CN102493894A

CN102493894A - 基于气动突片技术的喷管排气掺混方法及装置

Info

Publication number: CN102493894A
Application number: CN2011103688109A
Authority: CN
Inventors: 顾瑞; 徐惊雷; 莫建伟; 于洋; 葛建辉
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2011-11-18
Filing date: 2011-11-18
Publication date: 2012-06-13

Abstract

本发明公开了一种基于气动突片技术的喷管排气掺混方法及装置，该喷管排气掺混方法通过在发动机主喷管的排气口附近设置不同气流喷射方向的气动突片，使得发动机主喷管排气口附近的主流区以及主流区的外侧气流均形成流向涡，实现发动机主喷管排气口附近的主流区以及外界气流掺混。由此可知：本发明所述的气动突片技术不仅能够保持采用固体小突片掺混器所带来的较好的掺混效果，还能够有效地减小由于采用固体小突片掺混器所带来的流动损失，同时，相较于波瓣掺混器，其加工难度显著降低，易于实现。

Description

基于气动突片技术的喷管排气掺混方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于气动突片技术的喷管掺混装置及方法。

背景技术

飞行器排气系统属于热燃气发生装置，其部件温度较高，而且排气本身也具有较高温度，因而由于热动力、气动加热而在红外窗口波段产生的红外辐射强度远高于背景所产生的红外辐射强度。据统计，机载红外搜索跟踪系统（IRST）对战斗机的前向探测距离可达185 Km，严重威胁到飞行器的生存力。另外有数据表明，排气系统是强红外辐射源，如果采用先进的隐身排气系统，可使飞行器红外辐射强度下降90%，这会使敌方的红外探测器作用距离下降68%，而减小排气系统的红外特征，最主要的是强化高温的喷管排气主流与周围冷空气的快速掺混，从而减小排气的温度和高温区域。

目前的排气掺混装置主要为波瓣掺混器和固体小突片掺混器，这些技术虽然掺混效果较好，但是会对喷管带来较大的流动损失，同时，在发动机各工况下，掺混器不可灵活调节，另外较为复杂的外形给加工制造也带来了较多困难，由此设计一种低阻力、高性能的喷管排气掺混装置迫在眉睫。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种基于气动突片技术的喷管排气掺混方法，其通过在发动机主喷管的排气出口附近提供气动突片射流，在喷管出口处形成流向涡，从而改善了发动机主喷管出口气流与外界气流的掺混效果。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

一种基于气动突片技术的喷管排气掺混方法，通过在发动机主喷管的排气口附近设置不同气流喷射方向的气动突片，使得发动机主喷管排气口附近的主流区以及主流区的外侧气流均形成流向涡，实现发动机主喷管排气口附近的主流区以及外界气流掺混。

一种基于上述喷管排气掺混方法的装置，包括发动机主喷管，该发动机主喷管的排气口附近分别设置有面向发动机主喷管的主流区喷射气流的内气动突片和背离发动机主喷管的主流区喷射气流的外气动突片，所述内气动突片和外气动突片皆均匀地周向布置在发动机主喷管排气口附近的内流道管壁上，且内气动突片和外气动突片交错设置。

所述内气动突片和外气动突片均包括射流喷注流道以及根据发动机实际工况自动调节该射流喷注流道中喷射流量的射流控制机构，所述射流喷注流道开设于发动机主喷管排气口附近的内流道管壁上，且射流喷注流道的进气口与旁路气流连通，同时射流喷注流道所喷出的射流气压高于发动机主喷管主流区的气压，另外射流喷注流道的轴线与发动机主喷管的轴线倾斜设置。

所述射流喷注流道的轴线与发动机主喷管轴线的夹角为30-150℃。

所述旁路气流为发动机压气机高压级气流或者发动机冷却气流或者外涵气流。

所述发动机主喷管为涵道式喷管，所述射流喷注流道开设于该涵道式喷管的排气口附近的喷管内涵道上。

所述射流控制机构中设置有控制射流喷注流道进行脉冲喷射气流的脉冲控制装置。

根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果：

1、本发明所述基于气动突片技术的喷管排气掺混装置在喷管出口附近处内外交叉设置射流喷注流道，总个数为4个及以上。气动突片在工作时，会在发动机主喷管的主流道内形成一个气动柱面，通过有序的布置就能够保证主流在喷射过程中会在喷管出口处沿周向形成较为均匀的流向涡发生点。向内侧喷注气流的内气动突片，能够较好地在主流区形成流向涡；向外侧喷注气流的内气动突片，能够较好地在主流区的外侧气流中形成流向涡。流向涡向下游的发展导致喷管主流和外界气流很好地掺混，从而缩短了主喷管的势流核心区，增加了喷管主流的卷吸能力，使得主流在较短的距离上获得了很好的掺混效果。

