一种中心锥设计方法、中心锥及航空发动机技术

本发明专利技术提供一种中心锥设计方法，包括：根据给定的初始参数确定中心锥设计型面起始高度特征点；以中心锥初始型面作为第一模型，以中心锥初始型面叠加径向稳定器作为第二模型，分别计算第一模型和第二模型下堵塞段流道面积随着流向距离的变化规律的第一规律曲线和第二规律曲线；将第二规律曲线沿其极值点朝向第一规律曲线竖直平移得到第三规律曲线；根据第三规律曲线确定中心锥设计型面堵塞段特征点以及中心锥设计型面长度特征点；以及根据起始高度特征点、堵塞段特征点以及长度特征点拟合中心锥设计型面。本发明专利技术以等压力梯度初始型面为基础，优化得到更低总压损失，更小流动分离的中心锥设计型面，本发明专利技术还提供中心锥及具有该中心锥的航空发动机。有该中心锥的航空发动机。有该中心锥的航空发动机。

【技术实现步骤摘要】
一种中心锥设计方法、中心锥及航空发动机


[0001]本专利技术涉及航空发动机
，具体涉及一种中心锥设计方法、由该设计方法得到的中心锥及具有该中心锥的航空发动机。

技术介绍

[0002]加力燃烧室是航空发动机中的关键结构，其由扩压器、点火器、喷嘴、火焰稳定器、隔热屏、筒体等部件构成，起到向燃气或风扇后气流喷油、点火、燃烧，以提高气流温度从而在短期内增大发动机推力的作用，并于上世纪九十年代之前便得到了广泛的应用。
[0003]传统的设计理念中，加力燃烧室的各个部件彼此独立且分工明确，其中的中心锥作为承担加力燃烧室进口气流减速扩压功能的部件，对后续燃烧稳定性起着重要的影响作用，其设计的优劣将直接影响加力燃烧室的燃烧性能。如附图1所示，传统中心锥往往采用等压力梯度设计方法，通过输入进出口参数得到全锥的结构形式，这种设计方法得到的中心锥可以做到在较小的总压损失下产生较好的减速扩压作用。
[0004]然而新一代加力燃烧室中设计指标和性能需求增多，比如出于联焰的需求，径向稳定器位置将被提前至靠近分流环所在的轴向位置，该位置给中心锥上方流道带来了堵塞，造成流道面积的减小。如附图2所示，由于中心锥上方流道的径向稳定器等部件的堵塞作用，此时若继续沿用传统的设计方法，也即，仅考虑进出口参数并基于等压力梯度设计得到的中心锥的结构，将会带来较大的总压损失及流动分离状况。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种中心锥设计方法，其在满足减速扩压要求的基础上充分考虑径向稳定器的堵塞作用，以等压力梯度初始型面为基础，优化得到更低总压损失，更小流动分离的中心锥设计型面，本专利技术还提供由该设计方法得到的中心锥及具有该中心锥的航空发动机。
[0006]本专利技术提供一种中心锥设计方法，包括以下步骤：
[0007]根据给定的初始参数确定中心锥设计型面起始高度特征点；
[0008]以中心锥初始型面作为第一模型，以中心锥初始型面叠加径向稳定器作为第二模型，分别计算第一模型和第二模型下堵塞段流道面积随着流向距离的变化规律的第一规律曲线和第二规律曲线；
[0009]将所述第二规律曲线沿其极值点朝向所述第一规律曲线竖直平移得到第三规律曲线；
[0010]根据所述第三规律曲线确定中心锥设计型面堵塞段特征点以及中心锥设计型面长度特征点；
[0011]以及根据所述起始高度特征点、所述堵塞段特征点以及所述长度特征点拟合中心锥设计型面。
[0012]优选地，所述的中心锥设计方法还包括以下步骤：
[0013]计算第一规律曲线和第二规律曲线在所述极值点的横坐标处的纵坐标差值g；以及
[0014]在将所述第二规律曲线沿其极值点朝向所述第一规律曲线竖直平移得到所述第三规律曲线时，使所述竖直平移距离Δy小于所述纵坐标差值g。
[0015]优选地，所述的中心锥设计方法还包括以下步骤：
[0016]计算所述第三规律曲线的末端点横坐标处的径向稳定器宽度w以及中心锥半径R，结合径向稳定器个数n计算n
·
w是否小于2πR，进而验证各径向稳定器彼此独立，无结构上的重合。
[0017]优选地，确定所述堵塞段特征点的步骤包括：根据所述第三规律曲线求出中心锥设计型面堵塞段处一系列特征点，所述系列特征点等距地对应流向位置，且分别标识出对应流向位置处的中心锥半径。
[0018]优选地，确定所述长度特征点的步骤包括：根据所述堵塞段特征点的最后两点所连成的直线与横轴的交点得到所述设计型面长度特征点。
[0019]优选地，所述的中心锥设计方法还包括以下步骤：
[0020]根据给定的初始参数确定中心锥初始型面的长度L
D
；以及验证所述长度特征点的横坐标L是否不大于中心锥初始型面的长度L
D
。
[0021]优选地，拟合所述中心锥设计型面的步骤包括：根据所述起始高度特征点、所述堵塞段特征点以及所述长度特征点，以三次曲线方法进行数据拟合，并验证所述数据拟合的决定系数R的平方是否不小于0.99。
[0022]优选地，所述的中心锥设计方法还包括以下步骤：
[0023]对所述第一模型、所述第二模型和第三规律曲线所对应的第三模型分别建模，并在同一工况下进行数值模拟；
