CN207989170U - 利用气流换热增加推力的尾喷管 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种利用气流换热增加推力的尾喷管，包括外涵喷管、拉瓦尔喷管、内涵喷管、外涵喷管支架和内涵喷管支架；所述内涵喷管、所述内涵喷管支架、所述拉瓦尔喷管、所述外涵喷管支架以及所述外涵喷管沿所述尾喷管的径向依次配置；所述外涵喷管通过所述外涵喷管支架与所述拉瓦尔喷管固定连接；所述内涵喷管通过所述内涵喷管支架与所述拉瓦尔喷管固定连接；所述拉瓦尔喷管为收扩型喷管，所述拉瓦尔喷管与所述外涵喷管构成的流道沿流向呈收缩形状，所述拉瓦尔喷管与所述内涵喷管构成的流道沿流向先收缩后扩张，所述内涵喷管的流道沿流向呈收缩形状。

Description

利用气流换热增加推力的尾喷管

技术领域

本公开涉及航空发动机尾喷管领域，尤其涉及一种利用气流换热增加推力的尾喷管。

背景技术

一般涡轮喷气发动机或者涡轮风扇发动机的尾喷管都是采用等熵膨胀的原理进行设计，将气体的压力能、热能经过膨胀加速或者简单的内外涵气流掺混转化为气体的动能，高速排出发动机从而获得发动机推力。传统的涡轮喷气发动机排气温度较高，大量的热量并没有被有效利用，即没有把气流的热能转化为发动机的推力或者可以被利用的电能。但是随着工程界对航空发动机向着更经济、更环保等方面的要求的不断提高，采取有效措施，充分利用航空涡轮发动机排气中热能的有效回收利用，不断提高发动机推力很有必要。

基于对高速气动力学的研究发现，低温亚声速气流与高温超声速气流换热会导致气流总压的变化，特别是超声速气流减热会显著增加气流的总压，从而可以提高气流的做功能力。本公开提出一种超声速尾喷管的设计方案，利用高温超声速气流与低温亚声速气流进行换热，即对高温超声速气流减热，对低温亚声速气流加热，并使用热电材料在冷热气流换热温差的条件下发电，进一步增强换热效果，实现气流总压的提高，从而提升气流做功能力，提高发动机推力。

实用新型内容

针对上述问题，本公开将低温亚声速气流与高温超声速气流换热导致气流总压发生变化这一特征应用于发动机推力的改善，对尾喷管的结构做出了改进和优化，充分利用了气流的热能增加发动机的推力，通过以下技术方案实现：

利用气流换热增加推力的尾喷管，包括外涵喷管、拉瓦尔喷管、内涵喷管、外涵喷管支架和内涵喷管支架；

所述内涵喷管、所述内涵喷管支架、所述拉瓦尔喷管、所述外涵喷管支架以及所述外涵喷管沿所述尾喷管的径向依次配置；

所述外涵喷管通过所述外涵喷管支架与所述拉瓦尔喷管固定连接；

所述内涵喷管通过所述内涵喷管支架与所述拉瓦尔喷管固定连接；

所述拉瓦尔喷管为收扩型喷管，所述拉瓦尔喷管与所述外涵喷管构成的流道沿流向呈收缩形状，所述拉瓦尔喷管与所述内涵喷管构成的流道沿流向先收缩后扩张，所述内涵喷管的流道沿流向呈收缩形状。

进一步地，所述尾喷管还包括外涵整流罩，所述外涵整流罩与所述拉瓦尔喷管的外壁面固定连接，所述外涵整流罩与所述拉瓦尔喷管的外壁面之间具有空隙。

进一步地，所述尾喷管还包括内涵整流罩，所述内涵整流罩与所述内涵喷管的内壁面固定连接，所述内涵整流罩与所述内涵喷管的内壁面之间具有空隙。

进一步地，所述尾喷管还包括热电材料元件，所述热电材料元件将热能转换成电能，所述热电材料元件配置在所述外涵整流罩与所述拉瓦尔喷管的外壁面之间，以及配置在所述内涵整流罩与所述内涵喷管的内壁面之间。

进一步地，所述外涵喷管的壁面上设有第一孔槽，所述拉瓦尔喷管的壁面上设有第二孔槽，所述内涵喷管的壁面上设有第三孔槽，所述外涵整流罩的壁面上设有第四孔槽，所述第一孔槽与所述第四孔槽用于所述热电材料元件的引线的导出，所述第二孔槽与所述第三孔槽用于所述热电材料元件的引线的连接。

