CN112696710A - 一种带漏斗的火焰筒掺混孔尺寸确定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请属于发动机燃烧室设计技术领域，特别涉及一种带漏斗的火焰筒掺混孔尺寸确定方法及系统。所述方法包括步获取火焰筒掺混孔的动量通量比的定义方程，同时获取动量通量比与动压比K之间的关系；所述动压比是指掺混孔射流动压与掺混孔上游环腔动压的比值，从而构建基于所述动量通量比的等式方程；通过牛顿迭代法求解上述非线性等式方程，进而得到各类掺混孔的动压比K，根据动压比K计算所述动量通量比；根据所述动量通量比及多孔射流结构的最大穿透深度，计算各类掺混孔的有效内径；根据各类掺混孔的有效内径及总的掺混孔射流空气流量确定各类掺混孔的总数；根据各类掺混孔的有效内径及各类掺混孔的流量系数，确定各类掺混孔的几何内径。

Description

一种带漏斗的火焰筒掺混孔尺寸确定方法及系统

技术领域

本申请属于发动机燃烧室设计技术领域，特别涉及一种带漏斗的火焰筒掺混孔尺寸确定方法及系统。

背景技术

燃烧室出口温度分布品质是航空发动机燃烧室设计的一项重要指标，包括燃烧室出口的热点温度及其位置、出口温度沿周向分布的均匀性以及沿周向平均的径向温度分布等，对涡轮导向叶片和转子叶片的寿命有显著影响。影响燃烧室出口温度分布的因素很多，包括燃烧室进口流场、燃烧组织方式、火焰筒流路构型、掺混区设计等诸多因素。然而，在实际燃烧室设计中，通常是先要考虑满足燃烧性能(燃烧效率、点熄火、冒烟等)和壁面冷却的要求，进行火焰筒头部空气流量和冷却空气流量的分配，剩余的空气流量作为掺混空气量。尤其是在燃烧组织方式和壁面冷却方式确定以后，不希望再去改动主燃区的燃烧空气量和冷却空气量，在这种情况下，对于设计者来说，掺混空气量是无法选择的。因此，对于掺混区的设计，设计者应该主要着眼于在掺混空气量一定的前提下掺混孔的几何设计，包括掺混孔数量、尺寸、孔形状等。

为了确保燃烧室出口温度分布达到性能指标要求，必须保证掺混空气具有足够的射流穿透深度，并且要有合适的射流量能够形成局部的充分混合区域。如果将总的掺混孔面积分割成大量的小孔，则穿透深度就不够，掺混区的中心就会存在热区；另一方面，如果将总的掺混孔面积分割成少数的几个大孔，则由于穿透过深和周向混合较差，将会导致掺混区温度场沿周向分布不均匀度恶化。尤其对于高温升燃烧室，火焰筒头部空气流量增加，相应掺混空气量减少，同时火焰筒腔道高度增加，上述矛盾尤为突出。通过在每个掺混孔上增加圆形漏斗是合理的选择，能够保证掺混空气在火焰筒内的穿透深度,同时兼顾掺混空气与高温燃气之间的混合沿周向尽量均匀。因此，需要发展一种带漏斗的掺混孔设计方法，以便确定最佳的掺混孔设计方案(漏斗长度、孔数、孔径)。

关于带漏斗的火焰筒掺混孔设计方法，以往通常基于燃烧室设计者自身的设计经验给出基准方案，然后采用数值仿真手段评估基准方案下的射流穿透深度、射流与主流混合效率等，进一步优化设计方案，依此过程完成多次迭代，最终给出最优方案。然而，基于经验的设计方法依赖于设计者自身的设计经验，缺乏理论支撑，盲目性很强，设计过程中很可能出现多次反复迭代，大大增加设计成本。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种带漏斗的火焰筒掺混孔尺寸确定方法及系统。放弃基于经验的设计方法，通过数学推导，给出基于射流穿透深度的带漏斗的掺混孔设计方法。通过该设计方法，由用户输入漏斗长度，直接计算出最佳的掺混孔数量和孔径。相比于传统方法，减少设计过程中的输入变量，降低迭代周期和设计成本。

