喷管、配备该喷管的喷气发动机和喷气式飞机

技术领域

本发明涉及一种能降低排气噪声的喷管，尤其是涉及一种用于喷气式飞机发动机的喷管，该喷管的结构能降低其排气噪声。本发明还涉及配备上述喷管的喷气发动机和喷气式飞机。

背景技术

喷气式飞机是一种使用喷气发动机作为推进力来源的飞行器。喷气式飞机所使用的喷气发动机利用燃料燃烧时产生的气体向后高速喷射的反冲作用，致使飞行器向前飞行。与其它类型的飞行器相比，喷气发动机可使飞行器获得更大的推力，其飞行速度也更快。

伴随着更快的飞行速度而产生的是巨大的噪声。喷气发动机的喷管排气是喷气式飞机的主要噪声源之一。为了降低喷管排气所产生的噪声，业内已经采用了多种降低排气噪声的方法，其中一种是增强不同速度气流之间的混合。具体来说，可以在发动机喷管的后缘安装波瓣混合器，或者将发动机喷管的后缘形成为突片或锯齿等，又或者在发动机喷管的后缘增加射流等等。利用上述手段能够增强不同速度气流之间的混合，从而降低喷管的排气噪声。

例如，在通用电气公司于2002年3月26日公告授权的美国专利6,360,528B1中，公开了一种用于燃气涡轮发动机的V形排气喷嘴。该燃气涡轮发动机的排气喷嘴包括用于引导气体射流的排气管。在排气管的后端设置有多个相邻的V形件以限定排气出口。每个V形件具有三角形构造，具有底部、顶点、在其间会聚的侧后缘，并且在径向相对的第一和第二表面上限定边界。上述V形件在排气管的轴向上具有凹入及凸出的轮廓，从而促进通过排气管的射流混合。

然而，上述设计存在不足之处。例如，由于上述V形件具有三角形构造，并且从现有喷管的后缘向后方且朝向该喷嘴的中心轴线向内突出，因此在实际应用中会造成较大的推力损失，影响喷气式飞机的飞行性能。同理，形成在喷管后缘处的突片和锯齿也存在类似问题。

至于上面提到的其它手段，均存在波瓣混合器工艺复杂、不易制造，或者提供射流的设备耗费额外成本等问题。因此，这些降噪手段由于经济性不佳而难以投入实际应用。

因此，目前亟需发展以低成本有效降低喷管的排气噪声的技术手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于喷气式飞机发动机的喷管，该喷管能够以较低的成本有效地降低其排气噪声。

本发明的其它目的在于提供了配备上述喷管的喷气发动机和喷气式飞机。

根据本发明的第一方面涉及一种用于喷气式飞机发动机的喷管，其中，喷管的喷管壁面形成有至少一条狭缝，狭缝朝向喷管的喷管出口延伸并终止于喷管的喷管后缘，其中，狭缝的宽度沿喷管内外的气流流动方向单调增加。

在一个较佳实施例中，喷管壁面上可以形成有十二条狭缝，狭缝沿喷管出口的周向均匀分布。

在另一个较佳实施例中，狭缝可以自狭缝前缘起朝向喷管的喷管出口依次分成狭缝第一区域、狭缝第二区域和狭缝第三区域)，其中，狭缝第一区域、狭缝第二区域和狭缝第三区域的宽度沿喷管内外的气流流动方向单调增加。

优选地是，狭缝前缘的宽度可以设计为喷管出口的直径的约1％。

优选地是，狭缝终止于喷管的喷管后缘处的宽度可以设计为喷管出口的直径的约12％。

优选地是，狭缝的长度可以设计为喷管出口的直径的约60％。

在又一个较佳实施例中，狭缝第二区域的宽度增大率可以高于狭缝第一区域和狭缝第三区域的宽度增大率。

此外，喷管可以用作涡扇发动机的内涵喷管或外涵喷管。

根据本发明的第二方面涉及一种喷气发动机，该喷气发动机配备有根据本发明的第一方面所述的喷管。

根据本发明的第三方面涉及一种喷气式飞机，该喷气式飞机配备有根据本发明的第二方面所述的喷气发动机。

根据本发明的用于喷气式飞机发动机的喷管具有以下优点：

具有上述形状的狭缝能够加强喷管内外两侧气流的混合，利用狭缝前缘所形成的流向涡，有效地降低喷管的排气噪声。通过选择较优的设计参数，还能够在降低喷管的排气噪声的同时，不对喷气发动机的推力等性能造成明显的不利影响。

