一种模拟S弯喷管性能的等效喷管结构

技术领域

本发明属于航空发动机领域，具体涉及一种模拟S弯喷管性能的等效喷管结构。

背景技术

军用战斗机面临的红外制导武器和雷达制导武器的威胁日益严峻，因此需要采取措施降低战斗机的可探测信号、提升其生存率。因此，进排气系统的隐身优化至关重要。发动机尾喷管作为飞机上最强的红外辐射源以及主要的雷达反射源，是决定战机低可探测性的关键部件之一。S弯喷管在降低红外辐射和雷达反射方面具有得天独后的优势，因此被广泛应用于隐身轰炸机与军用战斗机。

国内某型战机的原装喷管为二元喷管，为提高该战斗机的隐身性能，S弯喷管将被应用到该战斗机。将S弯喷管应用到战斗机时需要经历多种试验阶段，而飞行台试验阶段是其中重要的一环。由于该型战机此前安装的喷管为二元喷管，试验平台仅可安装轴向尺寸与进口直径小于1.5的喷管。孙啸林文章“Influences of Design Parameters on aDouble Serpentine Convergent Nozzle”表明为获得性能良好的S弯喷管，应保证S弯喷管的轴向尺寸与进口直径之比在1.9到3.1的范围内。因此受到S弯喷管轴向尺寸及飞行台安装条件的限制，目前无法在飞行台试飞阶段开展发动机与S弯喷管的工作匹配性验证试飞，缺乏提前暴露后续相关试飞风险的有效手段。

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，本发明提供一种模拟S弯喷管性能的等效喷管结构，通过对二元喷管进行结构变形，等效为S弯喷管，实现对目标S弯喷管内流特性的有效还原，为后续开展全尺寸地面台架试验及飞行试验等工程应用提供技术基础。解决现有飞行台无法装配S弯喷管、无法在飞行台试飞阶段开展发动机与S弯喷管的工作匹配性验证等问题。

本发明的技术方案是：一种模拟S弯喷管性能的等效喷管结构，包括二元喷管和插板；所述二元喷管的第二喷管段的上、下壁面沿轴向各设置2～4排插槽；所述插板通过插槽插装于喷管内部。

本发明的进一步技术方案是：所述插板的下部开有4～6组螺栓安装孔，不同的螺栓安装孔对应不同的插板插入深度。

本发明的进一步技术方案是：所述插板插入喷管内部的最大深度为插入位置处喷管横截面高度的2/3。

本发明的进一步技术方案是：所述插板的上部开有若干实验孔，实验孔的轴向与喷管内气流方向一致。

本发明的进一步技术方案是：所述实验孔呈矩形阵列排布。

本发明的进一步技术方案是：所述实验孔的截面形状为圆形、方形或椭圆形。

本发明的进一步技术方案是：所述二元喷管每次实验仅插入一块插板，其余插槽均采用密封销封住。

本发明的进一步技术方案是：所述插槽的截面与插板截面一致，能够保证插板插入喷管并为过盈配合；其外缘露于喷管外侧，通过螺栓与插板的螺栓安装孔固定连接。

本发明的进一步技术方案是：所述喷管的上、下壁面沿轴向各开有2～4个长矩形安装孔，插槽为截面与插板截面一致的矩形环结构，通过焊接同轴固定于安装孔内，使得插入的插板与喷管内气流方向垂直。

本发明的进一步技术方案是：所述二元喷管沿轴向依次包括第一喷管段和第二喷管段，第一喷管段的横截面积由圆形过渡到矩形，第二喷管段的横截面为矩形；第一喷管段与第二喷管段沿轴向之间的长度比在2：3至2：5之间。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明提出了一种模拟S弯喷管性能的等效喷管结构，由二元喷管与插板组成。插板插入深度影响等效喷管的有效流通面积，当插板未插入等效喷管内部时，喷管的有效流通截面不变，但随着插板逐步插入，喷管的有效流通截面变小，而喷管的流量系数和有效流通截面成正比，因此等效喷管的流量系数减小；当插板完全插入等效喷管，此时等效喷管的流量系数最小，因此插板插入的深度会影响等效喷管的流通能力与流量系数。

