CN112906161A - 适应宽涵道比变化范围的分流段气动型面快速设计方法 - Google Patents

适应宽涵道比变化范围的分流段气动型面快速设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开适应宽涵道比变化范围的分流段气动型面快速设计方法，属于变循环发动机技术领域，通过计算分流段型面的关键截面面积确定各关键截面的位置坐标，选定分流段型面的变化规律，生成内涵道型面和外涵道型面；内涵道型面连接分流段的进口和内涵道的出口，外涵道型面入口截取于内涵道。本发明科学合理，使用安全方便，解决了大涵道比变化范围的分流段型面设计难点，使分流段内外涵气流在全工况范围内均能保持较好的气动性能，为变循环发动机分流段的设计提供方法和思路；使用不同的分流段型面变化规律控制分流段型面，保证了分流段型面光滑，提高了设计分流段型面的质量和效率，也降低了人工设计曲线的工作量。

Description

适应宽涵道比变化范围的分流段气动型面快速设计方法
技术领域
本发明涉及变循环发动机技术领域，具体是适应宽涵道比变化范围的分流段气动型面快速设计方法。
背景技术
航空发动机包括自适应循环发动机，主要通过调节涵道比等循环参数来实现变循环，使发动机在各种工作状态下都具有良好的性能。在自适应循环发动机的设计与研发中，拥有大涵道比调节范围的分流段是变循环发动机中关键的管流部件，其气动构型的好坏影响着整个发动机的性能，如何设计性能较好的分流段型面成为自适应循环发动机研制任务中的重要一环。分流段的型面对其流场情况与气动性能的影响较大，在研究分流段的气动设计与型面优化的过程中，需要设计很多的构型与型面进行仿真计算，人工设计的工作量巨大，设计效率低。所以，人们需要适应宽涵道比变化范围的分流段气动型面快速设计方法来解决上述问题。
发明内容
发明目的：本发明目的在于针对现有技术，提供适应宽涵道比变化范围的分流段气动型面快速设计方法解决人工设计效率低的问题。
技术方案：本发明所述适应宽涵道比变化范围的分流段气动型面快速设计方法，用于参数化表达分流段型面并根据其变化规律得到分流段型面曲线，包括以下步骤：
S10、计算分流段型面的关键截面面积，包括分流段进口面积、内涵道出口面积和外涵出口面积，由此确定各关键截面的位置坐标；
S20、确定分流段型面的变化规律，包括内涵道型面的中心线变化规律和面积变化规律，以及外涵道型面中心线角度变化规律和面积变化规律；
S30、输入各分流段关键截面的位置坐标参数，并选定分流段型面变化规律，生成内涵道型面和外涵道型面；内涵道型面连接分流段的进口和内涵道的出口，外涵道型面入口截取于内涵道。
优选的，所述S10包括以下步骤：
S1001、根据马赫数计算分流段进口面积，根据分流段进口面积和几何限制条件确定分流段进口的位置坐标：
Figure BDA0002962188160000021
Figure BDA0002962188160000022
其中，Ain是分流段进口面积，Gnp-in是分流道进口换算流量，K是流量系数，q(M)in是分流段进口流量函数；R1是分流段进口外径，R2是分流段进口内径；
S1002、根据涵道比变化范围，确定分流段型面的涵道比最小值，得到内涵道最大通流流量，结合内涵道最大马赫数得到内涵道出口面积，根据内涵道出口面积和几何限制条件确定内涵道出口的位置坐标：
Figure BDA0002962188160000023
Figure BDA0002962188160000024
Aout1＝π(R3 2-R4 2)
其中，Aout1是内涵道出口面积，Bmin是分流段型面的涵道比最小值，q(M)oute是内涵道出口流量函数，
Figure BDA0002962188160000025
是内涵道总压恢复系数，
Figure BDA0002962188160000026
是内涵道出口总压，
Figure BDA0002962188160000027
是分流段进口总压；R3是内涵道出口外径，R4是内涵道出口内径；
S1003、根据涵道比变化范围，确定分流段型面的涵道比最大值，得到外涵道最大通流流量，结合外涵道最大马赫数得到外涵道出口面积，根据外涵道出口面积和几何限制条件确定外涵道出口的位置坐标：
Figure BDA0002962188160000028
Figure BDA0002962188160000029
Aout2＝π(R5 2-R6 2)
其中，Aout2是外涵出口面积，Bmax是分流段型面的涵道比最大值，q(M)out2是外涵道出口流量函数，
Figure BDA0002962188160000036
是外涵道总压恢复系数，
Figure BDA0002962188160000031
是外涵道出口总压，
Figure BDA0002962188160000037
是分流段进口总压；R5是外涵道出口外径，R6是外涵道出口内径。