附图说明

为了进一步说明根据本发明的用于喷气式飞机发动机的喷管的结构及其技术效果，下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，其中：

图1A是具有圆形出口的传统喷管的示意性侧视图；

图1B是具有圆形出口的传统喷管的示意性后视图；

图2A是根据本发明的喷管的示意性侧视图，其中在喷管后缘均匀地分布有若干条狭缝；

图2B是根据本发明的喷管的示意性后视图，其中在喷管后缘均匀地分布有若干条狭缝；

图3是图2A和2B中的狭缝之一的示意图，该图更详细地示出了上述狭缝的前缘和侧边缘的形状；

图4A是图1A和1B所示的喷管所产生的噪音的测量图表；

图4B是图2A和2B所示的喷管所产生的噪音的测量图表；

图5是将根据本发明的喷管应用在涡轮风扇发动机内的示意图。

附图标记

1 传统喷管

10 传统喷管壁面

11 传统喷管内部气流流动方向

12 传统喷管外部气流流动方向

13 传统喷管出口

15 传统喷管后缘

2 喷管

20 喷管壁面

21 喷管内部气流流动方向

22 喷管外部气流流动方向

23 喷管出口

24 狭缝

241 狭缝前缘

242 狭缝侧边缘

243 狭缝两侧气流流动方向

244 狭缝观察方向

25 喷管后缘

I 狭缝第一区段

II 狭缝第二区段

III 狭缝第三区段

具体实施方式

下面结合附图说明根据本发明的用于喷气式飞机发动机的喷管的结构及其相对于传统喷管的技术效果，其中，相同的部件由相同的附图标记进行标示。

应当明确，本说明书所描述的实施例仅仅涵盖本发明的一部分实施例，而非全部实施例。基于说明书中记载的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，并不是旨在于限制本发明。本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排它的包含。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文清楚地表示其它含义。

基于相同的方位理解，在本发明的描述中，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

图1A和1B是传统喷管1的示意性侧视图和后视图。可以看到，用于喷气式飞机发动机的传统喷管1由呈中空圆筒形状的传统喷管壁面10构成。传统喷管1的与喷气发动机(图中未示出)连通的一端可以被定义为近端，其用于接纳喷气式飞机发动机中燃油燃烧后的产物，例如二氧化碳、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物、未完全燃烧的小分子烃类物质等。传统喷管1的与近端相对的另一端被定义为远端，其沿传统喷管1的长度方向向外延伸，并且在接近传统喷管后缘15的位置处开始略微收敛，以提高传统喷管出口13处的废气排出速度。

由此可见，传统喷管1的直径沿其长度方向基本上保持恒定不变，但是在接近传统喷管后缘15的附近，传统喷管1的传统喷管后缘15具有沿周向朝传统喷管1的中心轴线变小的直径。请参见图1B，其中绘制有两个同心圆，它们分别代表传统喷管1的近端和远端。

如图1A所示，虚线箭头11表示传统喷管1内部的气流流动方向，而实线箭头12表示传统喷管1外部的气流流动方向。显而易见的是，传统喷管1内部的气流流动方向11和传统喷管1外部的气流流动方向12与传统喷管1的长度方向基本上平行，并且传统喷管1内部的气流流动方向11和传统喷管1外部的气流流动方向12的流向相同，即，从喷管1的近端流向喷管1的远端。

传统喷管1内部的气流和传统喷管1外部的气流在喷管出口13处相遇，两股气流之间的剪切作用会导致噪声的形成。图4A绘制了在传统喷管1的出口侧面相距距离为喷管出口13的直径约二十倍处所得到的各频率段噪音的分贝值。可以看到，当噪音频率在0至2KHz的范围内时，噪音的声压级波峰出现时的数值较高；当噪音频率在2至4KHz的范围内时，尽管噪音的声压级数值的绝对值和波动率有所下降，但仍基本上维持在较高的水平上。

