專利名稱：用于排氣噪音抑制的鋸齒形噴嘴后邊緣的制作方法
技術領域：
本發明涉及排氣流噴嘴，例如用于燃氣輪機中的排氣流噴嘴，該排氣流噴嘴具有鋸齒形部或波浪形部，以便減小噪音。
背景技術：
對于在亞音速民用運輸中使用的較低和中等函道比發動機，由湍流噴射排氣裝置所產生的噪音有顯著的現實意義。噴射排氣噪音是整個發動機噪音的一部分，且在起飛和轉向條件下特別重要。對于高函道比發動機，噴射噪音的貢獻減小，但是它仍然是一個因素，特別是隨著噪音限制越來越嚴格。
用于減小噴射噪音的現有方法主要依靠混合增強，其中，目的是促進在高速主流和低動量二次流(即風扇旁路流和/或周圍飛行流)之間的動量交換。凸舌和人字形裝置已經用于單股氣流和分離流排氣系統。凸起狀混合器已經用于混合流排氣裝置中。
前述混合裝置的固有缺點是它們將產生寄生高頻噪音。因此，盡管在噪音波譜中低頻噪音的減小能夠很容易達到2-4dB，但是總體(社區)噪音水平(例如有效感覺噪音水平，即EPNL)的降低相當小。在一些情況下，高頻噪音的惡化能夠完全抵消低頻的減小，從而導致增加的EPNL。
外部卷流(plume)混合裝置的第二缺點是對氣動性能(軸向推力)的不利影響。凸舌和人字形裝置通常要增加總燃料消耗率(TSFC)，并可能在飛行包線的非設計點處對噴嘴排出特性有不利影響。
發明內容
本發明涉及一種用于燃氣輪機的噴嘴。例如，本發明的波浪形部和鋸齒形部可以用于核心機排氣流噴嘴和/或風扇排氣流噴嘴的出口幾何形狀。一環形壁確定了流體流動通道，并包括基座部分和鄰接的出口部分。該基座部分通常是大致截頭錐形形狀，并包括沿軸向方向的弓形輪廓。該出口部分包括沿大致徑向方向的波浪形部，它提供了具有后邊緣的凸起部和溝槽部。凸起部后邊緣和溝槽部后邊緣中的一種后邊緣沿大致軸向方向從凸起部后邊緣和溝槽部后邊緣中的另一種后邊緣凹入。該凸起部后邊緣和溝槽部后邊緣中的所述另一種后邊緣形成頂點，該頂點設在凸舌上。溝槽部沿軸向方向朝著溝槽部后邊緣徑向向內延伸。
多種合適的幾何形狀可以用于將噪音減小至所需水平。這些幾何形狀將根據特定用途并通過數學建模和經驗來確定。
通過下面的說明和附圖能夠更好地理解本發明的這些和其它特征，下面是對附圖的簡要說明。
圖1A是現有技術的分離排氣流燃氣輪機的剖視示意圖。
圖1B是現有技術的匯合或混合排氣流燃氣輪機的剖視示意圖。
圖1C是分離排氣流燃氣輪機的實例的側視圖，本發明波浪形部設在核心機排氣噴嘴上。
圖1D是均具有本發明波浪形部的核心機排氣噴嘴和風扇排氣噴嘴的端視圖。
圖2A是本發明排氣噴嘴的側視圖；圖2B是圖2A中所示的排氣噴嘴的透視圖。
圖3A是凸起部相對于溝槽部凹入的側視示意圖。
圖3B是圖3A中所示的凸起部和溝槽部的端視示意圖。
圖3C是圖3A中所示的凸起部和溝槽部的俯視示意圖。
圖4A是溝槽部相對于凸起部凹入的側視示意圖。
圖4B是圖4A中所示的凸起部和溝槽部的端視示意圖。
圖4C是圖4A中所示的凸起部和溝槽部的俯視示意圖。
圖5A是凸起部和溝槽部形狀和后邊緣形狀的一個實例的側視圖。
圖5B是圖5A中所示的凸起部和溝槽部的端視示意圖。
圖5C是圖5A中所示的凸起部和溝槽部的俯視圖。
圖6A是凸起部和溝槽部形狀和后邊緣形狀的另一實例的側視圖。
圖6B是圖6A中所示的凸起部和溝槽部的端視示意圖。