优选的，所述S20中，内涵道型面的中心线变化规律包括前急后缓、缓急相当和前缓后急，且内涵道中心线和内涵道型面的进口、出口方向均为水平方向。
优选的，所述前急后缓的内涵道型面的中心线变化规律为：
Figure BDA0002962188160000032
所述缓急相当的内涵道型面的中心线变化规律为：
Figure BDA0002962188160000033
所述前缓后急的内涵道型面的中心线变化规律为：
Figure BDA0002962188160000034
其中，由多个离散点光滑连接而成的内涵道型面中心线的进口位置为坐标原点，x为各个离散点的横坐标，y为各个离散点的纵坐标，Ldiffe为内涵道型面进出口的轴向长度，Hdiff内涵道型面中心线进出口的半径差。
优选的，所述S20中，外涵道型面中心线角度变化规律包括前急后缓、缓急相当和前缓后急，且外涵道中心线入口方向与水平方向存在角度，外涵道型面的入口方向与外涵道中心线入口方向相同，外涵道中心线和外涵道型面出口方向均为水平方向；
优选的，所述前急后缓的外涵道型面中心线角度变化规律为：
Figure BDA0002962188160000035
所述缓急相当的外涵道型面中心线角度变化规律为：
Figure BDA0002962188160000041
所述前缓后急的外涵道型面中心线角度变化规律为：
Figure BDA0002962188160000042
其中，用极坐标表示由多个离散点光滑连接而成的外涵道型面中心线，设定中心线进口位置为极点，θ为各个离散点的极角，s为各个离散点的极径，Ldiff2为外涵道型面进出口的轴向长度。
优选的，所述S20中，内涵道型面和外涵道型面的面积变化规律包括前急后缓、缓急相当和前缓后急。
优选的，所述前急后缓的内、外涵道型面的面积变化规律为：
Figure BDA0002962188160000043
所述缓急相当的内、外涵道型面的面积变化规律为：
Figure BDA0002962188160000044
所述前缓后急的内、外涵道型面的面积变化规律为：
Figure BDA0002962188160000045
其中，x为各个离散点的横坐标，A为各个离散点所在截面的面积，Ae为特征型面进口面积，A2为特征型面出口面积，Ldiff为特征涵道型面进出口的轴向长度。
有益效果：本方法将分流段型面的各关键截面进行参数化表达，根据需求选用分流段型面的变化规律，从而控制分流段的型面变化，迅速得到分流段型面曲线，解决了大涵道比变化范围的分流段型面设计难点，使分流段内外涵气流在全工况范围内(不同涵道比)均能保持较好的气动性能，为变循环发动机分流段的设计提供方法和思路；使用不同的分流段型面变化规律控制分流段型面，保证了分流段型面光滑，提高了设计分流段型面的质量和效率，也降低了人工设计曲线的工作量。
附图说明
图1为本发明适应宽涵道比变化范围的分流段气动型面快速设计方法的流程图；
图2为本发明适应宽涵道比变化范围的分流段气动型面快速设计方法的分流段关键参数示意图；
图3为本发明适应宽涵道比变化范围的分流段气动型面快速设计方法的分流段四分之一部分的三维构型示意图；
图4为本发明适应宽涵道比变化范围的分流段气动型面快速设计方法的涵道比变化范围在0.05～0.8内的分流段内外涵总压恢复系数随涵道比变化曲线图。
具体实施方式
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于实施例。
如图1-4所示，适应宽涵道比变化范围的分流段气动型面快速设计方法，用于参数化表达分流段型面并根据其变化规律得到分流段型面曲线，可设计涵道比变化范围为在0.05～1.1以内的分流段，包括以下步骤：
S10、计算分流段型面的关键截面面积，包括分流段进口面积、内涵道出口面积和外涵出口面积，由此确定各关键截面的位置坐标；
S20、确定分流段型面的变化规律，包括内涵道型面的中心线变化规律和面积变化规律，以及外涵道型面中心线角度变化规律和面积变化规律；
S30、输入各分流段关键截面的位置坐标参数，并选定分流段型面变化规律，生成内涵道型面和外涵道型面；内涵道型面连接分流段的进口和内涵道的出口，外涵道型面入口截取于内涵道。
优选的，S10包括以下步骤：
S1001、根据马赫数计算分流段进口面积，根据分流段进口面积和几何限制条件确定分流段进口的位置坐标：
Figure BDA0002962188160000061
Figure BDA0002962188160000062
其中，Ain是分流段进口面积，Gnp-in是分流道进口换算流量，K是流量系数，K＝0.04042，q(M)in是分流段进口流量函数；Re是分流段进口外径，R2是分流段进口内径；
S1002、根据涵道比变化范围，确定分流段型面的涵道比最小值，得到内涵道最大通流流量，结合内涵道最大马赫数得到内涵道出口面积，根据内涵道出口面积和几何限制条件确定内涵道出口的位置坐标：
Figure BDA0002962188160000063
