[发明专利]一种带漏斗的火焰筒掺混孔尺寸确定方法及系统

说明书

本申请属于发动机燃烧室设计技术领域，特别涉及一种带漏斗的火焰筒掺混孔尺寸确定方法及系统。所述方法包括步获取火焰筒掺混孔的动量通量比的定义方程，同时获取动量通量比与动压比K之间的关系；所述动压比是指掺混孔射流动压与掺混孔上游环腔动压的比值，从而构建基于所述动量通量比的等式方程；通过牛顿迭代法求解上述等式方程，进而得到各类掺混孔的动压比K，根据动压比K计算所述动量通量比；根据所述动量通量比及多孔射流结构的最大穿透深度，计算各类掺混孔的有效内径；根据各类掺混孔的有效内径及总的掺混孔射流空气流量确定各类掺混孔的总数；根据各类掺混孔的有效内径及各类掺混孔的流量系数，确定各类掺混孔的几何内径。

技术领域

本申请属于发动机燃烧室设计技术领域，特别涉及一种带漏斗的火焰筒掺混孔尺寸确定方法及系统。

背景技术

燃烧室出口温度分布品质是航空发动机燃烧室设计的一项重要指标，包括燃烧室出口的热点温度及其位置、出口温度沿周向分布的均匀性以及沿周向平均的径向温度分布等，对涡轮导向叶片和转子叶片的寿命有显著影响。影响燃烧室出口温度分布的因素很多，包括燃烧室进口流场、燃烧组织方式、火焰筒流路构型、掺混区设计等诸多因素。然而，在实际燃烧室设计中，通常是先要考虑满足燃烧性能(燃烧效率、点熄火、冒烟等)和壁面冷却的要求，进行火焰筒头部空气流量和冷却空气流量的分配，剩余的空气流量作为掺混空气量。尤其是在燃烧组织方式和壁面冷却方式确定以后，不希望再去改动主燃区的燃烧空气量和冷却空气量，在这种情况下，对于设计者来说，掺混空气量是无法选择的。因此，对于掺混区的设计，设计者应该主要着眼于在掺混空气量一定的前提下掺混孔的几何设计，包括掺混孔数量、尺寸、孔形状等。

为了确保燃烧室出口温度分布达到性能指标要求，必须保证掺混空气具有足够的射流穿透深度，并且要有合适的射流量能够形成局部的充分混合区域。如果将总的掺混孔面积分割成大量的小孔，则穿透深度就不够，掺混区的中心就会存在热区；另一方面，如果将总的掺混孔面积分割成少数的几个大孔，则由于穿透过深和周向混合较差，将会导致掺混区温度场沿周向分布不均匀度恶化。尤其对于高温升燃烧室，火焰筒头部空气流量增加，相应掺混空气量减少，同时火焰筒腔道高度增加，上述矛盾尤为突出。通过在每个掺混孔上增加圆形漏斗是合理的选择，能够保证掺混空气在火焰筒内的穿透深度,同时兼顾掺混空气与高温燃气之间的混合沿周向尽量均匀。因此，需要发展一种带漏斗的掺混孔设计方法，以便确定最佳的掺混孔设计方案(漏斗长度、孔数、孔径)。

关于带漏斗的火焰筒掺混孔设计方法，以往通常基于燃烧室设计者自身的设计经验给出基准方案，然后采用数值仿真手段评估基准方案下的射流穿透深度、射流与主流混合效率等，进一步优化设计方案，依此过程完成多次迭代，最终给出最优方案。然而，基于经验的设计方法依赖于设计者自身的设计经验，缺乏理论支撑，盲目性很强，设计过程中很可能出现多次反复迭代，大大增加设计成本。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种带漏斗的火焰筒掺混孔尺寸确定方法及系统。放弃基于经验的设计方法，通过数学推导，给出基于射流穿透深度的带漏斗的掺混孔设计方法。通过该设计方法，由用户输入漏斗长度，直接计算出最佳的掺混孔数量和孔径。相比于传统方法，减少设计过程中的输入变量，降低迭代周期和设计成本。

本申请第一方面，一种带漏斗的火焰筒掺混孔尺寸确定方法，包括：

步骤S1、获取火焰筒掺混孔的动量通量比的定义方程，同时获取动量通量比与动压比K之间的关系；所述动压比是指掺混孔射流动压与掺混孔上游环腔动压的比值，从而构建基于所述动量通量比的等式方程；

步骤S2、通过牛顿迭代法求解上述等式方程，进而得到各类掺混孔的动压比K，根据动压比K计算所述动量通量比；

步骤S3、根据所述动量通量比及多孔射流结构的最大穿透深度，计算各类掺混孔的有效内径；

步骤S4、根据各类掺混孔的有效内径及总的掺混孔射流空气流量确定各类掺混孔的总数；