一种交错式后涵道引射混合器及加力燃烧室

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，具体涉及一种应用于变循环发动机的后涵道引射混合器及加力燃烧室。

背景技术

为了解决航空发动机低油耗与高推比之间的矛盾，变循环发动机概念应运而生。变循环发动机由于可通过改变部件几何结构进而实现气动热力循环参数的改变，因此其兼具多种涵道比发动机的优点，可在不同涵道比条件下以不同模式工作。后涵道引射混合器是变循环发动机的关键部件，通过后涵道引射混合器和模式转换阀、前涵道引射器的协同工作，可实现不同工作状态下的模式转换。同时，后涵道引射混合器对变循环发动机加力燃烧组织也至关重要。经过多年探索，国内外已研发出多款后涵道引射混合器，但是目前公开的后涵道引射混合器发明专利，大多注重后涵道引射混合器的面积调节方案，而忽视了内外涵气流掺混性能。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种应用于变循环发动机的交错式后涵道引射混合器，其既能实现面积调节功能，又能兼顾内外涵气流掺混效果，从而为加力燃烧室组织燃烧提供有利条件。

在本发明的一个方面，提供一种交错式后涵道引射混合器，包括：中心锥、机匣、环绕地设置在所述中心锥与机匣之间的分流环、以及环绕地设置在所述中心锥与所述分流环之间的后涵道引射混合器；

其中，所述分流环前端的轴向位置靠近于所述中心锥的前端，从而将所述中心锥和所述机匣之间的气体流动区域划分为位于所述分流环与所述机匣之间的外涵区域和位于所述分流环与所述中心锥之间的内涵区域；

其中，所述分流环上设有气流孔以及沿周向相邻于所述气流孔的引流片，所述后涵道引射混合器上设有与所述气流孔相对应的导流片，所述导流片被构造为相对于所述气流孔的角度θ可调节，从而调整外涵区域的空气通过所述气流孔进入所述内涵区域的气流通道。

优选地，所述导流片相对于所述气流孔的角度θ被配置为：

在中等或较大涵道比工作模式下，增大角度θ，从而根据设计需要提高通过所述气流通道从所述外涵区域进入所述内涵区域的流量；以及

在小涵道比工作模式下，减小角度θ，从而根据设计需要减少或关闭通过所述气流通道从所述外涵区域进入所述内涵区域的流量。

优选地，所述交错式后涵道引射混合器还包括：

作动装置，被配置为调整所述导流片相对于所述气流孔的角度θ，从而在调大角度θ时，使所述气流通道开启而使加力燃烧室进入中等或大涵道比工作模式，而在调小角度θ时，使所述气流通道缩小或关闭而使加力燃烧室进入小涵道比工作模式。

优选地，所述分流环在所述气流孔的前侧具有与流向呈第一倾角α的分流环前缘，所述第一倾角α被构造为使所述内涵区域在所述分流环前缘处向外涵区域倾斜，所述后涵道引射混合器在所述导流片的前侧具有与流向呈第二倾角β的后涵道引射混合器前缘，所述第二倾角β被构造为使所述外涵区域在所述后涵道引射混合器前缘处向内涵区域倾斜。

优选地，多个所述气流孔沿周向均匀分布在所述分流环上，多个所述引流片沿周向均匀分布在所述后涵道引射混合器上，并且多个所述气流孔与多个所述引流片相互交错设置。

优选地，所述引流片被构造为与流向呈倾角γ，所述倾角γ被构造为使所述内涵区域在所述引流片处向外涵区域倾斜，从而引导所述内涵区域的气流增大径向速度，使得所述内涵区域的气流速度矢量朝向所述外涵区域方向。

优选地，所述导流片面向所述外涵区域的一侧被构造为具有与所述分流环相同半径的弧面，从而提高所述气流通道关闭时的所述导流片与所述气流孔之间的密封性。

优选地，所述导流片面向所述内涵区域的一侧被构造为比面向所述内涵区域的一侧半径更小的弧面，从而扩大沿导流片两侧的内涵高温气流与外涵低温气流之间的接触面，促进内涵高温气流与外涵低温气流的剪切层产生流向涡。

优选地，所述导流片在周向的两侧垂直设置有隔板，所述隔板被构造为在所述导流片相对于所述气流孔开启时封堵于所述引流片与所述导流片之间。

在本发明的另一个方面，提供一种加力燃烧室，包括如前文任一项实施例所述的交错式后涵道引射混合器。

因此，本发明具有的有益技术效果至少包括以下一种：

在加力燃烧室涵道比变化范围较大时，通过作动装置调节后涵道引射混合器，调整在不同涵道比工作模式下的内外涵气流通道面积，可以满足变循环发动机在不同工作模式下对面积变化的需求，并且将外涵气流流量按设计比例引入内涵进行掺混。

