[发明专利]涡轮风扇航空发动机气膜冷却中心锥排气系统

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种涡轮风扇航空发动机气膜冷却中心锥排气系统，属于涡轮风扇航空发动机排气系统设计与红外抑制技术领域。

背景技术

涡轮风扇航空发动机排气系统是航空发动机的重要组成部分。一般的，由环形混合器、中心锥、加力燃烧室、火焰稳定器、排气喷管组成。其功能是：将发动机内外涵气流混合，在排气喷管几何面积的调节控制下，使热排气的压力势能充分转化为排气动能，产生推力；在加力燃烧室工作时，额外的燃油注入加力燃烧室内，与热排气混合后燃烧，增加发动机推力。目前的涡轮风扇航空发动机排气系统结构和工作原理大都如此。从发动机排气系统红外抑制的角度考虑，该结构存在以下几点不足之处：（1）环形混合器的混合效率低，发动机内、外涵气体混合程度差，因而排气系统热排气温度高，这对降低发动机热排气红外辐射是不利的；（2）排气系统内部的高温部件（如：中心锥、火焰稳定器）没有采取冷却措施，这些高温部件的红外辐射可以通过排气系统内腔向后传播，该部分的红外辐射占排气系统整体红外辐射的比例大，且辐射强。

国内外对涡轮风扇排气系统的红外抑制提出并申请了一些专利，其核心思想和采取的技术措施都是围绕着降低排气系统尾焰温度展开的。例如：技术1（美国专利US 4175640）中提出了采用涡发生器产生一系列的旋流，强化涡扇发动机外涵和内涵气流间的混合，从而达到降低排气尾流核心速度和核心温度的目的，最终可以降低排气尾焰的红外辐射，但是该技术不能降低发动机排气系统内高温部件的温度。技术2和3（美国专利US 576002和专利US 4592201）中提出了采用波瓣混合器提高涡扇发动机内、外涵气体混合效率，从而降低排气尾焰核心温度。涡扇排气系统红外辐射最强的方向是尾向，而尾向红外辐射占主导的红外辐射源是发动机排气系统内腔，这些专利虽然提出了降低了排气尾焰的红外辐射的技术措施，但是该技术措施不能将内腔的红外辐射降低。技术4（Numerical investigation of flow mixture enhancement and infrared radiation shield by lobed forced mixer。  Applied Thermal Engineering。  December， 2009 ， Volume 29, Issues 17-18 ， Pages 3687-3695）提出了采用异形波瓣混合器降低涡扇发动机排气系统中心锥体部分表面的温度，其技术措施原理就是将波瓣混合器的波谷延长，使得流经波谷的外涵气体冲击中心锥体末端表面，降低壁面温度。但是该技术措施只能将涡扇排气系统中心锥体的部分表面温度降低，且降低幅度有限.。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、红外抑制效果好的涡轮风扇发动机气膜冷却中心锥排气系统。

一种涡轮风扇发动机气膜冷却中心锥排气系统，由外向内依次包括发动机排气系统筒体、合流环、中心锥，其中合流环与中心锥之间通过周向间隔排布的空心涡轮后支板连接支撑，在合流环末端安装有火焰稳定器；上述排气系统筒体与合流环之间构成外涵通道，合流环与中心锥之间构成内涵通道，其特征在于：上述中心锥内部安装有中心锥端板，中心锥端板将中心锥内腔隔成两个独立腔体，分别为中心锥前腔体和中心锥后腔体，中心锥后腔体壁面开有气膜孔；上述空心涡轮后支板具有中空腔，并分别与外涵通道、中心锥后腔体贯通；上述空心涡轮后支板与外涵通道贯通之处设有导流板。

现有的涡轮风扇发动机排气系统设计和红外抑制技术中都没有涉及到排气系统中心锥冷却的创新结构。本发明就涡轮风扇发动机排气系统提出了一种气膜冷却中心锥结构和技术措施，在不增加排气系统重量和结构复杂度的条件下，降低中心锥体表面温度，从而大幅度降低排气系统尾向红外辐射。

附图说明

附图1是中心锥无冷却的涡轮风扇发动机排气系统局部简图；

附图2是涡轮风扇排气系统中心锥体气膜冷却结构简图；

附图3是涡轮风扇排气系统中心锥体气膜冷却结构后向三维视图；

附图4是涡轮风扇排气系统中心锥体气膜冷却结构前向三维视图；

图中标号名称：1、发动机排气系统筒体，2、合流环，3、中心锥，4、空心涡轮后支板，5、火焰稳定器，6、外涵通道，7、内涵通道，8、中心锥端板，9、中心锥前腔体，10、中心锥后腔体，11、气膜孔，12、导流板。

具体实施方式

如图2、图3和图4所示，外涵气体经过8个导流板，有部分的外涵冷气通过8个空心涡轮后支板4进入中心锥后腔体10，冷气从中心锥表面布置的众多小孔流出，对中心锥体表面有显著的冷却作用。对图示的结构进行了模型试验研究。试验条件为：内涵通道内的气体流量0.9kg/s，温度893K；外涵通道内气体流量0.72 kg/s，外涵温度305K。采用热点偶测量了中心锥体表面温度，采用傅里叶光谱辐射计测量了排气系统后向红外辐射强度。试验结果表明：采用本专利中提出的气膜冷却中心锥可以降低中心锥表面温度140K（与无气膜冷却中心锥相比较），涡扇排气系统尾向红外辐射强度降低60%。此外，对本专利提出的结构作出了进一步的结构优化数值模拟。数值计算结果表明：导流板12的大小决定了进入中心锥后腔体的外涵冷气量，导流板迎风面积越大，进入的气体越多；增加空心涡轮后支板个数或横截面积，同样可以起到增加冷气量的作用；外涵通道6内流体的压力对进气量有影响，其压力的提高可以增加进气量；中心锥3表面的气膜孔面积、气膜孔的分布位置对中心锥冷却效果有关，一般的，气膜孔面积增加，冷却量增加，中心锥温度降低。