[發明專利]一種帶引射噴管航空渦扇發動機的設計方法

在審

• 申請號: 202211432776.1
• 申請日: 2022-11-16
• 公開（公告）號: CN115688287A
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發明（設計）人: 羅家逸;陳浩穎;鄭前鋼;陳銘;張海波
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/28;G06F113/06;G06F113/08;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京德崇智捷知識產權代理有限公司 11467
• 代理人: 楊楠

本發明公開了一種帶引射噴管航空渦扇發動機的設計方法。本發明對參數循環分析模型進行了改進，在改進的參數循環分析模型中，設計狀態下的引射噴管內部氣流流動滿足：(1)主、次流分別從進口亞聲速狀態加速到出口超聲速狀態，同時兩股氣體在噴管出口均是完全膨脹狀態；(2)兩股氣體在噴管內不摻混且等熵流動；（3）主、次流交界處始終維持靜壓平衡。相比現有技術，本發明提出了使用涵道比、引射涵道比、風扇壓比、壓氣機壓比和燃燒室出口溫度作為迭代變量，以外涵氣流狀態、引射次流狀態、發動機推力和耗油率作為檢驗指標的多級迭代方法，基于最終的迭代結果可設計出引射噴管與核心機匹配關系良好且整機性能優良的航空渦扇發動機。

技術領域

本發明涉及一種航空渦扇發動機的設計方法，尤其設計一種帶引射噴管航空渦扇發動機的設計方法。

背景技術

小涵道比渦扇發動機作為現代軍用戰機的主要動力源，其排氣系統對發動機推力和紅外特征具有至關重要的影響。引射噴管因結構簡單、推力損失小以及能夠有效降低紅外輻射強度等優勢，在飛機設計領域得到了廣泛的應用。我國的殲20戰機、美國的B-2轟炸機和YF-23戰斗機都采用了引射排氣技術。

氣體引射器的設計方法主要包括一維流法、特征線法和CFD數值模擬法。1939年Flugel首次提出了一種應用連續方程、動量守恒方程和能量守恒方程應的引射器一維分析方法，隨后Keenan和Neumann對這套一維分析方法進行了簡化和完善，奠定了引射器一維設計理論的基礎。然引射器一維分析理論引入了諸多簡化假設，其準確性和適用性限制了該理論的發展。特征線法是早期超聲速噴管的主要設計方法，Busemann在1931年提出了經典的特征線網格法，利用特征線理論計算噴管內部膨脹波的交匯與反射，最終形成一條光滑的噴管型線。之后的學者們在特征線理論的基礎上發展了多種噴管設計的解析方法，包括Foelsch法、Cresci法和Sivells法等。這些方法填補了經典特征線法的缺陷，并且在工程上得到了廣泛的應用，但對于如激波交匯、湍流混合等復雜流動難以取得較好的結果。隨著計算機科學技術的發展，CFD數值模擬的方法可以很好地模擬流場內部的復雜流動，目前學者更傾向于采用商用數值模擬軟件對引射噴管的型面展開設計，但精細的數值模擬過程通常需要花費大量時間。

國內對引射噴管設計研究主要聚焦于探索不同設計參數對噴管流動特征及推力、紅外等性能的影響。劉福城等采用數值模擬的方法研究并獲得了二元引射噴管間距比變化和面積比變化對推力特性和紅外特性的影響規律；鄧文劍等通過改變外套筒的出口直徑和長度，設計了多種引射噴管方案并采用CFX探究其在多種狀態下的流量和推力性能；張可心等針對引射噴管在設計點的主要型面設計參數開展了規律性研究，探究了不同型面參數對內部流動剪切層特性和推力性能的影響。

上述研究僅限于將噴管作為獨立部件開展的設計與仿真，對于噴管的結構尺寸和邊界條件的選取缺乏明確的依據和限制，由此產生試驗結果無法代表噴管安裝在發動機上的實際性能。在工程實際中，普遍存在設計的噴管與發動機核心機匹配性較差的問題，具體體現在噴管安裝后不僅無法提供預期的推力，而且會對發動機核心機的熱力學循環產生不良的影響。因此，在發動機總體設計階段研究引射噴管與核心機的匹配關系對噴管的設計和試驗具有重要意義，并且能夠有效地降低研發成本。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術不足，提供一種帶引射噴管航空渦扇發動機的設計方法，通過對參數循環分析方法進行改進，在設計過程中綜合考慮引射噴管與核心機的流量匹配以及發動機推力、油耗性能，從而可設計出核心機與引射噴管匹配關系良好并且整機性能優良的航空渦扇發動機。

本發明具體采用以下技術方案解決上述技術問題：

一種帶引射噴管航空渦扇發動機的設計方法，基于改進的參數循環分析模型獲取引射噴管的二維幾何結構；在所述改進的參數循環分析模型中，引射噴管內部氣流流動滿足以下主、次流流動馬赫數及靜壓分布的條件：