CN1637262A - 利用振荡喷射器来降低喷气发动机的排气噪音的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于降低飞机发动机(10)中的发动机的排气噪音的装置，其包括多个将振荡气流(26)引入到发动机排气(14)中的振荡喷射器(12)。振荡喷射器(12)通过通道(20)与高压气体的涡轮机供应源(30或34)相连，所述供应源(30或34)位于发动机排气部分(16)的上游。高压气体穿过具有带三角形孔(36)的喷嘴(22)和排气管(24)的振荡喷射器(12)，并以具有振荡气流(26)的方式而离开振荡喷射器(12)。振荡气流(26)与发动机排气(14)相混合，从而降低了发动机排气(14)所产生的噪音。

Description

利用振荡喷射器来降低喷气发动机的排气噪音的装置
技术领域
本发明涉及一种用于降低喷气发动机的排气噪音的装置，更具体地涉及利用振荡喷射器来降低喷气发动机的排气噪音。
背景技术
降低由喷气式飞机发动机所产生的发动机噪音是喷气发动机设计的一个重要方面。这在商业和军事应用中确实如此，在这些场合中降低噪音具有明显的好处。另外，降低噪音对于延长喷气发动机和发动机部件的工作寿命是有利的，这是因为噪音会引起发动机部件的磨损和声疲劳。
已经研制了多种方法来降低喷气式飞机发动机的噪音。然而，这些方法并不是没有缺点。例如，在发动机的排气系统中已经采用了V形结构(chevron)和其它几何形状方面的改进来增强喷气发动机的排气流的混合，以便降低噪音。然而，这些方法通常会导致发动机的性能下降，包括推力减小以及对燃料消耗率的负面影响。这些机械装置需要额外的部件和可动部分的事实使得这些性能下降更加明显，其增加了发动机的成本、重量和复杂性。此外，这些系统中的许多系统永久性地存在于发动机的排气系统中，并且在不需要时不能将其关闭或停用。
因此，需要可在喷气发动机的排气系统中使用的射流装置，其不需要额外的可动部分或复杂的系统，并且在不需要进行噪音抑制时可以被关闭。
发明内容
在一个实施例中，在喷气式飞机发动机的排气喷嘴的后缘唇部处设置了振荡喷射器，以增强喷气发动机排气的混合。振荡喷射器也称为触发式喷射器(flip-flop jet)，它是发动机排气系统中的无源系统。振荡喷射器具有带三角形孔的喷嘴以及排气管，混合气流穿过该排气管。振荡喷射器将气体振荡流引入发动机的排气中。气体振荡流与喷气发动机的排气附面层相互作用，并增强发动机排气附面层的混合。这种混合产生了V形射流(fluidic chevron)，其导致喷气发动机排气噪音的全面降低，同时避免了需要有复杂的控制系统或数量很多的可动部件。
气体的振荡流是通过利用从发动机的上游涡轮机设备中所抽取的高压气体而无源式地产生的。振荡喷射器的三角形孔和排气管一起产生了流体的不稳定性，它可在不需要任何额外的功率或可动部件的条件下为气流提供振荡。气体振荡流在来自发动机排气喷嘴的发动机排气的出口的附近被引入到发动机的排气中。
附图说明
在阅读了示意性地显示于附图中的本发明的示例性实施例之后，可以更全面地清楚本发明的优点、特性和各种其它特征，在附图中：
图1是在发动机排气装置的喷嘴唇部上设有振荡喷射器的喷气式飞机发动机的排气部分的示意性图示。
图2是在发动机排气装置的喷嘴唇部中设有振荡喷射器的喷气式飞机发动机的排气部分的示意性图示。
图3是带有与图1所示相似的振荡喷射器的发动机排气部分的示意性图示，其具有设于振荡喷射器上游的流量控制阀。
图4是装有振荡喷射器的飞机喷气发动机的示意性图示。
图5是振荡喷射器的不对称截面的示意性图示。
图6是振荡喷射器的侧向截面的示意性图示。
具体实施方式
下面将通过参考附图来更详细地说明本发明，但附图并未限制本发明的范围。
