一种超紧凑高掺混效率消旋波瓣混合排气系统结构的制作方法

本发明涉及混合排气系统技术领域，尤其涉及一种超紧凑高掺混效率消旋波瓣混合排气系统结构，其特别适用于高性能航空燃气涡轮风扇发动机。

背景技术：

各类中小涵道比航空燃气涡轮风扇发动机的一个重要特征差异就是排气系统部件类型的不同，与大涵道比航空发动机多采用内、外涵射流不预先掺混的分开排气结构形式不同，中小涵道比航空发动机排气系统多采用内外涵射流在尾喷管内预先掺混的混合排气系统。

环形混合排气系统是最先采用的混合排气型式，如F100-PW-129就采用了简单的环形混合排气型式，这一混合排气型式的优点是结构简单、掺混损失低，然而缺点也比较明显：①掺混效率低，排气掺混管长，增加发动机安装尺寸，影响航空发动机推重比的提高；②射流峰值速度高，排气噪声大，特别是高频噪声；③高温射流面积广，红外辐射特征强，不利于战机的红外隐身；④内、外涵射流掺混不均匀，影响下游加力燃烧的稳定性，为了保证加力燃烧室的稳定工作，常常采用专门的火焰稳定器，从而增加了结构的复杂性；⑤抗上游旋流的能力弱，为了与上游低压涡轮良好匹配，需要在低压涡轮下游增加出口导叶，不仅增加了结构的复杂性，还增加了航空发动机重量及制造/维护成本。

波瓣混合排气系统具有掺混效率高、提高输出推力、降低耗油率、抑制红外辐射/噪声及提升加力燃烧室的工作稳定性等特点，广泛应用于中小涵道比涡扇发动机中。国外几个最新型号发动机，如加普惠公司的PW600/PW800系列发动机、GE公司的F404-GE-F102/F110-GE-129发动机、霍尼韦尔公司的HTF7000发动机及CFM公司的CFM56-5C发动机都采用的是波瓣混合排气系统。然而，波瓣混合器也不可避免的存在上面所述的一些弊端，其自身具有一定的抗预旋能力，但对上游预旋的容限十分有限，超过10°的低压涡轮出口气流角就会导致波瓣表面出现流动分离，中心锥下游出现回流区，极大地增加了总压损失和推力损失，进而也增加了波瓣混合器与低压涡轮匹配设计的难度，尤其是与高负荷低压涡轮的匹配。为了两者的良好匹配关系，在低压涡轮下游仍需要布置出口导叶，这不仅增加了发动机长度尺寸和重量，降低了发动机推重比，还增加了发动机制造和维护成本。因此，亟需要探索一种新型的混合排气系统结构布局。

技术实现要素：

为了克服现有航空涡轮风扇发动机环形混合排气系统和波瓣混合排气系统所存在的问题，本发明的目的是提出一种超紧凑一体化消旋波瓣混合排气系统结构，其具有掺混效率高、抗预旋能力强、结构紧凑、可靠性高和加工维护费用低等诸多优势。

为了达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种超紧凑高掺混效率消旋波瓣混合排气系统结构，适用于高性能中小涵道比航空涡轮风扇发动机，包括消旋波瓣混合器、中心锥和掺混喷管，所述消旋波瓣混合器布置在掺混喷管和中心锥之间，所述消旋波瓣混合器的外侧表面和掺混喷管之间的空间形成外涵流道，所述消旋波瓣混合器的内侧表面与中心锥之间的空间形成内涵流道，其特征在于，

--所述消旋波瓣混合器包括波峰叶瓣和波谷叶瓣，所述波谷叶瓣为三维积叠的异形叶片结构，所述异形叶片的进口气流角为10°～45°，出口气流角为0°～5°；

所述消旋波瓣混合器的叶瓣尾缘带有斜切边，切斜角在0°～15°范围内，所述斜切边可从波峰点位置沿径向向下，也可从波谷点位置沿径向向上；

所述消旋波瓣混合器的侧壁经切凹扇形处理，在波瓣出口截面，凹扇形缺口高度与波瓣高度的比值为0～0.95；凹扇形侧切形状上下两斜边与水平线夹角在3°～90°，其顶部由相切圆弧连接，其与波瓣尾缘相交处做倒圆处理；

