CN108412620B - 一种捕获面积可调的进气道及流量捕获面积调整方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种捕获面积可调的进气道，包括进气道主体、进气道唇罩、泄流腔及调节型面变化的两处旋转轴，所述旋转轴包括前体型面旋转轴、扩张段型面旋转轴。通过旋转前体型面旋转轴改变捕获面积，同时旋转扩张段型面的旋转轴以保证泄流腔入口前后位置高度一致，进气道的前体压缩角度随着前体转动角度的增大而增大，前体捕获高度随之增大，唇口压缩角度也增大，而喉道高度则逐渐降低。与定几何进气道相比，可调进气道的总体性能提高，尤其在高马赫数下总压恢复系数提高更明显，捕获的流量也明显提高。本发明结构简单，易于实现。本发明还提供了一种进气道的流量捕获面积调整方法。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器设计领域，具体涉及一种飞行器上使用的进气道。
本发明还提供了一种进气道的流量捕获面积调整方法。
背景技术
进气道是冲压发动机的一个重要气动部件，其设计形式与参数对发动机的运行能力、工作性能均存在显著影响。目前，定几何超声速进气道往往以接近最高飞行马赫数为设计点，使前体压缩波系汇聚在唇罩前缘附近以获取高的流量捕获能力。在尾喷管为固定几何型面的前提下，以低马赫数下流量捕获所设计的进气道喉道和喷管喉道，在高马赫数下工作时显得过大，导致高马赫数下进气道工作在超临界状态下，进气道性能未能发挥，说明高马赫数下喉道马赫数过大、流量捕获不足。
为了解决这一问题，必须使进气道具备一定的气动调节能力，目前主要有变几何调节和定几何调节两类技术途径。其中，针对定几何调节途径已有较多研究，其中磁控进气道概念是目前的一个研究热点。此类进气道首先采用特殊方法使来流部分电离，而后使用可变磁场通过洛伦兹力来对气流方向进行操纵，从而实现对进气道口部波系的控制，故有望显著改善进气道流量捕获能力。然而，由于伴随着附加的总压损失和加热效应，部分状态下该技术所带来的收益并不显著，并且其所需的附属设备较多，强磁场的迭加还可能会给飞行器的制导和通讯带来不可低估的负面影响。
故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种捕获面积可调的进气道。能够通过简单的型面调节方式，使进气道的流量捕获面积显著增大，同时缩小了进气道喉道高度以减小进气道的超临界工作程度，使进气道的总体性能明显提升。
本发明同时提供了解决上述问题的进气道的流量捕获面积调整方法。
为达到上述目的，本发明捕获面积可调的进气道可采用如下技术方案：
一种捕获面积可调的进气道，包括进气道主体、安装在进气道主体外侧的进气道唇罩所述进气道主体、进气道唇罩之间为进气道内通道，所述进气道主体具有远离进气道通道的第一级压缩面、与第一级压缩面后端连接的第二级压缩面，所述进气道主体上包括位于第二级压缩面后端的泄流腔，该泄流腔具有与内通道连通的泄流口、自泄流口向进气道主体内延伸的腔体，所述腔体的前端设有前壁，腔体的后端设有后壁；进气道主体还包括第一外侧壁、第一内侧壁、第二外侧壁、第二内侧壁；所述第一外侧壁的外表面即为第一级压缩面与第二级压缩面，所述泄流口位于第一外侧壁与第二外侧壁之间；第一外侧壁、第一内侧壁、前壁之间形成第一内腔；进气道主体内还设有第一驱动装置，所述第一外侧壁的内表面与第一内侧壁的前端通过第一转轴铰接，第一驱动装置驱动第一外侧壁围绕第一转轴转动使第一外侧壁的前端向内移动而后端向唇罩靠近，或者使第一外侧壁的前端向外移动而后端远离唇罩；所述第二外侧壁、第二内侧壁、后壁之间形成第二内腔，进气道主体内还设有第二驱动装置，所述第二外侧壁的内表面或第二外侧壁的后端与第二驱动装置通过第二转轴铰接，第二驱动装置驱动第二外侧壁围绕第二转轴转动使第二外侧壁的前端向唇罩靠近，或者使第一外侧壁的前端远离唇罩。
有益效果：相对于现有技术，本发明的进气道仅通过结构简单、易于实现的两处旋转轴(第一转轴及第二转轴)对进气道前体(第一外侧壁)、扩张段(第二外侧壁)型面进行旋转，能同时调节进气道捕获高度、前体压缩角的大小以及喉道的高度，有效改善了进气道流量捕获和总压恢复系数。
