一种基于安装性能的发动机喷管出口面积调节设计方法

摘要

一种基于安装性能的发动机喷管出口面积调节设计方法，根据发动机主调节计划、限制值及飞行高度、马赫数使用发动机零维计算软件计算发动机截面参数及可调节截面面积，由此时喷管喉道面积的101％作为最小值，喉道面积的250％作为最大值，等分系列喷管出口面积，分为13份；通过流场计算软件计算各出口面积条件下喷管流场，通过流场计算软件后处理计算发动机喷管非安装推力以及后体阻力，选取非安装推力与后体阻力之和的最大值，此最大值对应的喷管出口面积为此状态的最优喷管出口面积。本发明的优点：能够实现在不改变发动机喷管结构、发动机工作状态的前提下，有效提高发动机安装推力。

说明书

技术领域

本发明涉及发动机喷管出口面积可主动调节的飞行器技术领域， 特别涉及了一种基于安装性能的发动机喷管出口面积调节设计方法。

背景技术

现有航空发动机喷管出口面积调节计划设计时，仅考虑发动机非 安装性能，而现在先进战斗机要求在不开加力状态下进行长时间超声 速巡航，随着巡航速度的增加，飞行阻力增大。分析飞行器产生阻力 的主要部件为：机翼、机身、尾翼、座舱盖和起落架等，其中机身后 体的阻力占全机阻力的38～50%。而喷管出口面积对飞行后体阻力影 响较大，因此在进行发动机喷管出口面积调节计划设计时，仅考虑非 安装推力已限制了推进系统安装性能的发挥。因此，进行喷管出口面 积调节计划设计时，应考虑飞行后体阻力。

发明内容：

本发明的目的是为了解决发动机喷管出口面积调节计划使发动 机安装性能偏离最优的技术难题，特提供了一种基于安装性能的发动 机喷管出口面积调节设计方法。

本发明提供了一种基于安装性能的发动机喷管出口面积调节设 计方法，其特征在于：所述的基于安装性能的发动机喷管出口面积调 节设计方法为：

根据发动机主调节计划、限制值及飞行高度、马赫数使用发动机 零维计算软件（如turbotrans等）计算发动机截面参数及可调节截 面面积，由此时喷管喉道面积的101％作为最小值，以喉道面积的250％ 作为最大值，等分系列喷管出口面积，分为13份，根据发动机喷管 结构尺寸、喉道面积、喷管出口系列面积分别建立喷管内外流场数 值计算的三维或二维模型，由流场计算软件（如fluent）开展喷管 内外流场计算，其中计算边界条件由发动机截面参数中的喷管进口 处及飞行环境参数确定，通过流场计算软件后处理计算发动机喷管 非安装推力以及后体阻力，选取非安装推力与后体阻力之和的最大 值，此最大值对应的喷管出口面积为此状态的最优喷管出口面积， 使用相同的方法选取其它各状态的喷管最优出口面积，拟合成与飞 行高度、马赫数，发动机状态有关的发动机喷管出口面积调节计划 A₉=f(H,Ma,n)；

出口面积可主动调节的发动机喷管及飞机后体示意图，发动机喷 管出口面积A9改变时，通过联动杆3使外调节片4绕E点转动，外 调节片4转动影响外调节片4、过渡片5、飞机后体及机尾罩6外表 面静压分布，导致后体阻力发生改变；同时，喷管A₉面积改变也能 影响发动机喷流，喷流对各表面阻力同样产生影响，由上可知，喷 管出口A₉面积对后体阻力有重要影响，为优化发动机安装性能，本 发明以喷管出口参数计算的发动机非安装推力与外调节片4、过渡片 5、飞机后体及机尾罩6表面静压计算的后体阻力之和作为优化喷管 出口面积的目标，分别计算各高度、马赫数下发动机喷管出口面积 不同时发动机非安装推力与后体阻力；