本申请第一方面，一种带漏斗的火焰筒掺混孔尺寸确定方法，包括：

步骤S1、获取火焰筒掺混孔的动量通量比的定义方程，同时获取动量通量比与动压比K之间的关系；所述动压比是指掺混孔射流动压与掺混孔上游环腔动压的比值，从而构建基于所述动量通量比的等式方程；

步骤S2、通过牛顿迭代法求解上述非线性等式方程，进而得到各类掺混孔的动压比K，根据动压比K计算所述动量通量比；

步骤S3、根据所述动量通量比及多孔射流结构的最大穿透深度，计算各类掺混孔的有效内径；

步骤S4、根据各类掺混孔的有效内径及总的掺混孔射流空气流量确定各类掺混孔的总数；

步骤S5、根据各类掺混孔的有效内径及各类掺混孔的流量系数，确定各类掺混孔的几何内径。

优选的是，所述步骤S1中，动量通量比的定义方程为：

式中，J为动量通量比，ρ_j为掺混孔射流空气密度，ρ_g为燃气密度，U_j为掺混孔射流空气速度，U_g为燃气速度；

动压比K与动量通量比J之间的关系为：

式中，m_an为掺混孔上游环腔空气流量，A_an为掺混孔上游环腔参考面积，m_g为掺混孔截面处火焰筒内燃气流量，R₀为通用气体常数，T_t3为燃烧室进口空气总温，P_t3为燃烧室进口空气总压，M_j为空气摩尔质量，M_g为燃气摩尔质量，A_liner为火焰筒参考面积，P_t4为燃烧室出口空气总压。

优选的是，所述步骤S2中，所述掺混孔包括内环腔掺混孔及外环腔掺混孔。

优选的是，所述步骤S3中，通过以下公式计算所述有效内径：

式中，Y_max为最大穿透深度，D_j为有效内径，J为动量通量比，m_g为掺混孔截面处火焰筒内燃气流量，m_j为掺混孔射流空气流量。

优选的是，最大穿透深度取：

Y_max＝0.4×H_liner-H_funnel

其中，H_liner为火焰筒参考高度，H_funnel为漏斗长度。

本申请第二方面提供了一种带漏斗的火焰筒掺混孔尺寸确定系统，包括：

等式方程构建模块，用于获取火焰筒掺混孔的动量通量比的定义方程，同时获取动量通量比与动压比K之间的关系；所述动压比是指掺混孔射流动压与掺混孔上游环腔动压的比值，从而构建基于所述动量通量比的等式方程；

动量通量比计算模块，用于通过牛顿迭代法求解上述非线性等式方程，进而得到各类掺混孔的动压比K，根据动压比K计算所述动量通量比；

有效内径计算模块，用于根据所述动量通量比及多孔射流结构的最大穿透深度，计算各类掺混孔的有效内径；

掺混孔总数确定模块，用于根据各类掺混孔的有效内径及总的掺混孔射流空气流量确定各类掺混孔的总数；

掺混孔几何内径确定模块，用于根据各类掺混孔的有效内径及各类掺混孔的流量系数，确定各类掺混孔的几何内径。

优选的是，所述等式方程构建模块中，动量通量比的定义方程为：

式中，J为动量通量比，ρ_j为掺混孔射流空气密度，ρ_g为燃气密度，U_j为掺混孔射流空气速度，U_g为燃气速度；

动压比K与动量通量比J之间的关系为：

式中，m_an为掺混孔上游环腔空气流量，A_an为掺混孔上游环腔参考面积，m_g为掺混孔截面处火焰筒内燃气流量，R₀为通用气体常数，T_t3为燃烧室进口空气总温，P_t3为燃烧室进口空气总压，M_j为空气摩尔质量，M_g为燃气摩尔质量，A_liner为火焰筒参考面积，P_t4为燃烧室出口空气总压。