--所述中心锥带有鼓包结构，所述鼓包包括迎风面和背风面；

--在所述消旋波瓣混合器和中心锥之间布置有多个沿周向均匀布置的翼型加强筋，所述翼型加强筋下端与中心锥鼓包的背风面固接，上端与消旋波瓣混合器的波谷部分固接。

优选地，所述消旋波瓣混合器波谷部分的叶瓣按照一定的中弧线进行载荷布局。

优选地，所述消旋波瓣的波谷部分为三维积叠的异形叶片结构，该积叠线在保证波谷部分与波峰部分光滑过渡连接的前提下，可为直线、斜线、弧线或任意样条曲线。

优选地，所述鼓包的迎风面具有0°～20°坡角，背风面带有3°～30°坡角，鼓包顶部为平面或圆弧面，鼓包总长度为在波瓣进口截面处中心锥外径的0～1.0倍。

优选地，所述消旋波瓣混合器的波谷与中心锥的鼓包之间沿周向由数个翼型加强筋固接，翼型加强筋的数量与波瓣的瓣数一致，其下端前缘距离中心锥鼓包坡点的距离为0～3倍加强筋弦长，其前缘线与直径之间存在前/后倾角范围为0°～60°，两者之间的周向偏航角-60°～60°。

优选地，所述翼型加强筋具有0°～60°的进口气流角，具有0°～10°出口气流角，其三维积叠线可为直线、斜线、弧线或任意样条曲线。

同现有技术相比，本发明具有显著的技术效果：

(1)消旋波瓣的斜切处理和切凹扇形处理，有利于引导内外涵射流提前温和地掺混，不仅有利于提高射流掺混效率，还有利于降低射流掺混噪声，尤其是高频掺混噪声，同时也有利于抑制红外辐射。

(2)利用波瓣的“异形叶片状”波谷、中心锥鼓包及翼型加强筋的综合作用，合理组织低压涡轮出口气流角沿径向的分布，不仅消除低压涡轮过强的出口旋流所引起的流动分离和回流区等极端现象，还科学利用整流后的残余旋流加速内、外涵射流掺混，在大幅降低掺混损失的同时，提高波瓣混合排气系统的掺混效率和输出推力，并进一步抑制红外辐射和射流噪声。

(3)超紧凑消旋波瓣混合排气系统具有极强的抗进口预旋能力，不仅提高了其与低压涡轮的匹配特性，还降低了低压涡轮的设计难度，尤其是高负荷低压涡轮的设计难度。

(4)超紧凑消旋波瓣混合排气系统具有极强的抗进口预旋能力，可省去低压涡轮下游的出口导向叶片；其射流掺混效率高，可缩短射流掺混喷管的长度。使得排气系统结构更加紧凑，不仅有利于减轻发动机重量，提高了发动机推重比，还有利于降低加工和维护成本。

(5)翼型加强筋增强了薄壁部件波瓣混合器的结构强度，避免其发生颤振和变形。

附图说明

图1为本发明的超紧凑高掺混效率波瓣混合排气系统结构示意图；

图2为本发明的消旋波瓣混合器结构示意图；

其中，

消旋波瓣混合器1，掺混喷管2，中心锥3，翼型加强筋4，波瓣波峰5，波瓣波谷6，波瓣斜切边7，波瓣切凹扇形缺口8，中心锥鼓包9，中心锥外径D1，内涵流道外径D2，外涵流道外径D3，掺混管长度Lm，波瓣上扩张角e1，波瓣下扩张角e2，波高H，波瓣长度Lb，波瓣斜切角a，凹扇形缺口上斜角b1，凹扇形缺口下斜角b2，凹扇形缺口高度Hs，凹扇形缺口深度Dh，鼓包高度Hg，鼓包上游坡角c1，鼓包下游坡角c2，加强筋前缘斜角f，波谷叶瓣进口气流角β₁，波谷叶瓣出口气流角β₂。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

