CN116227065A - 一种射流预冷翼型喷杆设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于航空发动机射流预冷技术领域，特别涉及一种射流预冷翼型喷杆设计方法。本申请的射流预冷翼型喷杆，采用翼型喷杆的构型设计，有效降低了喷杆的阻塞比，减小总压损失，最大限度的减小喷杆对进气流场的影响，同时降低了喷杆重量，可为面向整机集成的小型化、轻量化射流预冷装置设计提供参考；采用小孔直射喷嘴技术，喷嘴喷杆集成化设计，在降低喷杆阻塞比和重量的基础上，避免了喷嘴泄露、脱落造成的种种风险；通过喷杆喷嘴合理设计，保证了射流预冷后温度场的均匀性。

Description

一种射流预冷翼型喷杆设计方法

技术领域

本申请属于航空发动机射流预冷技术领域，特别涉及一种射流预冷翼型喷杆设计方法。

背景技术

射流预冷技术的原理是将低沸点的水介质或水和甲醇混合物通过不同型式的喷嘴喷射到高温高速气流中，离散化的冷却介质被高速气流切割破损，液滴粒径进一步缩小，与高温气流充分掺混，利用其巨大的汽化潜热作用大幅降低来流温度，拓展发动机飞行包线，使其不受飞行高度和马赫数的限制。喷杆的作用是为各个喷嘴提供结构支撑，同时将冷却介质分配至各个喷嘴，因此喷杆在高速流场状态下既需要保证足够的强度，又要避免较大的堵塞比和重量。用于水介质雾化的喷嘴类型主要包括离心喷嘴、空气雾化喷嘴和小孔直射喷嘴等。喷杆喷嘴的构型及布局直接影响进气总压恢复系数、射流预冷降温效率以及预冷后温度场的分布均匀性，同时喷嘴的结构形式也决定着喷杆的设计形式。

现有技术中，喷杆喷嘴构型设计不合理，现有射流预冷装置喷杆喷嘴一般采用圆柱型喷杆加旋流喷嘴设计思路，导致堵塞比大，引起较大的进气压力损失，同时重量较大；单个离心喷嘴相比小孔直射喷嘴雾化效果好，一般射流预冷试验采用离心雾化喷嘴，但离心雾化喷嘴与喷杆通过螺纹结构连接、密封，可能存在接口泄露、喷嘴脱落等风险；喷杆喷嘴布置不合理，导致射流冷却介质在喷射截面分布不均匀，导致经过冷却后的温度场分布不均匀。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

发明内容

本申请的目的是提供了一种射流预冷翼型喷杆设计方法，以解决现有技术存在的至少一个问题。

本申请的技术方案是：

一种射流预冷翼型喷杆设计方法，包括：

步骤一、确定喷杆的基本结构，其中，

所述喷杆具有亚音速翼型截面，所述喷杆内部开设有多个平行设置的供水通道，且所述喷杆上还开设有与对应的所述供水通道连通的多组小孔直射喷嘴，每组包括两个相对设置的小孔直射喷嘴；以及

所述喷杆安装在进气道上，多个所述供水通道沿所述进气道的进气方向布置，所述小孔直射喷嘴的喷射方向均与进气方向垂直；

步骤二、确定喷杆上单个喷嘴的最大穿透深度，根据最大穿透深度以及进气道尺寸，按照均匀布置的原则在进气道上布置多个喷杆，获取多种不同的喷杆布置方案；

步骤三、建立各个喷杆布置方案的三维计算模型，进行仿真分析，确定最优的喷杆布置方案；

步骤四、根据射流预冷试验的最大喷水流量确定最优的喷杆布置方案中所有喷杆上的喷嘴总数，以及根据单个喷杆的布置空间以及相邻喷嘴的安装空间确定喷水截面数量；

步骤五、根据射流预冷试验的最小喷水流量确定最先开启的喷水截面上的喷嘴数量，并根据最先开启的喷水截面上的喷嘴数量以及喷嘴总数确定其他喷水截面上的喷嘴数量；

步骤六、确定各个喷水截面上的喷嘴的布置形式，其中，同一喷水截面内，相邻两个喷杆上喷嘴采用相互交错的布置形式；同一喷杆上，相邻喷水截面内的喷嘴采用相互交错的布置形式。

