[发明专利]一种带变形抑制结构的S弯喷管及航空发动机

说明书

本发明一种带变形抑制结构的S弯喷管及航空发动机，属于航空发动机领域；包括S弯喷管收敛段、S弯喷管等值段；所述S弯喷管收敛段的入口端与发动机高温涡轮出口连接，连接面为喷管进口，其出口端与S弯喷管等值段的入口端连接，S弯喷管等值段的出口端与喷管排气口连接；还包括S弯喷管壁面外层设置的变形抑制组件，所述S弯喷管壁面为复合夹层结构，沿壁面垂直方向由内到外分别为喷管壁面内层、喷管壁面夹层、喷管壁面外层。本发明采用在喷管壁面外层设置周向加强筋与应用复合夹层喷管壁面的结构，以解决现有技术中发动机复杂气动条件与自身复杂结构造成的S弯喷管局部变形和整体失稳，适应发动机更极限的气动边界。

技术领域

本发明属于航空发动机领域，具体涉及一种带变形抑制结构的S弯喷管及航空发动机。

背景技术

随着现代航空武器和红外制导技术的发展，战斗机在现代战争中的生存环境愈加恶劣。在飞机可被探测到的信号特征中，发动机尾喷管是飞机最强的红外辐射源和主要的雷达反射源。S弯喷管的构型在降低红外辐射和雷达反射方面具有得天独厚的优势，S弯型面可遮挡发动机内部高温部件，非轴对称出口形式可强化尾喷流与外界大气掺混，大大降低红外辐射特征；同时，入射的电磁波在S弯通道内反复折射耗散，减小了尾喷管的电磁散射信号。因此，S弯喷管已经成为低可探测技术的研究重点。

2022年2月22日《推进技术》网络首发论文“双S弯喷管的流固耦合特性研究”研究了S弯收敛喷管的结构变形特征及在其影响下的喷管内/外流特性，但未提出可以抑制S弯喷管变形的明确策略和方法。对于S弯喷管来说，非均匀流动特征的气动载荷与复杂的自身结构使得S弯喷管弹性体结构壁面出现复杂的应力应变分布，从而产生相应的结构变形特征，而S弯喷管结构的变形特征反过来又会改变其内部流动特性，使得S弯喷管的气动特性被显著改变，严重影响S弯喷管的工作稳定性，造成尾喷管结构失稳，影响发动机的整体性能。以3mm壁厚的传统S弯喷管为例，传统的S弯喷管在经历气动载荷与复杂的自身结构的相互作用后所发生的壁面变形云图如图1所示，在距离S弯第二弯段入口轴向距离4:10～6:10位置上下壁面均出现严重变形，变形量最大可达44mm；而在喷管排气口处，喷管出口上壁面出现局部变形，变形量达到29mm。传统S弯喷管在经历气动载荷与复杂的自身结构的相互作用后所发生的壁面变形型面图如图2所示，其中，在距离S弯第二弯段入口轴向距离4:10～6:10位置上下壁面变形沿型面法向方向向外鼓起，喷管排气口在变形作用下整体向上偏转，大大影响了S弯喷管气动特性，严重影响S弯喷管的工作稳定性。现有抑制S弯喷管变形的常用方法为增加喷管壁厚，但这种方式不仅会增加喷管重量，还会在一定程度上影响喷管与航空发动机及飞机的装配。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种带变形抑制结构的S弯喷管，采用在喷管壁面外层设置周向加强筋与应用复合夹层喷管壁面的结构，以解决现有技术中发动机复杂气动条件与自身复杂结构造成的S弯喷管局部变形和整体失稳，适应发动机更极限的气动边界。

本发明的技术方案是：一种带变形抑制结构的S弯喷管，包括S弯喷管收敛段、S弯喷管等值段；所述S弯喷管收敛段的入口端与发动机高温涡轮出口连接，连接面为喷管进口，其出口端与S弯喷管等值段的入口端连接，S弯喷管等值段的出口端与喷管排气口连接；还包括S弯喷管壁面外层设置的变形抑制组件，所述S弯喷管壁面为复合夹层结构，沿壁面垂直方向由内到外分别为喷管壁面内层、喷管壁面夹层、喷管壁面外层。

本发明的进一步技术方案是：所述S弯喷管收敛段沿流向包括S弯第一弯段和S弯第二弯段，其中S弯第一弯段向下偏转、S弯第二弯段向上偏转，S弯第一弯段出口即S弯第二弯段入口，下均称S弯第二弯端入口，所述S弯喷管收敛段与S弯喷管等值段沿喷管入口轴线方向的长度之比在8:1～7:1之间，所述S弯第一弯端和S弯第二弯段沿喷管入口轴线方向的长度之比在2:4～2:3之间。