一种带流动分离主动控制功能的发动机喷管结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种带流动分离主动控制功能的发动机喷管结构，包括：第一喷管段，第一喷管段为“S”形，第一喷管段的第一端与发动机的高温涡轮出口连通，第一喷管段的第二端具有排气口；气流调节装置，设置于第一喷管段上，用于感应第一喷管段的各个气流偏转部的剪切应力值，并根据各个气流偏转部的剪切应力值调节第一喷管段内的气流；应用本发明技术方案的带流动分离主动控制功能的发动机喷管结构，解决了现有技术中的S弯喷管采用大喷管偏距造成发动机内部流动分离，及其导致的发动机推力下降的问题。
【专利说明】
一种带流动分离主动控制功能的发动机喷管结构
技术领域
[0001]本发明涉及航空发动机领域，具体而言，涉及一种带流动分离主动控制功能的发动机喷管结构。
【背景技术】
[0002]对于航空发动机而言，其尾喷管的辐射信号对飞机的隐身性能具有重要的影响。研究表明，S弯喷管有如下明显的优势:(I)喷管弯曲型面可对涡轮导向器、加力燃烧室火焰稳定器等内部高温部件进行完全遮挡，使得飞机在任意飞行姿态下其高温涡轮端面均不能被直接照射到，如此可显著降低喷管热壁面的红外辐射强度；(2)喷管的非轴对称二元出口特征可缩短尾喷流高温核心区长度，增强尾喷流与外界大气的掺混作用，大幅降低喷管热尾喷流的红外辐射强度；(3)入射的电磁波在S弯通道内反复折射被耗散掉，可增强排气系统雷达隐身特性；(4)S弯喷管应用于飞翼布局飞机，在具有良好的隐身性能的同时，通过背负式安装方案，可以大大降低飞机的外阻。因此，S弯喷管作为一项关键的低可探测性技术，被应用于多种战略轰炸机和无人战斗机上的发动机上。为了保证战斗机的超机动能力，对动力系统的推重比要求非常高，这就需要战斗机发动机的S弯喷管采用超紧凑设计，即需要S弯喷管使用更大的喷管偏距。然而大的S弯喷管偏距会造成喷管内部的流动分离，导致喷管性能的急剧下降，最终导致发动机推力的下降，给战机的超机动飞行带来困难。
【发明内容】
[0003]本发明的主要目的在于提供一种带流动分离主动控制功能的发动机喷管结构，以至少解决现有技术中的S弯喷管采用大喷管偏距造成发动机内部流动分离，及其导致的发动机推力下降的问题。
[0004]为了实现发明目的，根据本
【发明内容】
，提供了一种带流动分离主动控制功能的发动机喷管结构，包括:第一喷管段，第一喷管段为“S”形，第一喷管段的第一端与发动机的高温涡轮出口连通，第一喷管段的第二端具有排气口 ；气流调节装置，设置于第一喷管段上，用于感应第一喷管段的各个气流偏转部的剪切应力值，并根据各个气流偏转部的剪切应力值调节第一喷管段内的气流。
[0005]进一步地，第一喷管段沿其第一端至第二端的方向依次形成第二气流偏转部和第三气流偏转部;其中，气流调节装置包括:第一感应部件，设置在第二气流偏转部的上壁面，用于感应第二气流偏转部的上壁面的剪切应力值;二次流喷射装置，设置在第二气流偏转部的上壁面，用于根据第二气流偏转部的上壁面的剪切应力值以可调角度和可调流量沿第二气流偏转部的上壁面喷射气流。
[0006]进一步地，第一感应部件设置有多个，多个第一感应部件沿第一喷管段的气流流动方向均匀布置。
[0007]进一步地，二次流喷射装置的一端与发动机的压气机连接，二次流喷射装置的另一端连接在第二气流偏转部的上壁面且靠近第一喷管段的进气口。
[0008]进一步地，气流调节装置还包括:第二感应部件，设置在第三气流偏转部的下壁面，用于感应第三气流偏转部的下壁面的剪切应力值;排气装置，设置在第三气流偏转部的下壁面，用于根据第三气流偏转部的下壁面的剪切应力值以可调流量将位于第三气流偏转部的下壁面的部分气流排出。
[0009]进一步地，第二感应部件设置有多个，多个第二感应部件沿第一喷管段的气流流动方向均匀布置。
[0010]进一步地，气流调节装置还包括:反馈系统，分别与第一感应部件和第二感应部件以及二次流喷射装置和排气装置连接;反馈系统用于根据第二气流偏转部的上壁面的剪切应力值控制二次流喷射装置的喷射角度和喷射流量；以及反馈系统用于根据第三气流偏转部的下壁面的剪切应力值控制排气装置的排气流量。
