一种引射混合器及其控制方法与流程

1.本发明属于航空航天技术中的航空燃气涡轮发动机技术领域，具体涉及一种引射混合器及其控制方法。


背景技术：

2.变循环发动机概念于上世纪七十年代出现，成为下一代高性能航空发动机的优良选择。变循环发动机通过几何可调机构完成不同热力循环模式的转换。后可变面积涵道引射器处于内涵涡轮出口与外涵交界处，实现调节涵道面积，调节静压平衡的功能。后可变面积涵道引射器作为变循环完成模式切换，保持高效率运行的一环，具有重要的作用。
3.变循环发动机的发展由美国主导，其已完成多项部件级的技术专利，后可变面积涵道引射器也在其列。专利us patent4069661于1978年提出了一种采用旋转叶栅的后可变引射器，通过连杆移动改变一系列旋转叶栅的叶片角度来改变外涵气流进入主流涵道的折转角。优点在于作动装置较为简单，流通面积的调节范围较宽，可以达到完全关闭和打开两个状态；同时叶栅旋转的作动装置被放置于涵道后，不会对涵道内的流动产生影响。而缺点是外涵气流进入主涵道的折转角较大，易造成较多的气动损失。
4.美国专利us patent5136840于1992年提出了一种套筒与连通孔配合改变流通面积的后可变面积涵道引射器设计。该方案在内涵机匣上开孔，通过作动装置移动套筒来改变外涵进入内涵的孔洞的遮蔽面积来改变流通能力。该设计的作动装置位于外机匣外，减少了对内部流动的影响。但其移动调节由套筒的平动与螺旋转动完成，而仅有平动完成了流通面积的改变，使得允许的调节范围较小。
5.中国专利200910242864.3于2009年提出了一种混合进气式的后可变面积涵道引射器，其能够同时实现平行进气与掺混进气两种进气方式。但其采用的多级连杆结构使机构的重量增加；同时作动装置位于机匣台阶后方，对机匣安装提出了特殊要求。
6.综上，已有的一些后可变面积涵道引射器设计专利，集中于后涵道流通面积调节功能的实现，内涵与外涵混合形式或采取孔洞入射，调节能力有限；或采取外涵气流近直角入射，损失较大。后可变面积涵道引射器作为连接涡轮后涵道与加力燃烧室的中介部分，应具有在较低损失下高效混合涡轮后内涵与外涵气流，便于组织加力燃烧的能力，这是现有的后可变面积涵道引射器较为缺乏的。