而进一步的，本发明还提供了上述进气道的流量捕获面积调整方法，具体的计数法方案为：
当进气道的来流马赫数增大时，第一驱动装置驱动第一外侧壁围绕第一转轴转动使第一外侧壁的前端向内移动而后端向唇罩靠近；同时第二驱动装置驱动第二外侧壁围绕第二转轴转动使第二外侧壁的前端向唇罩靠近；使进气道的前体压缩角度随着前体转动角度的增大而增大，捕获高度使进气道的捕获流量增大，同时唇口压缩角度增大和喉道高度降低。
有益效果：通过该流量捕获面积调整方法，能够使进气道的前体压缩角度随着前体转动角度的增大而增大，捕获高度使进气道的捕获流量增大，同时唇口压缩角度增大和喉道高度降低，这些都会使进气道的喉道马赫数减小，从而降低结尾激波损失，提高进气道的总压恢复系数。
附图说明
图1为本发明捕获面积可调的进气道结构示意图。
图2为本发明捕获面积可调的进气道剖面示意图。
图3为本发明中第一驱动装置的示意图。
图4为本发明中伸缩壁(前壁)的示意图。
图5为本发明的工作原理图。
图6为本发明中可调进气道在2.0马赫数下的型面示意图。
图7为本发明中可调进气道在3.0马赫数下的型面示意图。
图8为本发明中可调进气道在4.0马赫数下的型面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1、图2、图3所示，本发明公开了一种捕获面积可调的进气道，包括进气道主体2、安装在进气道主体外侧的进气道唇罩3；所述进气道主体2、进气道唇罩3之间为进气道内通道10，所述进气道主体具有远离进气道通道的第一级压缩面11、与第一级压缩面11后端连接的第二级压缩面12，
所述进气道主体上包括位于第二级压缩面12后端的泄流腔8，该泄流腔8具有与内通道连通的泄流口4、自泄流口4向进气道主体内延伸的腔体7，所述腔体7的前端设有前壁71，腔体的后端设有后壁72。所述泄流腔8自泄流口4向内呈漏斗形。进气道主体还包括第一外侧壁211、第一内侧壁35、第二外侧壁14、第二内侧壁36；所述第一外侧壁211的外表面即为第一级压缩面11与第二级压缩面12。所述泄流口4位于第一外侧壁211与第二外侧壁14之间。第一外侧壁211、第一内侧壁35、前壁71之间形成第一内腔711。进气道主体2内还设有第一驱动装置，所述第一外侧壁211的内表面与第一内侧壁35的前端通过第一转轴铰接1。第一驱动装置驱动第一外侧壁211围绕第一转轴1转动使第一外侧壁211的前端向内移动而后端向唇罩3靠近，或者使第一外侧壁211的前端向外移动而后端远离唇罩3。所述第二外侧壁14、第二内侧壁36、后壁72之间形成第二内腔721，进气道主体2内还设有第二驱动装置。所述第二外侧壁14的内表面或第二外侧壁14的后端与第二驱动装置通过第二转轴5铰接(在图1中采用的是第二外侧壁14与第二驱动装置通过第二转轴5铰接)。第二驱动装置驱动第二外侧壁14围绕第二转轴5转动使第二外侧壁14的前端向唇罩3靠近，或者使第一外侧壁211的前端远离唇罩3。第一转轴1与泄流口前端的距离6等于第二转轴5与泄流口后端的距离9在这种针对第一外侧壁211及第二外侧壁14的调整方式中，第一驱动装置驱动第一外侧壁211围绕第一转轴1转动使第一外侧壁211的前端向内移动而后端向唇罩3靠近；同时第二驱动装置驱动第二外侧壁14围绕第二转轴5转动使第二外侧壁14的前端向唇罩3靠近；使进气道的前体压缩角度随着前体转动角度的增大而增大，捕获高度使进气道的捕获流量增大，同时唇口压缩角度增大和喉道高度降低，下文会结合附图再详细叙述。
而为了在第一外侧壁211及第二外侧壁14的转动调整时，所述前壁71和后壁72也能够对应调整结构，在本实施方式中，所述前壁71与后壁72均为一种伸缩壁，该伸缩壁包括主板、副板，所述主板设有插槽，副板***插槽内并相对主板伸缩。如图2及图4所示，前壁71包括主板21、副板22，主板21上有插槽23；后壁72包括主板26、副板28，主板26上有插槽27。
所述前壁71的底部(即主板21的底部)与第一内侧壁35通过轴24铰接，前壁71的顶部(即副板22的顶部)与第一外侧壁211通过轴30铰接。所述后壁72的底部(即主板26的底部)与第二内侧壁36通过轴25铰接，后壁72的顶部(即副板28的顶部)与第二外侧壁14通过轴29铰接。