优选的是，所述动量通量比计算模块中，所述掺混孔包括内环腔掺混孔及外环腔掺混孔。

优选的是，所述有效内径计算模块中，通过以下公式计算所述有效内径：

式中，Y_max为最大穿透深度，D_j为有效内径，J为动量通量比，m_g为掺混孔截面处火焰筒内燃气流量，m_j为掺混孔射流空气流量。

优选的是，最大穿透深度取：

Y_max＝0.4×H_liner-H_funnel

其中，H_liner为火焰筒参考高度，H_funnel为漏斗长度。

本发明提出的基于射流穿透深度的带漏斗的火焰筒掺混孔设计方法，由用户输入漏斗长度，直接计算出最佳的掺混孔数量和孔径。相比于传统方法，减少了设计过程中的输入变量，降低了迭代周期和设计成本。

附图说明

图1是本申请带漏斗的火焰筒掺混孔尺寸确定方法的一实施方式的流程图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。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。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，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方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本申请第一方面提供了一种带漏斗的火焰筒掺混孔尺寸确定方法，如图1所示，主要包括：

步骤S1、获取火焰筒掺混孔的动量通量比的定义方程，同时获取动量通量比与动压比K之间的关系；所述动压比是指掺混孔射流动压与掺混孔上游环腔动压的比值，从而构建基于所述动量通量比的等式方程；

步骤S2、通过牛顿迭代法求解上述非线性等式方程，进而得到各类掺混孔的动压比K，根据动压比K计算所述动量通量比；

步骤S3、根据所述动量通量比及多孔射流结构的最大穿透深度，计算各类掺混孔的有效内径；

步骤S4、根据各类掺混孔的有效内径及总的掺混孔射流空气流量确定各类掺混孔的总数；

步骤S5、根据各类掺混孔的有效内径及各类掺混孔的流量系数，确定各类掺混孔的几何内径。

本申请选择地面起飞状态作为航空发动机燃烧室掺混孔设计的设计点，燃烧室工作参数和性能参数、燃烧室流路设计的输出结果、燃烧室工作参数下化学反应平衡计算的结果、漏斗长度参数(该参数为变量参数，由用户输入)等作为设计输入参数，详细设计输入参数及相应单位总结在表1-4中。

表1燃烧室工作参数和性能参数

表2燃烧室流路设计参数

表3化学反应平衡计算参数

变量	含义	单位
			T<sub>g</sub>	燃气温度	K
M<sub>g</sub>	燃气摩尔质量	kg/mol

表4漏斗长度参数

变量	含义	单位
			H<sub>funnel</sub>	漏斗长度	m

步骤S1-步骤S2中，火焰筒掺混孔的动量通量比定义如下：

式中，ρ_j为掺混孔射流空气密度，ρ_g为燃气密度，U_j为掺混孔射流空气速度，U_g为燃气速度。式(1)中分子项通过下式计算。

孔内流动的基本方程可以用下式表达：

将上式代入式(2)中，可得如下表达式：

式(1)中分母项通过下式计算：

将式(4)和式(5)代入式(1)中，可得如下表达式：

式中，C_d为带漏斗的掺混孔流量系数，由下式得到：

K为掺混孔射流动压与孔上游环腔的动压之比，K与J满足如下关系：

将上式代入式(6)中，可得如下表达式：

式中，掺混孔射流空气流量m_j、掺混孔上游环腔空气流量m_an、掺混孔截面处火焰筒内燃气流量m_g、掺混孔上游环腔参考面积A_an的表达式总结在表5中，其他变量含义及取值详见设计输入参数说明。

表5 m_j、m_an、m_g、A_an表达式

通过牛顿迭代法求解非线性方程(9)，进而得到各类掺混孔(内环腔掺混孔、外环腔掺混孔)的值，通过关系式(8)转换，最终得到各类掺混孔的动量通量比。

步骤S3中，根据多孔射流最大穿透深度的计算公式，计算各类掺混孔的有效内径D_j，公式如下：

给定最大穿透深度Y_max，可以得到各类掺混孔的有效内径D_j。对于环形燃烧室来说，综合考虑穿透深度和混合效果，取Y_max＝0.4×H_liner-H_funnel。

