CN112901369B - 一种二元喷管冷却气流量控制方法 - Google Patents

一种二元喷管冷却气流量控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请属于飞机发动机控制领域，涉及一种二元喷管冷却气流量控制方法。该方法包括根据涡扇发动机外涵空气流量W16，暂定一组用于对二元喷管进行冷却的冷却气流量；对每一个冷却气流量，根据冷却气温度，计算出二元喷管所能承受的最高燃气温度；根据所述最高燃气温度，反算出加力燃烧室出口温度，从而确定加力燃烧室总压恢复系数及加力燃油质量流量；根据冷却气流量、主流道流量确定二元喷管的参混损失、推力系数，进而确定整机的推力；选择整机推力最大值对应的冷却气流量作为冷却气流量控制策略，控制冷却气流量开口的开度。本申请提出了一种整机与二元喷管匹配设计过程中的性能寻优方法，能够获得发动机推力最大时的冷却气控制策略。

Description

一种二元喷管冷却气流量控制方法
技术领域
本申请属于飞机发动机控制领域，特别涉及一种二元喷管冷却气流量控制方法。
背景技术
隐身性能是新一代作战飞机必备的典型特征和技术指标，作为发动机后向可见的主要部件，排气系统的隐身性能对发动机乃至飞机后机身隐身至关重要，而二元喷管的结构特点可以较好的实现雷达隐身及红外隐身。二元喷管便于开展隐身设计，且易于和飞机后机身进行一体化融合设计，目前已在国外某型战斗机上成功应用。考虑到与轴对称喷管差异，二元喷管需要大量发动机外涵气进行冷却，在串装发动机时需重新开展整机匹配设计，以实现在保证二元喷管正常工作的前提下整机性能匹配最优。
目前二元喷管的冷却气设计方案为：以航空涡扇发动机加力燃烧室全加力状态出口燃气流量、温度、压力作为二元喷管进口输入条件，在已知发动机外涵压力、温度的条件下，通过计算得出二元喷管可以正常工作时的冷却气流量。
目前，针对以加力燃烧室全加力状态出口燃气流量、温度、压力作为二元喷管设计输入，开展二元喷管冷却气设计的方法，可以保证二元喷管的强度、寿命、结构完整性要求，但对于整机性能优化方面，存在一定缺陷，主要为：
二元喷管冷却气设计未与主机开展优化匹配设计，虽然可以保证二元喷管工作正常，但对于整机全加力推力方面未实现最优设计，未使整机性能发挥至最优状态。
发明内容
本发明针对现有二元喷管冷却气设计过程中未实现整机性能最优匹配的问题，提出一种给定二元喷管冷却气流量反算加力燃烧室出口燃气温度的方法，通过不同流量的二元喷管冷却气反算出不同的加力燃烧室出口参数，从而计算出不同的推力，选择性能最优解，实现二元喷管与主机性能优化匹配。
本申请二元喷管冷却气流量控制方法，包括：
步骤S1、根据涡扇发动机外涵空气流量W16，暂定一组用于对二元喷管进行冷却的冷却气流量；
步骤S2、对每一个冷却气流量，根据冷却气温度，计算出二元喷管所能承受的最高燃气温度；
步骤S3、根据所述最高燃气温度，反算出加力燃烧室出口温度，从而确定加力燃烧室总压恢复系数及加力燃油质量流量；
步骤S4、根据冷却气流量、主流道流量确定二元喷管的掺混损失、推力系数，进而确定整机的推力；
步骤S5、选择整机推力最大值对应的冷却气流量作为冷却气流量控制策略，控制冷却气流量开口的开度。
优选的是，步骤S1中，按设定步长选取i个冷却气流量ⅹ1、ⅹ2、ⅹ3……ⅹi，其中，0＜ⅹ1＜ⅹ2＜ⅹ3＜……＜ⅹi＜W16。
优选的是，所述步骤S2进一步包括：
步骤S21、设二元喷管隔热屏进口冷却气温度为T71，压力为P71，二元喷管壁面所能承受的最高燃气温度，即材料最高允许使用温度为Tmax；
