一体化加力燃烧室扩压器与径向稳定器及其设计方法.pdf

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1、(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202311336847.2(22)申请日 2024.01.17(71)申请人 北京航空航天大学地址 100191 北京市海淀区学院路37号(72)发明人 刘玉英刘志远刘广海徐佳乐(51)Int.Cl.F23R 3/18(2006.01)F23R 3/00(2006.01)F23R 3/28(2006.01)(54)发明名称一体化加力燃烧室扩压器与径向稳定器及其设计方法(57)摘要本发明涉及航空发动机加力燃烧室技术领域，具体提供了一种一体化加力燃烧室扩压器与径向稳定器及其设计方法，在扩压器入口至径。

2、向稳定器流向堵塞起始位置之间的扩压器内锥型面采用椭圆曲线设计，径向稳定器流向堵塞起始位置后到扩压器出口位置之间采用直锥型面设计，且椭圆型面与直锥型面在径向稳定器堵塞起始位置Xstrut相切，而完成扩压器型面的设计。其后，根据径向稳定器设计堵塞比 d、径向稳定器数目n与径向稳定器流向堵塞截止位置处径向稳定器的径向高度H计算出径向稳定器的宽度Wstrut，从而完成扩压器与径向稳定器的一体化设计。本发明提供的扩压器与径向稳定器的一体化设计方法既实现了减速扩压的功能也实现了低阻减重的功能。权利要求书2页 说明书6页 附图4页CN 117553319 A2024.02.13CN 117553319 A1。

3、.一种加力燃烧室扩压器与径向稳定器一体化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，输入扩压器与径向稳定器的设计指标，包括加力燃烧室扩压器进口分流环半径Rshuntin、进口内锥半径Rconein、扩压器设计长度Ld、径向稳定器长度Lstrut、径向稳定器数目n及设计堵塞比d；步骤二，计算扩压器分流环型面函数：输入分流环扩张角度，在以扩压器入口与轴线的交点O为原点、以轴向为X轴、以径向为Y轴的二维圆柱坐标系中，通过RshuntoutRconein+Ld*tan计算出扩压器出口半径Rshuntout，并通过出分流环的型面函数Rshunt(x)tanx+Rshuntin；步骤三，计算扩压器当量扩张。

4、角：通过下式计算扩压器当量扩张角，步骤四，计算扩压器内锥型面函数：输入径向稳定器的起始堵塞位置Xstrut，以A(0,Rconein)为短半轴端点、以坐标原点O(0,0)为中心的椭圆，与过扩压器设计长度终点D(Ld,0)的直线，在径向稳定器流向起始堵塞位置xXstrut处进行相切设计，得到椭圆型面与直锥型面的二维型面，从而得到扩压器内锥型面函数：其中bRconein，步骤五，计算径向稳定器的宽度：根据在径向稳定器流向堵塞截止位置xXstrut+Lstrut所在截面分流环与内锥二者的半径差值计算径向稳定器的径向高度H，以径向稳定器堵塞截止位置C点处的流道截面作为径向稳定器堵塞比的计算截面，取径向。

5、稳定器的翼型设计流向截面为矩形，以该计算截面的径向稳定器高度为H、径向高度为Rshunt2、内锥半径为Rcone2，根据下式计算径向稳定器的宽度Wstrut：步骤六，输出扩压器型面函数与径向稳定器几何尺寸：将步骤一到步骤五所涉及的扩压器的型面数据和径向稳定器的几何参数输出，完成扩压器与径向稳定器的一体化设计。2.根据权利要求1所述的加力燃烧室扩压器与径向稳定器一体化设计方法，其特征在于，步骤三中计算当量扩张角时，确保当量扩张角范围处于20 25 内，若不满足当量扩张角范围处于20 25 内，则重新输入分流环的扩张角度，计算扩压器分流环型面函数Rshunt(x)。3.根据权利要求1所述的加力燃烧。

