一种解决S弯喷管与涡扇发动机匹配问题的转接段结构的制作方法

本实用新型涉及航空发动机领域，具体而言，涉及一种解决S弯喷管对涡扇发动机涵道比影响的转接段结构。

背景技术：

随着先进红外制导导弹、机载红外搜索跟踪系统以及雷达制导技术的迅速发展，现代无人机、轰炸机对红外隐身技术和雷达隐身技术的要求越来越高。相比于传统的轴对称喷管，S弯喷管因其对红外和雷达显著的低可探测性能而受到世界各国的广泛关注和重点研究。到目前为止，已经发展出了多种类型的S弯喷管型面，如单S弯、双S弯、三S弯等。对于早期的单涵道涡轮喷气发动机来说，在实现发动机与S弯喷管的匹配过程中，相比于实际应用中广泛使用的轴对称喷管，S弯喷管仅仅是在气动性能上略有下降，对发动机工作状况的影响有限，这些不利影响相比它所带来的隐身性能是可以接受的，并且这些影响可以通过对S弯喷管的型面优化设计等手段加以改善。然而现代航空发动机主要采用多种涵道比类型的双涵道涡轮风扇发动机，美国等发达国家甚至在其更高性能的发动机设计中采用更先进更复杂的三涵道设计方法，那么在进行发动机与S弯喷管的匹配过程时，S弯喷管的非轴对称型面对发动机涵道比影响就变成了一个难以忽视的重要问题。以双涵道涡轮风扇发动机为例，研究表明，相比于轴对称喷管，S弯喷管的弯曲非轴对称型面会降低发动机尾部排气混合器外涵道出口背压，并且造成排气混合器出口背压非对称分布，使得发动机内外涵流通能力发生显著变化，外涵道流通能力上升，内涵道流通能力下降，从而增大发动机的涵道比，在同等转速下大幅提高了发动机的涡轮前燃气温度，对发动机的工作状况产生明显恶劣的影响，而这些影响通过S弯喷管型面优化等设计手段是很难改善的，最终使装备有S弯喷管的发动机在满足隐身性能的同时气动性能却大大降低。因此，迫切需要一种技术方案来解决多种类型的S弯喷管与多种涵道比类型的双涵道涡轮风扇发动机的匹配问题。

技术实现要素：

本实用新型解决的技术问题是：为了解决在各种涵道比类型的涡轮风扇发动机尾部由传统轴对称喷管改装为各种类型S弯喷管后，S弯喷管对双涵道涡轮风扇发动机造成的涵道比增大，进而影响涡轮风扇发动机正常工作的问题，本实用新型提供一个用于连接发动机尾部排气混合器与S弯喷管的过渡段以解决现有技术中的涡轮风扇发动机改装S弯喷管后造成发动机涵道比增加从而导致发动机工作状况恶劣的问题。

本实用新型的技术方案是：一种解决S弯喷管与涡扇发动机匹配问题的转接段结构，所述结构整体为两端开口的柱状体，且两端内径不等，大径与小径比值最佳范围应为1.03～1.05；大径端与外部排气混合器出口端固连，小径端与外部双S弯喷管进口端固连，且大径端的内径等于排气混合器出口端内径，小径端内径等于外部双S弯喷管进口端内径。

本实用新型的进一步技术方案是：设排气混合器出口端直径为d，所述柱状体轴线长度取值范围为转接段型面为轴对称收缩型，型面变化规律满足维托辛斯基方程。

本实用新型的进一步技术方案是：所述固连方式均为焊接。

本实用新型的进一步技术方案是：转接段与排气混合器以及双S弯喷管进口端同轴，排气混合器出口型面与转接段进口型面相切过渡，转接段出口型面与双S弯喷管进口型面相切过渡。

发明效果

本实用新型的技术效果在于：本实用新型成功解决了涡轮风扇发动机尾部由传统轴对称喷管改装为S弯喷管后，S弯喷管非轴对称S形型面所造成的发动机涵道比增大进而导致发动机工作状况恶劣的问题。以传统的轴对称喷管为基准，本实用新型减小了S弯喷管型面对发动机的涵道比变化的影响，降低了S弯喷管对发动机工作状态的影响，满足了双涵道涡轮风扇发动机甚至是具有更多涵道的更先进发动机与S弯喷管的匹配问题，从而使得发动机兼备高气动性能和高隐身性能，最终极大提高了飞行器的空中综合实力。此外，本实用新型适用于单S弯、双S弯、三S弯等不同弯数的S弯喷管型面，并且对于大中小等各种类型的涵道比问题均适用。