步骤S22、基于冷却气流量ⅹi、温度T71、压力P71、材料最高允许使用温度Tmax、空气比热容C、二元喷管壁面导热系数建立三维仿真数学模型，反算出二元喷管进口所能承受的所述最高燃气温度。
优选的是，步骤S21中，T71＝T16*δ，式中T16为发动机外涵空气温度，δ为二元喷管冷却气流经加力隔热屏时受主流道温度影响引起的温升系数。
优选的是，步骤S21中，P71＝P16*σ加力隔热屏，式中P16为发动机外涵空气压力，σ加力隔热屏为加力隔热屏总压恢复系数。
优选的是，所述步骤S3进一步包括：
步骤S31、确定加力燃烧室参与燃烧的燃气质量流量W65，同时基于发动机内涵空气温度T6、外涵空气温度T16，根据能量守恒原理计算加力燃烧室进口空气总温T65；
步骤S32、基于加力燃烧室进口空气总温T65、出口温度T7、加力燃烧室参与燃烧的燃气质量流量W65、燃油热值Q计算加力燃油质量流量Wf加力，进而得到加力燃烧室出口燃气质量流量W7＝W6+(W16-ⅹi)+Wf加力；其中，出口温度T7即为步骤S2计算的所述最高燃气温度；
步骤S33、根据加力燃烧室几何结构尺寸、进出口温度、燃气流量及进口压力，根据三维仿真计算模型，确定加力燃烧室总压恢复系数σ加力，进而得出加力燃烧室出口燃气压力P7。
优选的是，步骤S31中，W65＝W6+(W16-ⅹi)，式中，W6为涡扇发动机内涵燃气质量流量，W16为涡扇发动机外涵空气流量，ⅹi为冷却气流量。
优选的是，所述步骤S4进一步包括：
步骤S41、基于二元喷管隔热屏气流质量流量ⅹi、压力P71、温度T71及二元喷管主流道燃气流量W7、压力P7、温度T7，根据三维仿真计算模型，确定二元喷管冷却气与主流道的掺混损失及由于掺混损失降低的喷管推力系数；
步骤S42、将加力燃烧室总压恢复系数σ加力、出口燃气总温T7、二元喷管推力系数带入发动机总体性能计算程序中，得出多个与冷却气流量对应的推力值。
本发明的关键点和保护点是：以不同的二元喷管冷却气作为设计输入，反算出可以承受的加力燃烧室出口参数，从而计算出整机推力，选出最优解。
本申请提出了一种整机与二元喷管匹配设计过程中的性能寻优方法，与现行方案相比整机匹配后将具有更好的整机性能，发动机推力更大。
附图说明
图1是本申请二元喷管冷却气流量控制方法的一优选实施例的流程图。
图2是本申请发动机推力相关参数随二元喷管冷却气流量的变化趋势图。
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。
本申请涉及的发动机为带二元喷管的加力式涡扇发动机，周知的是，发动机包括内涵及外涵，其中，发动机内涵的内涵燃气质量流量W6全部进入加力燃烧室，发动机外涵的空气流量W16，一部分x作为冷却气用于提供对二元喷管的冷却，另一部分W16-x被控制进入加力燃烧室，与内涵燃气质量流量W6共同构成加力燃烧室参与燃烧的燃气质量流量W65＝W6+(W16-ⅹ)，本申请的目的在于控制x，使得在保证二元喷管有效冷却的前提下，使得发动机加力部件提供最大的推力。
可以看出，外涵进入加力燃烧室的流量与进入后续冷却管路的流量是相对的，用于冷却的流量变小，则进入加力燃烧室的流量变多，但是并非冷却气流量x越小，发动机的推力越大，发动机的推力主要受四个因素影响，单独来讲：
a)冷却气流量减小，将使主流道空气流量增加，此时有助于推力增加；
b)冷却气流量减小，将使掺混损失减小，此时有助于推力增加；
