环形曲壁扩张角迎流设计方法

1.本发明涉及环形曲壁扩张角设计技术领域，更具体地说，本发明涉及环形曲壁扩张角迎流设计方法。


背景技术：

2.在进行主燃烧室前置扩压器设计时，不论是高温升主燃烧室设计还是低污染主燃烧室设计，我们通常参考《航空发动机设计手册》第九册中的设计方法，其中因“环形直壁扩张角对称”、“环形直壁内壁扩张角为零”、“环形直壁外壁扩张角为零”、“突扩扩压器”等设计方法简便快捷而选用居多。
3.但是多会在前置扩压器壁面临近出口处出现分离旋涡，导致压力损失会较大，其次考虑到压力损失这一关键因素，“等压力梯度造型”、“等速度梯度造型”“双纽线扩压器”、“混合造型扩压器”等设计方法也多被选用，但是由于其出口壁面张角过大，且加工困难等因素导致应用范围有限。
4.因此我们提出了环形曲壁扩张角迎流设计方法来解决上述问题。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供环形曲壁扩张角迎流设计方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：环形曲壁扩张角迎流设计方法，包括以下设计方法：
7.前置扩压器设计方法；
8.衔接段的设计方法；
9.a点为前置扩压器进口截面中线中点与出口截面中线中点连线的中点，n壁面与p壁面的延长线相交于一点c点，设计时c点与b点连线bc线垂直于弧线j线，b点与a点连线ab线与y轴方向一致；
10.此外，p线设计时与j线尽量平行，即保证p线与j线间隔没有太大变化，一般间隔为圆弧“1”的直径；
11.g线是与火焰筒直线段平行的机匣直线段，其前端点位于旋流器中间，即g线前端点与旋流器中点连线垂直于o线，t线两端尽量与n线和g线相切，即顺滑处理。
12.在一个优选地实施方式中，前置扩压器设计方法中，在前置扩压器的前端一截用直线段来设计以达到与燃烧室进口来流方向一致的目的，设计时前置扩压器下壁面比上壁面直线段稍长，依据设计经验，一般l线长度建议初次取值是i线的1-3倍，上壁面直线段长度初次取值是l
pred
的0.1-0.2倍，前置扩压器上下壁面直线段的具体长度还需结合仿真结果调整。
13.在一个优选地实施方式中，为保证前置扩压器出口气流方向与燃烧室中心轴线一致，设计前置扩压器出口截面与o线垂直，且k线中点落在o线上。
14.在一个优选地实施方式中，由于前置扩压器出口面积与入口面积之比即面积比ar一定，则可以通过面积比ar确定前置扩压器k线两端位置，然后分别在前置扩压器上下壁面各画一圆弧衔接直线段与k线两端位置，在设计过程中，尽量保证j线与i线相切，m线与l线相切，即尽量保证顺滑连接，不一定非要相切；在设计时，也可依据所设计燃烧室的情况酌情增加圆弧段数量，但为方便加工，上下壁面圆弧段数量≤3。
15.在一个优选地实施方式中，衔接段的设计中，衔接j壁面与p壁面的圆弧段“1”，衔接m壁面与q壁面的圆弧段“3”，衔接p壁面与n壁面的圆弧段“2”，衔接q壁面与r壁面的圆弧段“4”，其圆弧半径取值一般为1-5mm，在设计衔接段时，尽量保证圆弧段“1”“2”“3”“4”的两端与衔接壁面相切，达到顺滑连接的效果，n壁面与p壁面构成外突扩角，r壁面与q壁面构成外突扩角，依据设计经验，外突扩角初始取值建议45
°
，内突扩角初始取值建议40
°
，然后依据总压损失系数和静压恢复系数迭代优化。
16.在一个优选地实施方式中，以外环腔进口总压、内环腔进口总压和帽罩进口总压三者平均值为扩压器出口总压ptd，计算所得的扩压器总压损失系数一般低于0.5％，以外环腔进口静压、内环腔进口静压和帽罩进口静压三者平均值为扩压器出口静压psd，计算所得的扩压器静压恢复系数一般高于0.78。