图1是喷气式飞机发动机10的一部分的截面侧视图，其包括根据本发明的一个实施例来定位的振荡喷射器12。图2是喷气式飞机发动机10的一部分的截面侧视图，其包括根据本发明的另一实施例来定位的振荡喷射器12。图3是与图1所示相似的喷气式飞机发动机10的一部分的截面侧视图，其中在振荡喷射器12的上游设有流量控制阀。图4显示了振荡喷射器12定位在发动机10的排气部分16中的飞机发动机10。图5是振荡喷射器12的不对称的截面图，而图6是振荡喷射器12的侧向截面图。
在喷气式飞机发动机10中，喷气发动机的排气14沿着箭头所示方向流经发动机的排气部分16，并穿过喷气发动机排气部分16的后唇部18。在喷气发动机排气部分16的外表面上设有多个振荡喷射器12。应当注意的是，为简便起见，在图1、2和3中仅显示了一个喷射器12。
在一个实施例中，振荡喷射器12沿着喷气发动机的排气部分16的唇部18的周边对称地定位。其它实施例包括将振荡喷射器相对于排气部分16不对称地定位。这些振荡喷射器12定位成可增强发动机部分16中的峰值噪音位置处的混合。另外，所用振荡喷射器12的数量根据发动机10的设计需求和限制而变化。
振荡喷射器12也可通过两簇或多簇的形式来布置，这些簇设置成可提供最优的混合增强效果。
安装在排气部分16的外表面上的振荡喷射器12定位成相对于排气14的流动方向形成约120度到约0度范围内的某一角度。在一个实施例中，振荡喷射器定位成相对于排气14的流动方向形成约30度的角度。针对振荡喷射器12而选择的角度可使离开振荡喷射器12的振荡流与发动机的排气14和附面层的混合最优化，以形成V形射流。
在振荡喷射器12上连接了可将高压气体引导到振荡喷射器12中的通道20。在一个实施例中，高压气体是空气。其它的实施例可以包括含有其它不可燃或可燃材料(液体或固体)的空气。需要激励并流经振荡喷射器12的高压气体从发动机10中的处于发动机排气部分16上游的涡轮机部件中抽取而来。另外，如果需要的话，可通过为此目的而专门采用的设备来提供高压气体。
高压气体的压力处于约5到约500磅/平方英寸的范围内。在一个实施例中，高压气体的压力为约50磅/平方英寸。高压气体的压力选择成可在气流离开振荡喷射器12时保证持续振荡，以便提供与发动机排气14的混合。
在图2中显示了飞机发动机10的一部分，其具有设于发动机排气部分16的后唇部18中的振荡喷射器12。在排气部分16的结构中设有用于振荡喷射器12的通道20。
在图1和2中，振荡喷射器12的出口定位成使得振荡气体与发动机排气14在发动机排气部分16的后唇部18之后的位置点处接触或开始混合。然而，在一个实施例中，可将振荡喷射器12的出口定位在唇部18的上游，使得振荡气体可在排气14离开发动机10之前就开始与排气14混合。这显示于图4中。在一个实施例中使用了上述定位方式的组合，其中一些振荡喷射器12定位成使得振荡气体与发动机排气14在发动机唇部18之后混合，而其它振荡喷射器12定位成使其在发动机唇部18之前排出振荡气体。
图3显示了与图1所示相似的发动机10的一部分。然而在通道20中的振荡喷射器12的上游设置了流量控制阀28，以控制通道20中的高压气体至振荡喷射器12的流量。流量控制阀28可控制流动压力、流率和体积流量的其中任意一项，或者是它们的任意组合。这便提供了关于离开振荡喷射器12的振荡气体流量的控制的多样性，包括根据需要来使流动停止。根据设计需要和技术要求，流量控制阀28的操作可以是手动或自动的，或者两者均可。
图4显示了具有多个设于发动机10的排气部分16的外表面上的振荡喷射器12的飞机发动机10。振荡喷射器12与其相应的通道20相连。在该图中，上方通道20与压缩机级30相连，使得可从发动机10的该级中为振荡喷射器12提供高压空气。下方通道20与涡轮级34相连，使得可从发动机10的该级中为振荡喷射器12提供高压空气。如图所示，下方的振荡喷射器12定位成使得振荡气体可在唇部18的上游与发动机排气14混合。
