一种涡轴-涡扇双模态排气系统结构及方法

本发明涉及一种涡轴-涡扇双模态排气系统结构及方法，属于航空发动机排气系统设计领域。

背景技术：

1、涡轴发动机一般作为直升机的动力装置，具有重量轻、起动稳定、震动小等优点，可以通过动力涡轮把燃气发生器出口燃气中所含的几乎所有能量转变为轴功率来驱动直升机的旋翼，从而产生垂直升力。涡扇发动机是在涡桨发动机的基础上发展起来的，在燃气发生器相同的情况下，涡扇发动机的空气流量大、排气速度低，所以推进效率高、耗油率低，噪声低，在各种军用与民用飞机中得到了广泛的应用。设想一种新型的涡轴-涡扇发动机，能够在涡轴发动机与涡扇发动机两种模态下进行切换，将涡轴发动机的垂直起降能力与涡扇发动机的优良性能结合起来。对于涡轴发动机而言，尾喷管喷气几乎不产生推力，所以涡轴发动机对排气系统要求较低，能够正常排出涡轮流出的燃气即可。而对于涡扇发动机，排气系统是重要的组成部分，发动机推力和耗油率受排气系统推力性能的影响较发动机其他任何部件都大，如在亚音速巡航状态下，若排气系统推力性能下降1％，可使发动机推力下降约1.7％。现如今，先进飞机及其发动机对排气系统的功能、性能、重量等提出的技术指标要求越来越高，如何设计出性能更高的排气系统已成为先进飞机及其发动机研制的关键技术。

2、因此，对于新型的涡轴-涡扇发动机，应当结合涡轴发动机与涡扇发动机的排气系统特点，设计出一种可以在涡轴与涡扇两种模态下正常工作，并可以在两种模态之间进行切换的排气系统结构。

技术实现思路

1、本发明提供了一种涡轴-涡扇双模态排气系统结构及方法。针对现有的涡扇发动机排气系统结构，在排气系统外机匣中增加了模态切换装置，将一部分外机匣改为通过内部简易的作动筒、滑块与支撑杆可以打开的活门。活门关闭时，内外涵道正常工作，排气系统为普通的涡扇发动机混合式排气系统；活门打开时，原本的外涵道封闭，形成新的旁路通道，排气系统为带旁路引射的涡轴发动机排气系统。从而实现排气系统在涡轴与涡扇两种模态下的正常工作并可以在两种模态之间进行切换。

2、实现上述目的的技术方案是：

3、一种涡轴-涡扇双模态排气系统结构，包括中心锥、环形混合器、外机匣、模态切换装置和收敛喷管。所述模态切换装置能够使发动机排气系统在涡扇发动机排气系统和带旁路引射的涡轴发动机排气系统两种模态之间切换。

4、进一步的，所述模态切换装置设置于涡扇发动机排气系统外机匣内部，包括分别位于外机匣的两侧的两扇活门；两扇活门关闭时，内、外涵道正常工作，排气系统为涡扇发动机混合式排气系统；两扇活门打开时，外涵道封闭，形成新的旁路通道，排气系统为带旁路引射的涡轴发动机排气系统；通过控制两扇活门的开合实现排气系统在涡轴与涡扇两种模态下之间进行切换。

5、进一步的，模态切换装置位于外机匣内部，由两侧活门、固定转轴、作动筒、滑槽、滑块和支撑杆组成。两扇活门分别位于外机匣的两侧，固定转轴分别位于内侧活门的前端与外侧活门的后端，活门可以绕固定转轴旋转。两侧活门上各固定一个与活门始终保持平行的作动筒，作动筒工作端与滑块连接，在作动筒的驱动下可沿滑槽方向水平移动。支撑杆为不可伸缩的直杆，两端分别固定在两侧的滑块中心。

6、进一步的，滑块近似为等腰直角三角形，斜边位于活门上的滑槽中。

7、进一步的，两侧的作动筒同步伸缩，使得两侧的活门同步旋转开合。

8、进一步的，在涡扇模态下，滑块位于作动筒伸长能达到的最大距离；在涡轴模态下，滑块位于作动筒收缩能达到的最小距离，此时滑块位于活门的中心位置。

9、本发明还提供一种涡轴-涡扇双模态切换方法，包括如下步骤：模态切换装置在涡扇模态下，作动筒处于拉伸状态，滑块位于作动筒伸长能达到的最大距离，两侧活门与外机匣平行。此时排气系统分为内外两个涵道，中心锥与环形混合器之间为内涵道，排出涡轮后的高温燃气；环形混合器与外机匣之间为外涵道，排出流经压气机风扇的空气。内外涵道中的气体通过环形混合器充分混合后，从收敛喷管中加速排出，为发动机提供推力。

10、进一步的，模态切换装置由涡扇模态向涡轴模态切换的过程中，作动筒收缩，滑块向对应活门的固定转轴所在方向移动，带动支撑杆顺时针旋转，将两侧活门撑开。

11、进一步的，模态切换装置在涡轴模态下，作动筒处于收缩状态，滑块位于作动筒收缩能达到的最小距离，此时滑块位于活门的中心位置。内侧活门与环形混合器接触，将外涵道封闭，外侧活门与内侧活门保持平行。两侧活门之间形成旁路通道，通过内涵道排出的高温燃气对外界大气进行引射。引射空气与内涵道的燃气通过环形混合器混合后经由收敛喷管排出。

