CN114151228B

CN114151228B - 二元矢量喷管调节片离散式冷气分区的方法

Info

Publication number: CN114151228B
Application number: CN202210119766.6A
Authority: CN
Inventors: 廖华琳; 李晓明; 黄维娜; 母鸿瑞; 何天喜; 朱川; 眭洋益; 黄念周
Original assignee: AECC Sichuan Gas Turbine Research Institute
Current assignee: AECC Sichuan Gas Turbine Research Institute
Priority date: 2022-02-09
Filing date: 2022-02-09
Publication date: 2022-04-22
Anticipated expiration: 2042-02-09
Also published as: CN114151228A

Abstract

本发明的二元矢量喷管调节片离散式冷气分区的方法，属于二元矢量喷管隔热屏高温热防护的技术领域，解决现有技术的方法没有针对挡板位置设置提供具体的方法，仅针对提供冷气量的大小来控制冷却效果的技术问题。其包括用于通过调节片内部挡板位置及流通面积的设计，实现调节片变截面且超跨音主流与冷气相匹配，其特征在于，所述方法包括：S101：根据发动机的型号确定在圆转方后安装边的设计冷气流通面积，以控制喷管调节片总冷气流量；S102：确定调节片内部冷气分区中挡板的安装位置；S103：确定挡板的冷气流通面积。通过调节片内部挡板位置及流通面积的设计，实现调节片变截面且超跨音主流与冷气相匹配，降低变截面宽静压域主流气膜冷却设计的难度。

Description

二元矢量喷管调节片离散式冷气分区的方法

技术领域

本发明属于二元矢量喷管隔热屏高温热防护的技术领域，尤其涉及一种二元矢量喷管调节片离散式冷气分区的方法。

背景技术

二元矢量喷管调节片由于主流变截面流动的特点，沿程主流参数具有高梯度的特征，调节片不同区域对冷气参数的需求存在较大差异，冷却流路采用整体设计必然导致冷气消耗量大、冷气分配不均等技术难题，并且，在冷气量达到平衡点时，并非冷气量越大越好，调节片内挡板位置设置不当时，冷气量的增加反而会带来额外的推力损失。

配装二元矢量喷管的发动机是未来先进隐身机的目标，即为，热壁面全气膜覆盖冷却方案是二元矢量喷管冷却方案的首选目标，一直以来如何在有限冷气来流的条件下有效实现二元矢量喷管热壁面全气膜覆盖是二元矢量研制需首要解决的技术难题。二元矢量喷管位于圆转方机匣之后，喷管调节片主流为典型的变截面加速流动特点，从低亚声速主流逐渐加速到超声速，主流气动参数梯度高，冷气出流静压域宽，同时，由于二元矢量喷管调节片的冷气使用量直接与发动机的推力性能息息相关，冷气使用量需严格控制，然而，由于调节片内部涉及众多的密封结构，冷气泄漏不可避免，必然导致可有效冷气使用量更为苛刻。

目前，国内外对二元矢量喷管研制开展了大量研究，且国外已实现了装机服役。针对二元矢量喷管调节片冷却设计技术，国外进行了严格的技术封锁和保密，而在国内也缺少相关研究成果。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二元矢量喷管调节片离散式冷气分区的方法，解决现有技术的方法没有针对挡板位置设置提供具体的方法，仅针对提供冷气量的大小来控制冷却效果的技术问题。本案的技术方案有诸多技术有益效果，见下文介绍：

