CN1912372A - 用于排气噪音抑制的锯齿形喷嘴后边缘 - Google Patents

用于排气噪音抑制的锯齿形喷嘴后边缘 Download PDF

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Abstract

一种用于燃气轮机的喷嘴提供有在核心机排气流喷嘴和/或风扇排气流喷嘴上的波浪形部。一环形壁确定了流体流动通道，并包括基座部分和邻接的出口部分。该基座部分通常是大致截头锥形形状，并包括沿轴向方向的弓形轮廓。该出口部分包括沿大致径向方向的波浪形部，它提供了具有后边缘的凸起部和沟槽部。凸起部后边缘和沟槽部后边缘中的一种后边缘沿大致轴向方向从凸起部后边缘和沟槽部后边缘中的另一种后边缘凹入。该凸起部后边缘和沟槽部后边缘中的所述另一种后边缘形成顶点，该顶点设在凸舌上。沟槽部沿轴向方向朝着沟槽部后边缘径向向内延伸。

Description

用于排气噪音抑制的锯齿形喷嘴后边缘
技术领域
本发明涉及排气流喷嘴，例如用于燃气轮机中的排气流喷嘴，该排气流喷嘴具有锯齿形部或波浪形部，以便减小噪音。
背景技术
对于在亚音速民用运输中使用的较低和中等函道比发动机，由湍流喷射排气装置所产生的噪音有显著的现实意义。喷射排气噪音是整个发动机噪音的一部分，且在起飞和转向条件下特别重要。对于高函道比发动机，喷射噪音的贡献减小，但是它仍然是一个因素，特别是随着噪音限制越来越严格。
用于减小喷射噪音的现有方法主要依靠混合增强，其中，目的是促进在高速主流和低动量二次流(即风扇旁路流和/或周围飞行流)之间的动量交换。凸舌和人字形装置已经用于单股气流和分离流排气系统。凸起状混合器已经用于混合流排气装置中。
前述混合装置的固有缺点是它们将产生寄生高频噪音。因此，尽管在噪音波谱中低频噪音的减小能够很容易达到2-4dB，但是总体(社区)噪音水平(例如有效感觉噪音水平，即EPNL)的降低相当小。在一些情况下，高频噪音的恶化能够完全抵消低频的减小，从而导致增加的EPNL。
外部卷流(plume)混合装置的第二缺点是对气动性能(轴向推力)的不利影响。凸舌和人字形装置通常要增加总燃料消耗率(TSFC)，并可能在飞行包线的非设计点处对喷嘴排出特性有不利影响。
发明内容
本发明涉及一种用于燃气轮机的喷嘴。例如，本发明的波浪形部和锯齿形部可以用于核心机排气流喷嘴和/或风扇排气流喷嘴的出口几何形状。一环形壁确定了流体流动通道，并包括基座部分和邻接的出口部分。该基座部分通常是大致截头锥形形状，并包括沿轴向方向的弓形轮廓。该出口部分包括沿大致径向方向的波浪形部，它提供了具有后边缘的凸起部和沟槽部。凸起部后边缘和沟槽部后边缘中的一种后边缘沿大致轴向方向从凸起部后边缘和沟槽部后边缘中的另一种后边缘凹入。该凸起部后边缘和沟槽部后边缘中的所述另一种后边缘形成顶点，该顶点设在凸舌上。沟槽部沿轴向方向朝着沟槽部后边缘径向向内延伸。
多种合适的几何形状可以用于将噪音减小至所需水平。这些几何形状将根据特定用途并通过数学建模和经验来确定。
通过下面的说明和附图能够更好地理解本发明的这些和其它特征，下面是对附图的简要说明。
附图说明
图1A是现有技术的分离排气流燃气轮机的剖视示意图。
图1B是现有技术的汇合或混合排气流燃气轮机的剖视示意图。
图1C是分离排气流燃气轮机的实例的侧视图，本发明波浪形部设在核心机排气喷嘴上。
图1D是均具有本发明波浪形部的核心机排气喷嘴和风扇排气喷嘴的端视图。
图2A是本发明排气喷嘴的侧视图；
图2B是图2A中所示的排气喷嘴的透视图。
