侧气流。

本发明的发动机喷管排气掺混的带自适应侧向射流的突片，其工作原理为：通过在发动机主喷管出口截面附近的内侧壁或外侧壁或内外侧壁上交错设置带自适应侧向射流的突片，利用带自适应侧向射流的突片引流上游气流，并经由内加速流道从侧向气流缝中加速排出，从而在降低突片的有效流动阻力的同时，增强突片下游流向涡的强度。通过对内向、外向新构型突片的有序布置，可保证在主喷管出口下游形成较为周向均匀分布的流向涡发生点：相比于传统突片，每个突片可在主射流区形成增强的流向涡，或在主射流区外侧形成增强的流向涡，增强的两侧流向涡在下游的加速发展及耗散过程，可促进主喷管射流及其外侧气流的卷吸能力，加速两者的掺混过程，进一步降低排气射流的温度，并大幅缩短主射流高温势流区的长度，从而使发动机主射流在更短的距离内获得更好的掺混效果。

(三)技术效果

与现有排气喷管掺混技术相比，本发明的发动机喷管排气掺混的带自适应侧向射流的突片及排气掺混结构具有以下显著技术效果：

1、通过在发动机主喷管出口截面附近内侧或外侧或内外交错设置本发明的带自适应侧向射流的突片，单侧布置时总个数为2个及以上，内外交错布置时总个数为4个及以上。突片工作时，会引流上游气流，并经由内部通道从侧向缝中加速排出，从而在降低固体突片的有效流动阻力的同时，增强突片下游流向涡的强度。通过突片的有序布置，可保证在主喷管出口下游形成较为周向均匀分布的流向涡发生点：相比于传统突片，本发明的每个带自适应侧向射流的突片可在主射流区形成增强的流向涡，或在主射流区外侧形成增强的流向涡，增强的两侧流向涡在下游的加速发展及耗散过程，可促进主喷管射流及其外侧气流的卷吸能力，加速两者的掺混过程，进一步降低排气射流的温度，并大幅缩短主射流高温势流区的长度，从而使发动机主射流在更短的距离内获得更好的掺混效果。

2、所本发明的带自适应侧向射流的突片的侧向射流的流量由发动机工作状态及突片前缘的引流进口面积决定，在引流进口面积确定的情况下，其侧向射流流量由发动机工况确定：当发动机工作在大工况时，引流进口的流量随之增大；反之，则引流流量下降。根据喷管实际工作状态，自适应地调节侧向射流流量，从而改变新型突片的有效气动外形，达到改善各种工况下喷管射流的掺混效果。

3、本发明的带自适应侧向射流的突片在工作时，自适应侧向射流可取自主喷管气流或者主喷管外侧气流(如外涵气流或者外部环境冲压气流)，从而丰富了气流来源，发动机或其他设备可以根据实际情况进行选取，提高了该技术应用的灵活性和适用性。

附图说明

图1是本发明的带自适应侧向射流的突片的结构示意图；

图2是突片的剖视图；

图3是突片的气流示意图；

其中：发动机主喷管20，突片本体10，内加速流道11，引流进口12，侧向气流缝13，喷管内径D，突片高度H，突片厚度L，侧向气流缝宽度w，侧向气流缝高度h，突片顶角α，突片安装角β。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明的内容不局限于下面的实施例。实际上，在未背离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化，这对本领域技术人员来说将是显而易见的。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用来产生又一个实施例。因此，意图是本发明将这样的修改和变化包括在所附的权利要求书和它们的等同物的范围内。

如附图1～3所示，本发明的适用于发动机喷管排气掺混的带自适应侧向射流的突片，包括一突片本体10，突片本体10为一横截面大致呈三角形的柱状体，柱状体的底部随形固定在发动机主喷管20的出口附近处的内侧壁或外侧壁上，柱状体的前端面基本正对发动机主喷管20内主气流或外主气流来流方向而形成为迎风面，柱状体的后端面形成为背风面，柱状体内开设一前端开口、后端封闭并沿前后方向延伸的内加速流道11，内加速流道11的后端形成在临近柱状体的背风面位置处，内加速流道11的前端开口开设在柱状体的前端面上并形成为内加速流道11的引流进口12，柱状体的左右两侧面上分别开设至少一面向主气流区的侧向气流缝13，且每一侧向流气缝的底部与内加速流道11连通，使得从引流进口12进入至内加速流道11内的主气流经加速后由柱状体左右两侧面上的侧向气流缝13排出而形成为气动型面。

