CN102799739B - 一种考虑安装性能的发动机喷管喉道面积调节设计方法 - Google Patents

Abstract

一种考虑安装性能的发动机喷管喉道面积调节设计方法，根据飞行高度、马赫数以及发动机状态，由原有考虑非安装性能的发动机主调节计划，确定此时发动机所需喷管喉道面积，以此面积的70％作为最小面积，130％作为最大值，等分为一系列喷管喉道面积；由发动机主调节计划、发动机限制值及系列喷管喉道面积，通过流场计算软件计算各喉道面积下喷管流场，处理计算发动机喷管非安装推力及后体阻力，选取有效的非安装推力与后体阻力之和的最大值，此最大值对应的喷管喉道面积为此状态的最优喷管喉道面积。本发明的优点：在不改变发动机喷管结构、保证发动机稳定裕度的前提下，仅需修改发动机喷管喉道面积调节计划，能有效提高发动机安装推力。

Description

一种考虑安装性能的发动机喷管喉道面积调节设计方法

技术领域

本发明涉及发动机喷管喉道面积调节技术领域，特别涉及了一种考虑安装性能的发动机喷管喉道面积调节设计方法。

背景技术

现有航空发动机喷管喉道面积调节计划设计时是在充分考虑发动机稳定性、部件匹配性的前提下，仅考虑发动机非安装性能，而现在先进战斗机要求在不开加力状态下进行长时间超声速巡航，随着巡航速度的增加，飞行阻力增大。分析飞行器产生阻力的主要部件为：机翼、机身、尾翼、座舱盖和起落架等，其中机身后体的阻力占全机阻力的38～50％。而喷管喉道面积对飞行后体阻力影响较大，因此在进行发动机喉道面积调节计划设计时，仅考虑非安装推力已限制了推进系统安装性能的发挥。同时，现有发动机中间状态喷管喉道面积调节计划形式一般为A₈=f(T1)，喷管喉道面积仅与发动机进口气流温度有关，但通过计算分析发现，当发动机进口温度相同时，而飞行高度、马赫数不同时，发动机后体阻力存在差别，所以，原有A₈=f(T1)调节计划形式已不再满足考虑安装性能的喷管喉道面积调节计划，需设计与发动机飞行高度、马赫数有关的新发动机喷管喉道面积调节计划。本方法基于这种设计思路，在进行发动机喷管喉道面积调节计划设计时综合考虑飞机后体阻力（考虑安装性能），以非安装推力与后体阻力之和作为优化喉道面积的目标，提出新的与飞行高度、马赫数有关的发动机中间状态喷管喉道面积调节计划形式A8=f(H,Ma)，提升发动机安装性能。

发明内容

本发明的目的是为了能有效提高发动机安装推力，特提供了一种考虑安装性能的发动机喷管喉道面积调节设计方法。

本发明提供了一种考虑安装性能的发动机喷管喉道面积调节设计方法，其特征在于：所述的考虑安装性能的发动机喷管喉道面积调节设计方法如下：

根据飞行高度、马赫数以及发动机状态，由原有考虑非安装性能的发动机主调节计划，确定此时发动机所需喷管喉道面积，以此面积的70％作为最小面积，以此面积的130％作为最大值，等分为一系列喷管喉道面积，分为10等份；由发动机主调节计划、发动机限制值及系列喷管喉道面积，使用发动机零维计算软件（如turbotrans等）计算对应的发动机截面参数、可调节截面尺寸、发动机稳定性裕度；由发动机稳定裕度需求等条件判断此喉道面积对应的稳定裕度等参数是否满足要求，如不满足要求，则此喉道面积对应的非安装推力与后体阻力判断为无效，不需开展喷管流场计算；如满足要求，则根据发动机喷管结构尺寸、喷管喉道、出口面积（属于发动机可调节截面尺寸）建立喷管内外流场数值计算的三维或二维模型，由流场计算软件（如fluent等）开展喷管内外流场计算，其中计算边界条件由发动机截面参数中对应喷管进口处参数及飞行环境参数确定；通过流场计算软件处理计算发动机喷管非安装推力及后体阻力，选取非安装推力与后体阻力之和的最大值，此最大值对应的喷管喉道面积为此状态的最优喷管喉道面积；使用相同的方法选取其他各状态的喷管最优喉道面积，拟合成与飞行高度、马赫数有关的发动机中间状态喷管喉道面积调节计划A₈=f(H,Ma)；

