一种收扩喷管全环冷却结构流路尺寸快速设计方法技术

本申请属于航空发动机设计领域，特别涉及一种收扩喷管全环冷却结构流路尺寸快速设计方法。包括：步骤一、确定所述收扩喷管全环冷却结构的基础构型；步骤二、获取地面全加力状态的设计参数；步骤三、根据所述设计参数确定收敛段冷却通道长度；步骤四、计算冷却通道出口尺寸；步骤五、计算冷却通道进口尺寸。本申请的收扩喷管全环冷却结构流路尺寸快速设计方法，可以根据给定设计输入，通过计算快速得到全环冷却方案冷却流路全部关键尺寸，克服了传统冷却方案设计方法设计周期长、工作量大的缺点。工作量大的缺点。工作量大的缺点。

【技术实现步骤摘要】
一种收扩喷管全环冷却结构流路尺寸快速设计方法


[0001]本申请属于航空发动机设计领域，特别涉及一种收扩喷管全环冷却结构流路尺寸快速设计方法。

技术介绍

[0002]随着航空发动机排气温度的逐渐提高，喷管内流道构件受到的温度载荷越来越高，为提高喷管冷却效率，全环冷却方案逐步得到应用。全环冷却方案可在喷管收敛段形成周向连续的冷却通道，使气膜更加均匀、全面的覆盖整个喷管内流道面，大幅提高喷管的冷却效率、提升喷管可靠性。
[0003]现有的全环冷却方案设计方法是根据三维CFD仿真的结果不断对几何模型进行迭代优化，以使冷却气流量和冷却效果满足设计要求。此方法需要反复开展几何建模、三维CFD仿真、结果分析、模型优化的迭代过程，会使设计过程过于漫长和繁琐。亟需一种快速的全环冷却方案关键结构尺寸设计方法，以在设计初期快速得到满足设计要求的结构尺寸参数。
[0004]因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