进一步地，所述第一孔槽与所述第四孔槽的位置对应所述外涵喷管支架，所述第二孔槽与所述第三孔槽的位置对应所述内涵喷管支架。

进一步地，所述外涵喷管支架与所述内涵喷管支架均为中空结构，所述外涵喷管支架的横剖面的形状为翼型，所述内涵喷管支架的横剖面的形状为菱型。

进一步地，所述热电材料元件为碲化铅热电材料元件。

进一步地，所述外涵整流罩与所述内涵整流罩均采用具有热传导特性的材料。

上述技术方案中的术语“第一”、“第二”等仅是为了标识，并不限定相关部件的结构。

本公开的有益效果：

1)利用低温亚声速气流与高温超声速气流在涵道内换热的过程可有效提升发动机排气气流的总压这一特征，对尾喷管的结构进行了改进，极大地提高了气流的做功能力，进而提高了发动机的推力；

2)使用热电材料将换热过程中的部分热能转变为电能，进一步增强了换热效果，提升了发动机的效率，同时还可将电能输出给发动机做其他用途，满足了工程界对航空发动机提出的更经济和环保的要求。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是本公开具体实施方式的冷热气流换热的理论计算示意图；

图2是本公开具体实施方式的利用气流换热增加推力的尾喷管的外涵喷管支架横剖面示意图；

图3是本公开具体实施方式的利用气流换热增加推力的尾喷管的内涵喷管支架横剖面示意图；

图4是本公开具体实施方式的利用气流换热增加推力的尾喷管的总体结构剖视图；

图5是本公开具体实施方式的利用气流换热增加推力的尾喷管的轴向视图；

图6是本公开具体实施方式的利用气流换热增加推力的尾喷管的工作示意图；

图7是本公开具体实施方式的利用气流换热增加推力的热电材料发电原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。

利用气流换热增加推力的尾喷管，包括外涵喷管1、拉瓦尔喷管2、内涵喷管3、外涵喷管支架7和内涵喷管支架8；

内涵喷管3、内涵喷管支架8、拉瓦尔喷管2、外涵喷管支架7以及外涵喷管1沿所述尾喷管的径向依次配置；

外涵喷管1通过外涵喷管支架7与拉瓦尔喷管2固定连接；

内涵喷管3通过内涵喷管支架8与拉瓦尔喷管2固定连接；

拉瓦尔喷管2为收扩型喷管，拉瓦尔喷管2与外涵喷管1构成的流道沿流向呈收缩形状，拉瓦尔喷管2与内涵喷管3构成的流道沿流向先收缩后扩张，内涵喷管3的流道沿流向呈收缩形状。

尾喷管还包括外涵整流罩5，外涵整流罩5与拉瓦尔喷管2的外壁面固定连接，外涵整流罩5与拉瓦尔喷管2的外壁面之间具有空隙。

尾喷管还包括内涵整流罩6，内涵整流罩6与内涵喷管3的内壁面固定连接，内涵整流罩6与内涵喷管3的内壁面之间具有空隙。

尾喷管还包括热电材料元件4，热电材料元件4将热能转换成电能，热电材料元件4配置在外涵整流罩5与拉瓦尔喷管2的外壁面之间，以及配置在内涵整流罩6与内涵喷管3的内壁面之间。

外涵喷管1的壁面上设有第一孔槽，拉瓦尔喷管2的壁面上设有第二孔槽，内涵喷管3的壁面上设有第三孔槽，外涵整流罩5的壁面上设有第四孔槽，第一孔槽与第四孔槽用于热电材料元件4的引线的导出，第二孔槽与第三孔槽用于热电材料元件4的引线的连接。

第一孔槽与第四孔槽的位置对应外涵喷管支架7，第二孔槽与第三孔槽的位置对应内涵喷管支架8。

外涵喷管支架7与内涵喷管支架8均为中空结构，外涵喷管支架7的横剖面的形状为翼型，内涵喷管支架8的横剖面的形状为菱型。

热电材料元件4为碲化铅热电材料元件。

外涵整流罩5与内涵整流罩6均采用具有热传导特性的材料。

更为详细的，

本公开技术方案利用低温亚声速气流对高温超声速气流减热，高温超声速气流对低温亚声速气流加热这一换热过程，实现排气气流总压的提升，进而增加发动机推力，其原理如下：

根据空气动力学中换热管流理论可推导出气流总温度、总压和马赫数三者之间的变化关系，即

公式中“d”表示微分符号，“P^*”表示气流总压，“T^*”表示气流总温度，“k”表示气体比热比，“Ma”表示气流的马赫数。

例如，在冷热气流的换热量都是10％，即的情况下，计算换热对总压的影响，如图1所示，横坐标是气流马赫数，纵坐标是气流换热之后的总压P₂ ^*与换热之前的总压P₁ ^*的比值，结果减热过程的曲线斜率为正，即减热使总压上升，加热过程的曲线斜率为负，即加热使总压下降。