提供一种二元矢量喷管调节片离散式冷气分区的方法，用于通过调节片内部挡板位置及流通面积的设计，实现调节片变截面且超跨音主流与冷气参数、冷气量相匹配，所述方法包括：

S101：根据发动机的型号确定在圆转方后安装边的设计冷气流通面积，以控制喷管调节片总冷气流量；

S102：确定调节片内部冷气分区中挡板的安装位置；

S103：确定挡板的冷气流通面积。

在一个优选或可选的实施方式中，控制喷管调节片总冷气流量的方法包括：

根据发动机型号且根据气体动力学模型确定冷气参数需求，以确定总冷气流量。

在一个优选或可选的实施方式中，S102中确定每个冷气分区挡板的安装位置的方法包括：

根据发动机冷气量的设计值及发动机冷却效率有效性的关系曲线以确定“冷效率-压力”的关系曲线；

根据所述冷却效率有效性的关系曲线确定二元矢量喷管调节片冷却结构高冷效覆盖的压差工作范围；

通过喷管气动仿真确定出喷管主流压力与喷管进口距离的变化曲线；

所述压差工作范围与所述喷管进口距离的变化曲线确定主流的最大压力；

确定主流的最大压力与所述压差工作范围给出实际需求压力；

根据所述实际需求压力和所述压差工作范围确定出挡板的位置。

在一个优选或可选的实施方式中，根据所述实际需求压力和所述压差工作范围确定出挡板的位置的方法包括：

通过仿真法确定挡板安装距离与压力的变换曲线；

所述压差工作范围的最大值和实际需求压力之积，和，所述挡板安装距离与压力的变换曲线确定挡板的安装位置。

在一个优选或可选的实施方式中，设计的逆流裕度大于1，避免因压差产生燃气倒灌的情况出现。

在一个优选或可选的实施方式中，确定挡板的冷气流通面积的方法包括：

设计压力和实际需求压力通过等熵流动法确定。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：

本案所提供二元矢量喷管调节片冷气组织方法，确定挡板的位置及其流通面积，离散分区组织冷气压力较好的实现了二元矢量喷管沿程冷气参数与主流参数相匹配，为二元矢量喷管调节片热壁面全气膜有效覆盖提供了保障。本发明具有后续结构设计简单、冷气泄漏量小、隔热屏气动载荷小的优点，同时，也是二元矢量喷管调节片热壁面全气膜覆盖冷却方案的重要组成。有效控制了二元矢量喷管调节片冷气流动，通过对二元矢量喷管调节片冷却流路分区设计，实现了高冷气参数需求下沿程冷气压力的降低，从而降低了调节片隔热屏的气动载荷，提高了高温工作时隔热屏的安全，同时冷气泄漏量的降低，减少了二元矢量喷管冷气量的需求，参与发动机做功的主流流量增加，从而增加了发动机的推力性能，另外，在喷管扩张段超音速主流段，冷气压力的降低减小了二次流注入对主流的扰动，从而降低了二次流注入的掺混损失。本发明具有结构设计简单易于实现、降低隔热屏气动载荷、减少冷气泄漏量，提升发动机推力性能等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中二元矢量喷管调节片冷气离散分区组织方式示意图。

图2为现有技术中冷气分区组织后调节片沿程主流/冷气压力分布示意图。

图3为冷气分区组织前/后调节片隔热屏沿程气动载荷对比示意图。

图4为冷气分区组织前/后调节片隔热屏冷气泄漏量对比示意图。

图5为冷却效率与压差的有效性关系曲线。

图6为主流与挡板至喷管距离的关系曲线。

其中：

1-圆转方后安装边；2-圆转方出口燃气密封片；3-收敛段调节片前段隔热屏；4-收敛段调节片蒙皮与密封片；5-收敛段冷气分区挡板；6-收敛段调节片后段隔热屏；7-喉道密封片；8-扩张段调节片蒙皮；9-扩张段调节片前段隔热屏；10-扩张段冷气分区挡板；11-扩张段调节片后段隔热屏；12-扩张段调节片尾缘密封片；①收敛段前段冷气集气腔；②收敛段后段和扩张段前段冷气集气腔；③扩张段调节片后段冷气集气腔。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下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。

需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本发明，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践方面。为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1所示，现有技术中发动机内调节片冷气流路主要由圆转方后安装边1、圆转方出口燃气密封片2、收敛段调节片前段隔热屏3、收敛段调节片蒙皮与密封片4、收敛段冷气分区挡板5、收敛段调节片后段隔热屏6、喉道密封片7、扩张段调节片蒙皮8、扩张段调节片前段隔热屏9、扩张段冷气分区挡板10、扩张段调节片后段隔热屏11和扩张段调节片尾缘密封片12组成。如背景技术中所述，并非冷气量越大越好，挡板位置设置不当，起阻碍作用。