技术实现要素：

7.为了解决上述技术问题，在本发明的一个方面，提供一种引射混合器，包括分流环、一级波瓣混合器和二级波瓣混合器，所述分流环的圆心、所述一级波瓣混合器的圆心和所述二级波瓣混合器的圆心均位于中心轴，并且沿轴向所述分流环、所述一级波瓣混合器和所述二级波瓣混合器从前往后顺序设置；
8.其中，所述一级波瓣混合器和所述二级波瓣混合器的波瓣部件轮廓线相互平行，以使所述一级波瓣混合器和所述二级波瓣混合器呈沿轴向的串联结构；
9.其中，所述引射混合器还包括作动装置，所述作动装置设置在所述分流环上，用以控制所述一级波瓣混合器沿轴向运动，从而改变所述一级波瓣混合器和所述二级波瓣混合器沿轴向的间距，进而调整所述一级波瓣混合器和所述二级波瓣混合器之间的流通面积，使所述引射混合器所在的流道呈平动式后可变面积涵道。
10.在本发明的另一个方面，提供一种根据前文实施例所述的引射混合器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：所述一级波瓣混合器和所述二级波瓣混合器之间的轴向距离和径向间距根据所述引射混合器所在流道的外涵流量进行调节；
11.其中，径向间距的调节由两级波瓣混合器型面相对位置调整间接实现。
12.优选地，所述控制方法包括以下步骤：
13.在外涵流量小于临界流量值时，所述流道处于小涵道比状态，通过所述作动装置减少所述一级波瓣混合器和所述二级波瓣混合器的轴向间距，使外涵气流主要流经二级波瓣混合器；
14.以及在外涵流量大于临界流量值时，通过所述作动装置增加所述一级波瓣混合器和所述二级波瓣混合器的轴向间距，使外涵气流分为两股分别由所述一级波瓣混合器和所述二级波瓣混合器与内涵气流掺混，以达到内涵与外涵静压平衡，使内涵气流与外涵气流混合后的温度分布均匀。
15.由此，本发明具有的技术效果包括：
16.1)采用波瓣混合器进行各工况下内涵气流与外涵气流的混合，波瓣混合器下游流向涡的卷吸作用提高了气体掺混的效果，提高了引射混合器出口气体温度分布的均匀性。
17.2)两级波瓣混合器可以通过作动装置调整波瓣混合器间流通面积，适应在自适应变循环发动机双外涵或三外涵热力循环模式下，不同的来流状况。
18.3)两级波瓣混合器的串联布局形成了多级混合的结构，增强了混合器对外涵气流的引射能力。
附图说明
19.附图用来提供对本技术技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本技术的实施例一起用于解释本技术的技术方案，但并不构成对本技术技术方案的限制。
20.图1是使用环形混合器的加力燃烧室结构示意图；
21.图2是使用两级波瓣混合器的平动式后可变面积涵道引射混合器结构简图；
22.图3是引射混合器在来流涵道比较小时工作原理示意图；
23.图4是引射混合器在来流涵道比较大时工作原理示意图；
24.图5是全环形引射混合器建模示意图；
25.图6是引射混合器波瓣部件局部示意图；
26.图7是两级波瓣混合器间距离调整至第一状态时两级波瓣混合器轴向间距最小的示意图；
27.图8是两级波瓣混合器间距离调整至第二状态时两级波瓣混合器轴向间距随流道涵道比增大而增加的示意图；
28.图9是两级波瓣混合器间距离调整至第三状态时两级波瓣混合器间距进一步增大的示意图；
29.图10是使用商用cfd软件模拟计算得到的引射混合器波瓣混合器下游流场中流向涡流线、温度分布示意图。
30.附图标记说明：1-分流环，2-外涵机匣，3-作动装置，4-一级波瓣混合器，5-二级波瓣混合器，6-中心锥，7-来流外涵，8-来流内涵，9-流向涡，10-波瓣混合器波峰对应区域，11-波瓣混合器波谷对应区域，a
1-流道处于小涵道比状态时波瓣级间流通面积，a
2-流道处于大涵道比状态时波瓣级间流通面积。
具体实施方式
31.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透彻且完整，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。
32.如图1-10所示，在本发明的一个方面，提供一种引射混合器，包括分流环、一级波瓣混合器和二级波瓣混合器，分流环的圆心、一级波瓣混合器的圆心和二级波瓣混合器的圆心均位于中心轴，并且沿轴向分流环、一级波瓣混合器和二级波瓣混合器从前往后顺序设置；
33.其中，一级波瓣混合器和二级波瓣混合器的波瓣部件轮廓线相互平行，以使一级波瓣混合器和二级波瓣混合器呈沿轴向的串联结构；
34.其中，引射混合器还包括作动装置，作动装置设置在分流环上，用以控制一级波瓣混合器沿轴向运动，从而改变一级波瓣混合器和二级波瓣混合器沿轴向的间距，进而调整一级波瓣混合器和二级波瓣混合器之间的流通面积，使引射混合器所在的流道呈平动式后可变面积涵道。
35.在本发明的另一个方面，提供一种根据前文实施例的引射混合器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：一级波瓣混合器和二级波瓣混合器之间的轴向距离和径向间距根据引射混合器所在流道的外涵流量进行调节；
36.其中，径向间距的调节由两级波瓣混合器型面相对位置调整间接实现。
37.优选地，引射混合器的控制方法还包括以下步骤：