17.在一个优选地实施方式中，h线为前置扩压器进口截面中线，k线为出口截面中线，o线为燃烧室中心轴线，j线上壁面圆弧段，i线上壁面直线段，m线下壁面圆弧段，l线为下壁面直线段。
18.本发明的技术效果和优点：
19.本发明提出扩压器设计方法
‑‑“
环形曲壁扩张角迎流设计”，其不仅考虑到燃烧室倾角问题，便于帽罩设计时帽罩进口平均半径落在前置扩压器中心流线延长线上，保证进气的顺畅，且其对压气机出口流场畸变不敏感，扩压器总压损失系数更是远低于设计时2％的设计标准，一般小于0.5％，静压恢复系数也一般高于0.78，该方法是在“突扩扩压器”、“环形直壁扩张角对称”方法上进行优化产生的，简捷实用。
附图说明
20.图1为主燃烧室结构图；
21.图2为扩压器长宽比设计图；
22.图3为excel表ε＝f(ar)；
23.图4为环形直壁扩张角对称前置扩压器几何形状；
24.图5为环形直壁前置扩压器几何形状；
25.图6为前置扩压器速度分布矢量图；
26.图7为环形曲壁扩张角迎流设计；
27.图8为外突扩角设计；
28.图9为突扩壁面设计；
29.图10为低污染中心分级燃烧室扩压器部件；
30.图11为低污染中心分级燃烧室扩压器速度矢量分布图。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.参照图1-11，环形曲壁扩张角迎流设计方法，以目前在设计的低污染中心分级先进燃烧室为例。
33.表1低污染中心分级燃烧室研究工况
[0034][0035]
表2低污染中心分级燃烧室气量分配
[0036][0037]
表3低污染中心分级燃烧室各结构尺寸参数
[0038]
[0039][0040]
该低污染中心分级燃烧室为环形燃烧室，共20个头部，本文以单头部低污染中心分级燃烧室设计为例，所设计完成的主燃烧室如图1所示。
[0041]
包括以下设计方法：
[0042]
先计算燃烧室倾角
[0043]
燃烧室进口中点半径：316.04+295.18＝305.61mm
[0044]
燃烧室出口中点半径：395.50+331.70＝363.6mm
[0045][0046]
图2中，横坐标为无量纲长度纵坐标为面积比ar。
[0047]
经验公式(对应左图虚线处)：
[0048][0049][0050]
式中，h即前置扩压器入口高度，l
pred
为前置扩压器x方向上的长度，其中，h＝燃烧室进口外径，r
3.0
—燃烧室进口内径，r3.0＝20.86mm。
[0051]
在燃烧室设计过程中，留给前置扩压器和突扩间隙的x方向投影距离为138.2520mm，如图1所示。
[0052]
理想静压恢复系数为：
[0053][0054]
实际静压恢复系数为：
[0055][0056]
扩压器效率：
[0057][0058]
在806.65k、1752.99kpa条件下，通过查表插值计算得比热容比γ＝1.3553。
[0059]
前置扩压器的总压损失：
[0060][0061]
前置扩压器出口马赫数m
3.1
：
[0062][0063]
突扩段的总压损失：
[0064][0065]
式中，
[0066]a3.0
＝2002.7730mm2，
[0067]aref
＝14478.3580mm2，
[0068][0069]
整个扩压段的总压损失：
[0070]
ε
t
＝1-(1-ε
pd
)(1-ε
dd
)
[0071]