2、所述气动突片的喷射流量由射流控制机构进行调节。所述喷射流量可以是连续性喷射也可以按照某一恒定或者变化的频率进行喷射。这一措施促使了气动突片技术可以根据喷管实际工作状况，进行自主的调节和适应，根据不同的工况，调节喷射流量，从而改变气动突片气动外形，及改善任意时刻的掺混效果。同时脉冲喷射和连续性喷射这两种喷射手段，使气动突片更加灵活，掺混效果更优。

3、所述喷射气流取自发动机压气机高压级或者发动机冷却气流及其他旁路或外涵气流，从而使得气流来源非常丰富，设备可以根据自身的实际情况进行选用，提高了该技术的适用性和灵活性。

4、本发明所采用的气动突片技术，与现有技术中常用的固体小突片掺混器相比，具有以下优点：在喷管主流亚音速流动中，通过本申请发明人的研究结果表明：利用小于主流流量1%的二次流流量来产生气动凸片，可以带来与固体凸片同样的掺混效果，并且其势流核心区更小，具有更高的中心速度衰减率和更好的气流卷吸效果。由于气动凸片只需要很小的一部分主流气流，因此对发动机性能不会带来较大的影响，而且气动凸片在增加掺混的同时并没有带来发动机推力的损失，并有可能还会增加发动机的总推力，这一点是气动凸片最大的优势；由此可知：本发明所述的气动突片技术不仅能够保持采用固体小突片掺混器所带来的较好的掺混效果，同时能够有效地减小由于采用固体小突片掺混器所带来的流动损失；同时，相较于波瓣掺混器，其加工难度显著降低，易于实现。

附图说明

图1是本发明应用于普通喷管的立体结构示意图；

图2是本发明应用于涵道式喷管的立体结构示意图；

其中：主喷管1、气动突片2、喷管内涵道3、喷管外涵道4、气动突片5。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

实施例1

如图1所示，其公开了本发明所述的基于气动突片技术的普通喷管排气掺混装置，包括主喷管1和气动突片2，气动突片主要依靠设置在主喷管出口附近处的空气喷射点喷注高压空气形成的气动柱面而形成；附图中，所述气动突片2包括面向发动机主喷管的主流区喷射气流的内气动突片和背离发动机主喷管的主流区喷射气流的外气动突片，所述内气动突片和外气动突片皆均匀地周向布置在发动机主喷管排气口附近的内流道管壁上，且内气动突片和外气动突片交错设置；所述气动突片2的总个数为4个以上，具体个数根据喷管具体情况决定，且气动突片2由射流喷注流道和射流控制机构组成。气动突片在工作时，会在主流道内形成一个气动柱面，通过有序的布置就能够保证主流在喷射过程中会在喷管出口处沿周向形成较为均匀的流向涡发生点。向内侧喷注气流的内气动突片，能够较好地在主流区形成流向涡；向外侧喷注气流的内气动突片，能够较好地在主流区的外侧气流中形成流向涡。流向涡向下游的发展导致了喷管主流和外界气流很好地掺混，从而缩短了主喷管的势流核心区，增加了喷管主流的卷吸能力，使得主流在较短的距离上获得了很好的掺混效果。

射流喷注流道的形状可以为圆形、椭圆形、矩形或者任意多边形。所述的射流喷注流道的轴向与主喷管轴向成30°至150°。所述射流控制机构根据发动机实际工况自主调节气动突片的射流喷注流道所喷射的二次流喷射流量，所述喷射流量可以是连续性喷射也可以按照某一恒定或者变化的频率进行脉冲喷射。即所述气动突片的喷射流量由射流控制机构进行调节。射流控制机构包括一集成有控制程序的控制芯片，该控制程序根据发动机的实际工况以及对于掺混效果的需求进行编制，一般来说，发动机的实际工况采用发动机出口温度和压力情况等参数进行表征，因此，控制芯片通过监测发动机喷管进口的温度和压力（通过喷管进口安装的传感器测定获取温度和压力参数），结合喷管掺混效果的实际需求（目标即为发动机红外辐射特性最小），选择气动突片喷管喷射流量和喷射方式，由此可知，这一措施促使了气动突片技术可以根据喷管实际工作状况，进行自主的调节和适应，根据不同的工况，调节喷射流量，从而改变气动突片气动外形，及改善任意时刻的掺混效果。当发动机出口温度增大时，为降低增加的红外辐射特性，气动突片喷注压力就增大；当发动机出口压力增大时，为获得相同的红外辐射特性，气动突片喷注压力也增大。