6、室扩压器与径向稳定器一体化设计方法，其特征在于，步骤五计算出径向稳定器的宽度Wstrut后，计算出在径向稳定器堵塞截止位置xXstrut+Lstrut处以径向稳定器的宽度Wstrut为弦长的对应的半径为Rcone2的圆对应的圆心角，并按照下式进行校验：权利要求书1/2 页2CN 117553319 A2n2当径向稳定器的数量n、圆心角满足上式时，则径向稳定器宽度Wstrut满足设计要求；当径向稳定器的数量n、圆心角不满足上式时，则重新在步骤一输入径向稳定器流向堵塞起始位置Xstrut并迭代步骤一至步骤五，直至径向稳定器宽度Wstrut满足设计要求。4.根据权利要求3所述的加力燃烧室扩压器与径向。

7、稳定器一体化设计方法，其特征在于，在以Rcone2为半径的圆中，以径向稳定器宽度Wstrut为弦长，采用下式计算出对应的圆心角：5.根据权利要求1所述的加力燃烧室扩压器与径向稳定器一体化设计方法，其特征在于，还包括：步骤七，数值模拟校验：按照步骤六输出的扩压器型面函数与径向稳定器几何尺寸设计用于数值模拟的加力燃烧室模型，并在内涵扩压器进口及外涵入口马赫数为0.3Ma的边界条件下校验加力燃烧室模型对应的流场及流线分布；以及其中所述扩压器内锥型面的选型包括圆弧型面、椭圆型面、等压力梯度曲线型面。步骤八，参数计算迭代：分析步骤七中计算得到的加力燃烧室模型对应的流场及流线分布；在加力燃烧室模型的扩压器。

8、中心锥后方的回流区分布面积较大，或中心锥后方存在大面积的流向涡的情况下，则调整步骤一中扩压器与径向稳定器的设计指标；和/或调整步骤四中稳定器的起始堵塞位置Xstrut或调整扩压器内锥型面的选型。6.一种加力燃烧室，其特征在于，包括由如权利要求15任一项所述的一体化设计方法得到的加力燃烧室扩压器及径向稳定器。权利要求书2/2 页3CN 117553319 A3一体化加力燃烧室扩压器与径向稳定器及其设计方法技术领域0001本发明涉及航空发动机技术领域，特别涉及一体化加力燃烧室扩压器与径向稳定器及其设计方法。背景技术0002加力燃烧室进口气流速度大，必须先进行减速扩压，才能进行值班点火与组织燃烧的设。

9、计。由分流环与内锥组成的扩压器结构是加力燃烧室进行气流扩压的主要部件之一，其扩压性能的良好与否是直接影响加力燃烧室性能优劣的重要因素。0003为了实现低损失的扩压效果，传统的扩压器加力内锥体通常采用全锥的形式，或者采用截锥形式。截锥结构引起的内锥后方大面积的回流区损失和大面积的热辐射导致其隐身性能变差，无法满足战机与发动机的气动性能与隐身要求。除此之外，由于先进战机对于加力燃烧室减重与简化的要求，加力燃烧室的一体化设计已经成为新一代军用战机发动机的设计的主流趋势。作为一体化设计的重要研究之一的扩压器与径向稳定器的一体化设计领域也显得日益重要。因此开发一种新的加力燃烧室全锥形式内锥的扩压器与径向。

10、稳定器的一体化设计方法，在扩压器设计过程中，可同时满足扩压要求、损失要求和一定的隐身要求。发明内容0004为了解决上述技术问题，本发明提供了一种一体化加力燃烧室扩压器与径向稳定器及其设计方法，其在满足减速扩压要求的基础上充分考虑径向稳定器一体化设计，得到低总压损失，较小流动分离的扩压器设计型面，本发明还提供由该设计方法得到的含有该扩压器与径向稳定器的一体化结构的加力燃烧室。0005在本发明的第一方面，提供一种加力燃烧室扩压器与径向稳定器一体化设计方法，其包括如下步骤：0006步骤一，输入扩压器与径向稳定器的设计指标，包括加力燃烧室扩压器进口分流环半径Rshuntin、进口内锥半径Rconein。