更具体的，例如高温气流马赫数为2，低温气流马赫数为0.5，当高温超声速气流的热量传递给低温的亚声速气流时，加入换热量为10％，则高温超声速气流的总压上升ΔP^*＝0.28P^*，即P₂ ^*/P₁ ^*＝1.28；低温亚声速气流总压下降ΔP^*＝0.0175P^*，即P₂ ^*/P₁ ^*＝0.9825，所以高温超声速气流的总压上升是低温亚声速气流总压下降的16倍(马赫数比值的平方)。随着换热量的增大，总压的变化会继续增大，所以气流总压上升收益是非常显著的。同时，热电材料利用气流之间的温度梯度，将一部分热量转换成电能输出，而这一过程也进一步增强了换热效果，有助于提高气流的总压。

如图4和5所示，本具体实施方式的利用气流换热增加推力的尾喷管包括外涵喷管1、收扩型拉瓦尔喷管2、内涵喷管3、碲化铅热电材料元件4、外涵整流罩5、内涵整流罩6、外涵喷管支架7和内涵喷管支架8。

内涵喷管3通过内涵喷管支架8固定在收扩型拉瓦尔喷管2上，外涵喷管1通过外涵喷管支架7固定在收扩型拉瓦尔喷管2上，收扩型拉瓦尔喷管2上具有安装边(图4示出的是拉瓦尔喷管2的左端)，用于与发动机其他部分连接，外涵喷管支架7与内涵喷管支架8均为中空形状；在收扩型拉瓦尔喷管2的外壁面与外涵整流罩5之间布置有碲化铅热电材料元件4，在内涵喷管3的内壁面与内涵整流罩6之间也布置有碲化铅热电材料元件4，外涵整流罩5与内涵整流罩6用于将碲化铅热电材料元件4固定，并分别减小外涵气流和内涵气流的流动损失，外涵整流罩5和内涵整流罩6选择具有优良热传导特性的材料。

在内涵喷管3的壁面上，收扩型拉瓦尔喷管2的壁面上，外涵喷管1壁面上，以及外涵整流罩5的壁面上都有孔槽；内涵喷管3与收扩型拉瓦尔喷管2壁面上的孔槽与内涵喷管支架8的位置对应，便于热电材料元件4的引线连接(外涵整流罩5内的热电材料元件4与内涵整流罩6内的热电材料元件4穿过内涵喷管支架8的内腔互相连接)；外涵喷管1与外涵整流罩5壁面上的孔槽与外涵喷管支架7的位置对应，便于热电材料元件4的引线的导出(外涵整流罩5内的热电材料元件4的引线穿过外涵喷管支架7的内腔从外涵喷管1导出，用于输出电流)。为确保高温高压的气流经过喉道后变为超声速气流，将外涵喷管1与收扩型拉瓦尔喷管2构成的流道沿流向设计成收缩通道，将收扩型拉瓦尔喷管2与内涵喷管3构成的流道沿流向设计成先收缩后扩张的通道，将内涵喷管3的流道沿流向设计成收缩形通道。

外涵喷管支架7与内涵喷管支架8的数量可以是4个以上，沿尾喷管的轴线周向均布。

由于外涵道低温低压空气流速较低，将外涵喷管支架7的横剖面设计成翼型形状，以减小气流的流动损失，如图2所示；内涵道高温高压燃气流速较高，为减小高速气流在流动中因摩擦阻力、激波等因素造成的损失，将内涵喷管支架8的横剖面设计成菱型形状，如图3所示。

当尾喷管工作时，如图6所示，高温高速气流流入收扩型拉瓦尔喷管2内，气流静温下降，静压下降，速度上升，在喉道处速度达到当地声速，随后，气流继续膨胀，气流静温、静压继续下降，速度继续上升，在尾喷管出口处变为超声速气流，高温超声速气流使得内涵喷管3的壁面，以及收扩型拉瓦尔喷管2的壁面温度升高；同时内涵喷管3和外涵喷管1中有温度较低的低速气流流过，低温低速气流得到拉瓦尔喷管2的壁面和内涵喷管3的壁面传递的热量，在外涵收缩通道与内涵收缩通道中不断加速，在尾喷管出口处，低温低速气流变为低温高速气流，最终与超声速气流一起实现增加尾喷管推力的效果。