如图3所示，而在本实施方式中，所述第一驱动装置包括第一伸缩杆19、连接第一伸缩杆19及第一外侧壁211的第一连杆18，所述第一连杆18的一端与第一转轴1固定，第一连杆18的另一端与第一伸缩杆19铰接。第一外侧壁211与第一转轴1固定并通过第一转轴1相对第一内侧壁35转动。所述第二驱动装置包括第二伸缩杆32、连接第二伸缩杆32及第二外侧壁14的第二连杆33，所述第二连杆33的一端与第二转轴5固定，第二连杆33的另一端与第二伸缩杆32铰接，第二外侧壁14通过第二转轴5与第二连杆33铰接并通过第二转轴5相对于第二连杆33转动。在本实施方式中，所述第一驱动装置还包括驱动第一伸缩杆19伸缩的第一电机20，第二驱动装置还包括驱动第二伸缩杆32伸缩的第二电机31。该第一电机20及第二电机31也可以用液压驱动装置替换。
上述进气道的流量捕获面积调整方法为：
当进气道的来流马赫数增大时，第一驱动装置驱动第一外侧壁211围绕第一转轴1转动使第一外侧壁211的前端向内移动而后端向唇罩3靠近。同时第二驱动装置驱动第二外侧壁14围绕第二转轴5转动使第二外侧壁14的前端向唇罩3靠近；使进气道的前体压缩角度随着前体转动角度的增大而增大，捕获高度使进气道的捕获流量增大，同时唇口压缩角度增大和喉道高度降低。且所述泄流口前端相对泄流出口高度与泄流口后端相对泄流出口高度始终一致。
参阅图5所示，为满足进气道一定的工作马赫数范围，初始型面按低马赫数工作设计，当来流马赫数增大时，进气道处于超额定状态，需要对进气道型面进行调整，即第一驱动装置驱动第一外侧壁211围绕第一转轴1转动使第一外侧壁211的前端向内移动而后端向唇罩3靠近；同时第二驱动装置驱动第二外侧壁14围绕第二转轴5转动使第二外侧壁14的前端向唇罩3靠近。此时进气道整体型面调节完毕，得到调节后型面16。进气道的前体压缩角度随着前体转动角度的增大而增大，捕获高度使进气道的捕获流量增大，同时唇口压缩角度增大和喉道高度降低，这些都会使进气道的喉道马赫数减小，从而降低结尾激波损失，提高进气道的总压恢复系数。
应用实例1
(1)技术指标：
工作马赫数范围为2.0～4.0
(2)方案介绍：
设计了一个捕获面积可调的进气道二级压缩面的超声速进气道，在型面调节转动设计的过程中，为满足宽马赫数的工作范围，需要同时兼顾低马赫数的流量捕获、工作马赫数范围内较低的喉道马赫数和高马赫数前体激波不可打入内通道等条件，最终确定在Ma2.0时，前体压缩角度为7°、8.5°，唇口压缩角度为5.5°；在Ma3.0时，前体在前体转轴位置以半径R为120mm逆时针转动6°，进气道的捕获高度由l1＝85mm增加至l3＝97.6mm；Ma4.0时，前体在前体转轴位置继续逆时针转动5°，进气道捕获高度增加至l5＝108mm，参阅图6至图8及表1。
表1可调进气道调节方案的主要型面参数
(3)工作马赫数范围内进气道性能对比：
在Ma2.0时进气道第二道激波基本封口，这有利于低马赫数下的流量捕获，而在Ma3.0时前体激波基本封口，也保证了进气道的流量捕获，在Ma4.0时前体激波虽然提前相交但是并未打入唇口内。同时由喉道截面的马赫数分布也可以看出，进气道的喉道截面马赫数也得到了有效的控制，基本保持在Ma1.7以下，这对于降低进气道的结尾激波损失也是有利的。
应用实例2
技术指标：
工作马赫数范围为2.0～4.0，迎角α＝2°。
方案介绍：
进气道前体楔面角度分别为6°，7.5°和8°。唇口压缩角度与水平面的夹角与可调进气道一致，为10°，喉道高度为39mm。可调进气道型面旋转角度由Ma2.0时的0°变化至Ma4.5时的10°；喉道截面高度由Ma2.0时的44.78mm减小至Ma4.5时的25.09mm；进气道的捕获高度由Ma2.0时的84.06mm增大至Ma4.5时的106.62mm；泄流腔进口截面宽度也由Ma2.0时的2.60mm增大至Ma4.5时的14.81mm。
(3)速度特性对比