图2为现有技术中的二元矢量喷管调节片冷气压力的设计结果。发动机工作时，收敛段压力较高，则扩张段压力较低，调节片沿程采用相同的冷气压力会带来沿程冷气与主流压差不配，导致扩张段隔热屏较大的气动载荷，且需要消耗更多的冷气量才能实现较好的冷却效果，因此需挡板位置进行设计。

本发明提供的二元矢量喷管调节片离散式冷气分区的方法，用于通过调节片内部挡板位置及流通面积的设计，实现调节片变截面且超跨音主流与冷气相匹配，降低变截面宽静压域主流气膜冷却设计的难度，该方法包括：

S101：根据发动机的型号确定在圆转方后安装边的设计冷气流通面积，以控制喷管调节片总冷气流量，具体的，根据发动机型号且根据气体动力学模型确定冷气参数需求，以确定总冷气流量。圆转方是主燃区的圆形流到转为方形渐变结构冷气的流道，适应当代发动机低尾气排放量的设计，设计因素为一般设置要求，在此不再赘述。

需要指出是，通过在圆转方后安装边1设计冷气流通面积初步控制喷管调节片总冷气流量，避免喷管调节片冷却流路密封结构失效后导致前端部件冷气不足从而影响发动机安全。

S102：确定调节片内部冷气分区中挡板的安装位置，具体的：

如图5所示，根据发动机冷气量的设计值及发动机型号，通过气动力仿真确定“冷却效率有效性”的关系曲线，变化关系通过离散化进行处理，形成光滑的曲线；

根据冷却效率有效性关系曲线确定气动力模型冷却高冷效覆盖的压差工作范围，发动机通用性“高冷效覆盖的压差工作范围”取值满足0.5-1，考虑复杂的发动机工作环境，以满足最小值为准，即为高冷效值取0.5，0.5的直线段与“冷却效率有效性”的关系曲线的交点，即为，确定冷却高冷效覆盖的压差工作范围，例如，根据某种发动机的具体型号确定出高冷效覆盖的压差工作范围为1.01-1.1，即为，发动机气动仿真通过设计冷气的工作环境的压力差P，设计值即为恒定值，P设计/P主流=高冷效覆盖的压差工作范围为1.01-1.1；

压差工作范围与喷管进口距离的变化曲线确定主流的最大压力，具体的，

如图6所示，通过喷管气动仿真确定出喷管主流压力与挡板沿程至喷管进口距离X的变化曲线，可知P主流与X呈反比关系，因此，通过高冷效覆盖的压差工作范围取最小值1.01，可得出挡板距离喷管的最远值，从而确定出P_主流max；

确定实际需求压力，具体的，通过P实际/P_主流max=高冷效覆盖的压差工作范围的最大值；

根据实际需求压力和压差工作范围确定出挡板的位置，具体的：

通过仿真法确定挡板安装距离与压力的变换曲线，通过压差工作范围的最大值和实际需求压力之积，即为，P实际=1.1*P_主流max而确定；

通过挡板安装距离（挡板至喷管的距离X）与压力的变换曲线确定挡板的安装位置，即为，通过P实际点所对应X轴上点的值。

需要指出的是上述设计的方法中，逆流裕度必须大于1，避免因压差产生燃气倒灌的情况出现。整体针对设计压力进行修正以确定出实际挡板的安装位置，挡板位置的设置即为对流道的分区。

S103：确定挡板的冷气流通面积，如，设计压力和实际需求压力通过等熵流动法确定。一般的，挡板设置通气孔。

利用圆转方后安装边1、圆转方出口燃气密封片2、收敛段调节片前段隔热屏3、收敛段调节片蒙皮和密封片4、收敛段冷气分区挡板5组成收敛段前段冷气集气腔①，为收敛段调节片前段隔热屏冷却收集高压冷却气，通过设计收敛段冷气分区挡板5位置，保证扩张段调节片的正常收扩运动和矢量偏转，同时通过设计收敛段冷气分区挡板5冷气流通面积，降低下游冷气压力并控制下游冷气使用量。