图2A和2B是根据本发明的喷管2的示意性侧视图和后视图。同样，根据本发明的喷管2由呈中空圆筒形状的喷管壁面20构成。喷管2的近端接纳喷气式飞机发动机中燃油燃烧后的产物，喷管2的远端其沿喷管2的长度方向向外延伸，并且在接近喷管后缘25的位置处开始略微收敛，以提高喷管出口23处的废气排出速度。虚线箭头21表示喷管2内部的气流流动方向，而实线箭头22表示喷管2外部的气流流动方向。

不同于传统喷管1的是，根据本发明的喷管2的喷管壁面20形成有至少一条狭缝24。在一个较佳实施例中，喷管壁面20上形成有十二条狭缝24，每条狭缝24均沿喷管出口23的圆周方向均匀分布。当然，对于本领域的普通技术人员来说易于理解的是，可以改变狭缝24的数量，例如，在喷管壁面20上形成有八条或十六条或其它数量的狭缝24，或者将狭缝24沿喷管出口23的圆周方向非均匀地分布在喷管出口23上，这些变化都应当落在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，喷管出口23的“圆周方向”是基于喷管2的喷管壁面20为中空圆筒的情况。当喷管2的喷管壁面20具有非中空圆筒形状时，狭缝24可以沿喷管出口23的周长方向或周向均匀或不均匀地分布。

如图2A所示，多条狭缝24朝向喷管2的喷管出口23延伸并终止于喷管2的喷管后缘25，其中，这些狭缝24的宽度沿喷管2内外的气流流动方向21、22单调增加。与传统喷管1相比，由于在根据本发明的喷管2的喷管壁面20上增加了多条狭缝24，因此图2B与图1B相比在同心圆中直径较小的圆上形成了多个缺口部。

图2B中的箭头244垂直于上述缺口部之一并指向于喷管出口23的中心点，而图3就是沿着该箭头244的方向看到的狭缝24之一的放大示意图。可以看到，狭缝24自狭缝前缘241起朝向喷管2的喷管出口23依次分成狭缝第一区域I、狭缝第二区域II和狭缝第三区域III(如图3中的虚线所示)。狭缝第一区域I、狭缝第二区域II和狭缝第三区域III的宽度沿喷管内外的气流流动方向21、22单调增加。

需要说明的是，图3中的箭头243示出了狭缝24两侧的气流流动方向，可以看到狭缝24具有轴对称形状，其对称轴基本上平行于狭缝24两侧的气流流动方向243。

术语“狭缝宽度”是指狭缝24在垂直于其对称轴或狭缝24两侧的气流流动方向243的方向上的尺寸。如图3所示，狭缝24的前缘241位于图中左侧。从狭缝前缘241开始，狭缝宽度逐渐增大，并且在狭缝24的后缘、即喷管后缘25处达到宽度最大值。

术语“单调增加”是指狭缝24的宽度从狭缝前缘241开始沿喷管内外的气流流动方向21、22始终处于增加的状态。也就是说，狭缝24的狭缝侧边缘242的形状沿喷管内外的气流流动方向21、22相对于狭缝24的对称轴始终扩张。

由此可见，狭缝24的狭缝第二区域II中任一处的狭缝宽度均大于狭缝24的狭缝第一区域I中任一处的狭缝宽度，而狭缝24的狭缝第三区域III中任一处的狭缝宽度均大于狭缝24的狭缝第二区域II中任一处的狭缝宽度。当然，狭缝24在狭缝第一区域I、狭缝第二区域II和狭缝第三区域III中的宽度也是单调增加的。

在一个较佳实施例中，狭缝前缘241的宽度为喷管出口23的直径的约1％。也就是说，喷管出口23的直径大约是狭缝前缘241的宽度的一百倍。狭缝24终止于喷管2的喷管后缘25处的宽度为喷管出口23的直径的约12％。也就是说，狭缝24终止于喷管2的喷管后缘25处的宽度大约是狭缝前缘241的宽度的十二倍。另外，狭缝24的长度为喷管出口23的直径的约60％。

此处，术语“狭缝长度”意指狭缝24从狭缝前缘241到喷管后缘25的尺寸，该尺寸应当平行于狭缝24的对称轴或狭缝24两侧的气流流动方向243。

当然，本领域普遍技术人员也可以改变上述较佳实施例中的狭缝前缘241的宽度、狭缝24终止于喷管2的喷管后缘25处的宽度和狭缝24的长度中的至少一个数值。这样的变化均应当落在本发明的保护范围之内。