附图说明

图1是未采用本实用新型的涡轮风扇发动机尾部排气混合器与一种双S弯喷管匹配的结构示意图；

图2是本实用新型实施例可选的连接排气混合器与一种双S弯喷管的转接段结构示意图；

图3是采用本实用新型实施例可选的涡轮风扇发动机尾部排气混合器与转接段以及一种双S弯喷管匹配的结构示意图。

附图标记说明：1、排气混合器；2、一种双S弯喷管；3、排气混合器外涵通道进口面；4、排气混合器内涵通道进口面；5、尾锥；6、排气混合器外涵通道；7、排气混合器内涵通道；8、排气混合器外涵通道出口面；9、排气混合器内涵通道出口面；10、双S弯喷管进口面；11、转接段；12、转接段进口面；13、转接段出口面；14、排气混合器内外涵通道出口与转接段进口交界面；15、转接段出口与双S弯喷管进口交界面；16、排气混合器出口型面与转接段进口型面相切过渡；17、转接段出口型面与双S弯喷管进口型面相切过渡。

具体实施方式

参见图1-图3，本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是设计一个连接发动机尾部排气混合器以及双S弯喷管的转接段。该转接段与排气混合器以及双S弯喷管进口端同轴，转接段进口面积与排气混合器出口面积相同，转接段出口面积与双S弯喷管进口面积相同，以保证各结构之间相互完全贴合，形成光滑连续的气流流道，转接段进口端与排气混合器出口端焊接固连，出口端与S弯喷管进口端焊接固连。

进一步地，从气动性能角度分析，转接段的型面特征应必须等同于轴对称收缩喷管的型面特征，因此转接段设计为轴对称收缩段。

进一步地，采用轴对称收缩段的目的包括：一是提高排气混合器外涵道出口背压，从而减小由于改装双S弯喷管所造成的排气混合器外涵道流通能力的上升，使得流量更多从内涵道流出；二是改善排气混合器出口背压的非对称分布；最终解决由于双S弯喷管型面所带来的发动机涵道比增大问题。

进一步地，转接段轴线位置必须与发动机尾部排气混合器轴线位置以及双S弯喷管的进口端轴线位置重合。

进一步地，转接段的进口面积由发动机尾部排气混合器出口面积决定，双S弯喷管的进口面积等于转接段的出口面积，而转接段出口面积的确定，需要对排气混合器、转接段以及双S弯喷管组成的整体结构进行气动性能几何参数化数值模拟研究，标准是接双S弯喷管的发动机涵道比与接轴对称喷管的涵道比差值在一个技术人员可忽略的范围内，根据此标准来确定最优转接段出口面积，最终确定双S弯喷管型面。

进一步地，转接段长度的确定方法是在转接段出口面积确定的基础上通过对排气混合器、转接段以及双S弯喷管组成的整体结构进行气动性能几何参数化数值模拟研究来选取气动性能最优时对应的转接段长度，经研究发现，转接段的长度应为排气混合器出口直径的四分之一至二分之一之间，本实施例取值为三分之一。

进一步地，转接段的横截面形状是由排气混合器的出口面形状以及双S弯喷管的进口面形状来确定，而排气混合器的出口面形状和S弯喷管的进口面形状均为圆形，因此，收缩段的横截面形状为圆形。

进一步地，转接段的横截面面积逐渐收缩，变化规律可以采用多种形式，如Lee曲线、超椭圆曲线、维托辛斯基曲线等，其中维托辛斯基曲线优势更明显，研究表明，设计收缩喷管时，一般要求在喷管出口产生均匀的流动，而维托辛斯基曲线在这一点上相较于其它类型的曲线更加合适。

进一步地，在转接段与排气混合器以及双S弯喷管固连时，实际加工中应该将三组部件焊接加工为一个整体结构，并且保证排气混合器与转接段交界面，转接段与双S弯喷管交界面完全重合，排气混合器出口型面与转接段进口型面相切过渡，转接段出口型面与双S弯喷管进口型面相切过渡。

图2是本实用新型实施例设计的一个用于连接发动机尾部排气混合器1与双S弯喷管2的转接段11结构示意图。转接段型面特征等同于轴对称收缩喷管的型面特征。收缩型面采用维托辛斯基曲线进行设计。

