CN116522046B - 基于轴向分区的发动机主燃烧室冒烟数分析方法 - Google Patents
基于轴向分区的发动机主燃烧室冒烟数分析方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于轴向分区的发动机主燃烧室冒烟数分析方法，属于航空发动机领域。包括：将发动机起飞工况的工作参数作为主燃烧室冒烟数计算参数；对进入发动机主燃烧室火焰筒的空气流量进行分配计算，包括火焰筒头部、主燃区空气流量与火焰筒总空气量；根据火焰筒头部、主燃区空气流量与火焰筒总空气量，和进入主燃烧室的燃油流量，计算火焰筒头部、主燃区油气比和主燃烧室总油气比；根据主燃烧室进口压力、温度和空气流量，基于轴向分区方法，将火焰筒头部、主燃区油气比和主燃烧室总油气比与阿累尼乌斯因子引入冒烟数计算模型中，获得主燃烧室冒烟数。本发明可以量化分析燃烧室火焰筒流量分配变化对冒烟数的影响，实现高精度的冒烟数预测。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，具体涉及一种基于轴向分区的发动机主燃烧室冒烟数分析方法。
背景技术
在航空发动机领域，为了确保飞机的隐身性和低可观测性，发动机在整个环境条件和工作包线内工作时，应不排出可见烟；同时燃烧室冒烟意味着燃烧室内，尤其是燃烧区碳粒子浓度很高，此时为发光火焰辐射，其辐射系数较非发光火焰高很多，使得火焰对火焰筒壁面的辐射换热大幅度增加，随着发动机推重比越来越高，燃烧室出口温度越来越高，火焰筒热负荷随之升高，如果不解决高油气比燃烧室冒烟问题，会导致火焰筒壁温进一步升高，甚至可能提前出现裂纹，火焰筒寿命缩短，因此，从环境、发动机隐身性能以及火焰筒寿命等多方面考虑，解决高油气比燃烧室冒烟问题极其重要。
目前燃烧室冒烟数还没有较为准确的评估与计算方法，三维数值仿真无法准确模拟碳烟形成复杂的过程和机理，存在局限性。已有预估模型适用性较差，且仅包含燃烧室进口气动参数和总油气比，无法在方案设计与改进设计中对火焰筒沿程油气分布等参数变化对冒烟数的影响进行预估，不能用于详细的设计与改进工作，需要依赖大量试验筛选，导致试验量大、研制周期长、成功率低，极大的耗费研制经费。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供一种基于轴向分区的发动机主燃烧室冒烟数分析方法，该方法以冒烟数经验公式为基础，同时引入火焰筒沿程油气比分布等参数，不仅能够预测已有方案不同状态的燃烧室冒烟数，同时能够预估燃烧室火焰筒沿程气动热力参数变化后对冒烟数的影响。
本申请实施例提供以下技术方案：一种基于轴向分区的发动机主燃烧室冒烟数分析方法，包括：
步骤1、将发动机起飞工况的工作参数作为主燃烧室冒烟数计算参数，所述工作参数包括主燃烧室进口压力、温度和空气流量、燃油流量；
步骤2、对进入发动机主燃烧室火焰筒的空气流量进行分配计算，所述空气流量包括火焰筒头部的空气流量、主燃区的空气流量与火焰筒总空气量；
步骤3、根据所述火焰筒头部的空气流量、所述主燃区的空气流量与所述火焰筒总空气量，以及进入主燃烧室的所述燃油流量，分别计算所述火焰筒头部的油气比、所述主燃区的油气比，以及主燃烧室总油气比；
步骤4、根据所述主燃烧室进口压力、温度和空气流量，基于轴向分区方法，将所述火焰筒头部的油气比、所述主燃区的油气比，以及主燃烧室总油气比与阿累尼乌斯因子分别引入冒烟数计算模型中，获得主燃烧室冒烟数。
根据本申请一种实施例，所述方法还包括：
步骤5、将获得的所述主燃烧室冒烟数与设计要求的冒烟数指标进行对比，若所述主燃烧室冒烟数不符合所述冒烟数指标，则对所述火焰筒头部的空气流量、所述主燃区的空气流量，以及掺混区的空气流量进行修正。
根据本申请一种实施例，步骤2中，
所述火焰筒头部的空气流量包括：涡流器空气量和火焰筒头部冷却空气量，通过公式（1）计算得出：
(1)
其中，表示火焰筒头部的空气流量，/>表示涡流器空气流量，/>表示火焰筒头部冷却空气流量，/>表示火焰筒总空气流量，/>表示火焰筒头部进气百分数，/>表示涡流器进气百分数，/>表示火焰筒头部冷却进气百分数。
根据本申请一种实施例，步骤2中，
所述主燃区的空气流量包括：火焰筒头部的空气流量、主燃孔截面前火焰筒冷却气量，以及主燃孔空气量，通过公式（2）计算得出：
