一种分段收敛式双S弯二元混合排气系统

摘要

本发明公开了一种用于涡扇发动机红外隐身的分段收敛式双S弯二元混合排气系统，其外形先呈轴对称形状收敛，再呈双S弯形状收敛，由尖锥形中心锥、外涵轴对称收敛段、外涵双S弯二元收敛段、内涵轴对称收敛段以及内涵S弯收敛段组成。尖锥形中心锥和内涵轴对称收敛段连接形成内涵壁面，可以防止内涵通道局部扩张，抑制中心锥壁面上的流动分离。外涵轴对称收敛段和外涵双S弯二元收敛段相连接形成外涵壁面，可以更加有效地形成对中心锥以及内涵进口截面等典型高温部件的遮挡。本发明相对于现有双S弯二元混合排气系统，能够在提高排气系统气动性能的同时，进一步抑制排气系统的红外辐射特征。

说明书

技术领域

本发明涉及飞行器领域，特别是飞行器红外辐射特征抑制技术领域。

背景技术

对飞机的红外特性研究表明：(1)喷气式飞机的主要红外辐射源来自飞机的排气 系统和机身蒙皮；(2)在飞行马赫数小于1.5的情况下，排气系统空腔和高温部件的红外辐 射，对飞机中波波段红外辐射的贡献达到90％以上。因此，研究航空发动机排气系统在3～5 μm波段的红外辐射特征，发展排气系统的红外抑制技术是提升飞机战场生存能力的关键技 术之一。

针对航空发动机排气系统的红外抑制措施主要有以下五个方面：(1)发动机的选 择，即采用混合排气的涡扇发动机，可以利用外涵冷气流降低排气系统内部高温固体壁面 的温度，同时内、外涵气流掺混可以降低尾喷流的温度，从而抑制排气系统的红外辐射特 征；(2)喷管结构设计，即采用异形喷管、引射喷管或采用波瓣混合器等措施，例如采用二元 喷管，利用喷管内流动的强三维效应加强了内、外涵气流的掺混，同时在喷管出口增大了尾 喷流和外流的换热面积，有效降低了喷流的红外辐射；(3)改变排气系统固体部件的发射 率；(4)遮挡技术，例如采用发动机弯曲流道安装技术，可以利用弯曲的喷管型面对排气系 统内部高温部件进行遮挡，从而大幅降低排气系统的红外辐射特征；(5)改变喷流红外辐射 的光谱特性。双S弯二元混合排气系统则较好地结合了异形喷管技术和遮挡技术的特点，势 必在未来隐身飞行器上有着非常广阔的应用前景。

有关双S弯二元混合排气系统的设计研究并不多见。国外Brunet等(BrunetE, SeineNS,DarisT,etal.Exhaustassemblyformingahorizontalpropulsiongas elbowinanaircraft:U.S.Patent7784284B2[P].2010-08-31)设计了一种双S弯二元喷 管，其中间位置相对于涡轮轴线产生偏距，通过第一个S弯通道使燃气偏离中心轴线，再经 过第二个S弯通道使燃气回到轴线位置上，进而对涡轮叶片和中心锥等高温部件进行有效 遮挡，不仅可以降低雷达散射特征，还可以降低红外辐射特征。国内刘常春等(刘常春,吉洪 湖,黄伟等.一种双S弯二元喷管的红外辐射特性数值研究[J].航空动力学报,2013,28(7): 1482-1488.)为了降低轴对称排气系统的红外辐射，设计了一种双S弯二元喷管，与轴对称 喷管相比在推力损失不大于3％的前提下能将红外辐射平均降低70％以上。后者的设计存 在两点缺陷：(1)采用截锥形中心锥，中心锥后端存在明显的突扩区域，加上内涵弯曲壁面 的影响，其内涵通道内存在较大回流区，中心锥壁面气流分离严重，一定程度上造成了喷管 的气动损失；(2)双S弯喷管起始端为外涵直径，要达到一定的遮挡效果，需要较大的偏距， 横向尺寸较大，一定程度上使得喷管结构尺寸较大，增加了喷管的重量。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种分段收敛式双S弯二 元混合排气系统，用于解决现有的双S弯二元喷管中心锥气流分离严重且喷管尺寸大的技 术问题。