一般而言，扩压器的损失要小于压气机出口总压的2％。
[0072]
突扩间隙比存在最佳值，使得扩压器静压恢复系数最大，总压损失系数最小。
[0073]
因此，根据上述扩压器关键性能参数制定excel表ε＝f(ar)对比分析，如图3所示：
[0074]
根据设计经验和调研文献，突扩间隙范围一般在51-56mm，综合分析之后最终确定ar取值为ar＝1.84，则
[0075][0076][0077][0078][0079]
综上：前置扩压器进口高度h＝20.86mm，前置扩压器出口面积与入口面积之比即ar＝1.84，前置扩压器长度l
pred
＝84.2520mm，前置扩压器的扩张角＝5.9367
°
。
[0080]
根据已有几何条件检查应在4
°
至8
°
范围内，符合要求。
[0081]
以上为一般“环形直壁扩张角对称”前置扩压器设计方法，设计出的前置扩压器如图4所示，即前置扩压器的中心流线与燃烧室中心轴线不在同一方向上，帽罩进口平均半径很难落在前置扩压器中心流线延长线上来保证进气的顺畅，会增加帽罩设计时的难度，也
容易在临近前置扩压器出口处壁面出现分离旋涡，即产生回流，形成稳定失速分离区。
[0082]
此时若在保证前置扩压器l
pred
和ar的前提下使前置扩压器的中心流线与燃烧室中心轴线方向一致，则如图5所示，此时，虽然帽罩进口平均半径较容易落在前置扩压器中心流线延长线上，保证了进气的顺畅，但是前置扩压器中心流线与压气机出口气流即燃烧室进口来流方向不一致，即对燃烧室进口来流不顺应，极易出现如图6所示的分离现象，即在前置扩压器上壁面临近外环突扩角处出现分离旋涡，进而导致内环腔进气量明显增多。因此在保证前置扩压器l
pred
和ar的基础上设计了如图7所示的前置扩压器。
[0083]
如图7所示，通过“环形曲壁扩张角迎流设计”方法，前置扩压器二维几何结构仅由直线段和圆弧段构成，简便快捷，设计构想为：在前置扩压器的前端一截用直线段来设计以达到与燃烧室进口来流方向一致的目的，设计时前置扩压器下壁面比上壁面直线段稍长，这是由于燃烧室倾角方向为x方向偏上所致，依据设计经验，一般下壁面直线段(l线)长度建议初次取值是上壁面直线段(i线)的1-3倍，上壁面直线段长度初次取值是l
pred
的0.1-0.2倍，前置扩压器上下壁面直线段的具体长度还需结合仿真结果调整。
[0084]
其次，为保证前置扩压器出口气流方向与燃烧室中心轴线一致，设计前置扩压器出口截面(k线)与燃烧室中心轴线(o线)垂直，且出口截面中线(k线)中点落在燃烧室中心轴线(o线)上。
[0085]
由于前置扩压器出口面积与入口面积之比即面积比ar一定，则可以通过面积比ar确定前置扩压器出口截面中线(k线)两端位置。然后分别在前置扩压器上下壁面各画一圆弧衔接直线段与出口截面中线(k线)两端，在设计过程中，尽量保证上壁面圆弧段(j线)与直线段(i线)相切，下壁面圆弧段(m线)与直线段(l线)相切，即尽量保证顺滑连接，不一定非要相切。在设计时，也可依据所设计燃烧室的情况酌情增加圆弧段数量，但为方便加工，上下壁面圆弧段数量≤3。
[0086]
上述即为前置扩压器设计方法“环形曲壁扩张角迎流设计”的设计理念，扩压器中除前置扩压器外其余设计如下:
[0087]
如图7所示，衔接j壁面与p壁面的圆弧段“1”，衔接m壁面与q壁面的圆弧段“3”，衔接p壁面与n壁面的圆弧段“2”，衔接q壁面与r壁面的圆弧段“4”，依据设计经验，其圆弧半径取值一般为1-5mm，在设计衔接段时，尽量保证圆弧段“1”“2”“3”“4”的两端与衔接壁面相切，达到顺滑连接的效果。n壁面与p壁面构成外突扩角，r壁面与q壁面构成外突扩角。依据设计经验，外突扩角初始取值建议45