技术实现思路

[0005]本申请的目的是提供了一种收扩喷管全环冷却结构流路尺寸快速设计方法，以解决现有技术存在的至少一个问题。
[0006]本申请的技术方案是：
[0007]一种收扩喷管全环冷却结构流路尺寸快速设计方法，包括：
[0008]步骤一、获取所述收扩喷管全环冷却结构，确定所述收扩喷管全环冷却结构的流路尺寸参数，所述流路尺寸参数包括收敛段冷却通道长度、冷却通道出口尺寸以及冷却通道进口尺寸；
[0009]步骤二、获取地面全加力状态的设计参数；
[0010]步骤三、根据所述设计参数确定收敛段冷却通道长度；
[0011]步骤四、计算冷却通道出口尺寸，包括：
[0012]S41、根据所述设计参数计算出冷却通道出口宽度；
[0013]S42、根据所述冷却通道出口宽度计算出冷却通道冷却气流量；
[0014]S43、通过2维CFD数值仿真计算得到收敛段壁面静压分布；
[0015]S44、建立冷却通道出口尺寸与冷却气流量的关系计算模型，根据所述关系计算模型以及所述收敛段冷却通道长度计算出冷却通道出口高度；
[0016]步骤五、计算冷却通道进口尺寸，包括：
[0017]S51、根据所述设计参数计算出冷却通道进口高度；
[0018]S52、根据所述设计参数以及所述冷却通道冷却气流量计算出冷却通道进口宽度。
[0019]在本申请的至少一个实施例中，所述收扩喷管全环冷却结构包括依次连接的加力
筒体、收敛段以及扩张段，所述收敛段包括收敛调节片组件以及盒式收敛密封片，所述收敛调节片组件与所述盒式收敛密封片沿周向间隔布置形成整环结构，所述收敛调节片组件包括收敛调节片底板以及位于所述收敛调节片底板径向内侧的收敛调节片隔热屏，所述收敛调节片底板与所述收敛调节片隔热屏之间形成调节片冷却通道，所述盒式收敛密封片内部形成密封片冷却通道。
[0020]在本申请的至少一个实施例中，步骤二中，所述设计参数包括：气动设计参数以及几何设计参数，其中，
[0021]所述气动设计参数包括：喷管进口内涵总温T
t7
、喷管进口外涵总温T
t17
、喷管进口内涵总压P
t7
、喷管进口外涵总压P
t17
以及最大外涵冷却气总流量
[0022]所述几何设计参数包括：加力隔热屏出口高度H
jl
、喷管入口半径R7、喷管喉道半径R8以及收敛段长度Lc。
[0023]在本申请的至少一个实施例中，步骤三中，所述根据所述设计参数确定收敛段冷却通道长度包括：
[0024]收敛段冷却通道长度L为：
[0025]L＝α
·
L
c
[0026]其中，Lc为收敛段长度，α为0.7～0.95。
[0027]在本申请的至少一个实施例中，S41中，所述根据所述设计参数计算出冷却通道出口宽度包括：
[0028]根据盒式收敛密封片的宽度确定密封片冷却通道出口宽度W
m2
；
[0029]调节片冷却通道出口宽度W
t2
为：
[0030][0031]其中，R8为喷管喉道半径，n为周向单元的个数，每个周向单元包括一个收敛调节片组件和一个盒式收敛密封片。
[0032]在本申请的至少一个实施例中，S42中，所述根据所述冷却通道出口宽度计算出冷却通道冷却气流量包括：
[0033]计算每个周向单元分配到的冷却气流量
[0034][0035]其中，为最大外涵冷却气总流量；
[0036]调节片冷却通道出口流出的冷却气流量为：
[0037][0038]密封片冷却通道出口流出的冷却气流量为：
[0039][0040]其中，c为收敛调节片组件与盒式收敛密封片单位周向长度上分配的冷却气流量比。
[0041]在本申请的至少一个实施例中，S43中，所述通过2维CFD数值仿真计算得到收敛段
壁面静压分布包括：
[0042]建立收扩喷管全环冷却结构模型进行2维CFD数值仿真计算，得到收敛段壁面静压分布：
[0043]P
s
＝f(L)
[0044]其中，L为收敛段冷却通道长度。
[0045]在本申请的至少一个实施例中，S44中，所述建立冷却通道出口尺寸与冷却气流量的关系计算模型，根据所述关系计算模型以及所述收敛段冷却通道长度计算出冷却通道出口高度包括：
[0046]建立冷却通道出口尺寸与冷却气流量的关系计算模型：
[0047][0048][0049][0050][0051]根据所述关系计算模型，得到调节片冷却通道出口高度H
t2
与收敛段冷却通道长度L的关系：
[0052]H
t2
＝g1(L)
[0053]将收敛段冷却通道长度L代入上式，得到调节片冷却通道出口高度H
t2
；
[0054]根据所述关系计算模型，得到密封片冷却通道出口高度H
m2
与收敛段冷却通道长度L的关系：
[0055]H
m2
＝g2(L)
[0056]将收敛段冷却通道长度L代入上式，得到密封片冷却通道出口高度H
m2
；
[0057]其中，K为等于0.04042，P
t17
为喷管进口外涵总压，T
t7
为喷管进口内涵总温，k为气体常数，M
a
为当地马赫数。
[0058]在本申请的至少一个实施例中，S51中，所述根据所述设计参数计算出冷却通道进口高度包括：
[0059]调节片冷却通道进口高度H
t1
为：
[0060]H
t1
＝H
jl
[0061]密封片冷却通道进口高度H
m1
为：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种收扩喷管全环冷却结构流路尺寸快速设计方法，其特征在于，包括：步骤一、获取所述收扩喷管全环冷却结构，确定所述收扩喷管全环冷却结构的流路尺寸参数，所述流路尺寸参数包括收敛段冷却通道长度、冷却通道出口尺寸以及冷却通道进口尺寸；步骤二、获取地面全加力状态的设计参数；步骤三、根据所述设计参数确定收敛段冷却通道长度；步骤四、计算冷却通道出口尺寸，包括：S41、根据所述设计参数计算出冷却通道出口宽度；S42、根据所述冷却通道出口宽度计算出冷却通道冷却气流量；S43、通过2维CFD数值仿真计算得到收敛段壁面静压分布；S44、建立冷却通道出口尺寸与冷却气流量的关系计算模型，根据所述关系计算模型以及所述收敛段冷却通道长度计算出冷却通道出口高度；步骤五、计算冷却通道进口尺寸，包括：S51、根据所述设计参数计算出冷却通道进口高度；S52、根据所述设计参数以及所述冷却通道冷却气流量计算出冷却通道进口宽度。2.根据权利要求1所述的收扩喷管全环冷却结构流路尺寸快速设计方法，其特征在于，所述收扩喷管全环冷却结构包括依次连接的加力筒体、收敛段以及扩张段，所述收敛段包括收敛调节片组件以及盒式收敛密封片(3)，所述收敛调节片组件与所述盒式收敛密封片(3)沿周向间隔布置形成整环结构，所述收敛调节片组件包括收敛调节片底板(1)以及位于所述收敛调节片底板(1)径向内侧的收敛调节片隔热屏(2)，所述收敛调节片底板(1)与所述收敛调节片隔热屏(2)之间形成调节片冷却通道，所述盒式收敛密封片(3)内部形成密封片冷却通道。3.根据权利要求2所述的收扩喷管全环冷却结构流路尺寸快速设计方法，其特征在于，步骤二中，所述设计参数包括：气动设计参数以及几何设计参数，其中，所述气动设计参数包括：喷管进口内涵总温T
t7
、喷管进口外涵总温T
t17
、喷管进口内涵总压P
t7
、喷管进口外涵总压P
t17
以及最大外涵冷却气总流量所述几何设计参数包括：加力隔热屏出口高度H
jl
、喷管入口半径R7、喷管喉道半径R8以及收敛段长度Lc。4.根据权利要求3所述的收扩喷管全环冷却结构流路尺寸快速设计方法，其特征在于，步骤三中，所述根据所述设计参数确定收敛段冷却通道长度包括：收敛段冷却通道长度L为：L＝α
·
L
c
其中，Lc为收敛段长度，α为0.7～0.95。5.根据权利要求4所述的收扩喷管全环冷却结构流路尺寸快速设计方法，其特征在于，S41中，所述根据所述设计参数计算出冷却通道出口宽度包括：根据盒式收敛密封片的宽度确定密封片冷却通道出口宽度W
m2
；调节片冷却通道出口宽度W
t2
为：
其中，R8为喷管喉道半径，n为周向单元的个数，每个周向单元包括一个收敛调节片组件和一个盒式收敛密封片。6.根据权利要求5所述的收扩喷管全环冷却结构流路尺寸快速设计方法，其特征在于，S42中，所述根据所述冷却通道出口宽度计算出冷却通道冷却气流量包括：计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘鑫峰，赵春生，张少丽，周吉利，徐速，
申请(专利权)人：中国航发沈阳发动机研究所，
类型：发明
国别省市：