用于噴氣發(fā)動機的次級噴嘴的制作方法
【專利說明】用于噴氣發(fā)動機的次級噴嘴
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
本申請涉及代理人卷號262222/07783-0195，其與本申請同日在美國專利商標(biāo)局提交并且通過引用并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明針對三流式渦扇發(fā)動機，并且明確針對在低壓區(qū)域之上的排出的第三流流動。
【背景技術(shù)】
[0003]在軍事應(yīng)用(如，空戰(zhàn)、偵查和監(jiān)視)中得到使用的大多數(shù)飛行器發(fā)動機為增壓渦扇。增壓在調(diào)用(即，需要)時向飛行器提供附加推力。
[0004]所有渦扇發(fā)動機包括至少兩股空氣流。由發(fā)動機使用的所有空氣最初穿過風(fēng)扇，并且接著其分成兩股空氣流。內(nèi)空氣流稱為芯部空氣，并且經(jīng)過到發(fā)動機的壓縮機部分中，其中其被壓縮。該空氣接著供給至發(fā)動機的燃燒器部分，其中，其與燃料混合并且燃料燃燒。燃燒氣體接著通過發(fā)動機的渦輪部分膨脹，其從熱燃燒氣體抽取能量，抽取的能量用于運行壓縮機和風(fēng)扇，并且產(chǎn)生電力來操作附件。其余的熱氣體接著流入發(fā)動機的排出部分中，產(chǎn)生推力，該推力向飛行器提供向前運動。
[0005]外空氣流繞過發(fā)動機芯部并且由風(fēng)扇加壓。不用對外空氣流做其它功，該外空氣流繼續(xù)軸向地沿著發(fā)動機，但在芯部外。旁通空氣流還可用于通過將換熱器引入在風(fēng)扇流中來實現(xiàn)飛行器冷卻。在渦輪下游，外空氣流用于冷卻排氣系統(tǒng)。在需要(要求)附加的推力時，風(fēng)扇旁通空氣流中的一些再引導(dǎo)至增壓部，其中，其與芯部流和燃料混合來提供附加推力以使飛行器移動。
[0006]在排氣的后部處，會聚發(fā)散(C-D)噴嘴設(shè)定正確的背壓，以使芯部最佳地運行。C-D噴嘴通過對穿過噴嘴喉部A8的氣流扼流來實現(xiàn)這一切，并且按需要改變A8來設(shè)定所需的質(zhì)量流。
[0007]在推力通過改變利用第三導(dǎo)管的風(fēng)扇旁通流的量而改變時，某些可變循環(huán)的飛行器發(fā)動機實現(xiàn)相對恒定的空氣流。利用這些可變循環(huán)發(fā)動機的飛行器能夠在次音速功率設(shè)定下更有效地保持入口空氣流并且在較寬的飛行包絡(luò)線內(nèi)保持入口空氣流。一種特定類型的可變循環(huán)發(fā)動機被稱為FLADE?發(fā)動機，F(xiàn)LADE?為〃葉片上風(fēng)扇〃的縮寫，并且特征在于外風(fēng)扇導(dǎo)管，其使空氣流入第三空氣導(dǎo)管中，外風(fēng)扇導(dǎo)管大體上與內(nèi)風(fēng)扇導(dǎo)管同為環(huán)形并且外接內(nèi)風(fēng)扇導(dǎo)管，該內(nèi)風(fēng)扇導(dǎo)管繼而與芯部同為環(huán)形并且外接芯部。該第三空氣流通過如現(xiàn)有技術(shù)的FLADE "公開中闡述的葉片上風(fēng)扇布置加壓。FLADE "葉片在旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇葉片的徑向外側(cè)并且直接地連接于其，風(fēng)扇葉片組裝于安裝在軸上的盤上。FLADE?的位置為設(shè)計考慮，設(shè)計基于FLADE?空氣(第三流空氣)期望的溫度和壓力選擇。權(quán)衡基于FLADE?操作空氣的較高壓力產(chǎn)生具有較高溫度的FLADE?操作空氣的事實。1995年4月11日授予Johnson的美國專利第5，404，713號轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人并且通過引用并入本文中。