[0024]验证第三模型下的总压恢复系数是否大于第二模型；以及在垂直于周向的方向上建立分析截面，并验证在所述分析截面上，第三模型的中心锥型面出现逆向速度梯度的起始点处对应的纵坐标是否小于第二模型。
[0025]优选地，所述的中心锥设计方法还包括以下步骤：
[0026]根据给定的初始参数确定中心锥初始型面，其包括以下步骤：
[0027]根据初始参数中的内涵气流进出口高度、所述起始高度特征点与当量扩张角计算中心锥初始型面的长度；
[0028]根据初始参数中的进口总压及总压恢复系数计算中心锥后内涵气流总压；
[0029]根据总压下降规律计算得到中心锥初始型面长度范围内以流向位置为自变量的总压函数；
[0030]根据初始参数中的进口马赫数、出口马赫数和总温计算得到中心锥初始型面长度范围内以流向位置为自变量的速度函数；
[0031]基于初始参数中的总温和流量，以及计算得到的所述速度函数和总压函数计算得到中心锥初始型面长度范围内以流向位置为自变量的流道面积函数；以及基于初始参数中的内涵出口面积和计算得到的所述流道面积函数计算得到中心锥初始型面长度范围内以流向位置为自变量的中心锥半径函数。
[0032]优选地，所述的中心锥设计方法还包括以下步骤：
[0033]给定的初始参数包括具有确定数值的第一系列初始参数以及具有可选范围的第二系列初始参数，当存在至少一个验证步骤不成立时，则调整所述第二系列初始参数并重新设计，直到所有验证步骤均满足要求。
[0034]本专利技术还提供一种中心锥，其根据如前文任一项实施例所述的中心锥设计方法设计得到。
[0035]本专利技术还提供一种航空发动机，其包括前文实施例所述的中心锥。
[0036]基于以上
技术实现思路
，本专利技术提供的中心锥设计方法在满足减速扩压要求的基础上充分考虑径向稳定器的堵塞作用，以等压力梯度初始型面为基础，优化得到更低总压损失，更小流动分离的中心锥设计型面。
附图说明
[0037]附图用来提供对本专利技术技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本专利技术的技术方案，并不构成对本专利技术技术方案的限制。
[0038]图1是加力燃烧室内采用等压力梯度设计方法设计出的中心锥初始型面示意图；
[0039]图2是加力燃烧室中心锥加上径向稳定器示意图；
[0040]图3是中心锥初始型面上方无径向稳定器堵塞第一模型、有径向稳定器堵塞的第二模型以及设计型面有径向稳定器堵塞第三模型流道面积随流向分布规律；
[0041]图4是第三模型流向面积随流向分布的第三规律曲线末端点处中心锥垂直本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种中心锥设计方法，其特征在于，包括以下步骤：根据给定的初始参数确定中心锥设计型面起始高度特征点；以中心锥初始型面作为第一模型，以中心锥初始型面叠加径向稳定器作为第二模型，分别计算第一模型和第二模型下堵塞段流道面积随着流向距离的变化规律的第一规律曲线和第二规律曲线；将所述第二规律曲线沿其极值点朝向所述第一规律曲线竖直平移得到第三规律曲线；根据所述第三规律曲线确定中心锥设计型面堵塞段特征点以及中心锥设计型面长度特征点；以及根据所述起始高度特征点、所述堵塞段特征点以及所述长度特征点拟合中心锥设计型面。2.根据权利要求1所述的中心锥设计方法，其特征在于，还包括以下步骤：计算第一规律曲线和第二规律曲线在所述极值点的横坐标处的纵坐标差值g；以及在将所述第二规律曲线沿其极值点朝向所述第一规律曲线竖直平移得到所述第三规律曲线时，使所述竖直平移距离Δy小于所述纵坐标差值g。3.根据权利要求1或2所述的中心锥设计方法，其特征在于，还包括以下步骤：计算所述第三规律曲线的末端点横坐标处的径向稳定器宽度w以及中心锥半径R，结合径向稳定器个数n计算n
·
w是否小于2πR，进而验证各径向稳定器彼此独立，无结构上的重合。4.根据权利要求3所述的中心锥设计方法，其特征在于，确定所述堵塞段特征点的步骤包括：根据所述第三规律曲线求出中心锥设计型面堵塞段处一系列特征点，所述系列特征点等距地对应流向位置，且分别标识出对应流向位置处的中心锥半径。5.根据权利要求4所述的中心锥设计方法，其特征在于，确定所述长度特征点的步骤包括：根据所述堵塞段特征点的最后两点所连成的直线与横轴的交点得到所述设计型面长度特征点。6.根据权利要求5所述的中心锥设计方法，其特征在于，还包括：根据给定的初始参数确定中心锥初始型面的长度L
D
；以及验证所述长度特征点的横坐标L是否不大于中心锥初始型面的长度L
D
。7.根据权利要求6所述的中心锥设...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘玉英，唐维璐，刘广海，张权，何志杰，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：