步骤S4中，以内环腔掺混孔为例，如果火焰筒内壁上有N个掺混孔，每个孔的有效内径是D_j，那么通过这些孔的总空气流量可以表达为：

根据表5中各类掺混孔射流空气流量m_j的表达式，求解式(11)，可以得到各类掺混孔的总数N。

步骤S5中，计算掺混孔几何内径：火焰筒各类掺混孔的几何内径D_h通过如下表达式得到，即：

以上算法可通过发动机控制器软件实现，具体的，本申请第二方面提供了一种带漏斗的火焰筒掺混孔尺寸确定系统，包括：

等式方程构建模块，用于获取火焰筒掺混孔的动量通量比的定义方程，同时获取动量通量比与动压比K之间的关系；所述动压比是指掺混孔射流动压与掺混孔上游环腔动压的比值，从而构建基于所述动量通量比的等式方程；

动量通量比计算模块，用于通过牛顿迭代法求解上述非线性等式方程，进而得到各类掺混孔的动压比K，根据动压比K计算所述动量通量比；

有效内径计算模块，用于根据所述动量通量比及多孔射流结构的最大穿透深度，计算各类掺混孔的有效内径；

掺混孔总数确定模块，用于根据各类掺混孔的有效内径及总的掺混孔射流空气流量确定各类掺混孔的总数；

掺混孔几何内径确定模块，用于根据各类掺混孔的有效内径及各类掺混孔的流量系数，确定各类掺混孔的几何内径。

在一些可选实施方式中，所述等式方程构建模块中，动量通量比的定义方程为：

式中，J为动量通量比，ρ_j为掺混孔射流空气密度，ρ_g为燃气密度，U_j为掺混孔射流空气速度，U_g为燃气速度；

动压比K与动量通量比J之间的关系为：

式中，m_an为掺混孔上游环腔空气流量，A_an为掺混孔上游环腔参考面积，m_g为掺混孔截面处火焰筒内燃气流量，R₀为通用气体常数，T_t3为燃烧室进口空气总温，P_t3为燃烧室进口空气总压，M_j为空气摩尔质量，M_g为燃气摩尔质量，A_liner为火焰筒参考面积，P_t4为燃烧室出口空气总压。

在一些可选实施方式中，所述动量通量比计算模块中，所述掺混孔包括内环腔掺混孔及外环腔掺混孔。

在一些可选实施方式中，所述有效内径计算模块中，通过以下公式计算所述有效内径：

式中，Y_max为最大穿透深度，D_j为有效内径，J为动量通量比，m_g为掺混孔截面处火焰筒内燃气流量，m_j为掺混孔射流空气流量。

在一些可选实施方式中，最大穿透深度取：

Y_max＝0.4×H_liner-H_funnel

其中，H_liner为火焰筒参考高度，H_funnel为漏斗长度。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种带漏斗的火焰筒掺混孔尺寸确定方法，其特征在于，包括：

步骤S1、获取火焰筒掺混孔的动量通量比的定义方程，同时获取动量通量比与动压比K之间的关系；所述动压比是指掺混孔射流动压与掺混孔上游环腔动压的比值，从而构建基于所述动量通量比的等式方程；

