[发明专利]一种大落压比超音速叶栅喷嘴气动设计方法

说明书

本发明涉及一种大落压比超音速叶栅喷嘴气动设计方法，属于发动机技术领域。本发明通过提出一种大落压比超音速叶栅喷嘴设计方法，实现了超音速叶栅喷嘴设计，其气动性能较优，可以满足大膨胀比或超高膨胀比涡轮机在单级内承担很大焓降的需求。

技术领域

本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种大落压比超音速叶栅喷嘴气动设计方法。

背景技术

特种动力装置对发动机的体积、重量和结构等具有严苛的要求，而在性能或经济性方面可以做出适当让步，这种使用需求催生了小流量、大焓降小型涡轮发动机的出现。满足上述要求的发动机通常是轴流式(部分)进气短叶片单级或复速级冲动式涡轮机或重入式涡轮机，采用超音速喷嘴和冲动式动叶气动布局，具有膨胀比高、级焓降大、做功能力强的特点，在国防军工和国民经济的多个领域都具有重要的应用价值。

大膨胀比或超高膨胀比涡轮机通常要求在单级内承担很大的焓降，喷嘴则是为了实现该需求的重要部件。喷嘴一般采用缩放式结构，其主要有叶栅喷嘴、矩形喷嘴和钻孔喷嘴等几种形式。具有良好气动设计的喷嘴既能够满足涡轮对大落压比、高焓降的需求，还能够为下游动叶提供高品质的超音速来流，减小能量损失，并保证涡轮具有足够的做功能力。

针对上述需求，需要提出一种大落压比超音速叶栅喷嘴气动设计方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何针对大膨胀比或超高膨胀比涡轮机对超音速叶栅喷嘴的技术需求，提供一种大落压比超音速叶栅喷嘴气动设计方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种大落压比超音速叶栅喷嘴气动设计方法，所述叶栅喷嘴的截面型线设计为具有缩放特征，呈拉瓦尔喷管形式。

优选地，所述叶栅喷嘴的截面型线由若干圆弧和直线相切连接组成，从进口到出口依次分为进口收敛段、梯形扩张段和出口斜切段；

所述叶栅喷嘴的截面型线的进口收敛段由若干圆弧组成，亚音速气流在进口收敛段不断加速，并在叶栅喷嘴喉道位置达到音速；

所述叶栅喷嘴的截面型线的梯形扩张段由两条直线组成，相应地，梯形扩张段流道的几何中心线也是直线；由叶栅喷嘴喉道位置流出的气流在梯形扩张段进一步加速，形成超音速气流；梯形扩张段的进、出口面积之比即为叶栅喷嘴的扩张比；

所述叶栅喷嘴的截面型线的出口斜切段由右侧型线延伸段与喷嘴出口段组成；由梯形扩张段流出的超音速气流利用出口斜切段的通道特征膨胀加速。

优选地，所述叶栅喷嘴的气流通道通过根部和顶部两个截面的型线成型。

优选地，所述叶栅喷嘴顶部截面出口几何中心与根部截面出口几何中心的连线经过叶栅喷嘴径向线。

优选地，所述叶栅喷嘴的气流通道沿叶高方向夹于两个平面之间，其端壁和机匣表面均为平面。

优选地，所述叶栅喷嘴的外径为涡轮的最大径向尺寸。

优选地，所述叶栅喷嘴的出口吸力侧位置具有变半径倒圆。

优选地，所述叶栅喷嘴的扩张比根据涡轮一维评估设计中得到的出口马赫数确定，喉部面积则由涡轮流量决定，最后根据三维CFD计算结果对扩张比和喉部面积进行局部微调，直至满足气动性能要求。

本发明还提供了利用所述方法设计得到的叶栅喷嘴。

本发明还提供了一种发动机，该发动机包括所述的叶栅喷嘴。

(三)有益效果

本发明通过提出一种大落压比超音速叶栅喷嘴设计方法，实现了超音速叶栅喷嘴设计，其气动性能较优，可以满足大膨胀比或超高膨胀比涡轮机在单级内承担很大焓降的需求。