由于狭缝24的狭缝侧边缘242的形状沿喷管内外的气流流动方向21、22相对于该狭缝24的对称轴始终扩张，因此可以认为狭缝第一区域I、狭缝第二区域II和狭缝第三区域III的宽度增大率均大于零。

此处，术语“宽度增大率”是指在单位长度中，后一单位长度的宽度与前一单位长度的宽度的比值。当宽度增大率大于零时，说明宽度在增加；当宽度增大率小于零时，说明宽度在减小；当宽度增大率等于零时，说明宽度没有发生变化。宽度增大率的绝对值越大，说明宽度增加的比例也越大。

在另一个较佳实施例中，狭缝第二区域II的宽度增大率高于狭缝第一区域I和狭缝第三区域III的宽度增大率。也就是说，狭缝24的狭缝侧边缘242的形状在狭缝第一区域I中相对于狭缝24的对称轴缓慢扩张、在狭缝第二区域II中相对于狭缝24的对称轴迅速扩张、并且在狭缝第三区域III中相对于狭缝24的对称轴缓慢扩张。

这样的狭缝形状通常用于诸如进气道等其它领域，与矩形等其它形状相比，能够降低进气道的阻力、改善进气道的进气效率。本申请的发明人发现，将该形状用于狭缝24能够有效改善喷管推力损失，从而获得意想不到的技术效果。另外，通过与诸如现有排气喷嘴上的V形件、突片、锯齿能结构比较，本发明的狭缝结构至少在以下方面存在不同之处：

(1)构造方式不同：本发明在喷管出口23的前方切除出若干条狭缝24，而现有技术则是在传统喷管出口13的后方延伸出各种结构；

(2)尾缘形状不同：本发明在喷管后缘25形成狭长的狭缝24，其狭缝侧边缘242的形状为前部缓慢扩张、中部快速扩张、后部再缓慢扩张，而现有技术则是在传统喷管后缘15处形成大致三角形或锯齿形的突部；

(3)效果原理不同：本发明实现降噪的原理主要在于狭缝前缘241产生的流向涡，由此还能够降低喷管推力的损失，而现有技术主要在于传统喷管后缘15处的尖角伸入喷流的作用，经模拟计算其喷管推力损失将明显大于本发明。

图4B绘制了在根据本发明的喷管2的出口侧面相距距离为喷管出口23的直径约二十倍处所得到的各频率段噪音的分贝值。与图4A相比发现，当噪音频率在0至2KHz的范围内时，噪音的声压级与图4A相比波峰的数值出现了明显下降，下降幅度达到约20dB；当噪音频率在2至4KHz的范围内时，噪音的声压级数值的绝对值也有小幅下降。由此可见，与传统喷管1相比，根据本发明的喷管能够有效地降低排气噪声。这是因为：喷管内部气流和喷管外部气流在喷管出口23相遇之前，将首先在狭缝24的狭缝前缘241和狭缝侧边缘242相遇。狭缝24的狭缝前缘241和狭缝侧边缘242的形状导致在气流中形成流向涡，流向涡的作用能够减弱喷管内部气流和喷管外部气流在喷管出口23相遇时的剪切强度，从而使噪声得以减小。

图5是将根据本发明的喷管应用在涡轮风扇发动机内的示意图。可以看到，根据本发明的喷管既可以用作涡扇发动机的内涵喷管，也可以用作涡扇发动机的外涵喷管，或者同时用作两者。在同时用作两者的情况下，涡扇发动机的内涵喷管和外涵喷管可以采用具有不同实施方式的喷管，而不局限于结构完全相同的喷管。

此外，本发明还涉及一种喷气发动机，该喷气发动机配备有如上所述的喷管2。本发明又涉及一种喷气式飞机，该喷气式飞机配备有如上所述的喷气发动机。

虽然以上结合了较佳实施例对本发明的喷管、配备该喷管的喷气发动机和喷气式飞机进行了说明，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，上述示例仅是用来说明的，而不能作为对本发明的限制。因此，可以在权利要求书的实质精神范围内对本发明进行修改和变型，这些修改和变型都将落在本发明的权利要求书所要求的范围之内。