在一个实施例中，两条通道20都与发动机10的同一级相连，使得可从同一发动机级中得到高压气体。在另一实施例中，振荡喷射器12定位在发动机10的排气部分16中的相同位置处，以便使来自喷射器12的振荡流在发动机排气部分16的相同平面上与发动机排气14混合。另外，应当注意的是，虽然在图4中只显示了两个振荡喷射器12，然而在另一实施例中可设有多于两个的振荡喷射器。
在另一实施例中，通道20与发动机的旁路空气部分(未示出)相连。此外，在另一实施例中，所有振荡喷射器12都通过一个通道20而与同一高压气体供应源相连。
在各通道20中都设有流量控制阀28，其用来控制高压气体到振荡喷射器12的流量。另外，在各通道20中都设有流量稳定器32，其用来稳定高压气体，并有助于为振荡喷射器12提供均匀的流量。在一个实施例中取消了流量稳定器32。在另一实施例中，流量稳定器32设置在流量控制阀28的上游。
在另一实施例中，燃烧室或热源46设于振荡喷射器12的上游，以便提高气体在进入振荡喷射器12之前的压力和温度。
另外，在本发明的另一实施例中，在气体离开喷射器12之前将液体喷雾引入到气体中。在一个实施例中，该液体是水。然而，在另一实施例中，使用了包括有可燃液体的其它液体。引入这些液体喷雾的主要目的是改变振荡流的混合和振荡特征，使得它们可以改善射流的混合增强效果。另外，可采用可燃液体来为发动机提供额外的推力。当气体和可燃液体混合物离开振荡喷射器12时，液体会与发动机的排气接触并被点燃。在任一实施例中，可将额外的液体添加到喷射器12的上游或喷射器12的结构内的气体中。将液体添加到流经喷嘴12的气体中将使离开喷嘴的气体的振荡不会被消除。
在另一实施例中，可将微细的固体颗粒而不是液体添加到气流中。固体颗粒由固体推进剂材料制成，并在振荡喷射器12中或在喷射器12的上游喷入到气流中。添加到气流中的颗粒的尺寸和数量应当使得气体在离开振荡喷射器时的振荡流不会被消除。
图5和6显示了具有喷嘴22的振荡喷射器12，喷嘴22带有与圆柱形排气管24相连的三角形孔36，振荡气体26从该孔离开。在一个实施例中，三角形孔36是等边三角形。在排气管24的出口部分处设有唇部38，其具有直径DL比排气管24的内表面直径DE更小的开孔。唇部38中的开孔是圆形的，并具有倒角边44。另外，三角形孔36具有倒角面40，其有助于高压气体流在孔36的上游面处分离。在一个实施例中，唇部38中的开孔的直径DL与排气管24的内表面直径DE相同。在另一实施例中，唇部38的直径DL为排气管24的直径DE的约90％。另外，在本发明的一个实施例中，三角形孔的倒角40是圆形的，被制成方形的或斜切的，以优化气流分离并控制不稳定性。
三角形孔36具有有效直径DTO，其相当于具有与孔36的面积相同的圆的直径。喷嘴22具有内径DN，排气管24具有从孔36的上游面到唇部38的下游面的长度L。排气管直径DE与孔的有效直径DTO之比处于约2到约5的范围内。排气管24的长度L与管24的直径DE之比处于约1.5到约4的范围内。这些比率中的每一个相对于振荡喷射器12的工作参数来说均是最优的。
在工作期间，来自通道20的高压气体穿过喷嘴22以及三角形孔36，并进入到排气管24中。当气体26离开排气管24并经过唇部38时，其产生振荡，从而使高压气体26与发动机排气14的混合最大化，并处于发动机排气自身中。
根据一个特定实施例，排气管24的长度L与直径DE选择成可优化振荡气体26的振荡。
喷嘴22、三角形孔36、排气管24和通道20均由在喷气式飞机发动机中使用的典型材料制成。根据一个特定实施例，这些材料基于喷射器12的工作条件和环境而进行了优化。另外，这些部件通过焊接、紧固或其它合适的方法被固定住，从而能承受发动机10的工作参数和压力。在一个实施例中，至少喷嘴22、孔36和圆管24相互间制成为一个整体。