°
，内突扩角初始取值建议40
°
，然后依据总压损失系数和静压恢复系数迭代优化。
[0088]
如图8所示，a点为前置扩压器进口截面中线(h线)中点与出口截面中线(k线)中点连线的中点，n壁面与p壁面的延长线相交于一点c点，设计时c点与b点连线bc线垂直于弧线j线，b点与a点连线ab线与y轴方向一致。此外，p线设计时与j线尽量平行，即保证p线与j线间隔没有太大变化，一般间隔为圆弧“1”的直径。
[0089]
如图9所示，g线是与火焰筒直线段平行的机匣直线段，其前端点位于旋流器中间，即g线前端点与旋流器中点连线垂直与燃烧室中心轴线(o线)。t线两端尽量与n线和g线相切，即顺滑处理。内突扩角设计时与外突扩角同理，以上为突扩扩压器通过“环形曲壁扩张角迎流设计”方法设计的全部说明，其中重点在于前置扩压器部分的设计，从上述说明可见，“环形曲壁扩张角迎流设计”方法简便快捷，其设计的二维几何结构均由直线段和圆弧
段构成，便于加工，且对压气机出口流场畸变不敏感，以及帽罩进口平均半径与前置扩压器出口气流中心流线均落在燃烧室中心轴线上，保证了帽罩进气的顺畅。此外，运用该方法设计的突扩扩压器在前置扩压器段不会出现分离旋涡，总压损失系数低，静压恢复系数高。
[0090]
以外环腔进口总压、内环腔进口总压和帽罩进口总压三者平均值为扩压器出口总压ptd，计算所得的扩压器总压损失系数一般低于0.5％，以外环腔进口静压、内环腔进口静压和帽罩进口静压三者平均值为扩压器出口静压psd，计算所得的扩压器静压恢复系数一般高于0.78，如表4、表5所示，为设计工况下(高工况下)采用“环形曲壁扩张角迎流设计”方法设计的各类型燃烧室突扩扩压器总压损失系数和静压恢复系数。扩压器总压损失系数低，在燃烧室总压损失系数总体性能指标不变的情况下，为火焰筒总压损失系数这一指标在设计时留出了更多的设计空间。
[0091]
表4突扩扩压器总压损失系数
[0092][0093]
表5突扩扩压器静压恢复系数
[0094]
[0095]
扩压器总压损失系数：
[0096][0097]
扩压器静压恢复系数：
[0098][0099]
以所设计的低污染中心分级先进燃烧室为例，采用“环形曲壁扩张角迎流设计”方法设计的扩压器部件如图10所示，扩压器中心截面速度分布矢量图如图11所示。
[0100]
可以看到，运用该方法设计的突扩扩压器在前置扩压器段不会出现分离旋涡，且与帽罩进气相适应，使帽罩引导压气机来流在较小的压力损失下流入火焰筒和二股通道。
[0101]
最后应说明的几点是：首先，在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；
[0102]
其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；
[0103]
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.环形曲壁扩张角迎流设计方法，其特征在于；包括以下设计方法：前置扩压器设计方法；衔接段的设计方法；a点为前置扩压器进口截面中线中点与出口截面中线中点连线的中点，n壁面与p壁面的延长线相交于一点c点，设计时c点与b点连线bc线垂直于弧线j线，b点与a点连线ab线与y轴方向一致；此外，p线设计时与j线尽量平行，即保证p线与j线间隔没有太大变化，一般间隔为圆弧“1”的直径；g线是与火焰筒直线段平行的机匣直线段，其前端点位于旋流器中间，即g线前端点与旋流器中点连线垂直于o线，t线两端尽量与n线和g线相切，即顺滑处理。2.根据权利要求1所述的环形曲壁扩张角迎流设计方法，其特征在于：前置扩压器设计方法中，在前置扩压器的前端一截用直线段来设计以达到与燃烧室进口来流方向一致的目的，设计时前置扩压器下壁面比上壁面直线段稍长，依据设计经验，一般l线长度建议初次取值是i线的1-3倍，上壁面直线段长度初次取值是l