11、、扩压器设计长度Ld、径向稳定器长度Lstrut、径向稳定器数目n及设计堵塞比d；0007步骤二，计算扩压器分流环型面函数：输入分流环扩张角度，在以扩压器入口与轴线的交点O为原点、以轴向为X轴、以径向为Y轴的二维圆柱坐标系中，通过RshuntoutRconein+Ld*tan计算出扩压器出口半径Rshuntout，并通过出分流环的型面函数Rshunt(x)tanx+Rshuntin；0008步骤三，计算扩压器当量扩张角：通过下式计算扩压器当量扩张角，00090010步骤四，计算扩压器内锥型面函数：输入径向稳定器的起始堵塞位置Xstrut，以A(0,说明书1/6 页4CN 117553319 A。

12、4Rconein)为短半轴端点、以坐标原点O(0,0)为中心的椭圆，与过扩压器设计长度终点D(Ld,0)的直线，在径向稳定器流向起始堵塞位置xXstrut处进行相切设计，得到椭圆型面与直锥型面的二维型面，从而得到扩压器内锥型面函数：00110012其中bRconein，0013步骤五，计算径向稳定器的宽度：根据在径向稳定器流向堵塞截止位置xXstrut+Lstrut所在截面分流环与内锥二者的半径差值计算径向稳定器的径向高度H，以径向稳定器堵塞截止位置C点处的流道截面作为径向稳定器堵塞比的计算截面，取径向稳定器的翼型设计流向截面为矩形，以该计算截面的径向稳定器高度为H、径向高度为Rshunt2、。

13、内锥半径为Rcone2，根据下式计算径向稳定器的宽度Wstrut：00140015步骤六，输出扩压器型面函数与径向稳定器几何尺寸：将步骤一到步骤五所涉及的扩压器的型面数据和径向稳定器的几何参数输出，完成扩压器与径向稳定器的一体化设计。0016优选地，步骤三中计算当量扩张角时，确保当量扩张角范围处于20 25 内，若不满足当量扩张角范围处于20 25 内，则重新输入分流环的扩张角度，计算扩压器分流环型面函数Rshunt(x)。0017优选地，步骤五计算出径向稳定器的宽度Wstrut后，计算出在径向稳定器堵塞截止位置xXstrut+Lstrut处以径向稳定器的宽度Wstrut为弦长的对应的半径为R。

14、cone2的圆对应的圆心角，并按照下式进行校验：0018n20019当径向稳定器的数量n、圆心角满足上式时，则径向稳定器宽度Wstrut满足设计要求；0020当径向稳定器的数量n、圆心角不满足上式时，则重新在步骤一输入径向稳定器流向堵塞起始位置Xstrut并迭代步骤一至步骤五，直至径向稳定器宽度Wstrut满足设计要求。0021优选地，在以Rcone2为半径的圆中，以径向稳定器宽度Wstrut为弦长，采用下式计算出对应的圆心角：00220023优选地，所述加力燃烧室扩压器与径向稳定器一体化设计方法还包括：0024步骤七，数值模拟校验：按照步骤六输出的扩压器型面函数与径向稳定器几何尺寸设计用于数。

15、值模拟的加力燃烧室模型，并在内涵扩压器进口及外涵入口马赫数为0.3Ma的边界条件下校验加力燃烧室模型对应的流场及流线分布；以及0025步骤八，参数计算迭代：分析步骤七中计算得到的加力燃烧室模型对应的流场及说明书2/6 页5CN 117553319 A5流线分布；在加力燃烧室模型的扩压器中心锥后方的回流区分布面积较大，或中心锥后方存在大面积的流向涡的情况下，则调整步骤一中扩压器与径向稳定器的设计指标；和/或调整步骤四中稳定器的起始堵塞位置Xstrut或调整扩压器内锥型面的选型；0026其中，所述扩压器内锥型面的选型包括圆弧型面、椭圆型面、等压力梯度曲线型面。0027在本发明的第二方面，提供一种加。