圖6C是圖6A中所示的凸起部和溝槽部的俯視圖。
圖7A是凸起部和溝槽部形狀和后邊緣形狀的再一實例的側視圖。
圖7B是圖7A中所示的凸起部和溝槽部的端視示意圖。
圖7C是圖7A中所示的凸起部和溝槽部的俯視圖。
具體實施例方式
本發明是一種用于減小由燃氣輪機排氣裝置發出的噴射噪音的裝置。應用范圍包括分離流排氣結構(圖1A)的風扇噴嘴和核心機噴嘴以及混合流排氣結構(圖1B)的公共尾管噴嘴。燃氣輪機10包括風扇排氣噴嘴12，該風扇排氣噴嘴12環繞核心機排氣噴嘴14，以便提供風扇排氣流體通道16。中心體18布置在核心機排氣噴嘴14內，該核心機排氣噴嘴14提供了核心機排氣流體通道20。中心體18的尖端22可延伸超過核心機排氣噴嘴14的末端24(如圖1A所示)或者是凹入的。如圖1A中所示，該末端24延伸超過風扇排氣噴嘴12的末端26，以便形成分離流結構。在混合流結構中，該末端24從末端26凹入，如圖1B中所示。
參考圖1C，在分離流結構的核心機排氣噴嘴14上表示了本發明。核心機排氣噴嘴14包括環形壁28，該環形壁通常為圓形橫截面，且從側向看時為截頭錐形形狀。環形壁28包括基座部分30。出口部分32與該基座部分30鄰接，并包括波浪形部34。圖2A和圖2B中表示了具有大量波浪形部的類似噴嘴。
根據本發明，噴嘴后邊緣包括波浪形部34，以便形成環繞噴嘴周邊的由凸起部36和溝槽部38構成的圖案。波浪形部34的幾何形狀選擇為可降低所需頻率范圍內的噪音。圖3A-圖7C表示了該構思的一些示例實施例。首先參考圖1C、2A和2B，凸起部36表示為從溝槽部38凹入，不過在需要時也可以相反。凸起部36和溝槽部38在假想表面S的上面和下面延伸，該假想表面S沿大致與環形壁28的基座部分30相同的輪廓延伸，在圖1C和圖3B、4B、5B、6B和7B中看得更清楚。
圖1D表示了具有波浪形部34的風扇排氣噴嘴12和核心機噴嘴14。在所示實例中，在噴嘴12和14上的波浪形部34或凸舌46的數目彼此相等。這些凸起部36為“花邊狀(clocked)”或彼此徑向對齊，以便提高聲學性能特征。
圖3A-7C中表示了凸起部形狀和后邊緣平面形式的特定實施例。在圖3A-3C中所示的一種變化形式中，凸起部后邊緣40相對于溝槽部后邊緣42凹入，與圖2A和2B類似。如圖3A和3B所示，凸起部36從軸線A徑向延伸距離R，在假想表面S上面的高度為H1。同樣，溝槽部38徑向延伸至假想表面S下面的高度H2。盡管在從后邊緣看時的端視圖(圖3B)中高度H1和H2不同，但是在公共軸向位置處的高度基本相等，這在圖3A中更好地示出了。不過，應當知道，凸起部36和溝槽部38的高度可以變化。該波浪形部34為正弦曲線，并具有間距或寬度W。高度/寬度比優選是小于1。
下面表示了各種幾何形狀特征的表格
圖2A中表示了凸起部角度a。布置在凸起部后邊緣40上的軸向凸起部輪廓表示于圖3C中，并為余弦形狀。凸舌形狀例如可以為正弦函數，對于由溝槽部提供該凸舌(圖3C)的幾何形狀來說，該凸舌形狀布置在溝槽部后邊緣上。該凸舌形狀(或頂角)可以為非常陡峭，從而形成尖頭。可以提供任意合適的凸起部/溝槽部數目。