图3A是凸起部相对于沟槽部凹入的侧视示意图。
图3B是图3A中所示的凸起部和沟槽部的端视示意图。
图3C是图3A中所示的凸起部和沟槽部的俯视示意图。
图4A是沟槽部相对于凸起部凹入的侧视示意图。
图4B是图4A中所示的凸起部和沟槽部的端视示意图。
图4C是图4A中所示的凸起部和沟槽部的俯视示意图。
图5A是凸起部和沟槽部形状和后边缘形状的一个实例的侧视图。
图5B是图5A中所示的凸起部和沟槽部的端视示意图。
图5C是图5A中所示的凸起部和沟槽部的俯视图。
图6A是凸起部和沟槽部形状和后边缘形状的另一实例的侧视图。
图6B是图6A中所示的凸起部和沟槽部的端视示意图。
图6C是图6A中所示的凸起部和沟槽部的俯视图。
图7A是凸起部和沟槽部形状和后边缘形状的再一实例的侧视图。
图7B是图7A中所示的凸起部和沟槽部的端视示意图。
图7C是图7A中所示的凸起部和沟槽部的俯视图。
具体实施方式
本发明是一种用于减小由燃气轮机排气装置发出的喷射噪音的装置。应用范围包括分离流排气结构(图1A)的风扇喷嘴和核心机喷嘴以及混合流排气结构(图1B)的公共尾管喷嘴。燃气轮机10包括风扇排气喷嘴12，该风扇排气喷嘴12环绕核心机排气喷嘴14，以便提供风扇排气流体通道16。中心体18布置在核心机排气喷嘴14内，该核心机排气喷嘴14提供了核心机排气流体通道20。中心体18的尖端22可延伸超过核心机排气喷嘴14的末端24(如图1A所示)或者是凹入的。如图1A中所示，该末端24延伸超过风扇排气喷嘴12的末端26，以便形成分离流结构。在混合流结构中，该末端24从末端26凹入，如图1B中所示。
参考图1C，在分离流结构的核心机排气喷嘴14上表示了本发明。核心机排气喷嘴14包括环形壁28，该环形壁通常为圆形横截面，且从侧向看时为截头锥形形状。环形壁28包括基座部分30。出口部分32与该基座部分30邻接，并包括波浪形部34。图2A和图2B中表示了具有大量波浪形部的类似喷嘴。
根据本发明，喷嘴后边缘包括波浪形部34，以便形成环绕喷嘴周边的由凸起部36和沟槽部38构成的图案。波浪形部34的几何形状选择为可降低所需频率范围内的噪音。图3A-图7C表示了该构思的一些示例实施例。首先参考图1C、2A和2B，凸起部36表示为从沟槽部38凹入，不过在需要时也可以相反。凸起部36和沟槽部38在假想表面S的上面和下面延伸，该假想表面S沿大致与环形壁28的基座部分30相同的轮廓延伸，在图1C和图3B、4B、5B、6B和7B中看得更清楚。
图1D表示了具有波浪形部34的风扇排气喷嘴12和核心机喷嘴14。在所示实例中，在喷嘴12和14上的波浪形部34或凸舌46的数目彼此相等。这些凸起部36为“花边状(clocked)”或彼此径向对齐，以便提高声学性能特征。
图3A-7C中表示了凸起部形状和后边缘平面形式的特定实施例。在图3A-3C中所示的一种变化形式中，凸起部后边缘40相对于沟槽部后边缘42凹入，与图2A和2B类似。如图3A和3B所示，凸起部36从轴线A径向延伸距离R，在假想表面S上面的高度为H1。同样，沟槽部38径向延伸至假想表面S下面的高度H2。尽管在从后边缘看时的端视图(图3B)中高度H1和H2不同，但是在公共轴向位置处的高度基本相等，这在图3A中更好地示出了。不过，应当知道，凸起部36和沟槽部38的高度可以变化。该波浪形部34为正弦曲线，并具有间距或宽度W。高度/宽度比优选是小于1。
下面表示了各种几何形状特征的表格：
        研究范围
  设计参数   优选   最小   最大   变化   注释
