CN113048511A - 一种ai调控的加力燃烧室内外涵掺混装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种AI调控的加力燃烧室内外涵掺混装置，属于航空发动机加力燃烧室领域；本发明通过改变掺混装置叶片的空间位置达到改变外涵气流倾斜角度和进气量，从而实现使出口温度和速度分布均匀、减少流动损失和红外隐身的目的；当需要调节出口温度和速度分布时，控制终端根据当前燃烧室进口参数计算所需燃油流量再计算出掺混装置叶片的空间姿态角，即掺混装置叶片的旋转角度，并转换成调节信号传递到液压机械系统中；机械系统利用液压能控制伸缩支杆运动，进而控制掺混装置叶片旋转运动，通过改变外涵气流流入的倾斜角度和进气量来调节燃烧室出口温度和速度分布，从而实现使出口温度和速度分布均匀、减少流动损失和红外隐身的目的。

Description

一种AI调控的加力燃烧室内外涵掺混装置

技术领域

本发明属于高推重比航空发动机加力燃烧室领域，具体是指一种AI（ArtificialIntelligence）调控的加力燃烧室内外涵掺混装置。

背景技术

上个世纪初以来，各国争相发展航空事业，发动机作为航空飞行器的核心动力装置也得到了飞速发展，其性能等设计指标也越来越高。对于军用战斗机，为了满足其优越的作战性能以及扩大飞行包线，发动机必须要在较短的时间内获得更大的推力。这就需要发动机能够提供更大的功率，更高的推重比，加力燃烧系统由此孕育而生。而加力燃烧室内外分流环壁面上的混合装置使主燃烧室流出的高温气体和风扇所带来的低温气体在渐阔通道内混合减速增压，并为后续燃烧提供充足氧气。由于加力燃烧室的稳定器以及燃油总管等部件主要工作在涡轮后的高温热流中，极易发生过热、变形以及烧蚀等现象，极大的降低了发动机的可靠性。另一方面，先进加力燃烧室在提高进口温度和压力的同时，需要大幅度降低流体损失。而掺混装置的优化设计可以合理控制来流进气量和流入角度，以减少加力燃烧室的流阻损失，提高发动机的效率及推重比。

加力燃烧室的结构设计中，它既要以尽量低的总压损失，使得内外涵两股气流进行充分的混合，形成较为均匀的温度场和速度场；又要与加力燃烧室中的供油燃烧方案相匹配，促进燃油雾化，使燃烧更加稳定充分，从而提高燃烧效率。混合器作为涡轮燃烧室出口的高温燃气和风扇带来的外涵气流之间的掺混流动的主要部件，具有承上启下的作用，是影响加力燃烧室工作性能和发动机推进效率的重要器件。随着航空科学技术的发展，涡扇加力燃烧室的结构和燃烧组织方式不断得以改进和完善，这就要求混合器的结构应做出调整变化，使之与最新的燃烧组织方式相匹配。目前涡扇加力燃烧室多采用环形混合器和波瓣混合器的结构，存在着掺混不均匀和结构固定的缺点，无法满足最新加力燃烧室的设计要求。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，公开了一种AI调控的加力燃烧室内外涵掺混装置，本发明的装置中通过调节叶片的旋转角度，进而调节加力燃烧室出口温度和速度分布，实现出口温度和速度分布均匀。

本发明是这样实现的：

一种AI调控的加力燃烧室内外涵掺混装置，所述的掺混装置设置在分流环的壁面上；所述的掺混装置为百叶窗结构，包括若干个掺混装置叶片，所述的掺混装置叶片在末端通过第一铰支座与连杆连接，所述的掺混装置叶片以及连杆形成叶片排，所述的掺混装置叶片上还通过第二铰支座与伸缩支杆连接，通过伸缩支杆控制叶片排的运动；将掺混装置叶片的静止设定为叶片旋转轴，通过伸缩支杆使得叶片排绕着叶片旋转轴进行旋转；通过调整掺混装置叶片开启角度来同时改变外涵气流倾斜角度和进气量；当掺混装置叶片闭合时，外涵进气量为零，此时掺混装置未工作，为单涵模式；当掺混装置叶片开启时，随着外涵进气倾斜角度增大，进气量也同时增加，此时掺混装置处于工作状态，为双涵模式；