[0008]在這些可變循環(huán)設(shè)計中，入口空氣可分開來形成第三空氣流，其是除旁路和芯部之外的。該第三空氣流可在低于上文所述的芯部空氣流或旁通空氣流的溫度和壓力下提供。該第三空氣流的壓力可增大，同時仍使用葉片上風(fēng)扇或FLADE?翼型件和導(dǎo)管將其保持在低于旁通空氣流的溫度和壓力下?，F(xiàn)有技術(shù)的第三流空氣流剛好在C-D噴嘴的前方或后方排出到芯部排氣中。然而，利用第三流導(dǎo)管或FLADE?導(dǎo)管中的流動的空氣的低溫的最近實施例中的第三空氣流內(nèi)的換熱器的放置導(dǎo)致第三流導(dǎo)管或FLADE?導(dǎo)管中的空氣的壓降。通過引入換熱器而改變壓力導(dǎo)致了不能夠?qū)⒌谌骺諝庠谂艢鈮毫Ω?如在大功率操作下)的狀態(tài)下排出到芯部排氣中，并且至第三流的入口壓力為低的，如，低馬赫點。結(jié)果將為這些飛行狀態(tài)下的第三流導(dǎo)管中的空氣流的停止或不足的空氣流，這可導(dǎo)致第三流導(dǎo)管中的空氣流的停滯和甚至氣體的回流(逆流)。第三流空氣的停滯可導(dǎo)致某些情形下的葉片上風(fēng)扇布置的失速狀態(tài)，導(dǎo)致由于風(fēng)扇入口溢出阻力(spill drag)引起的飛行器上的可能的硬件破壞和附加阻力。
[0009]所需的是一種布置，其中第三流導(dǎo)管空氣可連續(xù)地排出，以使在發(fā)動機的任何操作狀態(tài)下都不存在第三流導(dǎo)管或FLADE?導(dǎo)管中的空氣流的停止或顯著減少，因為不足的空氣流可取決于用于冷卻的第三流空氣不利地影響換熱器或其它硬件的冷卻。理想的是，第三流導(dǎo)管空氣流應(yīng)當(dāng)以將把推力和可操作性添加至飛行器的方式排出至低壓區(qū)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]提供了一種用于高性能軍用飛行器的飛行器發(fā)動機。高性能軍用飛行器包括但不限于戰(zhàn)斗機和偵察機。本發(fā)明的高性能飛行器發(fā)動機包括在降低壓力下產(chǎn)生第三空氣流的第三流導(dǎo)管。該第三流空氣通過單獨的噴嘴排出，該單獨的噴嘴與主噴嘴同心。芯部流和旁通流通過主排氣噴嘴排出，并且第三流空氣通過次級噴嘴單獨地排出。來自單獨的同心噴嘴的第三流空氣排出至壓力為環(huán)境壓力或次環(huán)境壓力的位置。第三流空氣排出的位置應(yīng)當(dāng)允許有助于飛行器的推力，以使保持高效率。來自第三空氣導(dǎo)管或FLADE?導(dǎo)管的空氣流通過第三導(dǎo)管或FLADE?導(dǎo)管后方的排氣噴嘴(也稱為次級噴嘴)排出。該第三流排氣噴嘴定位在機身的后部與發(fā)動機外瓣片的前緣之間的界面處。收納在發(fā)動機艙中的一些發(fā)動機具有艙通風(fēng)槽口，并且第三流排氣噴嘴定位在發(fā)動機噴嘴與機身之間的艙通風(fēng)槽口附近。在兩種變型中，F(xiàn)LADE?導(dǎo)管空氣中的第三流空氣通過次級噴嘴在(多個)外瓣片之上排出。
[0011]通過將第三空氣流通過次級排氣噴嘴在外瓣片之上排出，可實現(xiàn)關(guān)于常規(guī)渦扇發(fā)動機的發(fā)動機操作的顯著改進。第三空氣導(dǎo)管或FLADE?導(dǎo)管可提供提高的冷卻能力，而不考慮由于空氣的低壓引起的空氣停滯或回流，因為仍高于環(huán)境壓力的該低壓空氣可被排出。換熱器可以可靠地依靠來向電氣系統(tǒng)提供大規(guī)模冷卻。