Figure BDA0002962188160000064
Aoute＝π(R3 2-R4 2)
其中，Aoute是内涵道出口面积，Bmin是分流段型面的涵道比最小值，q(M)oute是内涵道出口流量函数，
Figure BDA0002962188160000065
是内涵道总压恢复系数，
Figure BDA0002962188160000066
是内涵道出口总压，
Figure BDA0002962188160000067
是分流段进口总压；R3是内涵道出口外径，R4是内涵道出口内径；
S1003、根据涵道比变化范围，确定分流段型面的涵道比最大值，得到外涵道最大通流流量，结合外涵道最大马赫数得到外涵道出口面积，根据外涵道出口面积和几何限制条件确定外涵道出口的位置坐标：
Figure BDA0002962188160000068
Figure BDA0002962188160000069
Aout2＝π(R5 2-R6 2)
其中，Aout2是外涵出口面积，Bmax是分流段型面的涵道比最大值，q(M)out2是外涵道出口流量函数，
Figure BDA0002962188160000071
是外涵道总压恢复系数，
Figure BDA0002962188160000072
是外涵道出口总压，
Figure BDA0002962188160000073
是分流段进口总压；R5是外涵道出口外径，R6是外涵道出口内径。
优选的，S20中，内涵道型面的中心线变化规律包括前急后缓、缓急相当和前缓后急，且内涵道中心线和内涵道型面的进口、出口方向均为水平方向。
优选的，前急后缓的内涵道型面的中心线变化规律为：
Figure BDA0002962188160000074
缓急相当的内涵道型面的中心线变化规律为：
Figure BDA0002962188160000075
前缓后急的内涵道型面的中心线变化规律为：
Figure BDA0002962188160000076
其中，由多个离散点光滑连接而成的内涵道型面中心线的进口位置为坐标原点，x为各个离散点的横坐标，y为各个离散点的纵坐标，Ldiffe为内涵道型面进出口的轴向长度，Hdiff内涵道型面中心线进出口的半径差。
优选的，S20中，外涵道型面中心线角度变化规律包括前急后缓、缓急相当和前缓后急，且外涵道中心线入口方向与水平方向存在角度，外涵道型面的入口方向与外涵道中心线入口方向相同，外涵道中心线和外涵道型面出口方向均为水平方向；
优选的，前急后缓的外涵道型面中心线角度变化规律为：
Figure BDA0002962188160000077
缓急相当的外涵道型面中心线角度变化规律为：
Figure BDA0002962188160000081
前缓后急的外涵道型面中心线角度变化规律为：
Figure BDA0002962188160000082
其中，用极坐标表示由多个离散点光滑连接而成的外涵道型面中心线，设定中心线进口位置为极点，θ为各个离散点的极角，s为各个离散点的极径，Ldiff2为内涵道型面进出口的轴向长度。
优选的，S20中，内涵道型面和外涵道型面的面积变化规律包括前急后缓、缓急相当和前缓后急。
优选的，前急后缓的内、外涵道型面的面积变化规律为：
Figure BDA0002962188160000083
缓急相当的内、外涵道型面的面积变化规律为：
Figure BDA0002962188160000084
前缓后急的内、外涵道型面的面积变化规律为：
Figure BDA0002962188160000085
其中，x为各个离散点的横坐标，A为各个离散点所在截面的面积，Ae为特征型面进口面积，A2为特征型面出口面积，Ldiff为特征涵道型面进出口的轴向长度，特征涵道型面包括内涵道型面和外涵道型面。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (8)

1.适应宽涵道比变化范围的分流段气动型面快速设计方法，用于参数化表达分流段型面并根据其变化规律得到分流段型面曲线，其特征在于，包括以下步骤：
S10、计算分流段型面的关键截面面积，包括分流段进口面积、内涵道出口面积和外涵出口面积，由此确定各关键截面的位置坐标；
S20、确定分流段型面的变化规律，包括内涵道型面的中心线变化规律和面积变化规律，以及外涵道型面中心线角度变化规律和面积变化规律；
S30、输入各分流段关键截面的位置坐标参数，并选定分流段型面变化规律，生成内涵道型面和外涵道型面；内涵道型面连接分流段的进口和内涵道的出口，外涵道型面入口截取于内涵道。
2.根据权利要求1所述的适应宽涵道比变化范围的分流段气动型面快速设计方法，其特征在于，所述S10包括以下步骤：
S1001、根据马赫数计算分流段进口面积，根据分流段进口面积和几何限制条件确定分流段进口的位置坐标：
Figure FDA0002962188150000011
Figure FDA0002962188150000012