当开启双涵模式时，控制终端计算当前工况下叶片排所需空间位置，并转化成液压调节信号传递到机械结构中，利用液压原理作用于伸缩支杆，由伸缩支杆的伸缩量控制叶片排的旋转角度，改变外涵气流的倾斜角度和进气量，进而调节加力燃烧室出口温度和速度分布。

本发明通过在内外涵掺混装置位置设计百叶窗结构掺混系统，当单涵模式时，掺混装置处于未工作状态，百叶窗口闭合；当开启双涵模式时，液压系统通过接收到的信号控制掺混装置叶片打开。此时由于加力燃烧室的稳定器以及燃油总管等部件主要工作在涡轮后的高温热流中，极易发生过热、变形以及烧蚀等现象，极大的降低了发动机的可靠性。另一方面，先进加力燃烧室在提高进口温度和压力的同时，需要大幅度降低流体损失，提高出口温度和速度的均匀性。为解决上述的问题，并使掺混装置气流获得更好的掺混效果。

本发明实现的AI调控手段根据加力燃烧室进口参数，通过神经网络算法，建立加力燃烧室进口参数与叶片旋转角度的对应关系，通过控制终端计算调节掺混装置叶片排旋转角度，由于出口温度和速度分布是主流燃气温度与掺混装置气流相互混合决定的，通过控制叶片排三维姿态角度调节外涵空气来流倾斜角度和进气量，从而改变加力燃烧室出口温度和速度分布，达到出口温度和速度分布均匀，损失降低的效果。

当该技术投入使用前，先标记所有工况下燃烧室进口压力、温度、气流量及加力燃油流量所对应掺混装置在各个工况下的三维姿态角度，即叶片排旋转角度，在控制终端建立一套燃烧室进口参数与伸缩掺混装置空间位置的控制算法。

进一步，所述的伸缩支杆连接伸缩支杆液压总路，伸缩支杆液压总路利用液压原理作用于伸缩支杆运动，通过伸缩支杆运动控制叶片排的旋转运动。叶片排的开启角度通过伸缩支杆固定，伸缩支杆穿过机匣与液压机构相连，通过支杆的伸缩改变掺混装置的叶片角度。

进一步，所述的每一个掺混装置叶片上端左右两侧与分流环的壁面通过卡体方式连接。

进一步，所述的分流环的上端为加力燃烧室壳体；所述的分流环的壁面以及力燃烧室壳体之间形成加力燃烧室外涵通道。

进一步，所述的分流环的下端为内涵中心锥；所述的分流环以及力内涵中心锥之间形成内涵通道。

进一步，所述的内涵通道中设置稳定器。

进一步，所述的掺混装置叶片闭合时，为单涵道模式，掺混装置叶片完全闭合为0°，此时掺混装置处于未工作状态；所述的掺混装置叶片开启时，为双涵模式，此时掺混装置处于工作状态，所述的掺混装置叶片最大开启角度不超过90°。叶片并不是在一个工况下就保持一个空间姿态，也可以是在大推力工况时持续性的产生摆动，避免出口处的较高温区持续对着支板/稳定器某一位置进行烧蚀，使得稳定器等组件受热均匀，到达提高使用寿命的目的。

本发明与现有技术的有益效果在于：

本发明通过控制终端根据加力燃烧室进口参数与掺混装置叶片的旋转角度的对应关系，根据神经网络算法计算出当前工况下所需的叶片的空间几何姿态角参数，并转化成液压调节信号传递到机械结构中。利用液压原理先将伸缩支杆推出，推动叶片排旋转开启，改变掺混装置叶片的开启角度，进而改变外涵气流进气量和进气角度，从而调整外涵冷空气与内涵高温主流燃气的相互掺混，最终影响燃烧室出口温度和速度分布，使出口温度和速度分布均匀，降低压力损失和流阻损失，提高加力燃烧室性能，解决现有技术中存在的缺陷。