本发明进一步优选的实例中，突片本体10的横截面为底边为圆弧的等腰三角形，柱状体的左右两侧面对称布置，且柱状体左右两侧面上的侧向流气缝呈对称布置。突片本体10由底面至其顶点处的高度H与发动机主喷管20的出口直径D的比值为0.08≤H/D≤0.18。突片本体10左右两侧面形成的顶角α为5°～150°，突片本体10沿前后方向的厚度L与其高度H的比值L/H为0.10～1.00。突片本体10与发动机主喷管20轴线的夹角(即安装角)β为20°～160°。引流进口12的外形呈喇叭口形状，且引流进口12的横截面为圆形、椭圆形、腰形或带倒圆的任意多边形。内加速流道11的横截面为圆形、椭圆形、正方形、长方形或带倒圆的任意多边形，内加速流道11的面积分布根据发动机主喷管20射流工况设定为等面积流道、收敛流道、扩张流道、收扩流道或扩收流道。侧向气流缝13与突片本体10的背风面平行设置，其形状由一个或多个长方形、正方形、平行四边形或腰形组成。侧向气流缝13的宽度w与突片本体10沿前后方向的厚度L的比值w/L为0.10～0.50，侧向气流缝13的总高度h与突片本体10由其底面至顶点处的高度H的比值h/H为0.10～1.00。

本发明的上述适用于发动机喷管排气掺混的带自适应侧向射流的突片，与目前常用的固体小突片掺混器相比，在主喷管流动处于亚音速状态时，突片顶角、高度及安装角保持一致时，新型突片可以有效地降低其迎风流动阻力，增强其下游流向涡强度，明显降低排气喷管出口的射流温度，且排气射流的势流核心区更小；而且新型突片在增强掺混的同时，并没有带来掺混损失和发动机推力损失的增加，还有可能会降低发动机耗油率和增加发动机的总推力，这是新型突片的一大优势；另外，新型突片还可以根据发动机工作状态自主调节有效气动外形，以适配不同工况下排气喷管的不同掺混需求，这是新型突片的又一大优势。相较于波瓣掺混器及锯齿掺混器，其掺混损失低，对发动机工况的自适应能力强，加工难度和成本显著下降，易于装配和维护；相较于气动突片，其结构简单，结构尺寸小，成本低，鲁棒性强。

本发明的带自适应侧向射流的突片，主要依靠设置在突片侧面的自适应喷射气流形成气动型面；突片可以为面向主喷管射流的突片或位于主喷管射流外侧的突片或交错布置的内向及外向突片；突片在采取单侧布置方式时总个数为2个及以上，在采取内外交错布置时总个数为4个及以上，具体个数根据喷管的具体情况来决定。

本发明的带自适应侧向射流的突片工作时，会引流上游流体进入内部加速通道，经加速后由侧向缝排出，形成一个气动型面，通过有序布置能够确保在喷管出口处沿周向形成较为均匀的流向涡发生点。内侧的突片能够较好地在喷管主流区形成流向涡，外侧的突片能够较好地在喷管主流外侧形成流向涡，两侧流向涡向下游的发展增强了喷管主流的卷吸能力，促使喷管主流与外侧气流在较短的距离内获得很好的掺混效果，从而降低主喷管射流的温度，缩短主喷管的势流核心区。

根据喷管具体工作情况，突片可设计成引流喷管主流或其外侧气流。侧向射流流量由喷管工作状态及突片前缘的引流进口面积决定，在引流进口面积确定的情况下，其侧向射流流量由喷管的工况确定：当喷管工作在大工况时，引流进口的流量随之增大；反之，则引流流量下降。根据喷管实际工作状态，无需任何主动控制机构，自适应地调节侧向射流流量，从而改变突片的有效气动外形，达到改善各种工况下喷管射流的掺混效果。