pred
的0.1-0.2倍，前置扩压器上下壁面直线段的具体长度还需结合仿真结果调整。3.根据权利要求2所述的环形曲壁扩张角迎流设计方法，其特征在于：为保证前置扩压器出口气流方向与燃烧室中心轴线一致，设计前置扩压器出口截面与o线垂直，且k线中点落在o线上。4.根据权利要求1所述的环形曲壁扩张角迎流设计方法，其特征在于：由于前置扩压器出口面积与入口面积之比即面积比ar一定，则可以通过面积比ar确定前置扩压器k线两端位置，然后分别在前置扩压器上下壁面各画一圆弧衔接直线段与k线两端位置。5.根据权利要求4所述的环形曲壁扩张角迎流设计方法，其特征在于：在设计过程中，尽量保证j线与i线相切，m线与l线相切，即尽量保证顺滑连接，不一定非要相切；在设计时，也可依据所设计燃烧室的情况酌情增加圆弧段数量，但为方便加工，上下壁面圆弧段数量≤3。6.根据权利要求1所述的环形曲壁扩张角迎流设计方法，其特征在于：衔接段的设计中，在设计衔接段时，尽量保证圆弧段“1”“2”“3”“4”的两端与衔接壁面相切，达到顺滑连接的效果，n壁面与p壁面构成外突扩角，r壁面与q壁面构成外突扩角，依据设计经验，外突扩角初始取值建议45
°
，内突扩角初始取值建议40
°
，然后依据总压损失系数和静压恢复系数迭代优化。7.根据权利要求6所述的环形曲壁扩张角迎流设计方法，其特征在于：衔接j壁面与p壁面的圆弧段“1”，衔接m壁面与q壁面的圆弧段“3”，衔接p壁面与n壁面的圆弧段“2”，衔接q壁面与r壁面的圆弧段“4”，其圆弧半径取值一般为1-5mm。8.根据权利要求1所述的环形曲壁扩张角迎流设计方法，其特征在于：以外环腔进口总压、内环腔进口总压和帽罩进口总压三者平均值为扩压器出口总压ptd，计算所得的扩压器总压损失系数一般低于0.5％，以外环腔进口静压、内环腔进口静压和帽罩进口静压三者平均值为扩压器出口静压psd，计算所得的扩压器静压恢复系数一般高于0.78。9.根据权利要求1所述的环形曲壁扩张角迎流设计方法，其特征在于：h线为前置扩压器进口截面中线，k线为出口截面中线，o线为燃烧室中心轴线，j线上壁面圆弧段，i线上壁
面直线段，m线下壁面圆弧段，l线为下壁面直线段。

技术总结
本发明公开了环形曲壁扩张角迎流设计方法，包括以下设计方法：前置扩压器设计方法；衔接段的设计方法；A点为前置扩压器进口截面中线中点与出口截面中线中点连线的中点，N壁面与P壁面的延长线相交于一点C点，设计时C点与B点连线BC线垂直于弧线J线，B点与A点连线AB线与y轴方向一致。本发明不仅考虑到燃烧室倾角问题，便于帽罩设计时帽罩进口平均半径落在前置扩压器中心流线延长线上，保证进气的顺畅，且其对压气机出口流场畸变不敏感，扩压器总压损失系数更是远低于设计时2％的设计标准，一般小于0.5％，静压恢复系数也一般高于0.78，该方法是在“突扩扩压器”、“环形直壁扩张角对称”方法上进行优化产生的，简捷实用。简捷实用。简捷实用。


技术研发人员：王多 李锋 林宏军 张善军
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/7/25