CN117028059A - 基于变循环发动机的分开排气喉道偏移式气动矢量喷管 - Google Patents

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张玉琪
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Abstract

本发明公开了基于变循环发动机的分开排气喉道偏移式气动矢量喷管，所述喉道偏移式气动矢量喷管的内流道包括依次连通的发动机第三外涵截面、发动机内涵、第一/二外涵混合后截面、涡轮尾锥、喷管外涵道进口、喷管内涵进口、一喉道前部收敛段、喷管外涵总阀门、矢量次流通道阀门、喷管外涵排气通道、流量次流通道、一喉道、二喉道前收敛段、矢量次流通道、二喉道前部扩张段、喷管外涵排气阀门、流量次流通道阀门、二喉道、喷管外涵排气出口。本发明针对变循环发动机多涵道排气系统进行创新设计，以分开排气方式为基础，针对气动矢量，流量匹配等变循环排气系统必备功能进行设计，打破传统固定几何气动矢量喷管不可调流量的瓶颈。

Description

基于变循环发动机的分开排气喉道偏移式气动矢量喷管
技术领域
本发明属于航空发动机推力矢量喷管技术领域，具体的是基于变循环发动机的分开排气喉道偏移式气动矢量喷管。
背景技术
对于新一代发动机来说，采用变循环发动机成为了大势所趋。变循环发动机(VCE)是在常规发动机的基础上，通过改变发动机部件形状、尺寸、位置达到改变热力循环的目的，可通过调节流量、增压比和涵道比使发动机在多种飞行条件和工作状态下都具有良好的使用性能和较高的工作效率，可有效改善发动机耗油率和航程等。变循环发动机的意义在于，相较于涡喷以及涡扇发动机，其可满足全工况范围较高的工作效率，从而满足飞行器单位推力、低巡航油耗的双重性能要求，其具有更好的任务适应性。变循环发动机兼顾大涵道比涡扇发动机在亚声速飞行条件下的低油耗，以及小涵道比涡扇甚至涡喷发动机在超声速飞行条件下的高推力、低油耗的优势，并能有效降低亚声速飞行条件下的安装损失，从而满足多任务(亚声速和超声速飞行)飞行器的性能要求。气动矢量喷管以其结构简单、重量轻等优势成为了各国的研究热点。其中，喉道偏移式气动矢量喷管作为新兴的气动矢量喷管的，具有总体结构简单、矢量性能突出的特点，受到了越来越多的重视。传统的喉道偏移式气动矢量喷管为双喉道形式，具体结构有喷管进口、等直段、一喉道前部收敛段、一喉道、二喉道前部扩张收敛段(凹腔)、二喉道。
对于适用于超声速飞行的变循环发动机而言，排气系统对飞行器的全包线性能起到了至关重要的作用。对于变循环发动机的排气系统而言，有着分开排气与混合排气两种方式。两种排气方式各具优劣势，分开排气的设计的结构更为轻便，可以使内涵与外涵分别工作在最佳的状态，易实现对发动机状态的控制，且分开排气更有利于喷管各自实现自身功能；混合排气虽然存在结构复杂、挂载不便以及非设计点下混合截面两股气流的相互干扰会影响发动机流量匹配等弊端。但其便于引用外涵冷气对高温部件进行冷却、降低排气噪声和喷流红外；便于实现矢量作动和安装加力燃烧室或反推装置以增强机动性。对于变循环发动机变循环发动机与常规涡扇发动机流量特性对比在飞/发一体化方面最重要的优点在于其流量特性。变循环发动机通过可调机械结构MSV，CDFS，FLADE等部件调节旁路的布局，以改变发动机的循环，显而易见的，其流量会发生很大变化。根据之前的研究，气动矢量喷管的固定几何构型，使得调节流量变成了一个难题。对于变循环发动机，若内外涵喉道不随着发动机工作状态发生的改变而调节，就会影响到发动机的工作状态，进而发生失速或者喘振。所以变循环发动机匹配的固定几何气动矢量喷管，需要尤其关注流量调节问题。
气动矢量喷管以其结构简单、重量轻等优势成为了各国的研究热点。其中，喉道偏移式气动矢量喷管作为新兴的气动矢量喷管的，具有总体结构简单、矢量性能突出的特点，受到了越来越多的重视。传统的喉道偏移式气动矢量喷管为双喉道形式，具体结构有喷管进口、等直段、一喉道前部收敛段、一喉道、二喉道前部扩张收敛段(凹腔)、二喉道。