在中等或较大涵道比工作模式下，后涵道引射混合器导流片和分流环引流片相互交错设置，使得内涵高温气流与引入的外涵低温气流交错掺混，增大了所述内涵区域的高温气流与通过所述气流通道进入内涵的外涵低温气流接触面，加强了内外涵气流的掺混。

在中等或较大涵道比工作模式下，后涵道引射混合器导流片向中心方向倾斜，交错设置的后涵道引射混合器导流片和分流环引流片相互配合，形成较大的夹角θ，内涵高温气流与部分外涵低温气流在下游流场中形成较强流向涡，进一步加强了内外涵气流的掺混，使得内涵气流与部分外涵气流混合后的温度分布均匀。

在小涵道比工作模式下，后涵道引射混合器导流片向远离中心方向倾斜，使得后涵道引射混合器导流片和分流环引流片平行，有效地降低了后涵道引射混合器的流动损失。

附图说明

附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为应用本发明的变循环发动机加力燃烧室处于中等或较大涵道比工作模式时平行于轴向的剖视结构示意图及工作原理示意图；

图2为应用本发明的变循环发动机加力燃烧室处于小涵道比工作模式时平行于轴向的剖视结构示意图及工作原理示意图；

图3应用本发明的变循环发动机加力燃烧室处于中等或较大涵道比工作模式时的工作原理补充示意图；

图4为本发明全环形后涵道引射混合器与分流环配合时的立体结构示意图；

图5为本发明全环形后涵道引射混合器立体结构示意图；

图6为本发明提供的第一种后涵道引射混合器导流片立体结构示意图；

图7为本发明提供的第二种后涵道引射混合器导流片立体结构示意图；

图8为应用本发明提供的第二种后涵道引射混合器导流片的后涵道引射混合器立体结构示意图；

图9为本发明提供的配合后涵道引射混合器设计的分流环立体结构示意图；

图10为应用商用CFD软件数值计算45°扇形流体域获得的后涵道引射混合器下游流场沿程流向涡、温度分布示意图；

附图标记说明：

1-机匣；

2-后涵道引射混合器；21-后涵道引射混合器前缘；22-铰链；23-导流片；

3-分流环；31-分流环前缘；32-引流片；33-气流孔；34-分流环后段；

4-中心锥；

5-涡轮机匣；

6-涡轮盘；

a-内涵区域；b-外涵区域；c-内外涵气流混合区域；d-外涵未混合区域；e-流向涡；

A面-朝向外涵区域的导流片表面；B面-朝向内涵区域的导流片表面；

α-分流环前缘第一倾角；β-后涵道引射混合器前缘第二倾角；γ-分流环引流片倾角；θ-导流片调整角度；L-距离后涵道引射混合器的轴向间距；

具体实施方式

下面将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，并不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。本发明可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本发明清楚且完整，并且向本领域技术人员充分表达本发明的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。

如图1-3所示，在本发明的一个方面，提供一种交错式后涵道引射混合器，包括：中心锥4、机匣1、分流环3以及后涵道引射混合器2。中心锥4承接于涡轮盘6的轴向后侧，相应地，分流环3以及后涵道引射混合器2承接于涡轮机匣5的轴向后侧。

其中，分流环3环绕地设置在中心锥4与机匣1之间，其将加力燃烧室内的气体流动区域划分为位于分流环3与机匣1之间的外涵区域b和位于分流环3与中心锥4之间的内涵区域a。并且如图9所示，分流环3包含分流环前缘31、引流片32、与引流片32相互交错设置的气流孔33以及分流环后段34。

而后涵道引射混合器2环绕地设置在分流环3与机匣1之间，并且如图5所示，后涵道引射混合器2设置有后涵道引射混合器前缘21和与气流孔33相对应的导流片23，以及使导流片23转动的铰链22。

由此，本发明在分流环3和后涵道引射混合器2所在的区域形成气流通道，用于连通内涵区域a和外涵区域b。并且本发明通过设置作动装置调整导流片23的角度θ，当调大导流片23的角度θ时，使气流通道开启而使加力燃烧室进入中等涵道比工作模式，当调小导流片23的角度θ时，使气流通道缩小或关闭而使加力燃烧室进入小涵道比工作模式。

也即，本发明所提供的交错式后涵道引射混合器通过调整导流片23的角度θ能够对变循环发动机的工作模式进行控制：在中等或较大涵道比工作模式下，通过调节导流片23调整角θ，开启气流通道，改变内外涵通道面积，控制外涵区域b的流量，根据设计需要分配进入内涵的流量和外涵区域b的剩余流量；在小涵道比工作模式下，通过调整导流片23缩小或关闭气流通道。