为实现以上技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

一种分段收敛式双S弯二元混合排气系统，包括从内到外分布的尖锥形中心锥、内 涵壁面和外涵壁面；所述内涵壁面由上游的内涵轴对称收敛段与下游的内涵S弯收敛段光 滑连接形成；所述外涵壁面由上游的外涵轴对称收敛段与下游外涵双S弯二元收敛段光滑 连接形成；上述尖锥形中心锥、内涵轴对称收敛段和外涵轴对称收敛段三者的进口截面为 垂直于发动机轴线的同一个平面且三者在发动机轴线方向的长度相等；

所述外涵轴对称收敛段以发动机轴线为轴对称且沿发动机轴线方向呈逐渐收敛 状，其出口截面处的外涵通道面积与其进口截面处的外涵通道面积相等，其壁面收敛型线 采用维多辛斯基曲线；

所述内涵轴对称收敛段以发动机轴线为轴对称且沿发动机轴线方向呈逐渐收敛 状，其出口截面处的内涵通道面积与其进口截面处的内涵通道面积相等，从而避免内涵通 道扩张造成中心锥壁面上发生流动分离，其壁面收敛型线采用维多辛斯基曲线；

所述内涵S弯收敛段沿发动机轴线方向呈S弯形状逐渐收敛，其进口截面为圆形、 出口截面为超椭圆形，且其进口截面与其出口截面之间的过渡截面为超椭圆形；

所述外涵双S弯二元收敛段沿发动机轴线方向呈双S弯形状逐渐收敛，其进口截面 为圆形、出口截面为矩形，且其进口截面与其出口截面之间的过渡截面为超椭圆形；

上述两个过渡截面在发动机轴线的同一轴向位置处的轮廓形状保持一致，从而保 证内涵出口气流与外涵出口气流的流向一致且分布均匀，避免内涵高温气流对外涵壁面的 冲刷，减弱了外涵弯曲壁面对内涵气流的干扰。

进一步的，在本发明中，内涵轴对称收敛段的出口截面的直径其 中，D₁为尖锥形中心锥的进口截面的直径，D₃为内涵轴对称收敛段的进口截面的直径。

进一步的，在本发明中，外涵轴对称收敛段的出口截面的直径其中，D₂、D₃分别为内涵轴对称收敛段的出口截面的直径和进口截面的直径，D₅为外涵轴对 称收敛段的进口截面的直径。

有益效果：

本发明分段收敛式双S弯二元混合排气系统，排气系统先呈轴对称形状逐渐收敛， 再呈双S弯形状逐渐收敛，可以有效提高涡扇发动机的红外隐身性能。具体包括如下几个方 面：

(1)采用尖锥形中心锥，内涵壁面先呈轴对称形状收敛，再呈S弯形状收敛，如此设 计避免了内涵通道局部扩张，抑制了气流在中心锥壁面附近的分离，有效减弱了内涵弯曲 壁面对内涵气流流动的影响，提升了双S弯二元混合排气系统的气动性能；

(2)外涵壁面先呈轴对称形状收敛，再呈双S弯形状收敛，双S弯收敛段的起始端为 外涵轴对称收敛段出口直径，只需要较小的偏距，就可以达到更好的遮挡效果，横向尺寸较 小，一定程度上可以减轻整个双S弯二元混合排气系统的尺寸和重量。

附图说明

图1是本发明所设计的分段收敛式双S弯二元混合排气系统1/2物理模型；

图2是本发明所设计的分段收敛式双S弯二元混合排气系统对称面的示意图；

图3是图2的A-A截面图；

图4是本发明所设计的分段收敛式双S弯二元混合排气系统对称面以及气流流路 示意图；

图5是刘常春等(刘常春,吉洪湖,黄伟等.一种双S弯二元喷管的红外辐射特性数 值研究[J].航空动力学报,2013,28(7):1482-1488.)所设计的带截锥形中心锥的双S弯二 元排气系统对称面上的速度矢量分布；

图6是按刘常春等(刘常春,吉洪湖,黄伟等.一种双S弯二元喷管的红外辐射特性 数值研究[J].航空动力学报,2013,28(7):1482-1488.)的设计方法设计的带尖锥形中心锥 的双S弯二元混合排气系统对称面速度矢量分布；