  h/w   0.10   0.00   0.20   凸起部高度除以宽度；值越大，在凸舌底部产生越多环流；h/w＝0对应于没有波浪形部(普通凸舌)。
  凸起部角度(度)   14-18   0   26   凸起部沿轴向方向的平均角度；凸起部越陡峭，将产生越多旋涡。
  轴向凸起部轮廓   余弦   在凸起部开始处与尾角相切，在凸起部端部处与推力方向相切，最大角度大约是平均角度的1.56倍。
  周边凸起部轮廓   正弦   方形   沿周边方向的壁越陡峭，将产生越多环流、但损失也越多以及旋涡的集中度也越高。
  凸舌形状   Sin^0.5   三角形，比sin^0.5更尖锐，有更大的底部圆角
  凸舌/凸起部数目   6-12
  凸舌穿透角(度)   2-4   0   9   较低角度为优选，以便减小高频恶化和推力损失。高穿透角将提供更高环流，发现平缓的凸舌对噪音最有效。用凸起部来增强环流，凸舌穿透角能够更小。
  凸舌穿透轮廓   抛物线   直线；具有各种起始角的抛物线   发现起始角等于尾角的恒定曲率将最有效地产生理想环流分布和最小的阻力恶化。
图2A中表示了凸起部角度a。布置在凸起部后边缘40上的轴向凸起部轮廓表示于图3C中，并为余弦形状。凸舌形状例如可以为正弦函数，对于由沟槽部提供该凸舌(图3C)的几何形状来说，该凸舌形状布置在沟槽部后边缘上。该凸舌形状(或顶角)可以为非常陡峭，从而形成尖头。可以提供任意合适的凸起部/沟槽部数目。
在图4A-4C所示的第二变化形式中，沟槽部后边缘42相对于凸起部后边缘40凹入。另一变化形式如图5A-5C中所示，它包括带有弯曲顶点48的凸舌46，该弯曲顶点48具有末端点50，类似于图3A-4C中所示的几何形状。图6A-7C具有三角形凸舌46，该凸舌46在其顶点处变成尖点。
凸舌穿透角(penetration angle)β在图7A中最好地示出。凸舌轮廓54可以为抛物线，以便获得所需环流。凸舌46相对于凹口44的长度L可以按需选择。
工作原理为这样，即该改进的喷嘴后边缘通过重新定向周向旋涡而在喷射卷流(jet plume)中引入轴向旋涡分量。轴向旋涡引起在下游喷射卷流中的径向向外运动，并促使低动量周围流体被夹带和混合入高速喷射流中。这又干扰和削弱了在卷流中的大尺度湍流结构，从而减小了低频噪音的发出。在喷嘴附近区域中的轴向旋涡和相关混合通常在高频处造成寄生噪音，从而降低对总体噪音的有益性。引入轴向旋涡分量的另一缺点是由于非轴向速度分量而引起的推力损失。为了减小高频噪音和推力损失，本发明利用了通过组合的凸起部-凸舌几何形状(三维喷嘴轮廓)而能够提供的额外自由度。喷嘴后边缘轮廓的良好设计以一种能减小高频噪音和推力恶化的形式产生轴向旋涡分量。独特的几何形状能够改变所引起的轴向旋涡(该轴向旋涡被组成到卷流中的混合结构中)的尺寸、强度、位置、间隔和分布。因此，通过减小高频噪音恶化来实现总体噪音的更大降低。而且，喷嘴后边缘的波浪形部和凸舌状特征提供了帮助获得所需喷嘴排出特性的附加设计参数(例如用于节流收敛喷嘴和收敛-发散喷嘴)。
参考图7A-7C所示的结构，该设计的特征是非垂直的凸起部侧壁、沟槽部边缘的曲率、以及沟槽部底部或轮廓54的曲率。该造型、凸起部形状和比例h/L选择成可平衡从凸起部和沟槽部区域流出的旋涡量，以避免形成旋涡的高度集中，并以优选方式定位和/或间隔开旋涡中心。优选的凸起部特征(例如形状和h/w比例)与现有技术的凸起状混合器的区别在于：侧壁是基本上不垂直的(以避免高度集中的旋涡和混合)，且h/w比例通常为大约1或更小，从而比凸起部混合器的4-6的比例特征明显更低。由该结构产生的轴向旋涡利用Reynolds-averaged Navier Stokes计算而获得。
