大涵道比發動機分開式排氣噴管氣動設計方法

2023-04-28 02:07:26

專利名稱：：大涵道比發動機分開式排氣噴管氣動設計方法
技術領域：
：本發明屬於大涵道比發動機分開式排氣噴管氣動設計領域。
背景技術：
：文獻Anumericalinvestigationintothenozzleflowofhighby-passratioturbofans[92-GT-10,H.ZIMMERMANN]提出了用一些參數來表示噴管外形的想法，但它的內涵噴管不是塞式噴管，在此文中並沒有給出用這些變量來建立內、外涵噴管的氣動外形的數學模型。H.ZIMMERMANN仔細討論了外涵噴管的氣動外形設計，認為外涵噴管的設計原則是在噴管內取得儘可能多的膨脹，因為推力構成中的動量項比壓力項能帶來更大的推力，並認為圖1中的構型"C"外涵噴管的後錐體壁面會有一個局部的壓力衰減區，噴氣流對外涵噴管後錐體壁面的壓力會很小。為了獲得最大的推力，需要平衡構型"C"的流道型面和外涵噴管後錐體傾角。構型"C"的外涵噴管後體角是11°。圖1是文獻中列出的5種外涵噴管結構。H.Zimmermann認為圖1中的構型"C"性能最好，原因是構型"C"的外涵噴管後錐體局部會有一個壓力"凹陷"區(Depression)，這種結構能讓外涵後錐體壁面的靜壓小，從而外涵出口推力大。這是一種解釋。但我們認為構型"C"的性能高的原因是外涵出口的速度場比其它結構外涵出口的速度場均勻(可以對比其它四種結構)，均勻的速度場是和均勻的壓力場、均勻的溫度場聯繫在一起的，而出口流場的均勻會導致較大的推力
發明內容本發明的目的是提供一種大涵道比發動機分開式排氣噴管氣動設計方法，既適合於軍用運輸機，又適合於民用客機。本發明提供一種大涵道比發動機分開式排氣噴管氣動設計方法，採用參數化設計，以直線段的形式構成噴管氣動外形，直線段之間用圓弧光滑連接，具體流程為用於定義噴管氣動設計初始參數並賦值的步驟一；用於按照噴管外形的幾何關係求解其它參數並建立數學模型的步驟用於生成由步驟一、二參數控制的噴管外形的步驟三，噴管外形參見圖3;用於檢驗氣動外形是否達到了要求的氣動性能的步驟四——如是，則結束設計流程；如否，則返回步驟一重新開始流程。本發明提供的大涵道比發動機分開式排氣噴管氣動設計方法，設計時對於外涵噴管在流通截面積上用收斂的形式；內涵噴管採用收斂一擴張的形式。本發明提供的大涵道比發動機分開式排氣噴管氣動設計方法，步驟一中的初始參數包括外涵噴管外側出口傾角、外涵噴管後錐體傾角、外涵噴管出口外側頂點坐標、內涵噴管後錐體傾角及內涵噴管的喉部面積和出口面積的比值。本發明提供的大涵道比發動機分開式排氣噴管氣動設計方法，所述的步驟三為用計算機編程並生成內外涵噴管外形，同時生成一個適合於Gambit處理的jou文件，其中採用的編程軟體可以是MATLAB、VB、C語言等；所述的步驟四為用Gambit執行步驟三生成的jou文件，生成一個msh文件，用Fluent調用msh文件並計算出這種氣動外形是否達到了要求的氣動性能。本發明提供的大涵道比發動機分開式排氣噴管氣動設計方法，可以快速地設計出一種內外涵噴管流路方案並驗證其是否可行能夠顯著地降低設計周期，保證加工方法簡單。圖l不同結構外形的外涵噴管速度分布圖2設計流程圖3某大涵道比發動機分開式排氣噴管幾何外形具體實施例方式大涵道比發動機分開式排氣噴管設計時採用下面的特徵為減少飛行阻力，外涵噴管設計成外部膨脹噴管，在流通截面積上用收斂的形式；內涵噴管被設計成混合膨脹噴管，在流通截面積上採用收斂一擴張的形式。用直線段的形式構成噴管氣動外形，直線段之間用圓弧連接。對某大涵道比發動機分開式排氣噴管按照如下步驟進行氣動設計——具體步驟為定義噴管氣動設計初始參數的步驟一,包括外涵噴管外側出口傾角"3、外涵噴管後錐體傾角A、外涵噴管出口外側頂點坐標J、內涵噴管後錐體傾角^及內涵噴管的面積比A9/A8,全部詳細參數設置見表1，其中部分參數預先賦值，其餘參數根據圖3所示的幾何關係在直角坐標系中求解表1噴管幾何外形參數變量的定義tableseeoriginaldocumentpage7及3CVV段和iVA段倒圓弧的半徑(預先賦值)，mm及4A^段和AC段倒圓弧的半徑(預先賦值)，mm及5O力段和CZ)段倒圓弧的半徑(預先賦值)，mm^G段和^段倒圓弧的半徑(預先賦值)，mm及7eG段和(^段倒圓弧的半徑(預先賦值)，mm外涵噴管出口A與波峰Al的水平距離(或B點到Bl點的水平距離)，mm(預先賦值)內錐末端截面的半徑，即￡/的長度(預先賦值)，mm用於按照噴管外形的幾何關係求解其它參數並建立數學模型的步驟下面對一些重要參數進行求解，求解方式不唯一。以發動機的中心線為橫軸，以Op02連線與發動機中心線交點為原點，建立直角坐標系。首先由A點的坐標，利用外涵噴管的喉部面積(結構上)，確定出B點的坐標。J點的坐標對短艙設計來說也是一個非常重要的量。X力的大小和短艙的長度有直接的關係，^的大小能影響到短艙的飛行阻力。經過仔細分析並對照，發現i;的大小在^上下。..........................................").......................................