(2)
其中，表示主燃区的空气流量，/>表示火焰筒头部的空气流量，/>表示主燃孔截面前火焰筒冷却气流量，/>表示主燃孔空气流量，/>表示火焰筒总空气流量，表示火焰筒头部进气百分数，/>表示主燃孔截面前火焰筒冷却气百分数，/>表示主燃孔进气百分数。
根据本申请一种实施例，步骤2中，
所述火焰筒总空气量通过公式（3）计算得出：
(3)
其中，表示火焰筒总空气流量，/>表示主燃烧室进口空气流量，/>表示涡轮冷却引气流量，/>表示涡轮冷却引气百分数。
根据本申请一种实施例，步骤3中，
所述火焰筒头部的油气比通过公式（4）计算得出：
（4）
其中，表示火焰筒头部的油气比，/>表示主燃烧室燃油流量，/>表示火焰筒头部的空气流量。
根据本申请一种实施例，步骤3中，
所述主燃区的油气比通过公式（5）计算得出：
（5）
其中，表示主燃区的油气比，/>表示主燃烧室燃油流量，/>表示主燃区的空气流量。
根据本申请一种实施例，步骤3中，
所述主燃烧室总油气比通过公式（6）计算得出：
(6)
其中，表示主燃烧室总油气比，/>表示主燃烧室燃油流量，/>表示火焰筒总空气流量。
根据本申请一种实施例，步骤4中，
所述主燃烧室冒烟数通过公式（7）计算得出：
(7)
其中，表示主燃烧室冒烟数，A、B、a、b均为常数，A取15~20，B取40~45，a取0.1~0.3，b取1~1.5，/>表示主燃烧室进口压力，/>表示火焰筒头部的油气比，/>表示主燃区的油气比，/>表示主燃烧室总油气比，/>表示燃烧室进口温度，/>表示主燃烧室进口空气流量，ln为以常数e为底数的对数，e为自然对数底数。
根据本申请一种实施例，所述主燃烧室采用双级轴向涡流器。
与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：
1.本发明提出的主燃烧室冒烟数分析方法可以考虑燃烧室火焰筒流量分配变化对冒烟数的影响，及在设计中可以计算火焰筒头部进气百分数等参数的变化对冒烟数的影响，规避了三维仿真计算时间较长、计算任务量大的缺陷，可以在方案设计中对火焰筒沿程流量分配等参数进行选取。
2.本发明提出的主燃烧室冒烟数分析方法在原有设计方法的基础上，以冒烟数经验公式为基础，解决原有冒烟数计算经验公式设计精度不足，普适性不强的缺点，可实现对火焰筒各个典型截面进气百分数的匹配设计。
3.本发明提出的主燃烧室冒烟数方法将火焰筒沿程油气比分布等参数引入现有冒烟数计算模型中，操作简单，计算准确，计算速度快，更具工程实用性，可以有效减少设计迭代周期。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要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申请的一些实施例，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它的附图。
图1为本发明实施例的主燃烧室冒烟数计算分析流程示意图；
图2为本发明实施例的火焰筒结构示意图；
其中，1-火焰筒头部；2-燃油喷嘴；3-主燃孔；4-掺混孔；5-火焰筒冷却孔；6-火焰筒头部出口；7-主燃区；8-掺混区。
具体实施方式
下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，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申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请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，在没有背离本申请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。
本发明提出一种利用主燃烧室状态参数、火焰筒沿程油气比分布参数来评估主燃烧室冒烟数分析方法，该发明是要实现对燃烧室气动参数与火焰筒流量分配变化后对冒烟数的准确预估，解决现有三维仿真与一维公式不能进行工程运用的缺陷，在现有主燃烧室设计体系开展火焰筒流量分配的精确设计，提高设计的准确性。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于轴向分区的发动机主燃烧室冒烟数分析方法，包括：