在圖4A-4C所示的第二變化形式中，溝槽部后邊緣42相對于凸起部后邊緣40凹入。另一變化形式如圖5A-5C中所示，它包括帶有彎曲頂點48的凸舌46，該彎曲頂點48具有末端點50，類似于圖3A-4C中所示的幾何形狀。圖6A-7C具有三角形凸舌46，該凸舌46在其頂點處變成尖點。
凸舌穿透角(penetration angle)β在圖7A中最好地示出。凸舌輪廓54可以為拋物線，以便獲得所需環流。凸舌46相對于凹口44的長度L可以按需選擇。
工作原理為這樣，即該改進的噴嘴后邊緣通過重新定向周向旋渦而在噴射卷流(jet plume)中引入軸向旋渦分量。軸向旋渦引起在下游噴射卷流中的徑向向外運動，并促使低動量周圍流體被夾帶和混合入高速噴射流中。這又干擾和削弱了在卷流中的大尺度湍流結構，從而減小了低頻噪音的發出。在噴嘴附近區域中的軸向旋渦和相關混合通常在高頻處造成寄生噪音，從而降低對總體噪音的有益性。引入軸向旋渦分量的另一缺點是由于非軸向速度分量而引起的推力損失。為了減小高頻噪音和推力損失，本發明利用了通過組合的凸起部-凸舌幾何形狀(三維噴嘴輪廓)而能夠提供的額外自由度。噴嘴后邊緣輪廓的良好設計以一種能減小高頻噪音和推力惡化的形式產生軸向旋渦分量。獨特的幾何形狀能夠改變所引起的軸向旋渦(該軸向旋渦被組成到卷流中的混合結構中)的尺寸、強度、位置、間隔和分布。因此，通過減小高頻噪音惡化來實現總體噪音的更大降低。而且，噴嘴后邊緣的波浪形部和凸舌狀特征提供了幫助獲得所需噴嘴排出特性的附加設計參數(例如用于節流收斂噴嘴和收斂-發散噴嘴)。
參考圖7A-7C所示的結構，該設計的特征是非垂直的凸起部側壁、溝槽部邊緣的曲率、以及溝槽部底部或輪廓54的曲率。該造型、凸起部形狀和比例h/L選擇成可平衡從凸起部和溝槽部區域流出的旋渦量，以避免形成旋渦的高度集中，并以優選方式定位和/或間隔開旋渦中心。優選的凸起部特征(例如形狀和h/w比例)與現有技術的凸起狀混合器的區別在于側壁是基本上不垂直的(以避免高度集中的旋渦和混合)，且h/w比例通常為大約1或更小，從而比凸起部混合器的4-6的比例特征明顯更低。由該結構產生的軸向旋渦利用Reynolds-averaged Navier Stokes計算而獲得。
通過比較計算結果，可以看見，現有技術的人字形三角凸舌將在凸起部底部區域產生局部旋渦集中，而由相鄰凸舌引起的相反旋渦將一起移動。相反，本發明產生一種分布更好，更少集中的圖案。模擬顯示，對旋渦的分布減小了與在初始剪切層中形成小(相對于w)流動尺度相關的混合噪音。
圖1C中表示了本發明的第二實施例，它用于分離流排氣裝置的核心機噴嘴。Reynolds-averaged Navier Stokes計算顯示，對于分離流排氣裝置，延遲主流剪切層和二次流剪切層的相互作用將在給定環流水平下減小高頻混合噪音。與凸舌/人字形的情況相比，圖1C的波浪形鋸齒形噴嘴的高湍流水平的位置在更下游處。由本發明的噴嘴引起的流場能夠被調節以產生旋渦(定心為更靠近凸舌狀的凸起)，以便促進混合結構的徑向向內移動，并因此延遲核心機-風扇和風扇-周圍剪切層的相互作用。
本發明減小了高頻混合噪音惡化。由本發明提供的附加幾何形狀參數能夠調節旋渦分布，以便減小寄生混合噪音。因此，實現了總體噪音的更多減小。特別是，已經發現，與使得旋渦定心成更靠近凸舌/人字形底部的傳統凸舌或人字形相比，在分離流排氣裝置的主流剪切層中引入定心在頂端的旋渦能夠通過延遲主流剪切層和二次流剪切層的相互作用而減小寄生混合噪音。