16、力燃烧室，其包括由如前文任一项实施例所述的一体化设计方法得到的加力燃烧室扩压器及径向稳定器。0028本发明提供的扩压器与径向稳定器的一体化设计方法，在考虑了低损失的减阻扩压、增强红外隐身性能的同时，又兼顾了设计方法的简单可靠。附图说明0029附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。0030图1是本发明的加力燃烧室扩压器与径向稳定器一体化结构二维示意图；0031图2是本发明的扩压器与径向稳定器一体化结构径向稳定器后缘截面示意图；0032图3是本发明的扩压器与径向稳定器一体化结构的三维建模示意图。

17、；0033图4为本发明的含有该扩压器与径向稳定器一体化结构的八分之一结构示意图；0034图5为本发明的含有该扩压器与径向稳定器一体化结构的加力燃烧室流体域示意图；0035图6为含有基于椭圆型面的一体化结构的加力燃烧室研究截面处速度场及迹线分布；0036图7为含有基于等压力梯度设计型面的一体化结构的加力燃烧室研究截面处速度场及迹线分布；图8为本发明的加力燃烧室扩压器与径向稳定器一体化的设计方法流程图。0037附图中：00381分流环；00392扩压器，21扩压器入口，22扩压器出口；00403内锥，31椭圆型面，32直锥型面；00414径向稳定器；004251内涵入口，52外涵入口；00436加。

18、力燃烧室出口。具体实施方式0044现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。本领域技术人员能够理解的是，由于加力燃烧室具有整体上呈圆筒状的结构特征，因此优选地以圆柱坐标系进行特征描述，其中径向以附图1中的R方向示出，轴向以附图中的x方向示出。0045除此之外，考虑到加力燃烧室中的结构在周向上具有一定的周期重复特性，例如径向稳定器沿周向等角度地设有多个，所以，在讨论加力燃烧室整体性能时，只需要截取其中的一个垂直于周向的截面进行速度、温度、压力等参数的分析，本领域技术人员应当理说明书3/6 页6CN 117553319 A6解，对该截面的分析可以基于中心对称性可以扩展到整个周向范围。0046需要。

19、说明的是：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具有相同或类似的功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，在不冲突的情况下，本申请中的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，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。0047在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具有优点的技术方案。0048如图17所示，本发明提供了本发明提供一种扩压器与径向稳定器的一体化设计方法，包括以下步骤：0049步骤一，设计输入准。

20、备：获得设计扩压器与径向稳定器的设计指标，所述设计指标包括加力燃烧室扩压器进口分流环半径Rshuntin、进口内锥半径Rconein(即图1中A点的径向坐标)、扩压器设计长度Ld(也即内锥长度)、径向稳定器长度Lstrut、径向稳定器数目n、径向稳定器的设计堵塞比d(即图2中示出的以Wstrut和H为边长的多个矩形面积与内径为Rcone2外径为Rstrut2的圆环面积之比)、分流环扩张角度。0050步骤二，扩压器分流环型面函数Rshunt(x)的计算：根据步骤一获得的加力燃烧室扩压器分流环扩张角度、进口分流环半径Rshuntin、进口内锥半径Rconein、扩压器设计长度Ld和输入的分流环扩张。

21、角度，对分流环内表面进行圆锥面设计，建立以点O(0,0)为原点，横轴为x、轴纵轴为R轴的二维笛卡尔直角坐标系，计算出扩压器出口半径Rshuntout(其中RshuntoutRconein+tan)与分流环型面函数Rshunt(x)(其中Rshunt(x)tanx+Rshuntin)；0051需要说明的是，扩压器出口半径Rshuntout是以扩压器入口到出口之间呈圆锥面为前提进行设计的，即图1所示的从Rshuntin到Rshuntout的直线，然而本发明并不对此进行限定，即扩压器的内壁面也可以呈现曲线的结构，此时扩压器出口半径Rshuntout可以由相应的曲线方程计算得到。0052步骤三，扩压器。