发动机喷管喉道面积A₈改变时，为保证喷管内气流充分膨胀，发动机喷管出口面积A₉需跟随发生改变，同时通过联动杆3使外调节片4绕E点转动，外调节片4转动影响外调节片4、过渡片5、飞机后体及机尾罩6外表面静压分布，导致飞行后体阻力发生改变；同时，喷管喉道面积A₈的改变也能影响发动机喷流，喷流对各表面阻力同样产生影响；由上可知，喷管喉道A₈面积对后体阻力有重要影响，为优化发动机安装性能，本方法在充分保证发动机稳定裕度的前提下，以喷管出口参数计算的发动机非安装推力与外调节片4、过渡片5、飞机后体及机尾罩6表面静压计算的后体阻力之和作为优化喷管喉道面积的目标，分别计算各高度、马赫数下发动机喷管喉道面积不同时发动机非安装推力与后体阻力；进行非安装推力和后体阻力计算时，以Matlab软件为集成平台，发动机总体性能以零维程序Turbotrans、喷管内外流场计算以gambit、fluent为计算工具；Turbotrans程序生成可执行文件（*.exe），通过批处理文件（*.bat）被Matlab调用；Matlab通过读取Turbotrans的计算结果，在喷管结构尺寸的基础上产生可供CFD软件使用的命令流（操作日志文件（*.jou）），用于计算几何模型的建立、网格的生成、计算湍流模型选取、边界条件设置等工作；CFD软件由Matlab通过批处理（*.bat）命令方式启动、导入操作日志后开展流场计算；流场计算收敛后，通过流场计算软件，积分喷管出口气动参数：速度、质量流量、静压，计算发动机非安装推力，同时积分外调节片4、过渡片5、飞机后体及机尾罩6上表面静压，计算后体阻力；在满足发动机稳定性等要求的前提下，选择非安装推力与后体阻力之和最大值对应该的喷管喉道面积作为此状态的最优喷管喉道面积；以相同方法优化最它飞行状态的发动机喷管喉道面积，以此系列最优喷管喉道面积及飞行高度、马赫数拟合成发动机中间状态喷管喉道面积调节计划A₈=f(H,Ma)。

本发明的优点：

在不改变发动机喷管结构、保证发动机稳定裕度的前提下，仅需修改发动机喷管喉道面积调节计划，能有效提高发动机安装推力。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为发动机喷管及飞机后体示意图（轴对称图）；

图2为发动机喷管喉道面积优化流程图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种考虑安装性能的发动机喷管喉道面积调节设计方法，其特征在于：所述的考虑安装性能的发动机喷管喉道面积调节设计方法如下：

根据飞行高度、马赫数以及发动机状态，由原有考虑非安装性能的发动机主调节计划，确定此时发动机所需喷管喉道面积，以此面积的70％作为最小面积，以此面积的130％作为最大值，等分为一系列喷管喉道面积，分为10等份；由发动机主调节计划、发动机限制值及系列喷管喉道面积，使用发动机零维计算软件（如turbotrans等）计算对应的发动机截面参数、可调节截面尺寸、发动机稳定性裕度；由发动机稳定裕度需求等条件判断此喉道面积对应的稳定裕度等参数是否满足要求，如不满足要求，则此喉道面积对应的非安装推力与后体阻力判断为无效，不需开展喷管流场计算；如满足要求，则根据发动机喷管结构尺寸、喷管喉道、出口面积（属于发动机可调节截面尺寸）建立喷管内外流场数值计算的三维或二维模型，由流场计算软件（如fluent等）开展喷管内外流场计算，其中计算边界条件由发动机截面参数中对应喷管进口处参数及飞行环境参数确定；通过流场计算软件处理计算发动机喷管非安装推力及后体阻力，选取非安装推力与后体阻力之和的最大值，此最大值对应的喷管喉道面积为此状态的最优喷管喉道面积；使用相同的方法选取其他各状态的喷管最优喉道面积，拟合成与飞行高度、马赫数有关的发动机中间状态喷管喉道面积调节计划A₈=f(H,Ma)；