對于給定的流出環流水平，本發明減小了推力惡化。對于圖7A-7C中所示的本發明實施例，與具有類似平面形狀和相同流出環流的凸舌相比，推力惡化可以減小。與簡單的三角形凸舌或人字形相比，阻力減小42％。因此，本發明的構思提供了更有效的方法來產生軸向旋渦或進行混合。所提高的效率是由于更有效地利用了凸舌的底部區域。因為該底部更寬，因此更可能產生環流。不過，在典型凸舌的設計中，由于相鄰凸舌之間的有限開口面積，因此徑向流在該區域進行節流。這種對徑向流的“阻擋”將引起阻力惡化。在本發明中，(凸起部)溝槽部邊緣的造型結合凸起部特征將能夠增強在該底部區域中的徑向流，從而在沒有增加阻力的情況下產生更多環流。而且，該凸起部提供了一種措施來沿軸向方向引導一部分出口排氣，并調節噴嘴出口的有效面積。這樣，噴嘴邊緣的波浪形部擴展了設計空間，從而能夠優化噴嘴設計，以便減小推力惡化。該優點能夠用于外部或內部塞子(plug)設計。不過，該噴嘴設計可能對內部塞子更有效，因為外部塞子有一些壓力回收。對本發明和傳統人字形的噴嘴推力系數的評估顯示可能有利于推力系數，同時實現相當水平的混合和噪音減小。
本發明可以用于需要收斂-發散噴嘴流動特性的排氣系統。環繞噴嘴周邊的凸起部提供了用于流動發散的區域，它能夠設計成滿足規定的噴嘴面積分布。利用現有技術的設計(例如凸舌和人字形)時，在不犧牲所獲得的混合或噪音減小水平的情況下將不能獲得該效果。
盡管已經介紹了本發明的優選實施例，但是本領域技術人員應當知道，在本發明范圍內可以進行一些變化。因此，下面的權利要求用于確定本發明的真正范圍和內容。
權利要求
1.一種噴嘴，包括環形壁，該環形壁確定了流體流動通道，并包括基座部分和鄰接的出口部分，出口部分包括沿基本上徑向方向的波浪形部，它提供了各自包括后邊緣的凸起部和溝槽部，凸起部后邊緣和溝槽部后邊緣中的一種后邊緣沿基本為軸向方向從凸起部后邊緣和溝槽部后邊緣中的另一種后邊緣凹入，該凸起部后邊緣和溝槽部后邊緣中的所述另一種后邊緣形成頂點，該頂點設在凸舌上，且溝槽部沿軸向方向朝著溝槽部后邊緣徑向向內延伸。
2.根據權利要求1所述的噴嘴，其中所述溝槽部提供了所述凸舌，該凸舌具有形成所述頂點的所述后邊緣。
3.根據權利要求2所述的噴嘴，其中該凸起部后邊緣包括弓形凹口。
4.根據權利要求1所述的噴嘴，其中所述凸舌為v形，從而形成基本為尖的點，該尖點提供了所述頂點。
5.根據權利要求1所述的噴嘴，其中該基座部分的輪廓具有沿輪廓方向軸向延伸的假想表面，該凸起部延伸至假想表面的徑向外側，該溝槽部延伸至假想表面的徑向內側。
6.根據權利要求1所述的噴嘴，其中該凸起部沿基本上軸向方向從該溝槽部凹入。
7.根據權利要求1所述的噴嘴，其中該溝槽部沿基本上軸向方向從該凸起部凹入，該凸起部以大約在0和26度之間的角度徑向向外延伸。
8.根據權利要求7所述的噴嘴，其中該凸起部與該假想表面徑向間隔開近似一高度，該凸起部斷開該假想表面，并確定了一距離，該高度除以該寬度確定的比例為近似1或更小。
9.根據權利要求1所述的噴嘴，其中一平面包括噴嘴的軸線，所述頂點之一處于該平面中，并且，包括該一個頂點的凸舌的邊緣相對于該平面成一角度并提供了一凸舌平臺。