在本申请的至少一个实施例中，步骤二中，所述进气道的进口截面呈矩形；

所述喷杆布置方案包括：

第一喷杆布置方案为：根据最大穿透深度以及进气道尺寸，在所述进气道沿纵向均匀布置7个喷杆；

第二喷杆布置方案为：根据最大穿透深度以及进气道尺寸，在所述进气道沿横向均匀布置2个喷杆。

在本申请的至少一个实施例中，步骤三中，根据进气压力损失以及预冷后温度场分布均匀性确定最优的喷杆布置方案。

在本申请的至少一个实施例中，步骤四中，所述根据射流预冷试验的最大喷水流量确定最优的喷杆布置方案中所有喷杆上的喷嘴总数，包括：

其中，n₁为喷嘴总数，V_b为最大喷水流量，μ为流量系数，S为单个喷嘴孔口面积，ρ为流体密度，ΔP为喷嘴孔口前后压差。

在本申请的至少一个实施例中，步骤五中，所述根据射流预冷试验的最小喷水流量确定最先开启的喷水截面上的喷嘴数量，包括：

其中，n₂为最先开启的喷水截面上的喷嘴数量，V_s为最小喷水流量，μ为流量系数，S为单个喷嘴孔口面积，ρ为流体密度，ΔP为喷嘴孔口前后压差。

在本申请的至少一个实施例中，所述喷杆内部开设有三个平行设置的供水通道，所述喷杆安装在进气道上，三个所述供水通道沿所述进气道的进气方向布置，依次为前供水通道、中间供水通道以及后供水通道，所述前供水通道对应的小孔直射喷嘴为前喷水截面直射喷嘴，所述中间供水通道对应的小孔直射喷嘴为中间喷水截面直射喷嘴，所述后供水通道对应的小孔直射喷嘴为后喷水截面直射喷嘴，所述前喷水截面直射喷嘴、所述中间喷水截面直射喷嘴以及所述后喷水截面直射喷嘴的喷射方向均与进气方向垂直。

在本申请的至少一个实施例中，

7个所述喷杆的前喷水截面直射喷嘴形成的喷水截面为前喷水截面；

7个所述喷杆的中间喷水截面直射喷嘴形成的喷水截面为中间喷水截面；

7个所述喷杆的后喷水截面直射喷嘴形成的喷水截面为后喷水截面；

其中，最先开启的喷嘴为所述前喷水截面直射喷嘴。

在本申请的至少一个实施例中，所述喷杆通过安装座安装在所述进气道上。

在本申请的至少一个实施例中，所述喷杆的三个所述供水通道均通过对应的供水接头与水系统连接。

发明至少存在以下有益技术效果：

本申请的射流预冷翼型喷杆，

a)采用翼型喷杆的构型设计，有效降低了喷杆的阻塞比，减小总压损失，最大限度的减小喷杆对进气流场的影响，同时降低了喷杆重量，可为面向整机集成的小型化、轻量化射流预冷装置设计提供参考；

