分开排气式涡扇发动机排气降噪系统

摘要

一种分开排气式涡扇发动机排气降噪系统，属于航空发动机排气系统设计和排气降噪技术领域。其特征在于：排气降噪系统由外涵外壁面（1），外涵旋流器（2），外涵内壁面（3），内涵旋流器（4），排气整流内锥（5），外涵排气入口（6），内涵排气入口（7），外涵排气出口（8），内涵排气出口（9），内涵外壁面（10）。本发明结构简单、对发动机排气性能影响小。

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种分开排气式涡扇发动机排气降噪系统，属于航空发动机排气系统设计和声学降噪技术领域。

背景技术

在人们对环境保护要求日益迫切的情况下，国际民航组织和各国政府越来越重视对民用飞行器噪声的控制。飞机发动机噪声是飞机噪声中的主要成分之一， 而喷流噪声又是发动机噪声中的重要成分，尤其是在起飞状态下。针对航空发动机排气系统，采取主动的喷流噪声抑制技术是气动声学和航空发动机研究领域的一个重要问题，同时，对改善民用飞机的乘坐舒适性、军用飞机的声隐身性能和一般工业用小型喷嘴射流降噪等方面都具有重要的应用背景。

特定的，大涵道比分开排气式涡扇民用发动机的气动噪声主要来自于风扇、涡轮以及喷流。其中，喷流噪声是高温高速排气与周围大气混合时，由于大速差而产生强烈的湍动，一部分能量以声能形式辐射而形成的，其声功率几乎与喷射速度的8次方成正比，噪声功率的频谱与喷流的结构密切关联，具有明显的指向性，而且噪声强度很难用声学处理方法加以衰减。

为了抑制排气喷流噪声，专利（US4372110，US4720901，US4909346，US5060471，US5722233，US5755092）中提到利用波瓣混合器强化涡扇发动机内外涵道气流混合，或引射外界环境气体进入发动机排气喷管与排气混合，达到降低排气速度，抑制排气噪声的目的，这些技术措施适合混合排气式涡扇发动机排气系统的排气降噪。专利（US5761900）提到了两极引射混合结构的排气降噪技术，但是增加了发动机排气喷管的长度，且不适合分开排气式涡扇发动机。专利（US6360528B1,US6487848B2）提出在发动机排气喷管末端增加锯齿冠状结构，以强化发动机喷流和外界环境气流的混合，以达到衰减排气速度，降低排气噪声的目的，相对于波瓣混合器，锯齿结构产生的流向漩涡强度要弱得多，因而强化混合的效果要差。专利（US6571549B1）构思了位于喷管出口外侧周向布置的脉冲射流发生器，通过产生的脉冲射流对发动机排气射流产生激励，衰减发动机排气速度，达到降噪目的，但是这套装置增加了发动机的复杂程度。

本发明提出了一种结构简单、对发动机排气性能负面影响小的涡扇发动机排气降噪结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、对发动机排气性能影响小的分开排气式涡扇发动机排气降噪系统。

排气降噪系统由外而内依次包括外涵排气通道、内涵排气通道、排气整流内锥；其中外涵排气通道由外涵外壁面和外涵内壁面构成，内涵排气通道由内涵外壁面和排气整流内锥构成；其特征在于：上述外涵排气通道内安装有外涵旋流器；在径向上，外涵旋流器安装于外涵外壁面和外涵内壁面之间；周向上，外涵旋流器均匀布置，旋流器的旋流叶片四个以上；轴向上，外涵旋流器位于外涵排气通道末端，且外涵旋流器与发动机中心轴线有一定的安装角度，该角度在10-30度之间；上述内涵排气通道内安装有内涵旋流器；在径向上，内涵旋流器安装于排气整流内锥和内涵外壁面之间；周向上，内涵旋流器均匀布置，旋流器的旋流叶片四个以上；轴向上，内涵旋流器位于内涵排气通道末端，内涵旋流器与发动机中心轴线有一定的安装角度，该角度在10-30度之间；上述外涵旋流器、内涵旋流器与发动机中心轴线的安装角度相反，即旋向相反。

从本专利中可以看出，外涵旋流器和内涵旋流器的旋向相反。因此，相对于没有旋转的内、外涵排气，逆时针旋转的外涵排气和顺时针旋转的内涵排气在旋转作用下强化了内、外涵排气间的混合，从而降低了排气的速度，达到降低排气噪声的目的。

该发明具有以下优点：内、外涵旋流器结构简单、制造和安装成本低。内、外涵旋流器不会改变分开排气式涡扇排气系统的原有结构。旋流器的数目以及偏转角度可根据排气降噪水平和排气损失间折衷做出选择。旋流器降噪措施相对于其他结构的排气减噪措施，给发动机排气带来的损失小、降噪效果好。