在一些实施例中，导流片23相对于气流孔33的角度θ的可调整范围为0-60°，从而配合变循环发动机的不同工作模式的设计需要。

优选地，分流环3在气流孔33的前侧具有与流向呈第一倾角α的分流环前缘31，第一倾角α被构造为使内涵区域a在分流环前缘31处向外涵区域b倾斜。后涵道引射混合器2在导流片23的前侧具有与流向呈第二倾角β的后涵道引射混合器前缘21，第二倾角β被构造为使外涵区域b在后涵道引射混合器前缘21处向内涵区域a倾斜。

由此，本发明通过设置第一倾角α和第二倾角β所带来的有益的技术效果包括：

设置后涵道引射混合器前缘21的第二倾角β，能够使外涵气流有一个向中心方向的径向速度分量，避免后涵道引射器调节片角度过大时气流流动造成分离；

本发明的第二倾角β使气流具有一个向中心方向的径向速度分量，能在压差力作用引入一部分气流的基础上，通过径向速度的作用引入内涵一部分气流，因此也具有增大引入内涵的气量的作用；以及

设置的第二倾角β使得外涵气流具有一个向中心方向的径向速度分量，引入的外涵气流比一般的后涵道引射器引入的气流更靠近中心锥4，设置的第一倾角α使得内涵气流具有一个向外方向的径向速度分量，两者配合能增大内外涵气流掺混区域面。

在一个优选的实施例中，第一倾角α为2-15°，第二倾角β为2-15°，从而获得更优的掺混效果，并减少加力燃烧室的气动损失。

优选地，在本发明的一个实施例中，后涵道引射混合器2和分流环3配合机匣1形成一个先扩后缩通道，将后涵道引射混合器2导流片23设置在渐缩段，增大了外涵区域b进入内涵区域a的外涵气流流量。

如图4-5所示，优选地，多个气流孔33沿周向均匀分布在分流环3上，多个引流片32沿周向均匀分布在后涵道引射混合器2上，并且多个气流孔33与多个引流片32相互交错设置。

交错设置的多个气流孔33与多个引流片32能够提高外涵区域b的气流通过气流通道进入内涵区域a的均匀性，使加力燃烧室的内涵区域a的温度、速度、压力等参数更为均匀，从而提高混合和燃烧的效率。

优选地，引流片32被构造为与流向呈倾角γ，倾角γ被构造为使内涵区域a在引流片32处向外涵区域b倾斜，从而引导内涵区域a的气流增大径向速度，使得内涵区域a的气流速度矢量朝向外涵区域b方向。

在优选的实施例中，倾角γ的范围为5-22°，从而一方面确保内涵区域的气流在倾角γ的作用下具有足够大小的径向速度，另一方面防止因倾角γ过大而引起强烈的气动损失或气体分离。

如图6所示，优选地，导流片23面向外涵区域b的一侧被构造为具有与分流环3相同半径的弧面，从而提高气流通道关闭时的导流片23与气流孔33之间的密封性。

优选地，导流片23面向内涵区域a的一侧被构造为比面向内涵区域a的一侧半径更小的弧面，从而扩大沿导流片23两侧的内涵高温气流与外涵低温气流之间的接触面，促进内涵高温气流与外涵低温气流的剪切层产生流向涡。

如图7和图8所示，优选地，导流片23在周向的两侧垂直设置有隔板，隔板被构造为在导流片23相对于气流孔33开启时封堵于引流片32与导流片23之间。

基于上述实施例，本发明具有的有益技术效果至少包括以下一种：

在加力燃烧室涵道比变化范围较大时，通过作动装置调节后涵道引射混合器2，调整在不同涵道比工作模式下的内外涵气流通道面积，可以满足变循环发动机在不同工作模式下对面积变化的需求，并且将外涵气流流量按设计比例引入内涵进行掺混。

如图10所示，在中等或较大涵道比工作模式下，后涵道引射混合器2导流片23和分流环3引流片32相互交错设置，使得内涵高温气流与引入的外涵低温气流交错掺混，增大了内涵高温气流与通过气流通道进入内涵的外涵低温气流接触面，加强了内外涵气流的掺混。

在中等或较大涵道比工作模式下，后涵道引射混合器2导流片23向中心方向倾斜，交错设置的后涵道引射混合器2导流片23和分流环3引流片32相互配合，形成较大的夹角θ，内涵高温气流与部分外涵低温气流在下游流场中形成较强流向涡e，进一步加强了内外涵气流的掺混，使得内涵气流与部分外涵气流混合后的温度分布均匀。

在小涵道比工作模式下，后涵道引射混合器2导流片23向远离中心方向倾斜，使得后涵道引射混合器2导流片23和分流环3引流片32平行，有效地降低了后涵道引射混合器2的流动损失。

在本发明的另一个方面，提供一种加力燃烧室，包括如前文任一项实施例的交错式后涵道引射混合器。

至此，已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本发明的范围由所附权利要求来限定。