参见图1、2，本发明的超紧凑高掺混效率消旋波瓣混合排气系统结构，适用于高性能中小涵道比航空涡轮风扇发动机，由消旋波瓣混合器1、掺混喷管2、带鼓包的中心锥3及翼型加强筋4共四部分组成，其中消旋波瓣混合器1由波峰叶瓣5和“异形叶片状”波谷叶瓣6组成。中心锥由直段、鼓包9及尾椎组成，消旋波瓣混合器1与带鼓包中心锥3之间由数个沿周向均匀布置的翼型加强筋4固接而形成刚性整体。中心锥3的鼓包9包括迎风面和背风面，迎风面具有0°～20°坡角c1，背风面带有3°～30°坡角c2，鼓包顶部为平面或圆弧面，鼓包总长度为在波瓣进口截面处中心锥外径D1的0～1.0倍，翼型加强筋4下端与中心锥鼓包9的背风面固接。翼型加强筋4的数量与波瓣的瓣数一致，其下端前缘距离中心锥鼓包9坡点的距离为0～3倍加强筋弦长，其前缘线与直径之间存在前/后倾角范围为0°～60°，两者之间的周向偏航角-60°～60°。并且，翼型加强筋4具有0°～60°的进口气流角f，具有0°～10°出口气流角，其三维积叠线可为直线、斜线、弧线或任意样条曲线。

如图2所示，消旋波瓣混合器1的波谷叶瓣为三维积叠的异形叶片结构，该积叠线在保证波谷部分与波峰部分光滑过渡连接的前提下，可为直线、斜线、弧线或任意样条曲线，异形叶片的进口气流角β₁为10°～45°，出口气流角β₂为0°～5°，波谷叶瓣按照一定的中弧线进行载荷布局；消旋波瓣混合器1的叶瓣尾缘带有斜切边7，切斜角在0°～15°范围内，斜切边7可从波峰点位置沿径向向下，也可从波谷点位置沿径向向上；消旋波瓣混合器1的侧壁经切凹扇形处理，在波瓣出口截面，凹扇形缺口8高度Hs与波瓣高度H的比值为0～0.95；凹扇形侧切形状上下两斜边与水平线夹角在3°～90°，其顶部由相切圆弧连接，其与波瓣尾缘相交处做倒圆处理。

本发明的超紧凑高掺混效率消旋波瓣混合排气系统结构，消旋波瓣混合器1内侧表面与带鼓包中心锥3之间的空间为内涵流道，消旋波瓣混合器1外侧表面和掺混喷管2之间的空间为外涵流道。超紧凑消旋波瓣排气系统工作时，内涵进口旋流经“异形叶片状”波谷6、翼型加强筋4和带鼓包中心锥3组成的一体化结构的综合整流后，其周向气流角的径向布局得到科学合理的组织，然后绝大部分内涵气流经消旋波瓣混合器1沿径向向上流动，小部分内涵气流受中心锥3作用沿径向向下流动。外涵流体经消旋波瓣混合器1沿径向向下运动，在与径向向上流动的内涵流体相遇后，形成流向涡和正交涡，之后在掺混喷管2内开始相互掺混，最终掺混均匀的燃气排入大气中。

综上所述，本发明可直接用于航空燃气涡轮风扇发动机中，具有结构紧凑、零部件少、可靠性高和加工维护费用低等诸多优势，可解决国内现有中小涵道比航空涡轮风扇发动机采用环形混合器、波瓣混合器所存在的掺混效率低、总压/推力损失大、抗预旋能力弱、与低压涡轮匹配性差及排气系统轴向尺度大等问题。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述构造、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。