步骤1、将发动机起飞工况的工作参数作为主燃烧室冒烟数计算参数，所述工作参数包括主燃烧室进口压力、温度和空气流量、燃油流量；
本步骤中，在完成发动机总体初步方案设计后，在发动机各典型工况中，选择一个工况的工作参数作为主燃烧室冒烟性能设计点，对于军用发动机主燃烧室来说，一般为地面起飞状态，同时将该工况下的主燃烧室进口压力、温度和空气流量、燃油流量作为冒烟数分析的设计输入，其中，所述主燃烧室采用双级轴向涡流器。
步骤2、对进入发动机主燃烧室火焰筒的空气流量进行分配计算，所述空气流量包括火焰筒头部的空气流量、主燃区的空气流量与火焰筒总空气量；
本发明实施例的火焰筒结构如图2所示，包括火焰筒头部1，火焰筒头部1上设置燃油喷嘴2以及火焰筒头部出口6，火焰筒头部1后方依次为主燃区7和掺混区8，主燃区7的壁面上设置主燃孔3，掺混区8的壁面上设置掺混孔4和火焰筒冷却孔5。
其中，所述火焰筒头部的空气流量包括：涡流器空气流量和火焰筒头部冷却空气流量，通过公式（1）计算得出：
(1)
其中，表示火焰筒头部的空气流量，/>表示涡流器空气流量，/>表示火焰筒头部冷却空气流量，/>表示火焰筒总空气流量，/>表示火焰筒头部进气百分数，/>表示涡流器进气百分数，/>表示火焰筒头部冷却进气百分数。
所述主燃区的空气流量包括：火焰筒头部的空气流量、主燃孔截面前火焰筒冷却气流量，以及主燃孔空气流量，通过公式（2）计算得出：
(2)
其中，表示主燃区的空气流量，/>表示火焰筒头部的空气流量，/>表示主燃孔截面前火焰筒冷却气流量，/>表示主燃孔空气流量，/>表示火焰筒总空气流量，表示火焰筒头部进气百分数，/>表示主燃孔截面前火焰筒冷却气百分数，/>表示主燃孔进气百分数。
所述火焰筒总空气量通过公式（3）计算得出：
(3)
其中，表示火焰筒总空气流量，/>表示主燃烧室进口空气流量，/>表示涡轮冷却引气流量，/>表示涡轮冷却引气百分数。
步骤3、根据所述火焰筒头部的空气流量、所述主燃区的空气流量与所述火焰筒总空气流量，以及进入主燃烧室的所述燃油流量，分别计算所述火焰筒头部的油气比、所述主燃区的油气比，以及主燃烧室总油气比；
其中，所述火焰筒头部的油气比通过公式（4）计算得出：
（4）
其中，表示火焰筒头部的油气比，/>表示主燃烧室燃油流量，/>表示火焰筒头部的空气流量。
所述主燃区的油气比通过公式（5）计算得出：
（5）
其中，表示主燃区的油气比，/>表示主燃烧室燃油流量，/>表示主燃区的空气流量。
所述主燃烧室总油气比通过公式（6）计算得出：
(6)
其中，表示主燃烧室总油气比，/>表示主燃烧室燃油流量，/>表示火焰筒总空气流量。
步骤4、根据所述主燃烧室进口压力、温度和空气流量，基于轴向分区方法，将所述火焰筒头部的油气比、所述主燃区的油气比，以及主燃烧室总油气比与阿累尼乌斯因子分别引入冒烟数计算模型中，获得主燃烧室冒烟数。
所述主燃烧室冒烟数通过公式（7）计算得出：
(7)
其中，表示主燃烧室冒烟数，A、B、a、b均为常数，A取15~20，B取40~45，a取0.1~0.3，b取1~1.5，/>表示主燃烧室进口压力，/>表示火焰筒头部的油气比，/>表示主燃区的油气比，/>表示主燃烧室总油气比，/>表示燃烧室进口温度，/>表示主燃烧室进口空气流量，ln为以常数e为底数的对数，e为自然对数底数。
其中，上述公式（7）的推导过程如下：
基于现有主燃烧室冒烟计算公式（8）、（9）：
(8)
(9)
将公式（8）和公式（9）进行整合，得到公式（10）：
(10)
其中，为现有主燃烧室冒烟计算公式，/>表示主燃烧室进口压力，/>表示主燃烧室总油气比，/>表示燃烧室进口温度，/>表示主燃烧室冒烟数，/>表示主燃烧室进口空气流量，A、B、C均为常数，/>为燃烧室出口空气流量；
其中，。
表示主燃烧室燃油流量，/>表示火焰筒总空气量。
引入化学反应速度阿累尼乌斯因子，如下公式（11），
(11)
其中，z为化学反应速度阿累尼乌斯因子，为频率因子，E表观活化能，R为摩尔气体常量，T为热力学温度。
以及轴向不同截面油气比，包含所述的火焰筒头部的油气比、主燃区的油气比和主燃烧室总油气比/>，建立的一种基于载荷参数轴向分区的燃烧室冒烟数预测模型，即得到上述公式（7）。
