CN106021749B - 反推二维格栅的稠度优化实现方法 - Google Patents

反推二维格栅的稠度优化实现方法 Download PDF

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Abstract

一种反推二维格栅的稠度优化实现方法，通过构建宽体客机大涵道比涡扇发动机反推二维格栅模型，确定除稠度外的格栅的设计参数；然后构造多个不同的反推二维格栅稠度参数的计算方案，即采用数值模拟方法求解雷诺平均Navier‐Stokes方程，计算得出反推二维格栅各个稠度方案的反推力Frev和落后角最后通过对各个稠度方案的对比分析，最终得出反推力尽可能高且落后角满足规定值的稠度优化方案。本发明采用结构简单、重量轻、可靠性高的等厚度格栅设计，选取宽体客机大涵道比涡扇发动机反推二维格栅，能够显著提高反推二维格栅的反推力并保证落后角在±1.5°，通过数值模拟分析方法给出最优的稠度设计值范围在1.67～2.00。

Description

反推二维格栅的稠度优化实现方法
技术领域
本发明涉及的是一种飞行器领域的技术，具体是一种大涵道比涡扇发动机反推二维格栅的稠度优化实现方法。
背景技术
飞机在飞行时，为了缩短着陆滑跑距离或完成必要的机动飞行动作，需要采用相应的减速装置。在各种反推装置中，格栅式反推装置由于结构灵巧紧凑、反推力比较平稳、气流导向性好、效率高，主要应用在大涵道比涡扇发动机中，其反推力高达发动机最大推力的60％～70％，是现今民航客机上最常用的反推装置。我国目前正在全力研制宽体客机及其配装的大涵道比涡扇发动机，掌握了反推设计技术具有非常大的经济和社会效益。
反推格栅的设计一般分为等厚度型和变厚度型两种。等厚度型格栅具有结构简单、重量轻、可靠性高等优点，是目前应用于大涵道比涡扇发动机上的一种主要格栅叶型。在等厚度型格栅结构设计中，进口气流角、过渡段半径、轴向偏距、稠度和出口气流角等几何参数对反推性能都有较大影响，且上述各个参数间相互制约；其中稠度是一个可以自由选取且对反推格栅性能影响很大的设计参数，在格栅径向长度一定时，直接影响格栅的数量，通过合理选取反推二维格栅的稠度最优参数方案，可以显著改善宽体客机大涵道比涡扇发动机反推二维格栅的气动性能。
发明内容
本发明提出一种反推二维格栅的稠度优化实现方法，能够显著提高反推二维格栅的反推力并保证落后角在±1.5°，通过数值模拟分析方法给出最优的稠度设计值范围在1.67～2.00。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括以下步骤：
步骤1.构建宽体客机大涵道比涡扇发动机反推二维格栅模型，确定反推二维格栅的设计参数。
所述的反推二维格栅为等厚度型格栅，设计参数包括：气流格栅初始出气角β2、格栅进气角β1、格栅厚度δ、格栅高度H、格栅轴向偏距t、格栅圆弧半径R、格栅单元轴向长度l。
所述的气流格栅初始出气角β2根据需求反推力Frev的大小计算得到，具体为：
其中：Gft为反推力装置打开时，通过反推力装置的燃气流量；g为重力加速度；Cft为反推力装置出口燃气速度，出口气流角是反推力装置设计的关键因素，对反推性能起着决定性的作用，在本发明中根据风扇的额定空气流量和制动所需的轴向反推力选定气流格栅初始出气角为40°。
所述的格栅进气角β1由堵塞门的关闭角度确定为45°。
所述的格栅厚度δ根据格栅铸造工艺和结构强度等要求选取为2mm。
所述的格栅高度H为发动机厂商提供的固定值140mm。
所述的格栅轴向偏距t基于其对格栅气动性能的影响确定为0mm。
所述的格栅圆弧半径R通过以下方式得到：由于气体在圆弧半径更大的格栅中改变方向的过程更加平顺，所以圆弧半径R的初始值应尽量大，根据几何关系：
得到圆弧半径
所述的格栅单元轴向长度l通过以下方式得到：其中：Abypass是发动机外涵道截面面积，r是格栅安装处平均半径，μ是格栅出口面积占比系数；格栅出口面积占比系数需要结合具体装配发动机型号的安装结构以及考虑强度要求确定的加强筋的位置等因素确定，在初始设计过程中可以近似取为0.5mm。