b)采用小孔直射喷嘴技术，喷嘴喷杆集成化设计，在降低喷杆阻塞比和重量的基础上，避免了喷嘴泄露、脱落造成的种种风险；

c)通过喷杆喷嘴合理设计，保证了射流预冷后温度场的均匀性。

附图说明

图1是本申请一个实施方式的射流预冷翼型喷杆设计方法流程图；

图2是本申请一个实施方式的两种喷杆布置方案示意图；

图3是本申请一个实施方式的两种喷杆布置方案总温云图；

图4是本申请一个实施方式的射流预冷翼型喷杆剖视图；

图5是本申请一个实施方式的小孔直射喷嘴布置示意图；

图6是本申请一个实施方式的三个喷水截面示意图；

图7是本申请一个实施方式的前喷水截面直射喷嘴分布示意图；

图8是本申请一个实施方式的中间喷水截面直射喷嘴分布示意图；

图9是本申请一个实施方式的后喷水截面直射喷嘴分布示意图；

图10是本申请一个实施方式的前喷水截面直射喷嘴和中间喷水截面直射喷嘴合并投影示意图；

图11是本申请一个实施方式的前喷水截面直射喷嘴和、中间喷水截面直射喷嘴和后喷水截面直射喷嘴合并投影示意图。

其中：

1-小孔直射喷嘴；2-供水通道；3-喷杆；4-前喷水截面直射喷嘴；5-中间喷水截面直射喷嘴；6-后喷水截面直射喷嘴。

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例中的附图，对本申请实施例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。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，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，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

下面结合附图1至图11对本申请做进一步详细说明。

本申请提供了一种射流预冷翼型喷杆设计方法，包括以下步骤：

步骤一、确定喷杆3的基本结构，其中，

喷杆3具有亚音速翼型截面，喷杆3内部开设有多个平行设置的供水通道2，且喷杆3上还开设有与对应的供水通道2连通的多组小孔直射喷嘴1，每组包括两个相对设置的小孔直射喷嘴1；以及

喷杆3安装在进气道上，多个供水通道2沿进气道的进气方向布置，小孔直射喷嘴1的喷射方向均与进气方向垂直；

在确定喷杆3的基本结构之后，根据以下步骤实现对喷杆3的进一步设计：

步骤二、确定喷杆3上单个喷嘴的最大穿透深度，根据最大穿透深度以及进气道尺寸，按照均匀布置的原则在进气道上布置多个喷杆3，获取多种不同的喷杆布置方案；

步骤三、建立各个喷杆布置方案的三维计算模型，进行仿真分析，确定最优的喷杆布置方案；

步骤四、根据射流预冷试验的最大喷水流量确定最优的喷杆布置方案中所有喷杆3上的喷嘴总数，以及根据单个喷杆3的布置空间以及相邻喷嘴的安装空间确定喷水截面数量；

步骤五、根据射流预冷试验的最小喷水流量确定最先开启的喷水截面上的喷嘴数量，并根据最先开启的喷水截面上的喷嘴数量以及喷嘴总数确定其他喷水截面上的喷嘴数量；

步骤六、确定各个喷水截面上的喷嘴的布置形式，其中，同一喷水截面内，相邻两个喷杆3上喷嘴采用相互交错的布置形式；同一喷杆3上，相邻喷水截面内的喷嘴采用相互交错的布置形式。

本申请的射流预冷翼型喷杆设计方法，为了减小喷杆3对进气流场的影响，喷杆3采用亚音速翼型截面设计，每个喷杆3的内部集成设计多个平行的供水通道2，每个供水通道2对应多组小孔直射喷嘴1，小孔直射喷嘴1的喷射方向均与进气方向垂直，孔径设计原则是即保证水介质良好的雾化效果，同时避免水介质中的杂质堵塞喷嘴。

本申请的射流预冷翼型喷杆设计方法，在确定喷杆3的基本结构后，结合试验进气状态、水压、喷嘴孔径等因素，利用数值仿真方法计算出喷杆3上单个喷嘴的最大穿透深度，根据最大穿透深度和进气道尺寸，按照均匀布置的原则对喷杆3进行布置，布置方案可根据进气道的截面形状及尺寸有不同的布置形式。本实施例中，进气道的进口截面形状近似呈矩形，初步提出两种喷杆布置方案，两种方案中的喷杆布局均以单个喷杆3所覆盖的区域面积相同为原则，其中，第一喷杆布置方案为：根据最大穿透深度以及进气道尺寸，在进气道沿纵向均匀布置7个喷杆3，喷杆3布置截面的阻塞比仅为7％；第二喷杆布置方案为：根据最大穿透深度以及进气道尺寸，在进气道沿横向均匀布置2个喷杆3，由于喷杆3较长，在喷杆3中间位置纵向设置两处支撑，防止喷杆3发生变形或振动，喷杆3布置截面的阻塞比为9.1％，如图2所示。