12、进一步的，模态切换装置由涡轴模态向涡扇模态切换的过程中，作动筒拉伸，滑块向远离对应活门的固定转轴的方向移动，带动支撑杆逆时针旋转，将两侧活门关闭。

13、进一步的，模态切换装置在排气系统外机匣中周向均匀分布，数量为4-6个。

14、有益效果：

15、本发明采用的模态切换装置由两侧活门、固定转轴、作动筒、滑槽、滑块和支撑杆组成，可以简单有效地实现涡轴-涡扇双模态排气系统的模态切换；两侧作动筒同步伸缩，使得两侧的活门同步旋转开合，从而使外涵道的关闭与旁路通道的打开同步进行，可以减少模态切换需要的步骤，加快切换速度；滑块在活门上的滑槽中运动，可以通过限制滑槽长度的方法来限制滑块的运动长度，从而确保活门在设计范围内进行开合，防止装置失效；支撑杆为不可伸缩的直杆，一方面能够通过旋转直接控制活门的运动，另一方面能够提高装置在两种模态下的稳定性。

16、本发明提供的涡扇发动机，采用所述的涡轴-涡扇双模态排气系统结构，是一种新型的涡轴-涡扇发动机，能够在涡轴发动机与涡扇发动机两种模态下进行切换，将涡轴发动机的垂直起降能力与涡扇发动机的优良性能结合起来。

技术特征：

1.一种涡轴-涡扇双模态排气系统结构，其特征在于，包括设置于发动机排气系统中的模态切换装置，所述模态切换装置能够使发动机排气系统在涡扇发动机排气系统和带旁路引射的涡轴发动机排气系统两种模态之间切换。

2.根据权利要求1所述的一种涡轴-涡扇双模态排气系统结构，其特征在于，所述模态切换装置设置于涡扇发动机排气系统外机匣内部，包括分别位于外机匣的两侧的两扇活门；两扇活门关闭时，内、外涵道正常工作，排气系统为涡扇发动机混合式排气系统；两扇活门打开时，外涵道封闭，形成新的旁路通道，排气系统为带旁路引射的涡轴发动机排气系统；通过控制两扇活门的开合实现排气系统在涡轴与涡扇两种模态下之间进行切换。

3.根据权利要求2所述的一种涡轴-涡扇双模态排气系统结构，其特征在于，所述模态切换装置包括分别位于外机匣的两侧的两扇活门(4)、固定转轴(9)、作动筒(8)、滑槽(6)、滑块(5)和支撑杆(7)；内侧的活门(4)的前端与外侧的活门(4)的后端分别通过一个固定转轴(9)与外机匣连接，活门(4)能够绕固定转轴(9)旋转；活门(4)的内侧固定作动筒(8)和滑槽(6)，作动筒(8)的工作端与滑槽(6)中的滑块(5)连接，滑块(5)在作动筒(8)的驱动下可沿滑槽(6)移动；支撑杆(7)为不可伸缩的直杆，两端分别固定于两侧的滑块(5)。

4.根据权利要求3所述的一种涡轴-涡扇双模态排气系统结构，其特征在于，两侧的作动筒(8)同步伸缩，使得两侧的活门(4)同步旋转开合。

5.根据权利要求3所述的一种涡轴-涡扇双模态排气系统结构，其特征在于，在涡扇模态下，滑块(5)位于作动筒(8)伸长能达到的最大距离；在涡轴模态下，滑块(5)位于作动筒(8)收缩能达到的最小距离，此时滑块(5)位于活门(4)的中心位置。

6.根据权利要求1所述的一种涡轴-涡扇双模态排气系统结构，其特征在于，所述模态切换装置在排气系统外机匣中周向均匀分布，数量为4-6个。

7.基于权利要求3-6任一所述结构的涡轴-涡扇双模态切换方法，其特征在于，包括如下步骤：

8.一种涡扇发动机，其特征在于，采用权利要求1-4任一所述的涡轴-涡扇双模态排气系统结构。

技术总结本发明提供一种涡轴‑涡扇双模态排气系统结构及方法，包括位于外机匣内的模态切换装置，其由两侧活门、固定转轴、作动筒、滑槽、滑块和支撑杆组成。在涡扇模态下，作动筒处于拉伸状态，两侧活门与外机匣平行。此时排气系统分为内外两个涵道，中心锥与环形混合器之间为内涵道，环形混合器与外机匣之间为外涵道。切换至涡轴模态的过程中，作动筒收缩，滑块向固定转轴所在方向移动，带动两端固定在两侧滑块上的支撑杆顺时针旋转，将两侧活门撑开。在涡轴模态下，作动筒处于收缩状态，内侧活门与环形混合器接触，将外涵道封闭。两侧活门之间形成旁路通道，对外界大气进行引射。本发明能够在涡轴与涡扇两种模态下正常工作，并在两种模态之间进行切换。技术研发人员：单勇,董昊翔,孙文静,谭晓茗,张靖周,李忠洋受保护的技术使用者：南京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18