本发明正常工作状态分两种：矢量状态与非矢量状态，且工作状态通过一喉道处有无气流注入来切换。以矢量状态为例，在一喉道上部或下部注入气流，注入的气流对主流的流动作用一个竖直方向的力，主流产生扰动并沿着二喉道前部扩张收敛段一侧壁面流动，通过凹腔的作用将气流折转效果放大喷出，最终产生抬头或低头力矩。矢量状态在一喉道处注入的气流可以是外部气源，如高压气瓶、气泵、飞行器外部气流等等，也可以是从发动机内部高于一喉道压力的位置处引气，如从风扇后部、压气机等位置引气，还可以通过特制的通道将涡轮出口的气体引过来注入，实现自适应无源控制。因此，根据是否需要从外部引气将喉道偏移式气动矢量喷管分为有源型和无源型。
综上所述，对于下一代战斗机的性能需求是系统的、广泛的，对于排气系统而言，采用推力矢量技术，与变循环发动机相匹配，与先进的飞行器后体相匹配，隐身能力强，流量可调等要求也是急需的。其针对变循环发动机匹配问题、流量调节问题的研究较少。目前对于变循环发动机排气系统气动性能的研究较少，针对变循环发动机矢量喷管的研究也很罕见。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出基于变循环发动机的分开排气喉道偏移式气动矢量喷管。本发明针对变循环发动机多涵道排气系统进行创新设计，以分开排气方式为基础，针对进口掺混，宽速域流量匹配，出口可调等变循环排气系统必备功能进行设计，打破传统固定几何气动矢量喷管不可调流量的瓶颈。
基于变循环发动机的分开排气喉道偏移式气动矢量喷管，所述喉道偏移式气动矢量喷管的内流道包括连通的变循环发动机第一外涵的截面(1)、变循环发动机第二外涵的截面、变循环发动机的内涵、混合后截面(2)、涡轮尾锥(3)、喷管外涵的进口(4)、喷管内涵进口(5)、一喉道前部收敛段(6)、喷管外涵的总阀门(7)、矢量次流通道阀门(8)、喷管外涵的排气通道(9)、流量次流通道(10)、一喉道(11)、二喉道前收敛段(12)、矢量次流通道(13)、二喉道前部扩张段(14)、喷管外涵的排气阀门(15)、流量次流通道阀门(16)、二喉道(17)、喷管外涵的排气出口(18)，其中二喉道前部扩张段(14)和二喉道前部收敛段(12)共同构成凹腔，其中所述混合后截面(2)为变循环发动机第一外涵的截面(1)和变循环发动机第二外涵的截面的重合部分。
优选的，
在巡航模态下，喷管外涵的排气阀门(15)打开，矢量次流通道阀门(8)、流量次流通道阀门(16)关闭，气流通过喷管外涵的排气通道(9)在喷管外涵的排气出口(18)排出；
巡航模态的矢量状态下，单侧的矢量次流通道阀门(8)打开，喷管外涵的排气阀门(15)、流量次流通道阀门(16)关闭，气流通过矢量次流通道(13)注入一喉道(11)位置，产生矢量角；
在加力模态下，流量次流通道阀门(16)打开，喷管外涵的排气阀门(15)、矢量次流通道阀门(8)关闭，气流通过流量次流通道(10)注入二喉道前部扩张段(14)增大主流流量；
加力模态的矢量状态下，单侧矢量次流通道阀门(8)打开，喷管外涵的排气阀门(15)、流量次流通道阀门(16)打开。
优选的，喷管外涵的宽度Dduct满足：0.1Hthroat<Dduct<0.25Hthroat，其中Hthroat为一喉道(11)高度的一半。
优选的，矢量流道的倾斜角度θ满足：40°<θ<60°，矢量流道的注入位置为一喉道(11)。
优选的，矢量次流通道(13)的宽度Dthrust满足：0.9Dduct<Dthrust<1.1Dduct。
优选的，流量次流通道(10)的入口在矢量次流通道(13)处，出口在二喉道前部扩张段(14)。
优选的，流量次流通道(10)入口的上侧顶点距离偏移式气动矢量喷管对称面的高度Hmass满足：
其中，Hduct为喷管外涵的进口距离对称面的高度
优选的，其特征在于，流量次流通道(10)的宽度Dmass满足：0.7Dduct<Dmass<1.3Dduct，流量次流通道(10)的角度β满足：10°<β<30°。
优选的，喷管外涵的排气通道(9)的长度Lexhuast满足：0.7Lcavity<Lexhuast<1.5Lcavity，其中Lcavity为凹腔长度。
优选的，喷管外涵的排气通道(9)的构型包括收敛喷管和收扩喷管，喷管外涵的排气出口(18)的高度Dduct-out满足0.8Dduct<Dduct-out<Dduct。
有益效果：