c)冷却气流量减小，加力燃烧室燃气温度降低，加力燃油减少，此时将降低推力；
d)冷却气流量减小，加力燃烧室燃气温度降低，总压恢复系数增加，此时有助于推力增加。
根据上述推理可见，冷却气减小，与发动机推力相关的参数变化趋势并不一致，发动机推力损失随二元喷管冷却气的变化趋势为二次函数，变化趋势大致如图2所示，有此可见，本申请的目的可以转化为相对于图2，确定发动机推力损失最小时所对应的冷却气流量x。
本申请二元喷管冷却气流量控制方法，如图1所示，主要包括：
步骤S1、根据涡扇发动机外涵空气流量W16，暂定一组用于对二元喷管进行冷却的冷却气流量；
步骤S2、对每一个冷却气流量，根据冷却气温度，计算出二元喷管所能承受的最高燃气温度；
步骤S3、根据所述最高燃气温度，反算出加力燃烧室出口温度，从而确定加力燃烧室总压恢复系数及加力燃油质量流量；
步骤S4、根据冷却气流量、主流道流量确定二元喷管的掺混损失、推力系数，进而确定整机的推力；
步骤S5、选择整机推力最大值对应的冷却气流量作为冷却气流量控制策略，控制冷却气流量开口的开度。
以下做详细说明。
首先在步骤S1中，根据涡扇发动机外涵空气流量W16，暂定一组二元喷管冷却气流量，设为ⅹ1、ⅹ2、ⅹ3……ⅹi，且0＜ⅹ1＜ⅹ2＜ⅹ3＜……＜ⅹi＜W16，对i个冷却气流量均按下述步骤进行计算。
其次，在步骤S2中，设二元喷管隔热屏进口冷却气温度为T71(T71＝T16*δ，式中T16为发动机外涵空气温度，δ为二元喷管冷却气流经加力隔热屏时受主流道温度影响引起的温升系数)，压力为P71(P71＝P16*σ加力隔热屏，式中P16为发动机外涵空气压力，σ加力隔热屏为加力隔热屏总压恢复系数)，二元喷管壁面所能承受的最高燃气温度为Tmax(材料允许温度)，则基于冷却气流量ⅹi、温度T71、压力P71、材料最高允许使用温度Tmax、空气比热容C、二元喷管壁面导热系数通过建立三维仿真数学模型，反算出二元喷管进口所能承受的最高燃气总温，即加力燃烧室的出口温度T7。
之后在步骤S3中，设发动机内涵燃气质量流量为W6，则加力燃烧室参与燃烧的燃气质量流量W65＝W6+(W16-ⅹi)，同时基于发动机内涵空气温度T6、外涵空气温度T16，根据能量守恒原理可以得出加力燃烧室进口空气总温T65，基于加力燃烧室进口空气总温T65、出口温度T7、加力燃烧室进口燃气质量流量W65、燃油热值Q可以得出加力燃油质量流量Wf加力，进而得到加力燃烧室出口燃气质量流量W7＝W6+(W16-ⅹi)+Wf加力。
之后，根据加力燃烧室几何结构尺寸、进出口温度、燃气流量及进口压力，根据三维仿真计算模型，可以得出加力燃烧室总压恢复系数σ加力，进而得出加力燃烧室出口(即二元喷管进口)燃气压力P7。
在步骤S4中，基于二元喷管隔热屏气流质量流量ⅹi、压力P71、温度T71及二元喷管主流道燃气流量W7、压力P7、温度T7，根据三维仿真计算模型，可以得到二元喷管冷却气与主流道的掺混损失及由于掺混损失降低的喷管推力系数。
之后，将加力燃烧室总压恢复系数σ加力、出口燃气总温T7、二元喷管推力系数等参数带入发动机总体性能计算程序中，得出i个推力值，并在步骤S5中，选取推力最大者即为最优匹配方案，根据最优匹配方案控制冷却气流量开口的开度。
本申请提出了一种整机与二元喷管匹配设计过程中的性能寻优方法，与现行方案相比整机匹配后将具有更好的整机性能，获得了发动机推力最大时的冷却气控制策略。
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 (6)