38.在外涵流量小于临界流量值时，流道处于小涵道比状态，通过作动装置减少一级波瓣混合器和二级波瓣混合器的轴向间距，使外涵气流主要流经二级波瓣混合器；
39.以及在外涵流量大于临界流量值时，通过作动装置增加一级波瓣混合器和二级波瓣混合器的轴向间距，使外涵气流分为两股分别由一级波瓣混合器和二级波瓣混合器与内涵气流掺混，以达到内涵与外涵静压平衡，使内涵气流与外涵气流混合后的温度分布均匀。
40.本发明要解决的技术问题是：已有的后涵道引射器以实现流道面积可调功能为主，未对涡轮出口内涵气流与外涵气流充分掺混的实现进行考虑。为改善后可变引射器的掺混性能，便于下游组织加力燃烧，同时进一步提高通过引射混合器的流量；提供一种兼顾涵道面积调节与内外掺混性能的后可变面积涵道引射混合器设计。
41.本发明解决其技术问题的技术方案是：在采用传统波瓣混合器的基础上，引入二级波瓣混合器，两级波瓣混合器形成串联结构；并利用作动装置控制波瓣混合器沿轴向平
动，从而形成一种兼具促进内涵与外涵掺混与涵道面积调节功能的可变面积涵道引射混合器设计。其特征在于：
42.在一级波瓣混合器后引入二级波瓣混合器，两级波瓣混合器形成串联结构；
43.引射混合器前分流环上加装有作动装置，能够控制一级波瓣混合器沿轴向平动，从而改变两级波瓣混合器间的流通面积；
44.两级波瓣混合器级间轴向距离根据外涵来流流量的情况进行调节选取，以满足内涵与外涵静压平衡与掺混的要求
45.本发明的原理如下：
46.当由风扇后涵道来到引射混合器外涵的气流流量较低，变循环发动机处于小涵道比运行时，作动装置控制一级波瓣混合器靠近二级波瓣混合器移动，两级波瓣混合器的轴向间距减小，波瓣混合器间的流通面积减小；此时外涵气流主要流经二级波瓣混合器，沿波谷切角在波瓣混合器下游大尺度流向涡的作用下，与内涵主流掺混。而在外涵气流流量升高，发动机以大涵道比状态运行时，作动装置调整一级波瓣混合器在轴向上远离二级波瓣混合器，两级波瓣混合器间的流通面积变大；此时外涵气流的主要流动将分为两股，一股由两级波瓣混合器间流道沿一级波瓣混合器切角进入主流与其掺混，混合气在下游将作为二级波瓣混合器的内涵气流，再次与外涵的剩余气流进行二次掺混。此种工作模式下外涵气流经过两级波瓣混合器，分为两股完成了掺混，进一步削弱了引射混合器出口温度分布的不均匀性。
47.下面结合附图及具体实施方式详细介绍此发明。
48.如图2所示为本发明的结构示意，在传统的波瓣混合器后加入多一级波瓣混合器，两级波瓣混合器形成串联布局，增强了引射混合器的引射能力；在一级波瓣混合器前分流环上加入作动装置，一级波瓣混合器能够沿轴向进行平动，两级波瓣混合器间间距随之改变，从而完成外涵流通面积调节的实现。相较于已有的后可变面积涵道引射器，本发明采用两级波瓣混合器进行内涵气流与外涵气流的分级掺混，具有更优良的混合效果。
49.图3及图4分别展示了引射混合器在具有不同涵道比的来流工况下，调整波瓣混合器间距以适应来流的状态。当外涵气流流量较低，变循环发动机处于小涵道比运行时，作动装置控制一级波瓣混合器靠近二级波瓣混合器移动，波瓣混合器级间的流通面积减小，特别是对于两级波瓣混合器的波谷构成的流道a1，采用气动型面设计使通过的气体流量尽可能少；此时外涵气流主要流经二级波瓣混合器，沿波谷切角，在波瓣混合器下游流向涡作用下，与内涵主流掺混，此时引射混合器的功能实现接近于传统的单级波瓣混合器。而在外涵气流流量较高，发动机以大涵道比状态运行时，作动装置调整一级波瓣混合器轴向远离二级波瓣混合器，两级波瓣混合器间的流通面积变大；此时外涵气流的流动将分为两股，一股由两级波瓣混合器间流道沿一级波瓣混合器切角进入主流与其掺混，混合气在下游将作为二级波瓣混合器的内涵气流，再次与外涵的剩余气流进行二次掺混。此种工作模式下外涵气流流经两级波瓣混合器，分两股与内涵气流完成掺混。
50.图5-6展示了引射混合器中波瓣混合器部件的几何结构，波瓣由波峰、波谷部分交替连续组成，内涵与外涵气流分别沿波峰与波谷进入下游；图10展示了使用商用cfd软件计算得到的波瓣混合器下游流场的温度、速度分布情况。其为波瓣混合器下游沿流动法向截面上温度分布云图，同时，截面上速度方向以流线矢量的方式在图中标识。温度云图上边界
为引射混合器所在流道外涵的上边界；左右边界为扇形计算域的边界，采取周期性边界条件，保证与加力燃烧室实际情况相符；下边界为中心锥轮廓所在位置。可以看到，气流分别在波峰、波谷对应位置形成相应的流向涡，速度矢量显示交界面处流动呈现螺旋的状态；波瓣混合器通过形成这样对称的涡系结构，增强了冷、热气流间的动量交换与能量传递，从而大大加强内涵气流与外涵气流的掺混，从而提高引射混合器的混合效率；在掺混作用的影响下，处于中间温度的混合气流已占据流道相当部分的区域。
51.本发明具有的优点包括：
52.1)采用波瓣混合器进行各工况下内涵气流与外涵气流的混合，波瓣混合器下游涡系的卷吸作用提高了气体掺混的效果，提高了引射混合器出口气体温度分布的均匀性。
53.2)两级波瓣混合器可以通过作动装置调整波瓣混合器间流通面积，适应在自适应变循环发动机双外涵或三外涵热力循环模式下，不同的来流状况。
54.3)两级波瓣混合器的串联布局形成了多级混合的结构，增强了混合器对外涵气流的引射能力。
55.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。