步骤2.构造多个不同的反推二维格栅稠度参数的计算方案，即采用数值模拟方法求解雷诺平均Navier-Stokes方程，计算得出反推二维格栅各个稠度方案的反推力Frev和落后角
所述的多个不同的反推二维格栅稠度参数的计算方案，优选为五种不同方案，进一步优选为反推二维格栅稠度参数分别为1.00、1.17、1.33、1.67和2.00共五种不同的计算方案。
所述的雷诺平均Navier-Stokes方程，具体为：其中：为守恒型参数向量且 和分别是无粘矢通量和粘性矢通量且 qi为热源项且τij为应力且δij为克罗内克符号且Q为源项且 代表外作用力，Wf代表外作用力所做的功且
所述的反推力Frev＝qm.ft·v2·cosβ2，其中：qm.ft为反推流量；v2为格栅出口的气流速度；β2为格栅几何出气角。
所述的落后角其中：ρ2为格栅出口的气流密度；t为格栅栅距。
反推力和落后角是评价反推二维格栅性能的重要指标，本发明中反推二维格栅的落后角优选为±1.5°，以保证反推力尽可能大。
步骤3.通过对各个稠度方案的对比分析，最终得出反推力尽可能高且落后角满足规定值的稠度优化方案，确定最优的稠度设计值为1.67～2.00。
本发明涉及上述方法得到的涡扇发动机反推二维格栅，其落后角为±1.5°，稠度参数为1.67～2.00。
技术效果
与现有技术相比，本发明提高了宽体客机大涵道比涡扇发动机反推二维格栅的设计效率，同时缩短了反推装置的研制时间，节省了大量的研发人力成本。
附图说明
图1为反推二维格栅叶型设计参数示例图；
图2为反推二维格栅反推力随稠度的变化图；
图3为反推二维格栅落后角随稠度的变化图；
图4为反推二维格栅流线和静压分布图。
具体实施方式
本实施例涉及一种反推二维格栅采用等厚度型格栅结构设计，其具有多个几何设计参数，如图1所示，图中β1为格栅进气角，β2为气流格栅初始出气角，t为格栅轴向偏距，H为格栅高度，S为格栅间距，σ＝H/S为格栅稠度，l为格栅单元轴向长度；R为格栅圆弧半径；δ为格栅厚度，进气角为45°，出气角为40°，格栅高度为140mm，轴向偏距为0mm，格栅单元长度为840mm。
本实施例具体优化步骤如下：
1)对该反推二维格栅进行建模，在设计计算方案时，保持其他几何参数不变，通过改变稠度来分析其变化对反推二维格栅性能的影响。
稠度参数计算方案分别为1.00、1.17、1.33、1.67和2.00共五种。根据反推二维格栅在大涵道比涡扇发动机中的工况进行计算分析。
2)对该反推二维格栅进行多种不同稠度的计算方案，采用数值模拟方法计算各个方案的性能。
得出了反推二维格栅流线和静压分布如图4所示。反推力和落后角的计算结果表明：反推力的大小由反推格栅气流出口轴向速度和风扇外涵流量两个因素决定，出口轴向速度越大、外涵流量越大，则发动机在静止状态下的反推力越大。随着稠度的增大，外涵流量大体上呈现减小的趋势，但各方案流量的变化并不剧烈；格栅气流出口轴向速度随着稠度的增加而增大；综合起来，随着稠度的增大，反推力大小逐渐增加，但增幅逐渐减小，当稠度增大到1.67之后反推力几乎不再增大。稠度越大，格栅出口落后角越小；由于各方案的格栅几何出气角相等，这说明稠度大时气流的偏转程度更大；当稠度过小时，例如在稠度为1.00、1.17和1.33的这三个方案中，格栅出口落后角均大于+7.5°，轴向位置靠后的一些叶片的出口段尾端叶背附近发生了分离，且稠度越小分离越严重；当稠度增大时，由于整个格栅偏转气流的能力更强，有分离趋势的出口段尾端叶背附近的流场受到相邻通道气流的影响分离减弱，当稠度增大到1.67时，分离消失，落后角为+1.2°；当稠度为2.00时，落后角小于零，为-0.3°。因此兼顾反推二维格栅反推力最大和落后角在±1.5°两个性能指标的最优稠度参数设计值在1.67～2.00。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (9)