1.一种二元喷管冷却气流量控制方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1、根据涡扇发动机外涵空气流量W16，暂定一组用于对二元喷管进行冷却的冷却气流量；
步骤S2、对每一个冷却气流量，根据冷却气温度，计算出二元喷管所能承受的最高燃气温度；
步骤S3、根据所述最高燃气温度，反算出加力燃烧室出口温度T7，从而确定加力燃烧室总压恢复系数及加力燃油质量流量，包括：
步骤S31、确定加力燃烧室参与燃烧的燃气质量流量W65，同时基于发动机内涵空气温度T6、外涵空气温度T16，根据能量守恒原理计算加力燃烧室进口空气总温T65；
步骤S32、基于加力燃烧室进口空气总温T65、出口温度T7、加力燃烧室参与燃烧的燃气质量流量W65、燃油热值Q计算加力燃油质量流量Wf加力，进而得到加力燃烧室出口燃气质量流量W7＝W6+(W16-ⅹi)+Wf加力；其中，出口温度T7即为步骤S2计算的所述最高燃气温度，其中，ⅹi为冷却气流量，W6为发动机内涵燃气质量流量；
步骤S33、根据加力燃烧室几何结构尺寸、进出口温度、燃气流量及进口压力，根据三维仿真计算模型，确定加力燃烧室总压恢复系数σ加力，进而得出加力燃烧室出口燃气压力P7；
步骤S4、根据冷却气流量、二元喷管主流道流量确定二元喷管的掺混损失、推力系数，进而确定整机的推力，步骤S4进一步包括：
步骤S41、基于冷却气流量ⅹi、压力P71、温度T71及加力燃烧室出口的燃气质量流量W7、压力P7、温度T7，根据三维仿真计算模型，确定二元喷管冷却气与二元喷管主流道的掺混损失及由于掺混损失降低的喷管推力系数；
步骤S42、将加力燃烧室总压恢复系数σ加力、出口温度T7、二元喷管推力系数带入发动机总体性能计算程序中，得出多个与冷却气流量对应的推力值；
步骤S5、选择整机推力最大值对应的冷却气流量作为冷却气流量控制策略，控制冷却气流量开口的开度。
2.如权利要求1所述的二元喷管冷却气流量控制方法，其特征在于，步骤S1中，按设定步长选取i个冷却气流量ⅹ1、ⅹ2、ⅹ3……ⅹi，其中，0＜ⅹ1＜ⅹ2＜ⅹ3＜……＜ⅹi＜W16。
3.如权利要求1所述的二元喷管冷却气流量控制方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：
步骤S21、设二元喷管隔热屏进口冷却气温度为T71，压力为P71，二元喷管壁面所能承受的最高燃气温度，即材料最高允许使用温度为Tmax；
步骤S22、基于冷却气流量ⅹi、温度T71、压力P71、材料最高允许使用温度Tmax、空气比热容C、二元喷管壁面导热系数建立三维仿真数学模型，反算出二元喷管进口所能承受的所述最高燃气温度。
4.如权利要求3所述的二元喷管冷却气流量控制方法，其特征在于，步骤S21中，T71＝T16*δ，式中T16为发动机外涵空气温度，δ为二元喷管冷却气流经加力隔热屏时受主流道温度影响引起的温升系数。
5.如权利要求3所述的二元喷管冷却气流量控制方法，其特征在于，步骤S21中，P71＝P16*σ加力隔热屏，式中P16为发动机外涵空气压力，σ加力隔热屏为加力隔热屏总压恢复系数。
6.如权利要求1所述的二元喷管冷却气流量控制方法，其特征在于，步骤S31中，W65＝W6+(W16-ⅹi)，式中，W6为涡扇发动机内涵燃气质量流量，W16为涡扇发动机外涵空气流量，ⅹi为冷却气流量。
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