本发明针对变循环发动机多涵道排气系统，以分开排气方式为基础，高效利用第三外涵的气流，针对气动矢量，流量匹配等变循环排气系统必备功能进行设计，无需外加气源即可实现推力矢量，结构简单重量轻，打破传统固定几何气动矢量喷管不可调流量以及变循环发动机分开排气方案难以实现矢量的瓶颈，满足变循环发动机宽速域工作与矢量功能的需求。
附图说明
图1为本发明喉道偏移式气动矢量喷管本体结构示意图；
图2为本发明喉道偏移式气动矢量喷管外涵、矢量流道、流量流道具体结构示意图；
图3为本发明喉道偏移式气动矢量喷管巡航状态马赫数云图；
图4为本发明喉道偏移式气动矢量喷管的矢量状态马赫数云图；
图5为本发明喉道偏移式气动矢量喷管的加力状态马赫数云图；
图6为本发明喉道偏移式气动矢量喷管巡航状态推力系数变化规律图；
图7为本发明喉道偏移式气动矢量喷管加力状态推力系数变化规律图；
图8为本发明喉道偏移式气动矢量喷管加力状态流量变化规律图。
图中：变循环发动机第一外涵的截面(1)、发动机内涵、混合后截面(2)、涡轮尾锥(3)、喷管外涵的进口(4)、喷管内涵进口(5)、一喉道前部收敛段(6)、喷管外涵的总阀门(7)、矢量次流通道的阀门(8)、喷管外涵的排气通道(9)、流量次流通道(10)、一喉道(11)、二喉道前收敛段(12)、矢量次流通道(13)、二喉道前部扩张段(14)、喷管外涵的排气阀门(15)、流量次流通道的阀门(16)、二喉道(17)、喷管外涵的排气出口(18)。
具体实施方式
图1所示的喉道偏移式气动矢量喷管的内流道包括依次连通的发动机第三外涵截面(1)、发动机内涵、第一/二外涵混合后截面(2)、涡轮尾锥(3)、喷管外涵道进口(4)、喷管内涵进口(5)、一喉道前部收敛段(6)、喷管外涵总阀门(7)、矢量次流通道阀门(8)、喷管外涵排气通道(9)、流量次流通道(10)、一喉道(11)、二喉道前收敛段(12)、矢量次流通道(13)、二喉道前部扩张段(14)、喷管外涵排气阀门(15)、流量次流通道阀门(16)、二喉道(17)、喷管外涵排气出口(18)。
其工作特点如下：
变循环发动机的内涵、第一外涵和第二外涵经过加力燃烧室，汇聚至发动机内涵、第一/二外涵混合后截面(2)，通过喉道偏移式气动矢量喷管，从二喉道(17)排出。
在巡航模态下，喷管外涵排气阀门(15)打开，矢量次流通道阀门(8)、流量次流通道阀门(16)关闭，气流通过喷管外涵排气通道(9)在喷管外涵排气出口(18)排出。
巡航模态的矢量状态下，矢量次流通道阀门(8)打开，喷管外涵排气阀门(15)、流量次流通道阀门(16)关闭，气流通过矢量次流通道(13)注入主流一喉道(11)位置，使喉道发生偏移，产生矢量角。
在加力模态下，流量次流通道阀门(16)打开，喷管外涵排气阀门(15)、矢量次流通道阀门(8)关闭，气流通过流量次流通道(10)注入二喉道前部扩张段(14)以增大主流流量。
加力模态的矢量状态下，流量次流通道阀门(16)打开，喷管外涵排气阀门(15)打开，矢量次流通道阀门(8)单侧打开。
图2所示喷管外涵矢量流道、流量流道具体结构：
喷管外涵宽度(单侧)Dduct满足：0.1Hthroat<Dduct<0.25Hthroat。(此处Hthroat为一喉道高度的一半)
矢量流道注入角度θ满足：40°<θ<60°。矢量流道注入位置为一喉道(8)。
矢量流道的宽度Dthrust满足：0.9Dduct<Dthrust<1.1Dduct。(Hduct为第三外涵进口距离对称面的高度)
流量通道的入口在矢量通道处，出口在二喉道前部扩张段(11)。
流量通道进口的上侧顶点距离对称面的高度Hmass满足：
流量通道的宽度Dmass满足：0.7Dduct<Dmass<1.3Dduct。流量通道的角度β满足：10°<β<30°。
排气通道的长度Lexhuast满足：0.7Lcavity<Lexhuast<1.5Lcavity。(其中Lcavity为凹腔长度)喷管外涵排气的构型可为收敛喷管或收扩喷管，喷管外涵排气出口高度Dduct-out满足0.8Dduct<Dduct-out<Dduct。
图3、4、5分别展示了本发明典型构型，三种不同工作模态下喷管内部的流畅结构，巡航模态下，气流从喷管外涵排出，流场稳定；矢量模态气流发生明显折转，矢量明显；加力模态下气流通过流量流道进入主喷管，未对原本流场造成影响，流动稳定。