通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种适用于发动机喷管排气掺混的带自适应侧向射流的突片，包括一突片本体，其特征在于，

所述突片本体为一横截面大致呈三角形的柱状体，所述柱状体的底部随形固定在发动机主喷管的出口附近处的内侧壁或外侧壁上，所述柱状体的前端面基本正对所述发动机主喷管内主气流或外主气流来流方向而形成为迎风面，所述柱状体的后端面形成为背风面，所述柱状体内开设一前端开口、后端封闭并沿前后方向延伸的内加速流道，所述内加速流道的后端形成在临近所述柱状体的背风面位置处，所述内加速流道的前端开口开设在所述柱状体的前端面上并形成为所述内加速流道的引流进口，所述柱状体的左右两侧面上分别开设至少一面向主气流区的侧向气流缝，且每一所述侧向流气缝的底部与所述内加速流道连通，使得从所述引流进口进入至所述内加速流道内的主气流经加速后由所述柱状体左右两侧面上的侧向气流缝排出而形成为气动型面。

2.根据权利要求1所述的适用于发动机喷管排气掺混的带自适应侧向射流的突片，其特征在于，所述突片本体的横截面为底边为圆弧的等腰三角形，所述柱状体的左右两侧面对称布置，且所述柱状体左右两侧面上的侧向流气缝呈对称布置。

3.根据权利要求1所述的适用于发动机喷管排气掺混的带自适应侧向射流的突片，其特征在于，所述突片本体由底面至其顶点处的高度H与发动机主喷管的出口直径D的比值为0.08≤H/D≤0.18。

4.根据权利要求1所述的适用于发动机喷管排气掺混的带自适应侧向射流的突片，其特征在于，所述突片本体左右两侧面形成的顶角α为5°～150°，所述突片本体沿前后方向的厚度L与其高度H的比值L/H为0.10～1.00。

5.根据权利要求1所述的适用于发动机喷管排气掺混的带自适应侧向射流的突片，其特征在于，所述突片本体与发动机主喷管轴线的夹角β为20°～160°。

6.根据权利要求1所述的适用于发动机喷管排气掺混的带自适应侧向射流的突片，其特征在于，所述引流进口的外形呈喇叭口形状，且所述引流进口的横截面为圆形、椭圆形、腰形或带倒圆的任意多边形。

7.根据权利要求1所述的适用于发动机喷管排气掺混的带自适应侧向射流的突片，其特征在于，所述内加速流道的横截面为圆形、椭圆形、正方形、长方形或带倒圆的任意多边形，所述内加速流道的面积分布根据发动机主喷管射流工况设定为等面积流道、收敛流道、扩张流道、收扩流道或扩收流道。

8.根据权利要求1所述的适用于发动机喷管排气掺混的带自适应侧向射流的突片，其特征在于，所述侧向气流缝与所述突片本体的背风面平行设置，其形状由一个或多个长方形、正方形、平行四边形或腰形组成。

9.根据权利要求1所述的适用于发动机喷管排气掺混的带自适应侧向射流的突片，其特征在于，所述侧向气流缝的宽度w与所述突片本体沿前后方向的厚度L的比值w/L为0.10～0.50，所述侧向气流缝的总高度h与所述突片本体由其底面至顶点处的高度H的比值h/H为0.10～1.00。

10.一种基于上述权利要求1至9任一项所述的基于带自适应侧向射流的突片的发动机喷管排气掺混结构，其特征在于，

在所述主喷管出口附近的内侧壁上设置若干沿周向均匀分布的面向主射流区气流的带自适应侧向射流的突片，或在所述主喷管出口附近的外侧壁上设置若干沿周向均匀分布的面向外部气流的带自适应侧向射流的突片，或同时在所述主喷管出口附近的内侧壁和外侧壁上设置若干沿周向交错均匀分布的带自适应侧向射流的突片。

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