本申请的射流预冷翼型喷杆设计方法，通过建立不同喷杆布置方案的三维计算模型，利用商业分析软件对进气总压损失、预冷后温度场分布均匀性等参数进行仿真分析，根据使用经验加权比较不同布局方案的优劣，择优选择最佳的喷杆布置方案。本实施例中，从第一喷杆布置方案和第二喷杆布置方案的喷杆布局可以看出，两种方案中单个喷杆3所覆盖的区域面积相同。以某进气条件和喷水量进行两种方案的蒸发降温仿真计算，计算结果如图3所示。从两种方案的蒸发降温仿真计算结果来看，第一喷杆布置方案进气道出口的温度场均匀性明显好于第二喷杆布置方案，因此选取第一喷杆布置方案开展下一步设计工作。

本申请的射流预冷翼型喷杆设计方法，在确定喷杆布置方案之后，进一步确定各个喷杆3上的喷嘴数量及布置形式。其中，根据射流预冷试验的最大喷水流量确定最优的喷杆布置方案中所有喷杆3上的喷嘴总数，喷嘴总数计算公式为：

其中，n₁为喷嘴总数，V_b为最大喷水流量(kg/s)，μ为流量系数，S为单个喷嘴孔口面积(m²)，ρ为流体密度(kg/m³)，ΔP为喷嘴孔口前后压差(Pa)。

确定最优的喷杆布置方案中的7个喷杆3上的喷嘴总数后，根据喷杆3以及喷嘴的安装空间确定喷水截面数量。

然后，根据射流预冷试验的最小喷水流量确定最先开启的喷水截面上的喷嘴数量，喷嘴数量计算公式为：

其中，n₂为最先开启的喷水截面上的喷嘴数量，V_s为最小喷水流量(kg/s)，μ为流量系数，S为单个喷嘴孔口面积(m²)，ρ为流体密度(kg/m³)，ΔP为喷嘴孔口前后压差(Pa)。

确定最先开启的喷水截面上的喷嘴数量后，进一步确定其他后面开启的喷水截面上的喷嘴数量。其中，在确定后面开启的喷水截面上喷嘴数量时，主要考虑两方面影响，一方面要降低初始开启时喷水量对总喷水量脉动的影响，另一方面要考虑不同流量水介质在流道内分布的均匀性。