本发明是基于AI调控的内外涵掺混装置，通过调节叶片的旋转角度，进而调节加力燃烧室出口温度和速度分布，实现出口温度和速度分布均匀，达到红外隐身和减小损失的目的；大推力工况时，通过控制掺混装置叶片持续性的产生摆动，可避免内涵较高温区持续对支板/稳定器某一位置烧蚀，提高稳定器等组件使用寿命；

与传统的固定结构的掺混装置相比，百叶窗结构的设计可以缩短叶片插入内涵高温气流的深度，从而减少外涵气流的穿透深度，对流场扰动减弱，有利于减小损失。

附图说明

图1是AI调控的加力燃烧室内外涵掺混装置剖向视图；

图2是AI调控的加力燃烧室内外涵掺混装置未启用状态；

图3是AI调控的加力燃烧室内外涵掺混装置启用状态；

图4是AI调控的加力燃烧室内外涵掺混装置中叶片的闭合状态；

图5是AI调控的加力燃烧室内外涵掺混装置中叶片的开启状态；

图6是掺混装置中叶片旋转轴示意图；

图7是掺混装置中叶片连杆的铰支座示意图；

图8是掺混装置中叶片伸缩支杆的铰支座示意图；

图9是本次发明调节系统的AI控制系统示意图；

其中， 1-加力燃烧室外涵道，2-加力燃烧室壳体，3-掺混装置叶片，4-伸缩支杆液压总路，5-伸缩支杆，6-连杆，7-分流环，8-稳定器，9-内涵中心锥，10-内涵通道，001-叶片旋转轴，002-连杆旋转轴，003-伸缩支杆转轴，004-第一铰支座，005-第二铰支座。

具体实施方式

为使本发明的目的及效果更加清楚明确，以下参照附图对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，是本发明AI调控下加力燃烧室内外涵掺混装置剖向视图，所述的掺混装置设置在分流环7的壁面上；所述的掺混装置为百叶窗结构，包括若干个掺混装置叶片3，所述的掺混装置叶片3在末端通过第一铰支座004与连杆6连接，所述的掺混装置叶片3以及连杆6形成叶片排，所述的掺混装置叶片3上还通过第二铰支座005与伸缩支杆5连接，通过伸缩支杆5控制叶片排的运动。

当单涵模式时，掺混装置处于未工作状态，掺混装置叶片3闭合，处于图2以及图4所示状态；当开启双涵模式时，根据所标定的加力燃烧室在不同进口参数与加力燃烧室出口所需温度和速度分布的对应关系，在控制终端中计算出当前工况下外涵气流进气角度和进气量，并转换成液压机械系统的调节信号，利用液压能推动与叶片排相连接的伸缩支杆5运动，带动掺混装置叶片3围绕叶片旋转轴001运动，改变外涵气流进气角度和进气量，从而改变高温主流区的掺混和截断效果，达到改变加力燃烧室出口温度和速度分布的目的，此时的掺混装置叶片3空间位置如图3以及图5所示。

掺混装置为百叶窗结构，掺混装置叶片3需要围绕叶片旋转轴001矢量方向旋转，因此每一个掺混装置叶片3上端左右两侧与分流环7通过卡体连接，若干个掺混装置叶片3以及连杆6形成叶片排，通过伸缩支杆5控制叶片排的运动；将掺混装置叶片3的静止设定为叶片旋转轴001，通过伸缩支杆5使得叶片排绕着叶片旋转轴001进行运动，如图6所示。

掺混装置在启动状态时，所有叶片3需要同时旋转至相同角度，因此每一个掺混装置叶片3末端通过第一铰支座004与连杆6连接，利用连杆旋转轴002运动；如图7所示。

叶片排的空间位置是通过伸缩支杆5运动来控制的，因此叶片排和伸缩支杆5采用第二铰支座005进行固定，利用伸缩支杆转轴003旋转，如图8所示。

调节出口温度和速度分布主要是通过改变外涵气流进气倾斜角度和进气量来实现的。当开启双涵模式时，伸缩支杆5接收到调节信号通过机械运动控制掺混装置叶片3旋转打开，外涵气流倾斜角度随着掺混装置叶片3角度的增大逐渐增大，同时进气量也在增加，从而改变高温主流区的掺混和截断效果，达到改变加力燃烧室出口温度和速度分布的目的。