图3是发动机尾部排气混合器1与转接段11以及双S弯喷管2连接的结构示意图。该转接段能够解决现有技术中的涡轮风扇发动机尾部由传统的轴对称喷管改装为双S弯喷管2后，双S弯喷管2非轴对称S形型面造成的发动机涵道比增加进而导致发动机工作状况恶劣的问题，包括排气混合器1、转接段11和双S弯喷管2，转接段11与排气混合器1以及双S弯喷管2进口端同轴，转接段进口面12面积与排气混合器1出口面积相同，转接段出口面13面积与双S弯喷管进口面10面积相同，转接段11进口端与排气混合器1出口端固联，转接段11出口端与双S弯喷管2进口端固联。

图1是现有双S弯喷管与发动机尾部排气混合器连接的结构示意图，作为对比参照，包括排气混合器1和双S弯喷管2，排气混合器1与双S弯喷管2进口端同轴，排气混合器1出口面积与双S弯喷管进口面10面积相同，排气混合器1出口端与双S弯喷管2进口端固联。

具体实施时，从气动性能的角度分析，转接段11的型面变化特征等于轴对称收缩喷管的型面特征，因此转接段11确定设计为轴对称收缩段。采用轴对称收缩段的目的包括：一是提高排气混合器外涵通道出口面8背压，从而降低由于改装S弯喷管而导致的排气混合器外涵通道6流通能力的上升，使得流量更多的从排气混合器内涵通道7流出；二是改善排气混合器1出口背压的非对称分布；最终解决由于双S弯喷管2的非轴对称S形二元型面所带来的发动机涵道比增大问题。

转接段11轴线位置应以发动机尾部排气混合器1轴线位置为标准，与排气混合器1轴线重合，而双S弯喷管2的进口端轴线位置应以转接段11轴线位置为标准，与转接段11轴线重合。

根据排气混合器1出口面积等于转接段进口面12面积来确定转接段进口面12面积大小，而转接段出口面13面积大小的确定则需要对排气混合器1，转接段11以及双S弯喷管2组成的整体结构进行气动性能几何参数化数值模拟研究来寻找气动性能最优时所对应的转接段出口面13面积大小，并根据双S弯喷管进口面10面积与转接段出口面13面积相等，来确定双S弯喷管进口面10面积大小，最终确定双S弯喷管2的型面设计。

在确定转接段11进出口面积基础上，转接段11长度同样需要对排气混合器1，转接段11以及双S弯喷管2组成的整体结构进行气动性能几何参数化数值模拟研究来寻找气动性能最优时所对应的转接段11长度，经研究发现，转接段11的长度应为排气混合器1出口直径的三分之一。

转接段11的横截面形状是由排气混合器1的出口面形状以及双S弯喷管进口面10的形状来确定，而排气混合器1的出口面形状与双S弯喷管进口面10的形状均为圆形，因此，转接段11的横截面形状为圆形。

转接段11的横截面面积逐渐收缩，变化规律可以采用多种形式，如Lee曲线、超椭圆曲线、维托辛斯基曲线等，其中维托辛斯基曲线优势更明显，研究表明，设计收缩喷管时，一般要求在喷管出口产生均匀的流动，而维托辛斯基曲线在这一点上相较于其它类型的曲线更加合适。

转接段11与排气混合器1以及双S弯喷管2固联时，实际加工中应该将三组部件焊接加工为一个整体，并且保证排气混合器与转接段交界面14，转接段与双S弯喷管交界面15完全重合，排气混合器出口型面与转接段进口型面相切过渡16，转接段出口型面与双S弯喷管进口型面相切过渡17。

气流在通过图1所示结构时，因为双S弯喷管2型面纵向非对称的影响，导致流过外涵通道6和内涵通道7的上半部分区域的气流受阻，气流更多的从外涵通道6和内涵通道7的下半部分流过，这样造成的结果是总体分析，流过外涵通道6的气流相比于轴对称喷管增加，而流过内涵通道的气流相比于轴对称喷管减少，最终导致接双S弯喷管2的发动机涵道比相比于接轴对称喷管增大。气流在通过图3所示结构时，由于轴对称收缩型转接段11的加入，使得气流会像流过轴对称喷管一样对称地流过转接段11，这样可以显著改善双S弯喷管2的纵向非对称型面影响，因此相比于轴对称喷管，接S弯喷管的发动机涵道比不会有显著增大。