CN108052694B - 隐身性加力燃烧室内锥体设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空发动机技术领域，具体提供了隐身性加力燃烧室内锥体设计方法，首先获得内锥体的加力燃烧室内涵进口面积、出口面积、进口总压、总温、流量以及扩张段长度，然后计算当量扩张半角和气动参数，得到进口截面速度系数和气流静压，再计算出气流速度系数减小到设定值时对应的流道面积，并根据流道面积、内涵进口截面面积及当量扩张半角确定首段扩张长度，确定分段点，之后计算内涵进口截面和分段点截面各自的静压并计算出每等份的截面面积，进而得到首段型面，最后由分段点和内涵出口截面内边界点确定直锥型面，得到内椎体型面。该内锥体设计方法在继承了传统方法包含低损失的减速扩压设计的同时，又可实现低雷达可探测性要求。

Description

隐身性加力燃烧室内锥体设计方法

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，特别涉及隐身性加力燃烧室内锥体设计方法。

背景技术

加力燃烧室进口气流速度大，必须先进行扩压减速，才能开展组织燃烧设计。内锥体是对加力燃烧室内气流扩压的主要构件之一，其设计优劣将直接影响加力燃烧室性能。

为了实现低损失的扩压效果，传统的设计方法得到的加力内锥体常采用如图1所示的全锥的形式，或者如图2所示的截锥形式。全锥尤其是截锥的镜面反射效应，使后视雷达可探测性大幅增强，无法满足战斗机、发动机的隐身要求。根据隐身系统研究表明，低雷达可探测性的内锥体的型面，应避免采用类似镜面或球面的截锥及全锥，而且对直锥与加力燃烧室气流轴心线的夹角也有一定要求。因此迫切需要开发一款新的加力燃烧室内锥体设计方法，在内锥体设计过程，可同时满足扩压要求和隐身要求。

发明内容

为克服上述现有技术存在的至少一种缺陷，本发明提供了隐身性加力燃烧室内锥体设计方法，包括如下步骤：

步骤一，设计输入准备：获得设计内锥体的边界条件和设计指标，所述边界条件和设计指标包括加力燃烧室内涵进口面积、出口面积、进口总压、总温、流量，以及扩张段长度L；

步骤二，当量扩张半角计算：根据步骤一中获得的加力燃烧室内涵进口面积、出口面积和扩张段长度L计算当量扩张半角；

步骤三，气动参数计算：根据步骤一中获得的加力燃烧室内涵进口总压、总温、流量，采用一维定常连续方程计算进口截面速度系数λ，如公式(1)所示：

其中Q_m为质量流量，C为常数，P_t为总压，T_t为总温，A为流道面积，q(λ)为流量函数，ε(λ)为静密度和总密度的比值，k为气体比热比，R为气体常数且R＝287J/(kg﹒K)；

并采用总静压换算方程计算在速度系数λ下的气流静压P，如公式(2)所示：

步骤四，分段点确定：根据步骤三中的公式(1)，计算出气流速度系数减小到设定值时对应的流道面积A1，根据流道面积A1、内涵进口截面面积及当量扩张半角确定首段扩张长度L1，与首段扩张长度L1对应的点为分段点；

步骤五，首段设计：将首段扩张长度L1分成若干等份，计算内涵进口截面和分段点截面各自的静压，然后按每等份静压增长梯度相同的原则计算出每等份的截面面积，再根据截面面积折算对应的内锥体径向坐标，最后以平滑曲线连接每等份的径向坐标点得到首段型面；

步骤六，直锥设计：由分段点和内涵出口截面内边界点确定直锥型面，判断直锥与加力燃烧室气流轴心线的夹角是否满足隐身要求的角度，若不符合要求则返回步骤四并重新选择分段点，重新选取后判断对应的当量扩张半角是否在气动要求范围内；若符合要求，则将分段点与内边界点确定的直线，延伸至加力燃烧室轴心线，形成直锥型面，得到内椎体型面。

优选的，步骤一中的所述边界条件和设计指标还包括合流环型面和前安装边几何位置。

优选的，步骤二中计算当量扩张半角时将所述加力燃烧室内涵进口面积和出口面积分别折算成完整的圆形。

优选的，步骤四中的设定值为0.27。

本发明提供的隐身性加力燃烧室内锥体设计方法，在继承了传统方法包含低损失的减速扩压设计的同时，又可实现低雷达可探测性要求。

附图说明

以下参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释和说明本发明，而不能理解为对本发明的保护范围的限制。

图1是现有技术中加力燃烧室内全锥形式的示意图；

图2是现有技术中加力燃烧室内截锥形式的示意图；

图3是内椎体的几何边界示意图；

图4是计算当量扩张半角的示意图；

图5是确定分段点的示意图；

图6是获得的隐身性加力燃烧室内锥体的型面示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。

需要说明的是：在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，均仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。

本发明提供了隐身性加力燃烧室内锥体设计方法，包括如下步骤：

步骤一，设计输入准备：获得设计内锥体的边界条件和设计指标，所述边界条件和设计指标包括加力燃烧室内涵进口面积、出口面积、进口总压、总温、流量，以及扩张段长度L。本实施例中，边界条件和设计指标还包括合流环型面和前安装边几何位置。