本实施例还包括步骤5、将获得的所述主燃烧室冒烟数与设计要求的冒烟数指标进行对比，若所述主燃烧室冒烟数不符合所述冒烟数指标，则对所述火焰筒头部的空气流量、所述主燃区的空气流量，以及掺混区的空气流量进行修正，如符合，则进一步地进行主燃烧室详细方案设计。
本发明实施例通过搭建冒烟数计算模型，考虑燃烧室工作工况与火焰筒沿程油气比分布进行高精度冒烟数预测；本发明可以量化分析燃烧室火焰筒流量分配变化对冒烟数的影响，实现对火焰筒头部与主燃区进气百分数的精准设计，解决了现有主燃烧室冒烟三维数值仿真计算的精度差、计算量大的问题；完善了主燃烧室气动设计流程，解决了缺少主燃烧室冒烟数分析手段的问题。
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权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种基于轴向分区的发动机主燃烧室冒烟数分析方法，其特征在于，包括：
步骤1、将发动机起飞工况的工作参数作为主燃烧室冒烟数计算参数，所述工作参数包括主燃烧室进口压力、温度和空气流量、燃油流量；
步骤2、对进入发动机主燃烧室火焰筒的空气流量进行分配计算，所述空气流量包括火焰筒头部的空气流量、主燃区的空气流量与火焰筒总空气量；
步骤2中，
所述火焰筒头部的空气流量包括：涡流器空气量和火焰筒头部冷却空气量，通过公式（1）计算得出：
(1)
其中，表示火焰筒头部的空气流量，/>表示涡流器空气流量，/>表示火焰筒头部冷却空气流量，/>表示火焰筒总空气流量，/>表示火焰筒头部进气百分数，/>表示涡流器进气百分数，/>表示火焰筒头部冷却进气百分数；
步骤2中，
所述主燃区的空气流量包括：火焰筒头部的空气流量、主燃孔截面前火焰筒冷却气量，以及主燃孔空气量，通过公式（2）计算得出：
(2)
其中，表示主燃区的空气流量，/>表示火焰筒头部的空气流量，/>表示主燃孔截面前火焰筒冷却气流量，/>表示主燃孔空气流量，/>表示火焰筒总空气流量，/>表示火焰筒头部进气百分数，/>表示主燃孔截面前火焰筒冷却气百分数，/>表示主燃孔进气百分数；
步骤2中，
所述火焰筒总空气量通过公式（3）计算得出：
(3)
其中，表示火焰筒总空气流量，/>表示主燃烧室进口空气流量，/>表示涡轮冷却引气流量，/>表示涡轮冷却引气百分数；
步骤3、根据所述火焰筒头部的空气流量、所述主燃区的空气流量与所述火焰筒总空气量，以及进入主燃烧室的所述燃油流量，分别计算所述火焰筒头部的油气比、所述主燃区的油气比，以及主燃烧室总油气比；
步骤3中，
所述火焰筒头部的油气比通过公式（4）计算得出：
（4）
其中，表示火焰筒头部的油气比，/>表示主燃烧室燃油流量，/>表示火焰筒头部的空气流量；
步骤3中，
所述主燃区的油气比通过公式（5）计算得出：
（5）
其中，表示主燃区的油气比，/>表示主燃烧室燃油流量，/>表示主燃区的空气流量；
步骤3中，
所述主燃烧室总油气比通过公式（6）计算得出：
(6)
其中，表示主燃烧室总油气比，/>表示主燃烧室燃油流量，/>表示火焰筒总空气流量；
步骤4、根据所述主燃烧室进口压力、温度和空气流量，基于轴向分区方法，将所述火焰筒头部的油气比、所述主燃区的油气比，以及主燃烧室总油气比与阿累尼乌斯因子分别引入冒烟数计算模型中，获得主燃烧室冒烟数；
步骤4中，
所述主燃烧室冒烟数通过公式（7）计算得出：
(7)
其中，表示主燃烧室冒烟数，A、B、a、b均为常数，A取15~20，B取40~45，a取0.1~0.3，b取1~1.5，/>表示主燃烧室进口压力，/>表示火焰筒头部的油气比，/>表示主燃区的油气比，表示主燃烧室总油气比，/>表示燃烧室进口温度，/>表示主燃烧室进口空气流量，ln为以常数e为底数的对数，e为自然对数底数。
2.根据权利要求1所述的基于轴向分区的发动机主燃烧室冒烟数分析方法，其特征在于，所述方法还包括：
步骤5、将获得的所述主燃烧室冒烟数与设计要求的冒烟数指标进行对比，若所述主燃烧室冒烟数不符合所述冒烟数指标，则对所述火焰筒头部的空气流量、所述主燃区的空气流量，以及掺混区的空气流量进行修正。
3.根据权利要求1所述的基于轴向分区的发动机主燃烧室冒烟数分析方法，其特征在于，所述主燃烧室采用双级轴向涡流器。
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