22、当量扩张角计算：根据步骤一中扩压器进口分流环半径Rshuntin、进口内锥半径Rconein、扩压器设计长度Ld与步骤二中得到的扩压器出口半径Rshuntout通过当量扩张角的通用计算公式如式(1)所示，得到扩压器当量扩张角；00530054当量扩张角是非圆锥形扩压器转换成圆锥扩压器时表示扩压器扩张的程度的圆锥角，它根据扩压器进出口当量直径来计算，当量扩张角越大表示扩压器的扩压能力越强、扩压程度越大。0055步骤四，扩压器内锥型面函数Rcone(x)计算：首先，输入径向稳定器的起始堵塞位置Xstrut(通常取中心锥轴向尺寸的0.4作为初始值，后续根据数值模拟的情况可迭代计算)，然后根据步骤一输。

23、入的径向稳定器流向起始堵塞位置Xstrut、进口内锥半径Rconein与扩压器设计长度Ld，建立以点O(0,0)为原点，横轴为x轴、纵轴为R轴的二维圆柱坐标系，将以A(0,Rconein)为短半轴端点、以坐标原点O(0,0)为中心的椭圆与过扩压器设计长度终点D(Ld,0)的直线在径向稳定器流向起始堵塞位置xXstrut处进行相切设计从而得到椭圆型面与直锥说明书4/6 页7CN 117553319 A7型面的二维型面，求出椭圆的方程(椭圆方程形式为其中b Rc o n e i n)与 圆 锥 段 直 线 方 程(直 线 方 程 形 式 为 R k x+c，其 中从而得到扩压器内锥型面函数0056。

24、本发明采用椭圆与直线相切构造扩压器中心锥型面的技术效果包括：0057简化中心锥型面设计的方法：采用椭圆与直线在指定流向位置相切将会只存在唯一一组对应的椭圆直线方程符合设计需要，可以有效满足任意中心锥设计长度的需求而不会存在数学上无解的情况，例如若采用圆弧与直线在指定流向位置相切构造中心锥型面会使得在该约束条件下存在没有能满足该约束条件的圆弧与直线方程同时存在，造成数学上无解的情况发生，除此之外若采用等压力梯度曲线与直线相切组合的方式构造中心锥型面也难以精确满足指定长度的中心锥的需要；以及提高气动效果：椭圆与直线在指定流向位置相切构造中心锥型面的方法可以有效减小相对于等压力梯度设计下中心锥后半段。

25、气流转角梯度变化过大的问题。0058步骤五，径向稳定器的宽度Wstrut的计算：根据步骤一中输入的径向稳定器设计堵塞比d、径向稳定器数目n和步骤二与步骤四中得到的扩压器分流环型面函数Rshunt(x)、扩压器内锥型面函数Rcone(x)，计算出在径向稳定器流向堵塞截止位置xXstrut+Lstrut所在截面处分流环与内锥二者的半径差值，即为径向稳定器的径向高度H。00590060取径向稳定器采用翼型设计流向截面为矩形，根据上述(2)式计算出径向稳定器的宽度Wstrut。0061n2 (3)0062翼型支板截面如附图3所示，校核径向稳定器宽度Wstrut与径向稳定器数量n的关系，计算出径向稳定器。

26、的宽度Wstrut后，计算出在径向稳定器堵塞截止位置xXstrut+Lstrut处以径向稳定器的宽度Wstrut为弦长的对应的半径为Rcone2的圆对应的圆心角(弧度制)，当径向稳定器的数量n、圆心角满足上述(3)式所示关系式时即可输出径向稳定器宽度为Wstrut，如不满足需重新在步骤一输入径向稳定器流向堵塞起始位置Xstrut、重新进行其他步骤，直至径向稳定器宽度Wstrut满足设计要求。00630064以径向稳定器宽度Wstrut为弦长的对应的以Rcone2为半径的圆对应的圆心角(弧度制)的计算公式如上述(4)式所示，圆心角、径向稳定器宽度Wstrut为与以Rcone2为半径的圆的几何关系。