[0012]第三流或FLADE ?空氣的排出允許芯部在較高溫度下運行，因為較冷的第三流冷卻空氣的可靠供應(yīng)允許保護渦輪。第三流中的換熱器可用于降低渦輪冷卻空氣的溫度，并且允許渦輪硬件在升高溫度的環(huán)境中留存。
[0013]最后，第三導(dǎo)管或FLADE?導(dǎo)管現(xiàn)在可不但被依靠來連續(xù)地排出較冷的低壓第三流空氣或FLADE ?導(dǎo)管空氣，而且被依靠來以入口吸入空氣。第三導(dǎo)管或FLADE ?導(dǎo)管現(xiàn)在接受大部分入口壁變形并且使風(fēng)扇、芯部或旁通空氣上的入口變形最小化。這允許風(fēng)扇和芯部/壓縮機以較少失速裕度操作。當(dāng)風(fēng)扇和芯部以較少失速裕度操作時，發(fā)動機可在較高壓力比下操作，這轉(zhuǎn)變成更大的推力和效率。另外，通過第三流導(dǎo)管或FLADE?導(dǎo)管的噴嘴在外瓣片之上排出空氣附加地減小了船尾拖曳，同時產(chǎn)生了外瓣片之上的更穩(wěn)定的流場。
[0014]本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將從連同附圖進行的優(yōu)選實施例的以下更詳細(xì)描述為顯而易見的，該附圖經(jīng)由實例示出了本發(fā)明的原理。
【附圖說明】
[0015]圖1為示出用于給定飛行狀態(tài)的橫跨飛行器的變化壓力的噴氣式飛行器的圖示。
[0016]圖2為噴氣發(fā)動機的排氣部分的截面視圖，還繪出了機身后緣和艙通風(fēng)槽口，示出了在兩個不同位置的外瓣片，具有對應(yīng)于增壓的發(fā)動機操作的最大喉部面積的第一位置，以及具有對應(yīng)于最大干功率或怠速發(fā)動機操作的最小喉部面積的第二位置。
[0017]圖3為外瓣片的區(qū)域中的速度矢量圖。圖3(a)繪出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的第三導(dǎo)管排氣口的輪廓，并且圖3(b)繪出了根據(jù)本發(fā)明的第三導(dǎo)管排氣噴嘴的輪廓。
[0018]圖4為具有芯部空氣流和旁通空氣流的現(xiàn)有技術(shù)的渦扇發(fā)動機的截面。
[0019]圖5為配備有本發(fā)明的第三流導(dǎo)管的發(fā)動機的截面，其示出了排氣口前面的發(fā)動機中的空氣流。
[0020]圖6為配備有本發(fā)明的第三流導(dǎo)管的發(fā)動機的截面，其示出了第三流空氣導(dǎo)管或FLADE ?導(dǎo)管，其通過艙槽口附近的第三流噴嘴將第三流空氣在(多個)外發(fā)動機瓣片之上排出。
[0021]圖7繪出了包括噴嘴閥來改變排出氣體離開區(qū)的用于第三流導(dǎo)管或FLADE?導(dǎo)管的可變排氣噴嘴。
【具體實施方式】
[0022]在現(xiàn)代戰(zhàn)斗機中，發(fā)動機可安裝在飛行器的發(fā)動機艙中，并且間隙存在于發(fā)動機與飛行器結(jié)構(gòu)之間?？諝饬鬟^該間隙，并且流過該間隙的空氣在外瓣片的前緣處離開或排出，其中，空氣壓力在環(huán)境或亞環(huán)境狀態(tài)下。圖1繪出了沿噴氣機10的外部的壓力輪廓。低壓區(qū)域示為沿預(yù)定速度下的發(fā)動機14的外瓣片12。
[0023]具有FLADE?空氣流的本發(fā)明的渦扇與具有兩股空氣流的常規(guī)渦扇發(fā)動機之間的差異可參照繪出包括FLADE?導(dǎo)管或第三流導(dǎo)管的渦扇的圖5，以及繪出常規(guī)渦扇發(fā)動機的圖4認(rèn)識到。FLADE?導(dǎo)管和第三流空氣導(dǎo)管，以及FLADE?空氣流和第三空氣流可在本文中可互換地使用，兩者之間的差異為冷卻空氣進入導(dǎo)管的通路。然而，本文中闡述的結(jié)構(gòu)和方法針對來自導(dǎo)管的排出空氣。因此，用