如图9所示，本发明的工作过程为：在加力燃烧室双涵模式下内外涵气流流动方式和传统发动机加力燃烧室相同，在各工况下：外涵冷却空气一部经分流环壁面和中心锥壁面小孔形成气膜冷却，另一部分通过掺混装置与内涵高温燃气混合。当需要调节出口温度和速度分布时，控制终端根据当前加力燃烧室进口总压等参数计算当前所需外涵空气流量再计算出掺混装置叶片的空间姿态角，确定掺混装置叶片3的旋转角度，并转换成调节信号传递到液压机械系统中；机械系统利用液压能控制伸缩支杆5运动，使得掺混装置叶片旋转；通过改变外涵气流流入的倾斜角度和进气量来调节加力燃烧室出口温度和速度的分布，达到出口温度和速度分布均匀，实现减少流动损失和红外隐身的目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种AI调控的加力燃烧室内外涵掺混装置，其特征在于，所述的掺混装置设置在分流环（7）的壁面上；所述的掺混装置为百叶窗结构，包括若干个掺混装置叶片（3），所述的掺混装置叶片（3）在末端通过第一铰支座（004）与连杆（6）连接，所述的掺混装置叶片（3）以及连杆（6）形成叶片排，所述的掺混装置叶片（3）上还通过第二铰支座（005）与伸缩支杆（5）连接，通过伸缩支杆（5）控制叶片排的运动；将掺混装置叶片（3）的静止设定为叶片旋转轴（001），通过伸缩支杆（5）使得叶片排绕着叶片旋转轴（001）进行旋转；通过调整掺混装置叶片（3）开启角度来同时改变外涵气流倾斜角度和进气量；当掺混装置叶片（3）闭合时，外涵进气量为零，此时掺混装置未工作，为单涵模式；当掺混装置叶片（3）开启时，随着外涵进气倾斜角度增大，进气量也同时增加，此时掺混装置处于工作状态，为双涵模式；当开启双涵模式时，控制终端计算当前工况下叶片排所需空间位置，并转化成液压调节信号传递到机械结构中，利用液压原理作用于伸缩支杆（5），由伸缩支杆（5）的伸缩量控制叶片排的旋转角度，改变外涵气流的倾斜角度和进气量，进而调节加力燃烧室出口温度和速度分布。

2.根据权利要求1所述的一种AI调控的加力燃烧室内外涵掺混装置，其特征在于，所述的伸缩支杆（5）连接伸缩支杆液压总路（4），伸缩支杆液压总路（4）利用液压原理作用于伸缩支杆（5）运动，通过伸缩支杆（5）运动控制叶片排的旋转运动。

3.根据权利要求1所述的一种AI调控的加力燃烧室内外涵掺混装置，其特征在于，所述的每一个掺混装置叶片（3）上端左右两侧与分流环（7）的壁面通过卡体方式连接。

4.根据权利要求1所述的一种AI调控的加力燃烧室内外涵掺混装置，其特征在于，所述的分流环（7）的上端为加力燃烧室壳体（2）；所述的分流环（7）的壁面以及力燃烧室壳体（2）之间形成加力燃烧室外涵道（1）。

5.根据权利要求1所述的一种AI调控的加力燃烧室内外涵掺混装置，其特征在于，所述的分流环（7）的下端为内涵中心锥（9）；所述的分流环（7）以及内涵中心锥（9）之间形成内涵通道（10）。

6.根据权利要求5所述的一种AI调控的加力燃烧室内外涵掺混装置，其特征在于，所述的内涵通道（10）中设置稳定器（8）。

7.根据权利要求1所述的一种AI调控的加力燃烧室内外涵掺混装置，其特征在于，所述的掺混装置叶片（3）闭合时，为单涵道模式，掺混装置叶片（3）完全闭合为0°，此时掺混装置处于未工作状态；所述的掺混装置叶片（3）开启时，为双涵模式，此时掺混装置处于工作状态，所述的掺混装置叶片（3）最大开启角度不超过90°。

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