27、示意如附图2所示。说明书5/6 页8CN 117553319 A80065步骤六，输出扩压器型面函数与径向稳定器几何尺寸：将步骤一到步骤五所涉及的扩压器的型面数据和径向稳定器的几何参数例如径向稳定器长度Lstrut、径向稳定器流向堵塞起始位置Xstrut、径向稳定器径向高度H、径向稳定器数量n，实现对径向稳定器的设计，从而完成扩压器与径向稳定器的一体化设计。0066以加力燃烧室扩压器进口分流环半径Rshuntin400mm、进口内锥半径Rconein200mm、扩压器设计长度Ld500mm、分流环扩张角度5、径向稳定器流向堵塞起始位置Xstrut300mm、径向稳定器长度Lstrut100mm。

28、、设计堵塞比d0.25，径向稳定器数量n8为输入参数，经过上述设计步骤的得到扩压器与径向稳定器的一体化结构为示范例如附图3所示。0067因为该结构高度中心对称故选取该结构周向八分之一结构，如附图4所示，作为研究结构提取该结构对应的流体域模型将进行示范例的计算，在此基础上，设计含有该一体化结构的加力燃烧室模型，加力燃烧室的长度Lab1500mm，如附图5所示，内涵扩压器进口马赫数为0.3Ma，外涵入口也为0.3Ma，该结构对应的流场及流线分布如附图6所示。0068为了对比该扩压器与径向稳定器一体化设计方法在流场流动方面的差异，在此将设置含有基于等压力梯度设计的扩压器与径向稳定器的一体化结构的加力。

29、燃烧室与含有新设计方法的扩压器与径向稳定器一体化结构进行对比，含有该结构的加力燃烧室处扩压器型面不同外，当量扩张角、堵塞比等其他因素完全相同，其流场分布如附图7所示。0069通过附图6与附图7所展示的流场及流线分布可以得知，该一体化结构所产生的内锥后回流区相较于等压力梯度设计下的扩压器中心锥后方的回流区分布面积较小、中心锥后方也不会存在大面积的流向涡；通过扩压器后马赫数与进口马赫数对比可以得知，该一体化结构的减速扩压性能也有着良好的表现。0070对于本领域技术人员而言可以理解，若数值模拟的结果不满足要求，则所述的加力燃烧室扩压器与径向稳定器一体化设计方法还包括：0071步骤七，数值模拟校验：按。

30、照步骤六输出的扩压器型面函数与径向稳定器几何尺寸设计用于数值模拟的加力燃烧室模型，并在内涵扩压器进口及外涵入口马赫数为0.3Ma的边界条件下校验加力燃烧室模型对应的流场及流线分布；以及0072步骤八，参数计算迭代：分析步骤七中计算得到的加力燃烧室模型对应的流场及流线分布；在加力燃烧室模型的扩压器中心锥后方的回流区分布面积较大，或中心锥后方存在大面积的流向涡的情况下，则：调整步骤一中扩压器与径向稳定器的设计指标；和/或调整步骤四中稳定器的起始堵塞位置Xstrut或调整扩压器内锥型面的选型；0073其中，所述扩压器内锥型面的选型包括圆弧型面、椭圆型面、等压力梯度曲线型面。0074一种加力燃烧室扩压器与径向稳定器一体化的设计方法的流程如附图8所示。0075以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明所揭示的技术范围内，可轻易做出的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。说明书6/6 页9CN 117553319 A9图1图2图3说明书附图1/4 页10CN 117553319 A10图4图5图6说明书附图2/4 页11CN 117553319 A11图7说明书附图3/4 页12CN 117553319 A12图8说明书附图4/4 页13CN 117553319 A13。