发动机喷管喉道面积A₈改变时，为保证喷管内气流充分膨胀，发动机喷管出口面积A₉需跟随发生改变，同时通过联动杆3使外调节片4绕E点转动，外调节片4转动影响外调节片4、过渡片5、飞机后体及机尾罩6外表面静压分布，导致飞行后体阻力发生改变；同时，喷管喉道面积A₈的改变也能影响发动机喷流，喷流对各表面阻力同样产生影响；由上可知，喷管喉道A₈面积对后体阻力有重要影响，为优化发动机安装性能，本方法在充分保证发动机稳定裕度的前提下，以喷管出口参数计算的发动机非安装推力与外调节片4、过渡片5、飞机后体及机尾罩6表面静压计算的后体阻力之和作为优化喷管喉道面积的目标，分别计算各高度、马赫数下发动机喷管喉道面积不同时发动机非安装推力与后体阻力；进行非安装推力和后体阻力计算时，以Matlab软件为集成平台，发动机总体性能以零维程序Turbotrans、喷管内外流场计算以gambit、fluent为计算工具；Turbotrans程序生成可执行文件（*.exe），通过批处理文件（*.bat）被Matlab调用；Matlab通过读取Turbotrans的计算结果，在喷管结构尺寸的基础上产生可供CFD软件使用的命令流（操作日志文件（*.jou）），用于计算几何模型的建立、网格的生成、计算湍流模型选取、边界条件设置等工作；CFD软件由Matlab通过批处理（*.bat）命令方式启动、导入操作日志后开展流场计算；流场计算收敛后，通过流场计算软件，积分喷管出口气动参数：速度、质量流量、静压，计算发动机非安装推力，同时积分外调节片4、过渡片5、飞机后体及机尾罩6上表面静压，计算后体阻力；在满足发动机稳定性等要求的前提下，选择非安装推力与后体阻力之和最大值对应该的喷管喉道面积作为此状态的最优喷管喉道面积；以相同方法优化最它飞行状态的发动机喷管喉道面积，以此系列最优喷管喉道面积及飞行高度、马赫数拟合成发动机中间状态喷管喉道面积调节计划A₈=f(H,Ma)。

Claims (1)

1.一种考虑安装性能的发动机喷管喉道面积调节计算设计方法，其特征在于：所述的考虑安装性能的发动机喷管喉道面积调节设计方法如下：

根据飞行高度、马赫数以及发动机状态，由原有考虑非安装性能的发动机主调节计划，确定此时发动机所需喷管喉道面积，以此面积的70％作为最小面积，以此面积的130％作为最大值，等分为一系列喷管喉道面积，分为10等份；由发动机主调节计划、发动机限制值及系列喷管喉道面积，使用发动机零维计算软件分别计算对应的发动机截面参数、可调节截面尺寸、发动机稳定性裕度；由发动机稳定裕度需求条件判断此喉道面积对应的稳定裕度参数是否满足要求，如不满足要求，则此喉道面积对应的非安装推力与后体阻力判断为无效，不需开展喷管流场计算；如满足要求，则根据发动机喷管结构尺寸、喷管喉道、出口面积建立喷管内外流场数值计算的三维或二维模型，由流场计算软件开展喷管内外流场计算，其中计算边界条件由发动机截面参数中对应喷管进口处参数及飞行环境参数确定；通过流场计算软件处理计算发动机喷管非安装推力及后体阻力，选取非安装推力与后体阻力之和的最大值，此最大值对应的喷管喉道面积为此状态的最优喷管喉道面积；使用相同的方法选取其他各状态的喷管最优喉道面积，拟合成与飞行高度、马赫数有关的发动机中间状态喷管喉道面积调节计划A₈＝f(H,Ma)；

发动机喷管喉道面积A₈改变时，为保证喷管内气流充分膨胀，发动机喷管出口面积A₉需跟随发生改变，同时通过联动杆(3)使外调节片(4)绕E点转动，外调节片(4)转动影响外调节片(4)、过渡片(5)、飞机后体及机尾罩(6)外表面静压分布，导致飞行后体阻力发生改变；同时，喷管喉道面积A₈的改变也能影响发动机喷流，喷流对各表面阻力同样产生影响；由上可知，喷管喉道A₈面积对后体阻力有重要影响，为优化发动机安装性能，本方法在充分保证发动机稳定裕度的前提下，以喷管出口参数计算的发动机非安装推力与外调节片(4)、过渡片(5)、飞机后体及机尾罩(6)表面静压计算的后体阻力之和作为优化喷管喉道面积的目标，分别计算各高度、马赫数下发动机喷管喉道面积不同时发动机非安装推力与后体阻力；进行非安装推力和后体阻力计算时，以Matlab软件为集成平台，发动机总体性能以零维程序Turbotrans、喷管内外流场计算以gambit、fluent为计算工具；Turbotrans程序生成可执行文件*.exe，通过批处理文件*.bat被Matlab调用；Matlab通过读取Turbotrans的计算结果，在喷管结构尺寸的基础上产生可供CFD软件使用的命令流即操作日志文件*.jou，用于计算几何模型的建立、网格的生成、计算湍流模型选取、边界条件设置工作；CFD软件由Matlab通过批处理*.bat命令方式启动、导入操作日志后开展流场计算；流场计算收敛后，通过流场计算软件，积分喷管出口气动参数：速度、质量流量、静压，计算发动机非安装推力，同时积分外调节片(4)、过渡片(5)、飞机后体及机尾罩(6)上表面静压，计算后体阻力。