在本申请的优选实施方式中，喷杆3内部开设有三个平行设置的供水通道2，喷杆3通过安装座安装在进气道上，三个供水通道2均通过对应的供水接头与水系统连接。本实施例中，每个喷杆3通过两个安装座安装在进气道上，喷杆3的第一端设置有喷杆座，喷杆3的第二端由一个安装座的安装孔插接到进气道中，并由另一个安装座的安装孔穿出，喷杆3的第一端通过喷杆座与喷杆座螺栓连接，喷杆3的第二端安装有挡板，挡板与安装座之间通过止口防脱，并通过在安装座上安装堵盖，实现喷杆3第二端的密封。三个供水通道2沿进气道的进气方向布置，依次为前供水通道、中间供水通道以及后供水通道，前供水通道对应的小孔直射喷嘴1为前喷水截面直射喷嘴4，中间供水通道对应的小孔直射喷嘴1为中间喷水截面直射喷嘴5，后供水通道对应的小孔直射喷嘴1为后喷水截面直射喷嘴6，前喷水截面直射喷嘴4、中间喷水截面直射喷嘴5以及后喷水截面直射喷嘴6的喷射方向均与进气方向垂直，如图4-5所示。本实施例中，喷杆3采用亚音速翼型截面设计，其前缘位于气流的上游，后缘位于气流的下游。在进气道沿纵向均匀布置7个喷杆，7个喷杆3的前喷水截面直射喷嘴4形成的喷水截面为前喷水截面；7个喷杆3的中间喷水截面直射喷嘴5形成的喷水截面为中间喷水截面；7个喷杆3的后喷水截面直射喷嘴6形成的喷水截面为后喷水截面。根据射流流量的大小，三个喷水截面依次开始喷水，小流量状态时前喷水截面喷水，中流量状态时前喷水截面和中间喷水截面同时喷水，大流量状态时前喷水截面、中间喷水截面及后喷水截面同时喷水，喷射截面位置如图6所示。考虑到单个喷水截面射流的均匀性以及叠加喷水截面射流的均匀性，同一喷水截面内，单个喷杆3上的小孔直射喷嘴1基本采用等间距排列方式；相同喷水截面上，相邻两个喷杆3的小孔直射喷嘴1的分布采用相互交错的形式；考虑三个喷水截面工作时的喷水均匀性，同一支喷杆上，相邻喷水截面内的喷嘴采用交错布局；喷嘴间距需充分考虑喷嘴孔径、喷嘴雾化锥角、射流穿透深度等因素影响。本实施例中，7个喷杆的前喷水截面直射喷嘴4分别包括11组、10组、11组、10组、11组、10组、11组，中间喷水截面直射喷嘴5分别包括12组、11组、12组、11组、12组、11组、12组，后喷水截面直射喷嘴6分别包括12组、12组、12组、12组、12组、12组、12组，各个喷水截面小孔直射喷嘴1分布及合并投影如图7～图11所示。

本申请的射流预冷翼型喷杆设计方法，在喷杆结构强度方面满足使用要求的前提下，从气动性能的角度对比不同喷杆布置方案的优劣，喷嘴布局的设计过程适用但不限于翼型喷杆与小孔直射喷嘴一体化构型设计。本申请采用翼型喷杆的构型设计，有效降低了喷杆的阻塞比，减小总压损失，最大限度的减小喷杆对进气流场的影响，同时降低了喷杆重量，可为面向整机集成的小型化、轻量化射流预冷装置设计提供参考；采用小孔直射喷嘴技术，喷嘴喷杆集成化设计，在降低喷杆阻塞比和重量的基础上，避免了喷嘴泄露、脱落造成的种种风险；通过喷杆喷嘴合理设计，保证了射流预冷后温度场的均匀性。

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 (9)

1.一种射流预冷翼型喷杆设计方法，其特征在于，包括：

步骤一、确定喷杆(3)的基本结构，其中，

所述喷杆(3)具有亚音速翼型截面，所述喷杆(3)内部开设有多个平行设置的供水通道(2)，且所述喷杆(3)上还开设有与对应的所述供水通道(2)连通的多组小孔直射喷嘴(1)，每组包括两个相对设置的小孔直射喷嘴(1)；以及

所述喷杆(3)安装在进气道上，多个所述供水通道(2)沿所述进气道的进气方向布置，所述小孔直射喷嘴(1)的喷射方向均与进气方向垂直；

步骤二、确定喷杆(3)上单个喷嘴的最大穿透深度，根据最大穿透深度以及进气道尺寸，按照均匀布置的原则在进气道上布置多个喷杆(3)，获取多种不同的喷杆布置方案；

步骤三、建立各个喷杆布置方案的三维计算模型，进行仿真分析，确定最优的喷杆布置方案；

步骤四、根据射流预冷试验的最大喷水流量确定最优的喷杆布置方案中所有喷杆(3)上的喷嘴总数，以及根据单个喷杆(3)的布置空间以及相邻喷嘴的安装空间确定喷水截面数量；