旋流器为本发明中的重要部件，旋流器的安装角度对发动机排气性能和排气噪声抑制效果都产生影响。一般的，安装角度越大，排气气动损失越大，而降噪效果越好。此外，安装角度还应该随着分开排气式涡扇发动机排气系统的尺寸作相应调整。具体的角度值要根据发动机总体对气动和噪声设计要求，通过数值模拟和试验来得到一个优化和折中的结果，基本在10-30度范围内。

同样的，旋流器的旋流叶片个数也是一个需要具体问题具体分析的量。一般的，个数越多，排气气动损失越大，而降噪效果越好，一般建议四个以上。

附图说明

附图1 涡扇发动机排气降噪系统简图（任意视角）；

附图2 涡扇发动机排气降噪系统简图（侧视图）；

附图3 涡扇发动机排气降噪系统简图（两维对称截面）；

附图4 排气内锥加内涵旋流器简图（任意视角）；

附图5 排气内锥加内涵旋流器简图（侧视图）；

附图6 排气内锥加内涵旋流器简图（后视图）；

附图7 外涵内壁面加外涵旋流器简图（任意视角）；

附图8 外涵内壁面加外涵旋流器简图（侧视图）

附图9 外涵内壁面加外涵旋流器简图（后视图）；

图中标号名称：1、外涵外壁面，2、外涵旋流器，3、外涵内壁面，4、内涵旋流器，5、排气整流内锥，6、外涵排气入口，7、内涵排气入口，8、外涵排气出口，9、内涵排气出口，10、内涵外壁面。

具体实施方式

图1、图2和图3是本发明提出的分开排气涡扇发动机排气降噪整体结构。内涵外壁面10和排气整流内锥5的壁面构成了内涵排气通道，内涵排气入口7与发动机涡轮出口相连接，在内涵排气通道末端，也就是内涵排气出口9内侧，设计了内涵旋流器4。图4、图5和图6显示了排气整流内锥5和内涵旋流器4结构，位于内涵通道末端的内涵旋流器（4与发动机中轴线存在一定夹角θ，内涵排气在内涵旋流器4的作用下，发生相对于发动机中轴线顺时针或逆时针旋转（此处的顺时针和逆时针与观察者位置有关。对于本专利的附图6，从发动机后方向前看，内涵旋流器的旋转方向是顺时针。

    外涵外壁面1和外涵内壁面3构成了外涵排气通道，外涵排气入口6与发动机外涵风扇出口连接；在外涵排气通道末端，也就是外涵排气出口8内，设计了外涵旋流器2结构。图7、图8和图9是在图4、图5和图6的基础上又增加展示了外涵内壁面3和外涵旋流器2结构。位于外涵通道末端的外涵旋流器2与发动机中轴线同样存在一定夹角θ，外涵排气在外涵旋流器2的作用下，发生相对于发动机中轴线顺时针或逆时针旋转（此处的顺时针和逆时针与观察者位置有关。对于本专利的附图9，从发动机后方向前看，外涵旋流器的旋转方向是逆时针的。

如图1、2、3所示，该发明降低排气噪声的具体方式如下：发动机外涵风扇压缩的外涵空气由外涵排气入口6进入外涵排气通道，外涵排气通道由外涵外壁面1和外涵内壁面3的部分构成，外涵空气在外涵通道内加速运动至外涵通道末端，在外涵旋流器2的导流作用下，形成了周向运动的速度分量，外涵排气在离开外涵排气出口8时，形成了逆时针旋转的运动从发动机尾向观察，具有逆时针旋转的外涵排气边旋转边向下游运动；

发动机涡轮出口的内涵气体由内涵排气入口7进入内涵排气通道，内涵排气通道由内涵外壁面10和排气整流内锥5的部分构成，内涵气体在内涵通道内加速运动至内涵通道末端，在内涵旋流器4的导流作用下，形成了周向运动的速度分量，内涵排气在离开内涵排气出口9时，形成了顺时针旋转的运动从发动机尾向观察，具有顺时针旋转的内涵排气边旋转边向下游运动。

当逆时针旋转的外涵排气运动到下游与顺时针旋转的内涵排气接触时，在相反速度梯度和气体粘性的作用下，首先在内、外涵排气的接触面上发生强烈的剪切混合，并逐渐向内、外涵排气内部扩散。因为内、外涵排气整体都具有相反的旋转，这种混合不仅仅是在内、外涵接触面上起作用，而且能够渗透到内、外涵排气核心。因此，内、外涵气体的速度衰减的快，排气噪声降低效果好。内、外涵气体的强化混合发生在排气系统外部，由于混合带来的粘性损失对发动机的排气气动性能几乎没有影响。

根据CFD(computational fluid dynamics)和CAA（computation aeroacoustic)数值模拟，当旋流器安装角度θ为20°，旋流器叶片达到4片以上时，发动机排气噪声降低2dB以上，而排气损失在0.1%以下。