(2)再利用A、"3、A，就可以確定出4、A的坐標。為使外涵噴管出口流場均勻，A需要設計成和A相等。yfll=:rfl+Vtan(A).................................(4)WA.......................................(5)formulaseeoriginaldocumentpage8(6)由5點的坐標、03點的坐標、A可以確定出Z)點的坐標W^kz^....................................(7)tan(A)^=&3.............................................(8)由D點的坐標和內涵噴管的喉部面積(結構上)，就可以確定出G點的坐標(O力是水平線段)"&一A.......................................(10)由G點的坐標、&、A，就可以確定￡、/兩點的坐標....................................(11)￡tan")..........................................(12)A-JiT五..........................................(13)K=0..........................................(14)內涵噴管為收斂一擴散噴管，zx段為喉部，收斂噴管的面積比4/4由設計點狀態的落壓比確定，但最好不要超過1.07，在這裡記為j及。內涵噴管的出口位置C、//兩點坐標現在還沒有確定，可以由^/^的面積比^確定。解下面的一元二次方程(Zc-J^)2(ten2(A)-t肌2(^》+(2.IVtan(/3)-2.yG.tan(y3)).(^rc—一1).^=0........................(15)方程式中只有一個未知量j^。可以解上述一元二次方程求解出-zD的值，進而求出a的值。M、AT、e是兩條直線的交點，坐標由下面的表達式確定x=4-Ki-tan("i)'&+tan("2)L..................(16)mtan(ar2)-tan("t)yM-y01+tan(a2)(;rM-X01)..............................(17)formulaseeoriginaldocumentpage10氣動性能。如果這種氣動外形沒有達到要求，再重新輸入參量的值，直至滿足設計要求。使用Fluent對圖3所示某大涵道比發動機分開式排氣噴管進行氣動分析，結果如下表3Fluent計算出的噴管的性能參數tableseeoriginaldocumentpage11從表3和表4的結果可以看出，噴管的氣動性能達到了總體的指標要求。權利要求1、大涵道比發動機分開式排氣噴管氣動設計方法，其特徵在於採用參數化設計，以直線段的形式構成噴管氣動外形，直線段之間用圓弧光滑連接，具體流程為用於定義噴管氣動設計初始參數並賦值的步驟一；用於按照噴管外形的幾何關係求解其它參數並建立數學模型的步驟二；用於生成由步驟一、二參數控制的噴管外形的步驟三；用於檢驗氣動外形是否達到了要求的氣動性能的步驟四——如是，則結束設計流程；如否，則返回步驟一重新開始流程。2、按照權利要求1所述的大涵道比發動機分開式排氣噴管氣動設計方法，其特徵在於步驟一中的初始參數包括外涵噴管外側出口傾角、外涵噴管後錐體傾角、外涵噴管出口外側頂點坐標、內涵噴管後錐體傾角及內涵噴管的喉部面積和出口面積的比值。3、按照權利要求1或2所述的大涵道比發動機分開式排氣噴管氣動設計方法，其特徵在於所述的步驟三為用計算機編程並生成內外涵噴管外形，同時生成一個適合於Gambit處理的jou文件;所述的步驟四為用Gambit執行步驟三生成的jou文件，生成一個msh文件，用Fluent調用msh文件並計算出這種氣動外形是否達到了要求的氣動性能。4、按照權利要求3所述的大涵道比發動機分開式排氣噴管氣動設計方法，其特徵在於所述的步驟三中的編程軟體為MATLAB、VB或C語言。5、按照權利要求4所述的大涵道比發動機分開式排氣噴管氣動設計方法，其特徵在於所述的噴管氣動外形，對於外涵噴管在流通截面積上用收斂的形式；內涵噴管採用收斂一擴張的形式。全文摘要大涵道比發動機分開式排氣噴管氣動設計方法，其特徵在於採用參數化設計，以直線段的形式構成噴管氣動外形，直線段之間用圓弧光滑連接，具體流程為用於定義噴管氣動設計初始參數並賦值的步驟一；用於按照噴管外形的幾何關係求解其它參數並建立數學模型的步驟二；用於生成由步驟一、二參數控制的噴管外形的步驟三；用於檢驗氣動外形是否達到了要求的氣動性能的步驟四——如是，則結束設計流程；如否，則返回步驟一重新開始流程。本發明提供的大涵道比發動機分開式排氣噴管氣動設計方法，可以快速地設計出一種內外涵噴管流路方案並驗證其是否可行能夠顯著地降低設計周期，保證加工方法簡單。文檔編號G06F17/50GK101676918SQ20081001324公開日2010年3月24日申請日期2008年9月18日優先權日2008年9月18日發明者葉留增,張錦繡,東汪,賈東兵,邵萬仁,龔正真申請人:中國航空工業第一集團公司瀋陽發動機設計研究所