1.一种反推二维格栅的稠度优化实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.构建宽体客机大涵道比涡扇发动机反推二维格栅模型，确定反推二维格栅的设计参数；
步骤2.构造多个不同的反推二维格栅稠度参数的计算方案，即采用数值模拟方法求解雷诺平均Navier-Stokes方程，计算得出反推二维格栅各个稠度方案的反推力Frev和落后角
步骤3.通过对各个稠度方案的对比分析，最终得出反推力尽可能高且落后角满足规定值的稠度优化方案，确定最优的稠度设计值为1.67～2.00；
所述的反推二维格栅为等厚度型格栅，其设计参数包括：气流格栅初始出气角β2、格栅进气角β1、格栅厚度δ、格栅高度H、格栅轴向偏距t、格栅圆弧半径R、格栅单元轴向长度l，所述的落后角其中：ρ2为格栅出口的气流密度，v2为格栅出口的气流速度。
2.根据权利要求1所述的反推二维格栅的稠度优化实现方法，其特征是，所述的气流格栅初始出气角β2根据需求反推力Frev的大小计算得到，具体为：
其中：Gft为反推力装置打开时，通过反推力装置的燃气流量，g为重力加速度，Cft为反推力装置出口燃气速度；反推力Frev＝qm.ft·v2·cosβ2，qm.ft为反推流量。
3.根据权利要求1所述的反推二维格栅的稠度优化实现方法，其特征是，所述的格栅圆弧半径R通过以下方式得到：由于气体在圆弧半径更大的格栅中改变方向的过程更加平顺，所以圆弧半径R的初始值应尽量大，根据几何关系：得到圆弧半径
4.根据权利要求1所述的反推二维格栅的稠度优化实现方法，其特征是，所述的格栅单元轴向长度l通过以下方式得到：其中：Abypass是发动机外涵道截面面积，r是格栅安装处平均半径，μ是格栅出口面积占比系数。
5.根据权利要求1～4中任一所述的反推二维格栅的稠度优化实现方法，其特征是，所述的气流格栅初始出气角β2为40°，所述的格栅进气角β1由堵塞门的关闭角度确定为45°，所述的格栅厚度δ根据格栅铸造工艺和结构强度要求选取为2mm，所述的格栅高度H为发动机厂商提供的固定值140mm，所述的格栅轴向偏距t基于其对格栅气动性能的影响确定为0mm，所述的格栅单元轴向长度l为0.5mm。
6.根据权利要求1所述的反推二维格栅的稠度优化实现方法，其特征是，所述的多个不同的反推二维格栅稠度参数的计算方案，为五种不同方案。
7.根据权利要求1或6所述的反推二维格栅的稠度优化实现方法，其特征是，所述的多个不同的反推二维格栅稠度参数的计算方案，为反推二维格栅稠度参数分别为1.00、1.17、1.33、1.67和2.00共五种不同的计算方案。
8.根据权利要求1所述的反推二维格栅的稠度优化实现方法，其特征是，所述的反推二维格栅的落后角为±1.5°，以保证反推力尽可能大。
9.一种涡扇发动机反推二维格栅，其特征在于，通过权利要求1～8中任一所述方法得到。
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