通过比较计算结果，可以看见，现有技术的人字形三角凸舌将在凸起部底部区域产生局部旋涡集中，而由相邻凸舌引起的相反旋涡将一起移动。相反，本发明产生一种分布更好，更少集中的图案。模拟显示，对旋涡的分布减小了与在初始剪切层中形成小(相对于w)流动尺度相关的混合噪音。
图1C中表示了本发明的第二实施例，它用于分离流排气装置的核心机喷嘴。Reynolds-averaged Navier Stokes计算显示，对于分离流排气装置，延迟主流剪切层和二次流剪切层的相互作用将在给定环流水平下减小高频混合噪音。与凸舌/人字形的情况相比，图1C的波浪形锯齿形喷嘴的高湍流水平的位置在更下游处。由本发明的喷嘴引起的流场能够被调节以产生旋涡(定心为更靠近凸舌状的凸起)，以便促进混合结构的径向向内移动，并因此延迟核心机-风扇和风扇-周围剪切层的相互作用。
本发明减小了高频混合噪音恶化。由本发明提供的附加几何形状参数能够调节旋涡分布，以便减小寄生混合噪音。因此，实现了总体噪音的更多减小。特别是，已经发现，与使得旋涡定心成更靠近凸舌/人字形底部的传统凸舌或人字形相比，在分离流排气装置的主流剪切层中引入定心在顶端的旋涡能够通过延迟主流剪切层和二次流剪切层的相互作用而减小寄生混合噪音。
对于给定的流出环流水平，本发明减小了推力恶化。对于图7A-7C中所示的本发明实施例，与具有类似平面形状和相同流出环流的凸舌相比，推力恶化可以减小。与简单的三角形凸舌或人字形相比，阻力减小42％。因此，本发明的构思提供了更有效的方法来产生轴向旋涡或进行混合。所提高的效率是由于更有效地利用了凸舌的底部区域。因为该底部更宽，因此更可能产生环流。不过，在典型凸舌的设计中，由于相邻凸舌之间的有限开口面积，因此径向流在该区域进行节流。这种对径向流的“阻挡”将引起阻力恶化。在本发明中，(凸起部)沟槽部边缘的造型结合凸起部特征将能够增强在该底部区域中的径向流，从而在没有增加阻力的情况下产生更多环流。而且，该凸起部提供了一种措施来沿轴向方向引导一部分出口排气，并调节喷嘴出口的有效面积。这样，喷嘴边缘的波浪形部扩展了设计空间，从而能够优化喷嘴设计，以便减小推力恶化。该优点能够用于外部或内部塞子(plug)设计。不过，该喷嘴设计可能对内部塞子更有效，因为外部塞子有一些压力回收。对本发明和传统人字形的喷嘴推力系数的评估显示可能有利于推力系数，同时实现相当水平的混合和噪音减小。
本发明可以用于需要收敛-发散喷嘴流动特性的排气系统。环绕喷嘴周边的凸起部提供了用于流动发散的区域，它能够设计成满足规定的喷嘴面积分布。利用现有技术的设计(例如凸舌和人字形)时，在不牺牲所获得的混合或噪音减小水平的情况下将不能获得该效果。
尽管已经介绍了本发明的优选实施例，但是本领域技术人员应当知道，在本发明范围内可以进行一些变化。因此，下面的权利要求用于确定本发明的真正范围和内容。

Claims (20)

1.一种喷嘴，包括：
环形壁，该环形壁确定了流体流动通道，并包括基座部分和邻接的出口部分，出口部分包括沿基本上径向方向的波浪形部，它提供了各自包括后边缘的凸起部和沟槽部，凸起部后边缘和沟槽部后边缘中的一种后边缘沿基本为轴向方向从凸起部后边缘和沟槽部后边缘中的另一种后边缘凹入，该凸起部后边缘和沟槽部后边缘中的所述另一种后边缘形成顶点，该顶点设在凸舌上，且沟槽部沿轴向方向朝着沟槽部后边缘径向向内延伸。