步骤五、根据射流预冷试验的最小喷水流量确定最先开启的喷水截面上的喷嘴数量，并根据最先开启的喷水截面上的喷嘴数量以及喷嘴总数确定其他喷水截面上的喷嘴数量；

步骤六、确定各个喷水截面上的喷嘴的布置形式，其中，同一喷水截面内，相邻两个喷杆(3)上喷嘴采用相互交错的布置形式；同一喷杆(3)上，相邻喷水截面内的喷嘴采用相互交错的布置形式。

2.根据权利要求1所述的射流预冷翼型喷杆设计方法，其特征在于，步骤二中，所述进气道的进口截面呈矩形；

所述喷杆布置方案包括：

第一喷杆布置方案为：根据最大穿透深度以及进气道尺寸，在所述进气道沿纵向均匀布置7个喷杆(3)；

第二喷杆布置方案为：根据最大穿透深度以及进气道尺寸，在所述进气道沿横向均匀布置2个喷杆(3)。

3.根据权利要求2所述的射流预冷翼型喷杆设计方法，其特征在于，步骤三中，根据进气压力损失以及预冷后温度场分布均匀性确定最优的喷杆布置方案。

4.根据权利要求3所述的射流预冷翼型喷杆设计方法，其特征在于，步骤四中，所述根据射流预冷试验的最大喷水流量确定最优的喷杆布置方案中所有喷杆(3)上的喷嘴总数，包括：

其中，n₁为喷嘴总数，V_b为最大喷水流量，μ为流量系数，S为单个喷嘴孔口面积，ρ为流体密度，ΔP为喷嘴孔口前后压差。

5.根据权利要求4所述的射流预冷翼型喷杆设计方法，其特征在于，步骤五中，所述根据射流预冷试验的最小喷水流量确定最先开启的喷水截面上的喷嘴数量，包括：

其中，n₂为最先开启的喷水截面上的喷嘴数量，V_s为最小喷水流量，μ为流量系数，S为单个喷嘴孔口面积，ρ为流体密度，ΔP为喷嘴孔口前后压差。

6.根据权利要求5所述的射流预冷翼型喷杆设计方法，其特征在于，所述喷杆(3)内部开设有三个平行设置的供水通道(2)，所述喷杆(3)安装在进气道上，三个所述供水通道(2)沿所述进气道的进气方向布置，依次为前供水通道、中间供水通道以及后供水通道，所述前供水通道对应的小孔直射喷嘴(1)为前喷水截面直射喷嘴(4)，所述中间供水通道对应的小孔直射喷嘴(1)为中间喷水截面直射喷嘴(5)，所述后供水通道对应的小孔直射喷嘴(1)为后喷水截面直射喷嘴(6)，所述前喷水截面直射喷嘴(4)、所述中间喷水截面直射喷嘴(5)以及所述后喷水截面直射喷嘴(6)的喷射方向均与进气方向垂直。

7.根据权利要求6所述的射流预冷翼型喷杆设计方法，其特征在于，

7个所述喷杆(3)的前喷水截面直射喷嘴(4)形成的喷水截面为前喷水截面；

7个所述喷杆(3)的中间喷水截面直射喷嘴(5)形成的喷水截面为中间喷水截面；

7个所述喷杆(3)的后喷水截面直射喷嘴(6)形成的喷水截面为后喷水截面；

其中，最先开启的喷嘴为所述前喷水截面直射喷嘴(4)。

8.根据权利要求7所述的射流预冷翼型喷杆设计方法，其特征在于，所述喷杆(3)通过安装座安装在所述进气道上。

9.根据权利要求8所述的射流预冷翼型喷杆设计方法，其特征在于，所述喷杆(3)的三个所述供水通道(2)均通过对应的供水接头与水系统连接。

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