10.根據權利要求1所述的噴嘴，其中沿基本上軸向方向從該凸起部后邊緣和溝槽部后邊緣中的所述另一種后邊緣凹入的、該凸起部后邊緣和溝槽部后邊緣中的所述一種后邊緣形成弓形輪廓。
11.根據權利要求1所述的噴嘴，其中該凸起部和溝槽部提供了正弦周邊輪廓。
12.根據權利要求1所述的噴嘴，其中該凸舌包括沿基本上軸向方向的凸舌輪廓，該凸舌在靠近所述頂點處徑向向內延伸，以便提供相對于該凸舌輪廓的凸舌穿透角。
13.根據權利要求12所述的噴嘴，其中該凸舌輪廓為拋物線形。
14.根據權利要求1所述的噴嘴，其中該噴嘴近似包括6至12個的凸舌和6至12個凸起部。
15.一種燃氣輪機，包括環繞一核心機排氣噴嘴布置的風扇排氣噴嘴，以及位于該核心機排氣噴嘴內的中心體；所述噴嘴之一包括環形壁，該環形壁確定了流體流動通道，并包括基座部分和鄰接的出口部分，出口部分包括沿基本上徑向方向的波浪形部，它提供了各自包括后邊緣的凸起部和溝槽部，凸起部后邊緣和溝槽部后邊緣中的一種后邊緣沿基本為軸向方向從凸起部后邊緣和溝槽部后邊緣中的另一種后邊緣凹入，該凸起部后邊緣和溝槽部后邊緣中的所述另一種后邊緣形成頂點，該頂點設在凸舌上，且溝槽部沿軸向方向朝著溝槽部后邊緣徑向向內延伸。
16.根據權利要求15所述的燃氣輪機，其中所述噴嘴之一是該核心機排氣噴嘴。
17.根據權利要求16所述的燃氣輪機，其中該頂點延伸超過該風扇排氣噴嘴的末端。
18.根據權利要求15所述的燃氣輪機，其中所述噴嘴之一是該風扇排氣噴嘴。
19.根據權利要求18所述的燃氣輪機，其中另一噴嘴包括第二第二環形壁，該第二環形壁確定了第二流體流動通道，并包括第二基座部分和鄰接的第二出口部分，第二出口部分包括沿基本上徑向方向的第二波浪形部，它提供了各自包括第二后邊緣的第二凸起部和第二溝槽部，第二凸起部后邊緣和第二溝槽部后邊緣中的一種后邊緣沿基本為軸向方向從第二凸起部后邊緣和第二溝槽部后邊緣中的另一種后邊緣凹入，該第二凸起部后邊緣和第二溝槽部后邊緣中的所述另一種后邊緣形成第二頂點，該第二頂點設在第二凸舌上，且第二溝槽部沿軸向方向朝著第二溝槽部后邊緣徑向向內延伸。
20.根據權利要求19所述的燃氣輪機，其中該凸舌和第二凸起部的數目相等，所述凸起部和所述第二凸起部彼此徑向對齊。
全文摘要
一種用于燃氣輪機的噴嘴提供有在核心機排氣流噴嘴和/或風扇排氣流噴嘴上的波浪形部。一環形壁確定了流體流動通道，并包括基座部分和鄰接的出口部分。該基座部分通常是大致截頭錐形形狀，并包括沿軸向方向的弓形輪廓。該出口部分包括沿大致徑向方向的波浪形部，它提供了具有后邊緣的凸起部和溝槽部。凸起部后邊緣和溝槽部后邊緣中的一種后邊緣沿大致軸向方向從凸起部后邊緣和溝槽部后邊緣中的另一種后邊緣凹入。該凸起部后邊緣和溝槽部后邊緣中的所述另一種后邊緣形成頂點，該頂點設在凸舌上。溝槽部沿軸向方向朝著溝槽部后邊緣徑向向內延伸。
文檔編號F02K1/00GK1912372SQ20061011481
公開日2007年2月14日 申請日期2006年8月10日 優先權日2005年8月10日
發明者R·A·雷巴, B·E·沃克, S·納拉亞南, T·P·梅德 申請人:聯合工藝公司