拉瓦尔喷管2中持续流动的高温气流与外涵喷管1内持续流动的低温气流，使得在收扩型拉瓦尔喷管2的壁面与外涵整流罩5之间产生一个温度梯度，在收扩型拉瓦尔喷管2的外壁面与外涵整流罩5之间的空隙中敷设的碲化铅热电材料元件4利用这个温度梯度进行发电，如图7所示，热电材料元件4能够将换热过程中的部分热量转换成电能，这一发电过程进一步增加了拉瓦尔喷管2与外涵喷管1之间的换热量，使得拉瓦尔喷管2内的高温超声速气流的总压得到提升；同样在内涵喷管3的壁面与内涵整流罩6之间也存在一定的温度梯度，利用碲化铅热电材料元件4进行发电，同样可增加收扩型拉瓦尔喷管2内的高马赫数气流的减热效果，增大换热量，提升拉瓦尔喷管2内的高温超声速气流的总压，从而提高发动机的推力。

此外，利用碲化铅热电材料元件4将换热过程中的部分热能转变为电能，不仅具有增强换热、提升气流总压的效果，还可将这部分电能通过引线从外涵喷管1导出输送给发动机做其他用途，实现热量的充分利用，提高发动机的效率，使发动机实现更经济和环保的目的。

本公开技术方案尤其适用于高超声速涡喷发动机，以及小涵道比涡扇发动机。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (9)

1.利用气流换热增加推力的尾喷管，其特征在于，包括外涵喷管(1)、拉瓦尔喷管(2)、内涵喷管(3)、外涵喷管支架(7)和内涵喷管支架(8)；

所述内涵喷管(3)、所述内涵喷管支架(8)、所述拉瓦尔喷管(2)、所述外涵喷管支架(7)以及所述外涵喷管(1)沿所述尾喷管的径向依次配置；

所述外涵喷管(1)通过所述外涵喷管支架(7)与所述拉瓦尔喷管(2)固定连接；

所述内涵喷管(3)通过所述内涵喷管支架(8)与所述拉瓦尔喷管(2)固定连接；

所述拉瓦尔喷管(2)为收扩型喷管，所述拉瓦尔喷管(2)与所述外涵喷管(1)构成的流道沿流向呈收缩形状，所述拉瓦尔喷管(2)与所述内涵喷管(3)构成的流道沿流向先收缩后扩张，所述内涵喷管(3)的流道沿流向呈收缩形状。

2.根据权利要求1所述的尾喷管，其特征在于，所述尾喷管还包括外涵整流罩(5)，所述外涵整流罩(5)与所述拉瓦尔喷管(2)的外壁面固定连接，所述外涵整流罩(5)与所述拉瓦尔喷管(2)的外壁面之间具有空隙。

3.根据权利要求2所述的尾喷管，其特征在于，所述尾喷管还包括内涵整流罩(6)，所述内涵整流罩(6)与所述内涵喷管(3)的内壁面固定连接，所述内涵整流罩(6)与所述内涵喷管(3)的内壁面之间具有空隙。

4.根据权利要求3所述的尾喷管，其特征在于，所述尾喷管还包括热电材料元件(4)，所述热电材料元件(4)将热能转换成电能，所述热电材料元件(4)配置在所述外涵整流罩(5)与所述拉瓦尔喷管(2)的外壁面之间，以及配置在所述内涵整流罩(6)与所述内涵喷管(3)的内壁面之间。

5.根据权利要求4所述的尾喷管，其特征在于，所述外涵喷管(1)的壁面上设有第一孔槽，所述拉瓦尔喷管(2)的壁面上设有第二孔槽，所述内涵喷管(3)的壁面上设有第三孔槽，所述外涵整流罩(5)的壁面上设有第四孔槽，所述第一孔槽与所述第四孔槽用于所述热电材料元件(4)的引线的导出，所述第二孔槽与所述第三孔槽用于所述热电材料元件(4)的引线的连接。

6.根据权利要求5所述的尾喷管，其特征在于，所述第一孔槽与所述第四孔槽的位置对应所述外涵喷管支架(7)，所述第二孔槽与所述第三孔槽的位置对应所述内涵喷管支架(8)。

7.根据权利要求1或6所述的尾喷管，其特征在于，所述外涵喷管支架(7)与所述内涵喷管支架(8)均为中空结构，所述外涵喷管支架(7)的横剖面的形状为翼型，所述内涵喷管支架(8)的横剖面的形状为菱型。

8.根据权利要求4所述的尾喷管，其特征在于，所述热电材料元件(4)为碲化铅热电材料元件。

9.根据权利要求3或6所述的尾喷管，其特征在于，所述外涵整流罩(5)与所述内涵整流罩(6)均采用具有热传导特性的材料。