步骤S2、通过牛顿迭代法求解上述非线性等式方程，进而得到各类掺混孔的动压比K，根据动压比K计算所述动量通量比；

步骤S3、根据所述动量通量比及多孔射流结构的最大穿透深度，计算各类掺混孔的有效内径；

步骤S4、根据各类掺混孔的有效内径及总的掺混孔射流空气流量确定各类掺混孔的总数；

步骤S5、根据各类掺混孔的有效内径及各类掺混孔的流量系数，确定各类掺混孔的几何内径。

2.如权利要求1所述的带漏斗的火焰筒掺混孔尺寸确定方法，其特征在于，所述步骤S1中，动量通量比的定义方程为：

式中，J为动量通量比，ρ_j为掺混孔射流空气密度，ρ_g为燃气密度，U_j为掺混孔射流空气速度，U_g为燃气速度；

动压比K与动量通量比J之间的关系为：

式中，m_an为掺混孔上游环腔空气流量，A_an为掺混孔上游环腔参考面积，m_g为掺混孔截面处火焰筒内燃气流量，R₀为通用气体常数，T_t3为燃烧室进口空气总温，P_t3为燃烧室进口空气总压，M_j为空气摩尔质量，M_g为燃气摩尔质量，A_liner为火焰筒参考面积，P_t4为燃烧室出口空气总压。

3.如权利要求1所述的带漏斗的火焰筒掺混孔尺寸确定方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述掺混孔包括内环腔掺混孔及外环腔掺混孔。

4.如权利要求1所述的带漏斗的火焰筒掺混孔尺寸确定方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过以下公式计算所述有效内径：

式中，Y_max为最大穿透深度，D_j为有效内径，J为动量通量比，m_g为掺混孔截面处火焰筒内燃气流量，m_j为掺混孔射流空气流量。

5.如权利要求4所述的带漏斗的火焰筒掺混孔尺寸确定方法，其特征在于，最大穿透深度取：

Y_max＝0.4×H_liner-H_funnel

其中，H_liner为火焰筒参考高度，H_funnel为漏斗长度。

6.一种带漏斗的火焰筒掺混孔尺寸确定系统，其特征在于，包括：

等式方程构建模块，用于获取火焰筒掺混孔的动量通量比的定义方程，同时获取动量通量比与动压比K之间的关系；所述动压比是指掺混孔射流动压与掺混孔上游环腔动压的比值，从而构建基于所述动量通量比的等式方程；

动量通量比计算模块，用于通过牛顿迭代法求解上述非线性等式方程，进而得到各类掺混孔的动压比K，根据动压比K计算所述动量通量比；

有效内径计算模块，用于根据所述动量通量比及多孔射流结构的最大穿透深度，计算各类掺混孔的有效内径；

掺混孔总数确定模块，用于根据各类掺混孔的有效内径及总的掺混孔射流空气流量确定各类掺混孔的总数；

掺混孔几何内径确定模块，用于根据各类掺混孔的有效内径及各类掺混孔的流量系数，确定各类掺混孔的几何内径。

7.如权利要求6所述的带漏斗的火焰筒掺混孔尺寸确定系统，其特征在于，所述等式方程构建模块中，动量通量比的定义方程为：

式中，J为动量通量比，ρ_j为掺混孔射流空气密度，ρ_g为燃气密度，U_j为掺混孔射流空气速度，U_g为燃气速度；

动压比K与动量通量比J之间的关系为：

式中，m_an为掺混孔上游环腔空气流量，A_an为掺混孔上游环腔参考面积，m_g为掺混孔截面处火焰筒内燃气流量，R₀为通用气体常数，T_t3为燃烧室进口空气总温，P_t3为燃烧室进口空气总压，M_j为空气摩尔质量，M_g为燃气摩尔质量，A_liner为火焰筒参考面积，P_t4为燃烧室出口空气总压。

8.如权利要求6所述的带漏斗的火焰筒掺混孔尺寸确定系统，其特征在于，所述动量通量比计算模块中，所述掺混孔包括内环腔掺混孔及外环腔掺混孔。

9.如权利要求6所述的带漏斗的火焰筒掺混孔尺寸确定系统，其特征在于，所述有效内径计算模块中，通过以下公式计算所述有效内径：

式中，Y_max为最大穿透深度，D_j为有效内径，J为动量通量比，m_g为掺混孔截面处火焰筒内燃气流量，m_j为掺混孔射流空气流量。

10.如权利要求9所述的带漏斗的火焰筒掺混孔尺寸确定系统，其特征在于，最大穿透深度取：

Y_max＝0.4×H_liner-H_funnel

其中，H_liner为火焰筒参考高度，H_funnel为漏斗长度。

Images