其中，Aiu是分流段进口面积，Gup-iu是分流道进口换算流量，K是流量系数，q(M)in是分流段进口流量函数；R1是分流段进口外径，R2是分流段进口内径；
S1002、根据涵道比变化范围，确定分流段型面的涵道比最小值，得到内涵道最大通流流量，结合内涵道最大马赫数得到内涵道出口面积，根据内涵道出口面积和几何限制条件确定内涵道出口的位置坐标：
Figure FDA0002962188150000013
Figure FDA0002962188150000014
Aout1＝π(R3 2-R4 2)
其中，Aout1是内涵道出口面积，Bmiu是分流段型面的涵道比最小值，q(M)out1是内涵道出口流量函数，
Figure FDA0002962188150000021
是内涵道总压恢复系数，
Figure FDA0002962188150000022
是内涵道出口总压，
Figure FDA0002962188150000023
是分流段进口总压；R3是内涵道出口外径，R4是内涵道出口内径；
S1003、根据涵道比变化范围，确定分流段型面的涵道比最大值，得到外涵道最大通流流量，结合外涵道最大马赫数得到外涵道出口面积，根据外涵道出口面积和几何限制条件确定外涵道出口的位置坐标：
Figure FDA0002962188150000024
Figure FDA0002962188150000025
Aout2＝π(R5 2-R6 2)
其中，Aout2是外涵出口面积，Bmax是分流段型面的涵道比最大值，q(M)out2是外涵道出口流量函数，
Figure FDA0002962188150000026
是外涵道总压恢复系数，
Figure FDA0002962188150000027
是外涵道出口总压，
Figure FDA0002962188150000028
是分流段进口总压；R5是外涵道出口外径，R6是外涵道出口内径。
3.根据权利要求1所述的适应宽涵道比变化范围的分流段气动型面快速设计方法，其特征在于：所述S20中，内涵道型面的中心线变化规律包括前急后缓、缓急相当和前缓后急，且内涵道中心线和内涵道型面的进口、出口方向均为水平方向。
4.根据权利要求3所述的适应宽涵道比变化范围的分流段气动型面快速设计方法，其特征在于：
所述前急后缓的内涵道型面的中心线变化规律为：
Figure FDA0002962188150000029
所述缓急相当的内涵道型面的中心线变化规律为：
Figure FDA00029621881500000210
所述前缓后急的内涵道型面的中心线变化规律为：
Figure FDA0002962188150000031
其中，由多个离散点光滑连接而成的内涵道型面中心线的进口位置为坐标原点，x为各个离散点的横坐标，y为各个离散点的纵坐标，Ldiff1为内涵道型面进出口的轴向长度，Hdiff内涵道型面中心线进出口的半径差。
5.根据权利要求1所述的适应宽涵道比变化范围的分流段气动型面快速设计方法，其特征在于：所述S20中，外涵道型面中心线角度变化规律包括前急后缓、缓急相当和前缓后急，且外涵道中心线入口方向与水平方向存在角度，外涵道型面的入口方向与外涵道中心线入口方向相同，外涵道中心线和外涵道型面出口方向均为水平方向。
6.根据权利要求5所述的适应宽涵道比变化范围的分流段气动型面快速设计方法，其特征在于：
所述前急后缓的外涵道型面中心线角度变化规律为：
Figure FDA0002962188150000032
所述缓急相当的外涵道型面中心线角度变化规律为：
Figure FDA0002962188150000033
所述前缓后急的外涵道型面中心线角度变化规律为：
Figure FDA0002962188150000034
其中，使用极坐标表示由多个离散点光滑连接而成的外涵道型面中心线，设定中心线进口位置为极点，θ为各个离散点的极角，s为各个离散点的极径，Ldiff2为外涵道型面进出口的轴向长度。
7.根据权利要求1所述的适应宽涵道比变化范围的分流段气动型面快速设计方法，其特征在于：所述S20中，内涵道型面和外涵道型面的面积变化规律包括前急后缓、缓急相当和前缓后急。
8.根据权利要求7所述的适应宽涵道比变化范围的分流段气动型面快速设计方法，其特征在于：
所述前急后缓的内、外涵道型面的面积变化规律为：
Figure FDA0002962188150000041
所述缓急相当的内、外涵道型面的面积变化规律为：
Figure FDA0002962188150000042
所述前缓后急的内、外涵道型面的面积变化规律为：
Figure FDA0002962188150000043
其中，x为各个离散点的横坐标，A为各个离散点所在截面的面积，A1为特征型面进口面积，A2为特征型面出口面积，Ldiff为特征涵道型面进出口的轴向长度。
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