对于发动机而言，气动突片喷管喷射流量越小越有利，因此往往会选择脉冲喷射的方式，但是有时发动机出口气流压力过高、温度过高时，采用脉冲喷射的方式不能够在短时间较快地破坏高温气团，此时会选择连续性喷射。每个气动突片喷管的喷注流量和喷注方式可以相互独立，也可以为获得某种效果而相互配合喷注。

脉冲喷射和连续性喷射这两种喷射手段，使气动突片更加灵活，掺混效果更优。所述的喷射流量的流体可以来自于发动机压气机高压级或者发动机冷却气流及其他旁路。

类似的本实施例选用的是轴对称普通喷管，针对二元喷管，也能够按照权利要求进行应用。

实施例2

如图2所示，其公开了本发明所述的基于气动突片技术的涵道喷管排气掺混装置，包括喷管内涵道3、喷管外涵道4和气动突片5，所述气动突片5由射流喷注流道和控制机构组成。射流喷注流道绕着喷管内涵道轴向，在喷管出口附近处内外交叉设置，总个数为4个及以上，根据喷管具体情况决定。气动突片在工作时，会在主流道内形成一个气动柱面，通过有序的布置由此就能够保证喷管内涵道主流在喷射过程中会在喷管出口处沿周向形成较为均匀的流向涡发生点。向内侧喷注气流的气动突片，能够较好地在喷管内涵道主流中形成流向涡；向外侧喷注气流的气动突片，能够较好地在外涵气流中形成流向涡。流向涡向下游的发展导致了喷管主流和外界气流很好的掺混，从而缩短了主喷管的势流核心区，增加了喷管主流的卷吸能力，使得喷管内涵道主流在较短的距离上获得了很好的掺混效果。

射流喷注流道的形状可以为圆形、椭圆形、矩形或者任意多边形。所述的射流喷注流道的轴向与主喷管轴向成30°至150°。所述控制机构通过控制程序根据发动机实际工况进行自主调节，气动突片射流喷注流道的二次流喷射流量，所述喷射流量可以是连续性喷射也可以按照某一恒定或者变化的频率进行喷射。

Claims

1.一种基于气动突片技术的喷管排气掺混方法，其特征在于，通过在发动机主喷管的排气口附近设置不同气流喷射方向的气动突片，使得发动机主喷管排气口附近的主流区以及主流区的外侧气流均形成流向涡，实现发动机主喷管排气口附近的主流区以及外界气流掺混。

2.一种基于权利要求1所述喷管排气掺混方法的装置，包括发动机主喷管，其特征在于：该发动机主喷管的排气口附近分别设置有面向发动机主喷管的主流区喷射气流的内气动突片和背离发动机主喷管的主流区喷射气流的外气动突片，所述内气动突片和外气动突片皆均匀地周向布置在发动机主喷管排气口附近的内流道管壁上，且内气动突片和外气动突片交错设置。

3.根据权利要求2所述的基于喷管排气掺混方法的装置，其特征在于：所述内气动突片和外气动突片均包括射流喷注流道以及根据发动机实际工况自动调节该射流喷注流道中喷射流量的射流控制机构，所述射流喷注流道开设于发动机主喷管排气口附近的内流道管壁上，且射流喷注流道的进气口与旁路气流连通，同时射流喷注流道所喷出的射流气压高于发动机主喷管主流区的气压；另外，射流喷注流道的轴线与发动机主喷管的轴线倾斜设置。

4.根据权利要求3所述的基于喷管排气掺混方法的装置，其特征在于：所述射流喷注流道的轴线与发动机主喷管轴线的夹角为30-150℃。

5.根据权利要求3所述的基于喷管排气掺混方法的装置，其特征在于：所述旁路气流为发动机压气机高压级气流或者发动机冷却气流或者外涵气流。

6.根据权利要求3所述的基于喷管排气掺混方法的装置，其特征在于：所述发动机主喷管为涵道式喷管，所述射流喷注流道开设于该涵道式喷管的排气口附近的喷管内涵道上。

7.根据权利要求3所述的基于喷管排气掺混方法的装置，其特征在于：所述射流控制机构中设置有控制射流喷注流道进行脉冲喷射气流的脉冲控制装置。