[0011]进一步地，带流动分离主动控制功能的发动机喷管结构还包括:第二喷管段，第二喷管段为“S”形，第二喷管段的第一端具有与发动机的高温涡轮出口连接的进气口，第二喷管段的第二端与第一喷管段的第一端连接在第二喷管段和第一喷管段中沿进气口到排气口的方向依次形成第一气流偏转部、第二气流偏转部和第三气流偏转部。
[0012]进一步地，第二气流偏转部的下壁面与第三气流偏转部的上壁面的公切线过进气口横截面的最低点。
[0013]进一步地，第二喷管段与第一喷管段沿高温涡轮出口的轴线方向的长度之比在2: 3至2:5之间且第二喷管段和第一喷管段的长度之和与第二喷管段的最大直径之比小于2。 [〇〇14]应用本发明技术方案的带流动分离主动控制功能的发动机喷管结构，包括:“S”形的第一喷管段，第一喷管段的第一端与发动机的高温涡轮出口连通，第一喷管段的第二端具有排气口，在第一喷管段上设置有气流调节装置，气流调节装置用于感应第一喷管段的各个气流偏转部的剪切应力值，并根据各个气流偏转部的剪切应力值调节第一喷管段内的气流。解决了现有技术中的S弯喷管采用大喷管偏距造成发动机内部流动分离，及其导致的发动机推力下降的问题。【附图说明】
[0015]此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0016]图1是根据本发明实施例可选的一种带流动分离主动控制功能的发动机喷管结构的不意图；
[0017]图2是根据本发明实施例可选的一种带流动分离主动控制功能的发动机喷管结构的径向偏转结构示意图。
[0018]其中，上述附图包括以下附图标记:
[0019]1、第一喷管段；11、排气口；2、第二喷管段;21、进气口；3、气流调节装置;31、第一感应部件;32、二次流喷射装置;33、第二感应部件;34、排气装置;35、反馈系统;4、第一气流偏转部;5、第二气流偏转部;6、第三气流偏转部。【具体实施方式】
[0020]为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0021]根据本发明实施例的带流动分离主动控制功能的发动机喷管结构，如图1所示，包括:第一喷管段1和气流调节装置3,第一喷管段1为“S”形，第一喷管段1的第一端与发动机的高温涡轮出口连通，第一喷管段1的第二端具有排气口 11;气流调节装置3设置于第一喷管段1上，用于感应第一喷管段1的各个气流偏转部的剪切应力值，并根据各个气流偏转部的剪切应力值调节第一喷管段1内的气流。
[0022]应用本发明技术方案的带流动分离主动控制功能的发动机喷管结构，包括:“S”形的第一喷管段1，第一喷管段1的第一端与发动机的高温涡轮出口连通，第一喷管段1的第二端具有排气口 11，在第一喷管段1上设置有气流调节装置3,气流调节装置3用于感应第一喷管段1的各个气流偏转部的剪切应力值，并根据各个气流偏转部的剪切应力值调节第一喷管段1内的气流。解决了现有技术中的S弯喷管采用大喷管偏距造成发动机内部流动分离， 及其导致的发动机推力下降的问题。
[0023]具体实施时，本发明实施例的带流动分离主动控制功能的发动机喷管结构还包括:第二喷管段2,第二喷管段2同样为“S”形，可选地，第一喷管段1为正向的“S”形，第二喷管段2为反向的“S”形，第二喷管段2的第一端具有与发动机的高温涡轮出口连接的进气口 21，进气口21的横截面为圆形并与发动机的高温涡轮出口端面相匹配，第一喷管段1的排气口 11为矩形排气口，从而便于发动机尾喷管与飞机的一体化设计，从而减少战机的飞行阻力。第二喷管段2的第二端与第一喷管段1的第一端连接从而在第二喷管段2和第一喷管段1 中沿进气口 21到排气口 11的方向依次形成第一气流偏转部4、第二气流偏转部5和第三气流偏转部6,第一气流偏转部4的流道沿第二喷管段2的径向向下偏离高温涡轮出口的轴向使来自高温涡轮出口的气流向下流动偏离高温涡轮出口的轴向；第二气流偏转部5的流道由向下偏离高温涡轮出口的轴线方向转为沿第二喷管段2的径向向上偏转并趋向高温涡轮出口的轴线方向，即气流由向下流动转为向上流动;第三气流偏转部6的流道由上偏转并趋向高温涡轮出口的轴线方向转为与高温涡轮出口的轴线平行的方向，从而将通过第三气流偏转部6的气流沿与高温涡轮出口的轴线平行的方向高速喷出。