定几何进气道随着来流马赫数的增大激波逐渐向唇口靠近，高于设计马赫数时，前体激波打入唇口内导致附面层分离，不利于进气道的正常工作。而可调进气道由于型面可调，尽管来流马赫数发生变化，第二道激波(Ma2.0除外)始终比较靠近唇口，进气道基本保持着较高的流量捕获。为了综合评估可调进气道的性能优势，引入了总压恢复系数与流量系数乘积作为一个粗略代表推力的参数进行评估，参阅表2可以发现在整个研究的马赫数范围内，可调进气道的性能相对于定几何进气道提高了16％以上，尤其是高马赫数下的性能提高更明显，Ma4.0时提高了38％。
表2定几何进气道和可调进气道在临界状态下的性能列表
Claims (10)
1.一种捕获面积可调的进气道，包括进气道主体、安装在进气道主体外侧的进气道唇罩；所述进气道主体、进气道唇罩之间为进气道内通道，所述进气道主体具有远离进气道通道的第一级压缩面、与第一级压缩面后端连接的第二级压缩面，其特征在于：
所述进气道主体上包括位于第二级压缩面后端的泄流腔，该泄流腔具有与内通道连通的泄流口、自泄流口向进气道主体内延伸的腔体，所述腔体的前端设有前壁，腔体的后端设有后壁；进气道主体还包括第一外侧壁、第一内侧壁、第二外侧壁、第二内侧壁；所述第一外侧壁的外表面即为第一级压缩面与第二级压缩面，所述泄流口位于第一外侧壁与第二外侧壁之间；第一外侧壁、第一内侧壁、前壁之间形成第一内腔；进气道主体内还设有第一驱动装置，所述第一外侧壁的内表面与第一内侧壁的前端通过第一转轴铰接，第一驱动装置驱动第一外侧壁围绕第一转轴转动使第一外侧壁的前端向内移动而后端向唇罩靠近，或者使第一外侧壁的前端向外移动而后端远离唇罩；
所述第二外侧壁、第二内侧壁、 后壁之间形成第二内腔，进气道主体内还设有第二驱动装置，所述第二外侧壁的内表面或第二外侧壁的后端与第二驱动装置通过第二转轴铰接，第二驱动装置驱动第二外侧壁围绕第二转轴转动使第二外侧壁的前端向唇罩靠近，或者使第一外侧壁的前端远离唇罩。
2.根据权利要求1所述的进气道，其特征在于：所述前壁与后壁均为一种伸缩壁，该伸缩壁包括主板、副板，所述主板设有插槽，副板***插槽内并相对主板伸缩。
3.根据权利要求2所述的进气道，其特征在于：所述前壁的底部与第一内侧壁铰接，前壁的顶部与第一外侧壁铰接；所述后壁的底部与第二内侧壁铰接，后壁的顶部与第二外侧壁铰接。
4.根据权利要求1或2所述进气道，其特征在于：所述第一驱动装置包括第一伸缩杆、连接第一伸缩杆及第一外侧壁的第一连杆，所述第一连杆的一端与第一转轴固定，第一连杆的另一端与第一伸缩杆铰接，第一外侧壁与第一转轴固定并通过第一转轴相对第一内侧壁转动。
5.根据权利要求4所述进气道，其特征在于：所述第二驱动装置包括第二伸缩杆、连接第二伸缩杆及第二外侧壁的第二连杆，所述第二连杆的一端与第二转轴固定，第二连杆的另一端与第二伸缩杆铰接，第二外侧壁通过第二转轴与第二连杆铰接并通过第二转轴相对于第二连杆转动。
6.根据权利要求5所述进气道，其特征在于：其第一转轴与泄流口前端的距离等于第二转轴与泄流口后端的距离。
7.根据权利要求6所述进气道，其特征在于：所述泄流腔自泄流口向内呈漏斗形。
8.根据权利要求5所述进气道，其特征在于：所述第一驱动装置还包括驱动第一伸缩杆伸缩的第一电机，第二驱动装置还包括驱动第二伸缩杆伸缩的第二电机。
9.一种对如权利要求1-8中任一项所述进气道的流量捕获面积调整方法，其特征在于：
当进气道的来流马赫数增大时，第一驱动装置驱动第一外侧壁围绕第一转轴转动使第一外侧壁的前端向内移动而后端向唇罩靠近；同时第二驱动装置驱动第二外侧壁围绕第二转轴转动使第二外侧壁的前端向唇罩靠近；使进气道的前体压缩角度随着前体转动角度的增大而增大，捕获高度使进气道的捕获流量增大，同时唇口压缩角度增大和喉道高度降低。
10.如权利要求9中所述的流量捕获面积调整方法，其特征在于：所述泄流口前端相对泄流出口高度与泄流口后端相对泄流出口高度始终一致。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20190329 Termination date: 20210320 |
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