进行非安装推力和后阻力计算时，以Matlab软件为集成平台， 发动机总体性能以零维程序Turbotrans、喷管内外流场计算以 gambit、fluent为计算工具；Turbotrans程序生成可执行文件 （*.exe），通过批处理文件（*.bat）被Matlab调用，Matlab可通 过读取Turbotrans的计算结果，在喷管结构尺寸、喷管出口面积的 基础上产生可供CFD软件使用的命令流（操作日志文件（*.jou））， 用于计算几何模型的建立、网格的生成、计算湍流模型选取、边界条 件设置等工作，CFD软件由Matlab通过批处理（*.bat）命令方式启 动、导入操作日志后开展流场计算，流场计算收敛后，通过流场计算 软件，积分喷管出口气动参数：速度、质量流量、静压，计算发动机 非安装推力，同时积分外调节片4、过渡片5、飞机后体及机尾罩6 上表面静压，计算后体阻力；选择非安装推力与后体阻力之和最大值 对应该的喷管出口面积作为此状态的最优喷管出口面积，以相同方法 优化最它飞行状态的发动机喷管出口面积，以此系列最优喷管出口面 积及飞行高度、马赫数、发动机状态参数拟合成喷管出口面积调节计 划A₉=f(H,Ma,n)。

本发明的优点：

本发明所述的基于安装性能的发动机喷管出口面积调节设计方 法，能够实现在不改变发动机喷管结构、发动机工作状态的前提下， 有效提高发动机安装推力。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为基于安装性能的发动机喷管出口面积调节计划设计流程 图；

图2为出口面积可主动调节的发动机喷管及飞机后体示意图 （轴对称图）。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种基于安装性能的发动机喷管出口面积调节 设计方法，其特征在于：所述的基于安装性能的发动机喷管出口面积 调节设计方法为：

根据发动机主调节计划、限制值及飞行高度、马赫数使用发动机 零维计算软件（如turbotrans等）计算发动机截面参数及可调节截 面面积，由此时喷管喉道面积的101％作为最小值，以喉道面积的250％ 作为最大值，等分系列喷管出口面积，分为13份，根据发动机喷管 结构尺寸、喉道面积、喷管出口系列面积分别建立喷管内外流场数 值计算的三维或二维模型，由流场计算软件（如fluent）开展喷管 内外流场计算，其中计算边界条件由发动机截面参数中的喷管进口 处及飞行环境参数确定，通过流场计算软件后处理计算发动机喷管 非安装推力以及后体阻力，选取非安装推力与后体阻力之和的最大 值，此最大值对应的喷管出口面积为此状态的最优喷管出口面积， 使用相同的方法选取其它各状态的喷管最优出口面积，拟合成与飞 行高度、马赫数，发动机状态有关的发动机喷管出口面积调节计划 A₉=f(H,Ma,n)；

出口面积可主动调节的发动机喷管及飞机后体示意图，发动机喷 管出口面积A9改变时，通过联动杆3使外调节片4绕E点转动，外 调节片4转动影响外调节片4、过渡片5、飞机后体及机尾罩6外表 面静压分布，导致后体阻力发生改变；同时，喷管A₉面积改变也能 影响发动机喷流，喷流对各表面阻力同样产生影响，由上可知，喷 管出口A₉面积对后体阻力有重要影响，为优化发动机安装性能，本 发明以喷管出口参数计算的发动机非安装推力与外调节片4、过渡片 5、飞机后体及机尾罩6表面静压计算的后体阻力之和作为优化喷管 出口面积的目标，分别计算各高度、马赫数下发动机喷管出口面积 不同时发动机非安装推力与后体阻力；

进行非安装推力和后阻力计算时，以Matlab软件为集成平台，发 动机总体性能以零维程序Turbotrans、喷管内外流场计算以gambit、 fluent为计算工具；Turbotrans程序生成可执行文件（*.exe），通 过批处理文件（*.bat）被Mat lab调用，Mat lab可通过读取Turbotrans 的计算结果，在喷管结构尺寸、喷管出口面积的基础上产生可供CFD 软件使用的命令流（操作日志文件（*.jou）），用于计算几何模型的 建立、网格的生成、计算湍流模型选取、边界条件设置等工作，CFD 软件由Matlab通过批处理（*.bat）命令方式启动、导入操作日志后 开展流场计算，流场计算收敛后，通过流场计算软件，积分喷管出口 气动参数：速度、质量流量、静压，计算发动机非安装推力，同时积 分外调节片4、过渡片5、飞机后体及机尾罩6上表面静压，计算后 体阻力；选择非安装推力与后体阻力之和最大值对应该的喷管出口面 积作为此状态的最优喷管出口面积，以相同方法优化最它飞行状态的 发动机喷管出口面积，以此系列最优喷管出口面积及飞行高度、马赫 数、发动机状态参数拟合成喷管出口面积调节计划A₉=f(H,Ma,n)。