通过本法方法设置挡板位置的作用：

冷气的使用量是受控的，挡板位置设置不当，当冷气量过大时，冷气控制精度要求高，而喷管的冷气量和发动机推力是反比关系，如果，不设置挡板冷器量不易受控，且当挡板位置设置不当，会增大冷却的设置难度，导致结构设计难度。通过该方法设置的挡板，冷气使用量精度能够严格把控，降低调节片隔热屏的气动载荷，和冷气的泄漏量。

利用收敛段调节片蒙皮和密封片4、收敛段冷气分区挡板5、收敛段调节片后段隔热屏6、喉道密封片7、扩张段调节片蒙皮8、扩张段调节片前段隔热屏9和扩张段冷气分区挡板10组成收敛段后段和扩张段前段冷气集气腔②，为收敛段调节片后段和扩张段调节片前段隔热屏冷却收集较低压力的冷却气，同时，通过设计扩张段冷气分区挡板10流通面积，降低下游冷气压力和控制下游冷气流量。利用扩张段调节片蒙皮8、扩张段冷气分区挡板10、扩张段调节片后段隔热屏11和扩张段调节片尾缘密封片12组成扩张段调节片后段冷气集气腔③，为扩张段后段隔热屏收集低压冷却气。

本设计的二元矢量喷管调节片冷气离散分区组织方式仅需在整体冷却流路中增加收敛段冷气分区挡板5和扩张段冷气分区挡板10即可实现。本的冷气组织方式具有后续结构设计简单易于实现、冷气泄漏量小、隔热屏气动载荷低、提升发动机推力性能等优点。

如图3所示，冷气压力分区前后调节片隔热屏沿程气动载荷的对比，分区设计后二元矢量喷管调节片喉道和扩张段区域的气动载荷大幅度降低，提升了高温环境下隔热屏的结构可靠性。

如图4所示，冷气压力分区前后调节片冷气泄漏量的对比，分区设计冷气压力后，冷气泄漏量降低，参与发动机做功主流的流量增加，有利于提升发动机的推力性能。

通过本案方法产生的对比图，本案充分分析二元矢量喷管主流压力场分布特征、冷气参数对冷气泄漏量和喷管气动性能影响评估的基础上，引入数学离散原理，分区域组织二元矢量喷管调节片沿程冷气参数，实现二元矢量喷管调节片沿程冷气与主流静压差相匹配，提升前端高次流参数来流时二元矢量喷管气膜的覆盖效果，降低二元矢量喷管调节片气膜冷却设计难度、降低隔热屏的气动载荷、减小高冷气来流参数下冷气泄漏量，提升喷管推力。

以上对本发明所提供的产品进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离发明创造原理的前提下，还可以对发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入发明权利要求的保护范围。

Claims

1.一种二元矢量喷管调节片离散式冷气分区的方法，用于通过调节片内部挡板位置及流通面积的设计，实现调节片变截面且超跨音主流与冷气相匹配，其特征在于，所述方法包括：

S102：确定调节片内部冷气分区中挡板的安装位置；

S103：确定挡板的冷气流通面积。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，控制喷管调节片总冷气流量的方法包括：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S102中确定每个冷气分区挡板的安装位置的方法包括：

根据发动机冷气量的设计值及发动机的型号以确定“冷却效率有效性”的关系曲线；

通过喷管气动仿真确定出喷管主流压力与喷管进口距离的变化曲线，所述喷管进口距离为沿垂直喷管进口截面方向到喷管进口截面的距离；

根据所述主流的最大压力与所述压差工作范围确定实际需求压力；

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述实际需求压力和所述压差工作范围确定出挡板的位置的方法包括：

通过仿真法确定挡板安装距离与压力的变换曲线；

所述压差工作范围的最大值和实际需求压力之积，和，所述挡板安装距离与压力的变换曲线确定挡板的安装位置，所述挡板安装距离为沿垂直喷管进口截面方向挡板至喷管进口截面的距离。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，设计的逆流裕度大于1，避免因压差产生燃气倒灌的情况出现。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，确定挡板的冷气流通面积的方法包括：

设计压力和实际需求压力通过等熵流动法确定。