步骤二，当量扩张半角计算：如图3及图4所示，根据步骤一中获得的加力燃烧室内涵进口面积、出口面积(即混合截面内涵面积)和扩张段长度L计算当量扩张半角。计算当量扩张半角时将所述加力燃烧室内涵进口面积和出口面积分别折算成完整的圆形，两个圆之间的距离与扩压段长度相同，即内涵进、出口间距离。如图4所示，本实施例中当量扩张半角为17°。

步骤三，气动参数计算：根据步骤一中获得的加力燃烧室内涵进口总压、总温、流量，采用一维定常(等熵)连续方程计算进口截面速度系数λ，如公式(1)所示：

其中Q_m为质量流量(kg/s)，C为常数，对于空气，C＝0.04042，燃气k＝1.33时C＝0.03969，P_t为总压(N/m²)，T_t为总温(K)，A为流道面积(m²)，q(λ)为流量函数，ε(λ)为静密度和总密度的比值，k为气体比热比，空气为1.4，燃气1.33～1.36左右，R为气体常数且R＝287J/(kg﹒K)；

并采用总静压换算方程计算在速度系数λ下对应流动截面的气流静压P(N/m²)，如公式(2)所示：

步骤四，分段点确定：如图5所示，根据步骤三中的公式(1)，计算出气流速度系数减小到设定值时对应的流道面积A1，本实施例中，设定值为0.27，根据流道面积A1、内涵进口截面面积及当量扩张半角确定首段扩张长度L1，与首段扩张长度L1对应的点为分段点；此处所选取的当量扩张半角，可参照内涵进口截面速度系数的大小适当调整，当内涵进口截面速度系数偏大时，所选当量扩张半角向偏小方向修正(当量扩张半角根据内涵进口截面速度系数决定)，当量扩张半角选取越小，则首段扩张长度L1将越长。

步骤五，首段设计：如图5所示，将首段扩张长度L1分成若干等份，计算内涵进口截面和分段点截面各自的静压，然后按每等份静压增长梯度相同的原则计算出每等份的截面面积，再根据截面面积折算对应的内锥体径向坐标，最后以平滑曲线连接每等份的径向坐标点得到首段型面。

步骤六，直锥设计：如图6所示，由分段点和内涵出口截面内边界点确定直锥型面，判断直锥与加力燃烧室气流轴心线的夹角是否满足隐身要求的角度，若不符合要求则返回步骤四并重新选择分段点，重新选取后判断对应的当量扩张半角是否在气动要求范围内，因为重新选择分段点后，当量扩张半角会随之变化，因此需要重新判断当量扩张半角是否在气动要求范围内；若符合要求，则将分段点与内边界点确定的直线，延伸至加力燃烧室轴心线，形成直锥型面，得到内椎体型面。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.隐身性加力燃烧室内锥体设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，设计输入准备：获得设计内锥体的边界条件和设计指标，所述边界条件和设计指标包括加力燃烧室内涵进口面积、出口面积、进口总压、总温、流量，以及扩张段长度L；

步骤二，当量扩张半角计算：根据步骤一中获得的加力燃烧室内涵进口面积、出口面积和扩张段长度L计算当量扩张半角；

步骤三，气动参数计算：根据步骤一中获得的加力燃烧室内涵进口总压、总温、流量，采用一维定常连续方程计算进口截面速度系数λ，如公式(1)所示：

其中Q_m为质量流量，C为常数，P_t为总压，T_t为总温，A为流道面积，q(λ)为流量函数，ε(λ)为静密度和总密度的比值，k为气体比热比，R为气体常数且R＝287J/(kg﹒K)；

并采用总静压换算方程计算在速度系数λ下的气流静压P，如公式(2)所示：

步骤四，分段点确定：根据步骤三中的公式(1)，计算出气流速度系数减小到设定值时对应的流道面积A1，根据流道面积A1、内涵进口截面面积及当量扩张半角确定首段扩张长度L1，与首段扩张长度L1对应的点为分段点；

步骤五，首段设计：将首段扩张长度L1分成若干等份，计算内涵进口截面和分段点截面各自的静压，然后按每等份静压增长梯度相同的原则计算出每等份的截面面积，再根据截面面积折算对应的内锥体径向坐标，最后以平滑曲线连接每等份的径向坐标点得到首段型面；

步骤六，直锥设计：由分段点和内涵出口截面内边界点确定直锥型面，判断直锥与加力燃烧室气流轴心线的夹角是否满足隐身要求的角度，若不符合要求则返回步骤四并重新选择分段点，重新选取后判断对应的当量扩张半角是否在气动要求范围内；若符合要求，则将分段点与内边界点确定的直线，延伸至加力燃烧室轴心线，形成直锥型面，得到内椎体型面。

2.根据权利要求1所述的隐身性加力燃烧室内锥体设计方法，其特征在于，步骤一中的所述边界条件和设计指标还包括合流环型面和前安装边几何位置。

3.根据权利要求1所述的隐身性加力燃烧室内锥体设计方法，其特征在于，步骤二中计算当量扩张半角时将所述加力燃烧室内涵进口面积和出口面积分别折算成完整的圆形。

4.根据权利要求1所述的隐身性加力燃烧室内锥体设计方法，其特征在于，步骤四中的设定值为0.27。

Images