[发明专利]一种超紧凑高掺混效率消旋波瓣混合排气系统结构

说明书

技术领域

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。

发明内容

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。