图6、7分别展示了典型构型下，各模态下喷管相关的气动性能，巡航状态下主涵道，随着SPR增大，主流推力系数略有提高，最高可达0.96以上。喷管外涵的推力系数在SPR＝3时达到最大，总体在0.94以上，当然随着进一步设计，喷管外涵推力系数可进一步优化提高。加力状态，该构型主流流量与矢量阀门打开(最小流量状态)时，流量最大提高26％，该状态推力系数在0.95以上。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于变循环发动机的分开排气喉道偏移式气动矢量喷管，其特征在于，所述喉道偏移式气动矢量喷管的内流道包括连通的变循环发动机第一外涵的截面(1)、变循环发动机第二外涵的截面、变循环发动机的内涵、混合后截面(2)、涡轮尾锥(3)、喷管外涵的进口(4)、喷管内涵进口(5)、一喉道前部收敛段(6)、喷管外涵的总阀门(7)、矢量次流通道阀门(8)、喷管外涵的排气通道(9)、流量次流通道(10)、一喉道(11)、二喉道前收敛段(12)、矢量次流通道(13)、二喉道前部扩张段(14)、喷管外涵的排气阀门(15)、流量次流通道阀门(16)、二喉道(17)、喷管外涵的排气出口(18)，其中二喉道前部扩张段(14)和二喉道前部收敛段(12)共同构成凹腔，所述混合后截面(2)为变循环发动机第一外涵的截面(1)和变循环发动机第二外涵的截面的重合部分。
2.根据权利要求1所述的基于变循环发动机的分开排气喉道偏移式气动矢量喷管，其特征在于：
在巡航模态下，对于双侧：喷管外涵的排气阀门(15)打开，矢量次流通道阀门(8)、流量次流通道阀门(16)关闭，气流通过喷管外涵的排气通道(9)在喷管外涵的排气出口(18)排出；
巡航模态的矢量状态下，单侧的矢量次流通道阀门(8)打开，对于双侧：喷管外涵的排气阀门(15)、流量次流通道阀门(16)关闭，气流通过矢量次流通道(13)注入一喉道(11)位置，产生矢量角；
在加力模态下，对于双侧：流量次流通道阀门(16)打开，喷管外涵的排气阀门(15)、矢量次流通道阀门(8)关闭，气流通过流量次流通道(10)注入二喉道前部扩张段(14)增大主流流量；
加力模态的矢量状态下，单侧矢量次流通道阀门(8)打开，对于双侧：喷管外涵的排气阀门(15)、流量次流通道阀门(16)打开。
3.根据权利要求1-2任意一项所述的基于变循环发动机的分开排气喉道偏移式气动矢量喷管，其特征在于：喷管外涵的宽度Dduct满足：0.1Hthroat<Dduct<0.25Hthroat，其中Hthroat为一喉道(11)高度的一半。
4.根据权利要求2所述的基于变循环发动机的分开排气喉道偏移式气动矢量喷管，其特征在于：矢量次流通道(13)的倾斜角度θ满足：40°<θ<60°，矢量流道的注入位置为一喉道(11)。
5.根据权利要求4所述的基于变循环发动机的分开排气喉道偏移式气动矢量喷管，其特征在于：矢量次流通道(13)的宽度Dthrust满足：0.9Dduct<Dthrust<1.1Dduct。
6.根据权利要求1所述的基于变循环发动机的分开排气喉道偏移式气动矢量喷管，其特征在于：流量次流通道(10)的入口在矢量次流通道(13)处，出口在二喉道前部扩张段(14)。
7.根据权利要求1所述的基于变循环发动机的分开排气喉道偏移式气动矢量喷管，其特征在于：流量次流通道(10)入口的上侧顶点距离偏移式气动矢量喷管对称面的高度Hmass满足：
其中，Hduct为喷管外涵的进口距离对称面的高度。
8.根据权利要求1所述的基于变循环发动机的分开排气喉道偏移式气动矢量喷管，其特征在于，流量次流通道(10)的宽度Dmass满足：0.7Dduct<Dmass<1.3Dduct，流量次流通道(10)的角度β满足：10°<β<30°。
9.根据权利要求1所述的基于变循环发动机的分开排气喉道偏移式气动矢量喷管，其特征在于：喷管外涵的排气通道(9)的长度Lexhuast满足：0.7Lcavity<Lexhuast<1.5Lcavity，其中Lcavity为凹腔长度。
10.根据权利要求1所述的基于变循环发动机的分开排气喉道偏移式气动矢量喷管，其特征在于：喷管外涵的排气通道(9)的构型包括收敛喷管和收扩喷管，喷管外涵的排气出口(18)的高度Dduct-out满足0.8Dduct<Dduct-out<Dduct。
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