在另一实施例中，三角形孔36是可变的，以提供在各个级处和各种飞行参数下的振荡流优化。在另外一个实施例中，可对排气管24的长度L进行调节，以提供在各个级处和各种飞行参数下的振荡流优化。在任一实施例中，可以手工或自动地进行这些变化或调节，以便在各种条件下优化振荡流。
虽然已经就多个特定实施例来介绍了本发明，然而本领域的技术人员应当认识到，本发明可通过属于所附权利要求的精神和范围内的改进方式来实现。

Claims (10)

1.一种用于降低喷气发动机的排气噪音的装置，包括：
至少一个与发动机的排气部分(16)相连的振荡喷射器(12)，所述振荡喷射器(12)包括：
带有形成于其中的三角形孔(36)的喷嘴(22)，和
与所述喷嘴(22)相连的排气管(24)，
其中，气流(26)穿过所述三角形孔(36)并从所述排气管(24)中离开，所述气流具有振荡流，和
来自所述排气管(24)的至少一部分所述气体(26)与流经所述发动机排气部分(16)的发动机排气(14)相混合。
2.根据权利要求1所述的用于降低喷气发动机的排气噪音的装置，其特征在于，所述发动机排气部分(16)包括唇部部分(18)，其设于所述发动机排气(14)离开所述发动机排气部分(16)的位置点的附近，并且所述至少一个振荡喷射器(12)定位成邻近于所述唇部部分(18)。
3.根据权利要求1或2所述的用于降低喷气发动机的排气噪音的装置，其特征在于，所述至少一个振荡喷射器(12)定位成使得所述气流(26)在所述发动机排气(14)离开所述发动机排气部分(16)的所述位置点的上游的位置处进入到所述发动机排气部分(16)中。
4.根据权利要求1所述的用于降低喷气发动机的排气噪音的装置，其特征在于，所述振荡喷射器(12)具有相对于所述发动机排气(14)的气流为30度的角度。
5.根据权利要求1所述的用于降低喷气发动机的排气噪音的装置，其特征在于，至少一个通道(20)将所述喷嘴(22)与所述气体(26)的供应源相连，其中所述供应源位于所述发动机排气部分(16)的上游，所述装置还包括用于所述气体的流量控制阀(28)，其设于所述通道(20)中的所述喷嘴(22)的上游。
6.一种用于降低喷气发动机的排气噪音的装置，包括：
多个与发动机的排气部分(16)相连的振荡喷射器(12)，各所述振荡喷射器(12)包括：
带有形成于其中的三角形孔(36)的喷嘴(22)，和
与所述喷嘴(22)相连的排气管(24)，
其中，气流(26)穿过所述三角形孔(36)并从所述排气管(24)中离开，所述气流具有振荡流，和
来自所述排气管(24)的至少一部分所述气体(26)与流经所述发动机排气部分(16)的发动机排气(14)相混合。
7.根据权利要求6所述的用于降低喷气发动机的排气噪音的装置，其特征在于，所述多个振荡喷射器(12)相对于所述发动机排气部分(16)对称地定位。
8.一种用于降低喷气发动机的排气噪音的装置，包括：
多个与发动机的排气部分(16)相连的振荡喷射器(12)，各所述振荡喷射器(12)包括：
带有形成于其中的等边三角形孔(36)的喷嘴(22)，和
与所述喷嘴(22)相连的排气管(24)，其中所述排气管(24)具有设于所述排气管(24)的出口处的唇部(38)，
其中，空气流(26)穿过所述三角形孔(36)，并通过所述唇部(38)中的圆形开孔而从所述排气管(24)中离开，所述空气流具有振荡流，和
来自所述排气管(24)的至少一部分所述空气(26)与流经所述发动机排气部分(16)的发动机排气(14)相混合。
9.根据权利要求8所述的用于降低喷气发动机的排气噪音的装置，其特征在于，在所述气体离开所述圆形开孔之前将液体引入到所述气流(26)中。
10.根据权利要求8或9所述的用于降低喷气发动机的排气噪音的装置，其特征在于，在所述气体离开所述圆形开孔之前将固体颗粒引入到所述气流(26)中。
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