图7是本发明所设计的分段收敛式双S弯二元混合排气系统对称面上的速度矢量 分布；

图8是图6、图7中两种设计方案下，排气系统尾向上的中心锥投影面积分布对比和 排气系统辐射强度对比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

图1是本发明所设计的分段收敛式双S弯二元混合排气系统1/2物理模型示意图， 坐标系中沿着X轴线方向的为发动机轴线，排气系统先以发动机轴线为轴对称且沿发动机 轴线方向呈逐渐收敛状(图中A段)，再沿发动机轴线方向呈双S弯形状逐渐收敛(图中B段)， 由外涵轴对称收敛段1、内涵轴对称收敛段2、尖锥形中心锥3、内涵S弯收敛段4以及外涵双S 弯二元收敛段5组成，内涵轴对称收敛段2和内涵S弯收敛段4相连接形成排气系统的内涵壁 面6，外涵轴对称收敛段1和外涵双S弯二元收敛段5相连接形成排气系统的外涵壁面7。

由图2可得：

外涵轴对称收敛段1进口截面直径为D₅、出口截面直径为D₄，外涵轴对称收敛段1出 口截面处的外涵通道面积与进口截面处的外涵通道面积相等，壁面收敛型线采用维多辛斯 基曲线，长度与尖锥形中心锥3的长度相等，为L₁。

内涵轴对称收敛段2进口截面直径为D₃、出口截面直径为D₂，内涵轴对称收敛段2出 口截面处的内涵通道面积与进口截面处的内涵通道面积相等，壁面收敛型线采用维多辛斯 基曲线，长度和尖锥形中心锥3的长度相等，为L₁。

尖锥形中心锥3，其进口直径为D₁，长度为L₁。

内涵S弯收敛段4的进口截面为圆形，直径为D₂，出口截面为超椭圆形，长度为L₂，进 口截面与出口截面之间的过渡截面为超椭圆形，且过渡截面的轮廓形状始终和同一轴向位 置处双S弯二元收敛段5的过渡截面轮廓形状保持一致。

外涵双S弯二元收敛段5的进口截面为圆形，直径为D₅，出口截面为矩形，长度为L₄， 进口截面与出口截面之间的过渡截面为超椭圆形，外涵双S弯二元收敛段中心线的最大偏 距为S；

图4是本发明所设计的分段收敛式双S弯二元混合排气系统对称面以及气流流路 示意图,图中A段、B段均与图1中所示相同，分别为(内涵、外涵)轴对称收敛段和外涵双S弯 收敛段，图中C段为内涵S弯收敛段。在内涵通道中的内涵燃气(图中实心箭头)会和在外涵 通道中的外涵冷气(图中空心箭头)先经过混合，再一同排向大气。

图5是刘常春等(刘常春,吉洪湖,黄伟等.一种双S弯二元喷管的红外辐射特性数 值研究[J].航空动力学报,2013,28(7):1482-1488.)设计的带截锥形中心锥的双S弯二元 混合排气系统对称面速度矢量分布。由于采用的是截锥形中心锥，中心锥后端存在明显的 突扩区域，其内涵通道内存在较大回流区(图中箭头位置)，中心锥壁面气流分离严重，一定 程度上会造成了排气系统的气动损失。

图6是按刘常春等的设计方法设计的带尖锥形中心锥的双S弯二元混合排气系统 对称面速度矢量分布。同样，其内涵通道中存在明显的突扩区域，加上内涵弯曲壁面的影 响，其内涵通道内存在较大回流区(图中箭头位置)，中心锥下方壁面气流分离严重。

图7是本发明所设计的带尖锥形中心锥的分段收敛式双S弯二元混合排气系统对 称面上的速度矢量分布。可见，内涵通道没有局部突扩区域，中心锥壁面附近也不存在气流 分离的情况。

图8是具有相同结构尺寸两种排气系统(图6与图7所示)在排气系统尾向上中心锥 投影面积的对比和排气系统红外辐射强度的对比。可以明显看出，与按刘常春等的设计方 法设计的带尖锥形中心锥的双S弯二元混合排气系统相比，本发明对内部高温部件的遮挡 效果更好，红外抑制效果更佳，中心锥在排气系统尾向的投影面积只有前者的一半左右，辐 射特征更是下降50％以上。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。