2.根据权利要求1所述的喷嘴，其中：所述沟槽部提供了所述凸舌，该凸舌具有形成所述顶点的所述后边缘。
3.根据权利要求2所述的喷嘴，其中：该凸起部后边缘包括弓形凹口。
4.根据权利要求1所述的喷嘴，其中：所述凸舌为v形，从而形成基本为尖的点，该尖点提供了所述顶点。
5.根据权利要求1所述的喷嘴，其中：该基座部分的轮廓具有沿轮廓方向轴向延伸的假想表面，该凸起部延伸至假想表面的径向外侧，该沟槽部延伸至假想表面的径向内侧。
6.根据权利要求1所述的喷嘴，其中：该凸起部沿基本上轴向方向从该沟槽部凹入。
7.根据权利要求1所述的喷嘴，其中：该沟槽部沿基本上轴向方向从该凸起部凹入，该凸起部以大约在0和26度之间的角度径向向外延伸。
8.根据权利要求7所述的喷嘴，其中：该凸起部与该假想表面径向间隔开近似一高度，该凸起部断开该假想表面，并确定了一距离，该高度除以该宽度确定的比例为近似1或更小。
9.根据权利要求1所述的喷嘴，其中：一平面包括喷嘴的轴线，所述顶点之一处于该平面中，并且，包括该一个顶点的凸舌的边缘相对于该平面成一角度并提供了一凸舌平台。
10.根据权利要求1所述的喷嘴，其中：沿基本上轴向方向从该凸起部后边缘和沟槽部后边缘中的所述另一种后边缘凹入的、该凸起部后边缘和沟槽部后边缘中的所述一种后边缘形成弓形轮廓。
11.根据权利要求1所述的喷嘴，其中：该凸起部和沟槽部提供了正弦周边轮廓。
12.根据权利要求1所述的喷嘴，其中：该凸舌包括沿基本上轴向方向的凸舌轮廓，该凸舌在靠近所述顶点处径向向内延伸，以便提供相对于该凸舌轮廓的凸舌穿透角。
13.根据权利要求12所述的喷嘴，其中：该凸舌轮廓为抛物线形。
14.根据权利要求1所述的喷嘴，其中：该喷嘴近似包括6至12个的凸舌和6至12个凸起部。
15.一种燃气轮机，包括：
环绕一核心机排气喷嘴布置的风扇排气喷嘴，以及位于该核心机排气喷嘴内的中心体；
所述喷嘴之一包括环形壁，该环形壁确定了流体流动通道，并包括基座部分和邻接的出口部分，出口部分包括沿基本上径向方向的波浪形部，它提供了各自包括后边缘的凸起部和沟槽部，凸起部后边缘和沟槽部后边缘中的一种后边缘沿基本为轴向方向从凸起部后边缘和沟槽部后边缘中的另一种后边缘凹入，该凸起部后边缘和沟槽部后边缘中的所述另一种后边缘形成顶点，该顶点设在凸舌上，且沟槽部沿轴向方向朝着沟槽部后边缘径向向内延伸。
16.根据权利要求15所述的燃气轮机，其中：所述喷嘴之一是该核心机排气喷嘴。
17.根据权利要求16所述的燃气轮机，其中：该顶点延伸超过该风扇排气喷嘴的末端。
18.根据权利要求15所述的燃气轮机，其中：所述喷嘴之一是该风扇排气喷嘴。
19.根据权利要求18所述的燃气轮机，其中：另一喷嘴包括第二第二环形壁，该第二环形壁确定了第二流体流动通道，并包括第二基座部分和邻接的第二出口部分，第二出口部分包括沿基本上径向方向的第二波浪形部，它提供了各自包括第二后边缘的第二凸起部和第二沟槽部，第二凸起部后边缘和第二沟槽部后边缘中的一种后边缘沿基本为轴向方向从第二凸起部后边缘和第二沟槽部后边缘中的另一种后边缘凹入，该第二凸起部后边缘和第二沟槽部后边缘中的所述另一种后边缘形成第二顶点，该第二顶点设在第二凸舌上，且第二沟槽部沿轴向方向朝着第二沟槽部后边缘径向向内延伸。
20.根据权利要求19所述的燃气轮机，其中：该凸舌和第二凸起部的数目相等，所述凸起部和所述第二凸起部彼此径向对齐。
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