[〇〇24]通过调节第一气流偏转部4、第二气流偏转部5和第三气流偏转部6的径向偏距，达到在预定长径比下，将高温涡轮出口及内部的涡轮导向器、加力燃烧室火焰稳定器等内部高温部件有效地进行遮挡，从而降低喷管热壁面的红外辐射强度，使得发动机在任何角度下其高温涡轮出口端面均不能被直接照射到。[〇〇25]具体地，如图2所示，第二气流偏转部5的上壁面与第三气流偏转部6的下壁面的公切线MN过进气口 21的横截面的最低点B和排气口 11的横截面的最高点C。通过第二气流偏转部5和第三气流偏转部6的径向偏距达到将高温涡轮出口端面完全遮挡的目的。
[0026]可选地，第二喷管段2与第一喷管段1沿高温涡轮出口的轴线方向的长度之比在2: 3至2:5之间以保证具有较高的气动性能。
[0027]另外，第二喷管段2和第一喷管段1的长度之和与第二喷管段2的最大直径之比小于2,即整个喷管结构的长度与进气口 21的直径之比小于2,从而减小喷管的体积，提高发动机的推重比。
[0028]第二喷管段2和第一喷管段1有一部分重合，第一气流偏转部4靠近第二喷管段2的进气口 21处，第二气流偏转部5位于第二喷管段2与第一喷管段1的过渡处，第三气流偏转部 6靠近第一喷管段1的排气口 11处。
[0029]如图1所示，气流调节装置3包括:第一感应部件31和二次流喷射装置32，第一感应部件31设置有多个，多个第一感应部件31沿第一喷管段1的气流流动方向均匀布置在第二气流偏转部5的上壁面，用于感应第二气流偏转部5的上壁面的剪切应力值;二次流喷射装置32同样设置在第二气流偏转部5的上壁面处，用于根据第二气流偏转部5的上壁面的剪切应力值以可调角度和可调流量沿第二气流偏转部5的上壁面喷射气流。第一感应部件31为贴附在第二气流偏转部5的上壁面的应变片，经过第二气流偏转部5的气流由向下流动转为向上流动，从而在第二气流偏转部5的上壁面处出现流动分离，此时，分离处的壁面上的剪切应力值会相应变化，不同发动机工作状态下，喷管内部流动分离情况不同，测得的剪切应力值也不同，当应变片感应到应力值为零时，即可获知出现完全的流动分离。二次流喷射装置32的一端与发动机的压气机连接，二次流喷射装置32的另一端连接在第二气流偏转部5 的上壁面，从而将发动机压气机的高压气流引到第二气流偏转部5的上壁面处，二次流喷射装置32具有控制其喷射流量大小的流量控制阀门以及调节其喷射角度的连杆装置，通过向流量控制阀门和连杆装置发送相应的控制指令即可根据测得的应力值的大小，以可调角度和可调流量沿第二气流偏转部5的上壁面喷射气流，从而弥补第二气流偏转部5的上壁面的流动分离对发动机的推力造成的影响，保证发动机的推力。
[0030]经过第三气流偏转部6的气流会沿第三气流偏转部6的上壁面流动，从而在第三气流偏转部6的下壁面处产生流动分离，因此，在第三气流偏转部6的下壁面处还设置有第二感应部件33和排气装置34，可选地，第二感应部件33也设置有多个，第二感应部件33也采用应变片沿第一喷管段1的气流流动方向均匀贴附在第三气流偏转部6的下壁面上，用于感应第三气流偏转部6的下壁面的剪切应力值;排气装置34为一个设置在第三气流偏转部6的下壁面上并可调节开度大小的排气窗口，当第三气流偏转部6的下壁面出现流动分离时，排气装置34根据测得的第三气流偏转部6的下壁面的剪切应力值将排气窗口的开度调节至相应的大小，由于喷管内气流压力高于排气窗口，通过此压力差将第三气流偏转部6的下壁面处的低能流体排出喷管，从而有效地消除第三气流偏转部6的下壁面处的流动分离。[0031 ]可选地，为了实现对第一感应部件31和第二感应部件33测得的剪切应力值做出响应，并控制二次流喷射装置32和排气装置34分别对第二气流偏转部5的上壁面和第三气流偏转部6的下壁面的气流进行调节，可选地，气流调节装置3还包括:反馈系统35,反馈系统 35分别与第一感应部件31和第二感应部件33以接收第一感应部件31和第二感应部件33测得的剪切应力值，同时反馈系统35还与二次流喷射装置32上的流量控制阀门和连杆装置连接以及排气装置34上的排气窗口连接，反馈系统35接收到第二气流偏转部5的上壁面的剪切应力值时，分别向二次流喷射装置32上的流量控制阀门和连杆装置发送控制指令，通过流量控制阀门控制二次流喷射装置32的气流喷射流量，通过连杆装置控制二次流喷射装置 32的喷射角度，从而对第二气流偏转部5的上壁面处的流动分离进行有效调节;反馈系统35 接收到第三气流偏转部6的下壁面的剪切应力值时，向排气装置34的排气窗口发送控制指令，通过控制排气窗口的开度调节排气流量，从而对第三气流偏转部6的下壁面处的流动分离进行有效调节。