插板上开有若干实验孔，当气流流过开孔的插板时，气流会因为碰撞、摩擦等损失部分能量，当孔越小，气流流过小孔后损失越大，气流的总压降低越多，同时气流的动能降低的也越多，等效喷管的推力系数和总压恢复系数也降低的越多。因此可以通过改变孔大小与形状的方式获得特定的推力系数和总压恢复系数。

当插板插在等效喷管的上壁面，等效喷管上部分气流的流动会受到阻碍，从而向下偏转；而当插板插在等效喷管的下壁面，等效喷管下部分气流的流动会受到阻碍，从而向上偏转。当插板插入的位置不同，气流偏转的角度也会随之改变。因此可以通过改变插板的插入位置来获得特定的推力矢量角。

综上所述，通过综合设置插板插入深度、插板样式和插板插入位置，可以改变等效喷管的流量系数、推力系数、总压恢复系数和推力矢量角。对于喷管结构来说，流量系数、推力系数、总压恢复系数和推力矢量角是衡量喷管性能的标准，当两个喷管具备相同的上述参数时，可以认为这两个喷管具备相同的内流特性。因此可以通过等效喷管的技术手段实现对目标S弯喷管内流特性的有效还原，为后续开展全尺寸地面台架试验及飞行试验等工程应用提供技术基础。

附图说明

图1是本发明实施例的等效喷管结构示意图；

图2是根据本发明实施例可选的一种插板的示意图；

附图标记说明：1、第一喷管段；11、进气口；2、第二喷管段；21、排气口；3、插槽；4、插板；41、实验孔；42、螺栓安装孔。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。

本实施例以二元收敛喷管为例阐述等效喷管实施方案，除了二元收敛喷管，二元收扩喷管和轴对称喷管等都可以使用该等效喷管方法进行S弯喷管的等效设计，这里就不一一阐述。

参照图1所示，本实施例的二元喷管结构包括横截面形状由圆形过渡到矩形的第一喷管段1和横截面形状全为矩形的第二喷管段2，第一喷管段1的第一端具有与发动机的高温涡轮出口连接的进气口11，第二喷管段2的第二端具有排气口21，第一喷管段1的第二端与第二喷管段2的第一端首尾相连接。在二元喷管的第二喷管段2的上、下壁面上各设置2～4排插槽3，插槽3焊接在第二喷管段的外壁面，为内部空心的结构，插槽3内部槽缝的长和宽与插板一致，从而保证插板可以顺利插进插槽，和插槽过渡配合，增强结构的密封性。

每个插槽3配备一个密封销，未使用的插槽3可以通过密封销进行密封。

参照图2所示，插板4可以通过插槽3插进喷管内部，插板4上布置4～6组螺栓安装孔，在插槽3上也设置螺栓安装孔，以便固定插板4，不同的螺栓安装孔对应不同的插板插入深度，插板的插入深度影响等效喷管的流通能力与流量系数，因此通过控制插板4的插入深度来改变等效喷管的流量系数；其中，插板插入喷管内部的最大深度为插入位置处喷管横截面高度的2/3。

插板4上布置多排小孔，作为实验孔，且插板4上小孔的大小和形状有多种规格(包括圆形、方形、椭圆形等)，以圆形孔为例，孔的直径主要包括1mm，3mm，5mm等。当气流流过开孔的插板时，气流会因为碰撞、摩擦等损失部分能量，当孔越小，气流流过小孔后损失越大，气流的总压降低越多，同时气流的动能降低的也越多，等效喷管的推力系数和总压恢复系数也降低的越多。因此可以通过改变孔大小与形状的方式获得特定的推力系数和总压恢复系数。

插槽3的位置决定了插板4的插入位置，插槽3均布在第二喷管段2上，每次实验仅插入一块插板4，其余插板4用密封销封住。当插板插在等效喷管的上壁面，等效喷管上部分气流的流动会受到阻碍，从而向下偏转；而当插板插在等效喷管的下壁面，等效喷管下部分气流的流动会受到阻碍，从而向上偏转。当插板插入的位置不同，气流偏转的角度也会随之改变。因此可以通过改变插板的插入位置来获得特定的推力矢量角。

本实施例通过改变插板4的插入深度、插板4的样式和插板4的插入位置来改变等效喷管的流量系数、推力系数、总压恢复系数和推力矢量角，从而实现对目标S弯喷管内流特性的有效还原，为后续开展全尺寸地面台架试验及飞行试验等工程应用提供技术基础。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。