[0032]以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种带流动分离主动控制功能的发动机喷管结构，其特征在于，包括: 第一喷管段，所述第一喷管段为“S”形，所述第一喷管段的第一端与发动机的高温涡轮出口连通，所述第一喷管段的第二端具有排气口 ； 气流调节装置，设置于所述第一喷管段上，用于感应所述第一喷管段的各个气流偏转部的剪切应力值，并根据各个所述气流偏转部的剪切应力值调节所述第一喷管段内的气流。2.根据权利要求1所述的带流动分离主动控制功能的发动机喷管结构，其特征在于，所述第一喷管段沿其第一端至第二端的方向依次形成第二气流偏转部和第三气流偏转部； 其中，所述气流调节装置包括: 第一感应部件，设置在所述第二气流偏转部的上壁面，用于感应所述第二气流偏转部的上壁面的剪切应力值； 二次流喷射装置，设置在所述第二气流偏转部的上壁面，用于根据所述第二气流偏转部的上壁面的剪切应力值以可调角度和可调流量沿所述第二气流偏转部的上壁面喷射气流。3.根据权利要求2所述的带流动分离主动控制功能的发动机喷管结构，其特征在于，所述第一感应部件设置有多个，多个所述第一感应部件沿所述第一喷管段的气流流动方向均匀布置。4.根据权利要求2所述的带流动分离主动控制功能的发动机喷管结构，其特征在于，所述二次流喷射装置的一端与发动机的压气机连接，所述二次流喷射装置的另一端连接在所述第二气流偏转部的上壁面。5.根据权利要求2所述的带流动分离主动控制功能的发动机喷管结构，其特征在于，所述气流调节装置还包括: 第二感应部件，设置在所述第三气流偏转部的下壁面，用于感应所述第三气流偏转部的下壁面的剪切应力值； 排气装置，设置在所述第三气流偏转部的下壁面，用于根据所述第三气流偏转部的下壁面的剪切应力值以可调流量将位于所述第三气流偏转部的下壁面的部分气流排出。6.根据权利要求5所述的带流动分离主动控制功能的发动机喷管结构，其特征在于，所述第二感应部件设置有多个，多个所述第二感应部件沿所述第一喷管段的气流流动方向均匀布置。7.根据权利要求5所述的带流动分离主动控制功能的发动机喷管结构，其特征在于，所述气流调节装置还包括: 反馈系统，分别与所述第一感应部件和所述第二感应部件以及所述二次流喷射装置和所述排气装置连接； 所述反馈系统用于根据所述第二气流偏转部的上壁面的剪切应力值控制所述二次流喷射装置的喷射角度和喷射流量;以及 所述反馈系统用于根据所述第三气流偏转部的下壁面的剪切应力值控制所述排气装置的排气流量。8.根据权利要求1所述的带流动分离主动控制功能的发动机喷管结构，其特征在于，所述带流动分离主动控制功能的发动机喷管结构还包括: 第二喷管段，所述第二喷管段为“S”形，所述第二喷管段的第一端具有与发动机的所述高温涡轮出口连接的进气口，所述第二喷管段的第二端与所述第一喷管段的第一端连接在所述第二喷管段和所述第一喷管段中沿所述进气口到所述排气口的方向依次形成第一气流偏转部、第二气流偏转部和第三气流偏转部。9.根据权利要求8所述的带流动分离主动控制功能的发动机喷管结构，其特征在于，所述第二气流偏转部的下壁面与所述第三气流偏转部的上壁面的公切线过所述进气口横截面的最低点。10.根据权利要求9所述的带流动分离主动控制功能的发动机喷管结构，其特征在于，所述第二喷管段与所述第一喷管段沿所述高温涡轮出口的轴线方向的长度之比在2:3至2:5之间且所述第二喷管段和所述第一喷管段的长度之和与所述第二喷管段的最大直径之比小于2。
【文档编号】F02K1/00GK106089488SQ201610378236
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】孙啸林, 王占学, 周莉, 史经纬, 张明阳, 程稳
【申请人】西北工业大学