CN113323756A - 双流道分级可调宽范围进气道、发动机及进气调节方法 - Google Patents

双流道分级可调宽范围进气道、发动机及进气调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种宽范围工作的冲压发动机或组合循环发动机，具体涉及双流道分级可调宽范围进气道、发动机及进气调节方法，用于解决现有宽范围工作点冲压发动机和组合循环发动机难以同时兼顾高马赫下性能和低马赫数下起动能力的技术问题。该双流路分级可调宽范围进气道，包括沿气流方向依次位于进气道内侧面的进气道顶压缩面、进气道压缩面和进气道喉部曲面，以及设置在进气道外侧面的唇罩。同时，本发明还提供一种双流道分级可调宽范围进气道发动机，为冲压发动机或组合循环发动机，采用上述双流道分级可调宽范围进气道。同时，本发明又提供一种双流道分级可调宽范围进气调节方法，基于上述双流道分级可调宽范围进气道。

Description

双流道分级可调宽范围进气道、发动机及进气调节方法
技术领域
本发明涉及一种宽范围工作的冲压发动机或组合循环发动机，具体涉及双流道分级可调宽范围进气道、发动机及进气调节方法。
背景技术
随着发动机技术的变革和发展，对宽速域、高性能工作的冲压发动机和组合循环发动机的需求越来越迫切，这就要求进气道必须在宽马赫数范围内具有较优的性能，目前常规的定几何进气道往往难以兼顾高低马赫数的性能，而变几何进气道通过在工作范围内调整进气道的收缩比，可以大大提高进气道的工作性能，从而提高发动机的整体性能。对于宽范围内工作的进气道，高马赫下的性能和低马赫数下的起动能力相互制约，二者难以同时兼顾。为了提高进气道在飞行包线范围内的性能，通常有内压缩段放气和调节进气道压缩量等手段，而对于Ma2-5的宽范围工作点冲压发动机和组合循环发动机，为保证低马赫数下加速性能，进气道在低马赫数下的流量捕获性能非常重要，但放气方案降低了流量捕获性能，增加了阻力，使得发动机总体在技术上难以满足要求。
发明内容
本发明目的解决现有宽范围工作点冲压发动机和组合循环发动机难以同时兼顾高马赫下性能和低马赫数下起动能力的技术问题，而提供双流道分级可调宽范围进气道、发动机及进气调节方法。
为了解决上述问题，本发明提供了如下技术解决方案：
一种双流路分级可调宽范围进气道，包括沿气流方向依次位于进气道内侧面的进气道顶压缩面、进气道压缩面和进气道喉部曲面，以及设置在进气道外侧面的唇罩，其特殊之处在于：
还包括分流板、调节板和作动筒；
所述分流板设置在进气道喉部，并且将进气道喉部分为I和II两部分；
所述调节板设置于所述进气道压缩面位置，其前端通过转轴设置在进气道顶压缩面上；
所述进气道压缩面位置的机体上设有安装腔，所述作动筒位于安装腔内，作动筒的活动端从安装腔伸出，且与调节板中部铰接，作动筒的固定端与安装腔底部铰接；
所述调节板与进气道顶压缩面和进气道喉部曲面形成第一气动型面，所述作动筒作动后，调节板的后端与分流板的前端连接，调节板与进气道顶压缩面和分流板形成第二气动型面。
进一步地，所述进气道顶压缩面为楔形或特征线生成的压缩面，为进气道内侧面前端固定压缩面。
进一步地，所述进气道顶压缩面为楔形或特征线生成的压缩面，为进气道内侧面前端固定压缩面。
进一步地，所述进气道顶压缩面采用锥和等熵压缩形式。
进一步地，所述作动筒为气动缸或液压缸或电动缸。
进一步地，所述进气道顶压缩面初始压缩角为7.2°，总压缩角为25°。
进一步地，所述进气道喉部长度为进气道喉部高度的4～6倍，进气道喉部存在0.5°～2°的扩张角。
进一步地，所述唇罩型面为圆弧或样条曲线，与进气道顶压缩面形成进气道气动流道结构。
同时，本发明还提供一种双流道分级可调宽范围进气道发动机，为冲压发动机或组合循环发动机，其特殊之处在于：采用上述双流道分级可调宽范围进气道。
同时，本发明又提供一种双流道分级可调宽范围进气调节方法，其特殊之处在于，基于上述双流道分级可调宽范围进气道，包括以下步骤：
(1)根据进气道设计马赫数、进气道顶压缩面的初始压缩角和总压缩角，采用有旋特征线法计算得到进气道顶压缩面；
(2)根据进气道工作马赫数范围确定进气道喉部长度与进气道喉部高度的比值，以及进气道喉部扩张角；再以进气道工作马赫数最小值为基准，依据进气道设计马赫数确认分流板位置；
(3)当来流马赫数低于设计马赫数时，调节板与进气道压缩面贴合，进气道喉部流道的I和II两部分均开放，实现小压缩量和大流量捕获；
当来流马赫数高于设计马赫数数，通过作动筒作动使得调节板绕转轴旋转，调节板和分流板连接，进气道喉部流道的II部分开放，I部分关闭，提高进气道的总压恢复性能。
进一步地，步骤(1)中，所述采用有旋特征线法计算得到进气道顶压缩面的具体过程如下：
根据进气道顶压缩面1的初始压缩角7.2°确定一条进气道初始斜激波后的参数，并根据顶压缩面1的参数分布，在特征线单元上取三个不同点的坐标值(x1，y1)、(x2，y2)、(x3,y3)，采用有旋特征线法的迭代公式计算得到另一条特征线上对应离散点坐标值(x4,y4)，通过特征线网格不断推进生成进气道顶压缩面；
有旋特征线法的迭代公式如下：
Figure BDA0003127214610000041
其中：设定喷管进口的下角点为坐标原点，x为横坐标，x方向为进口水平方向，y为纵坐标，y方向为水平方向的法向；P1～P4为四个所在点的静压，a为当地声速，ρ为密度，V为速度，θ为当地流动方向角，M为当地流动马赫数且M>1，μ为当地流动马赫角，δ为流动类型参数，对于二维流动δ＝0，对于轴对称流动δ＝1；
Figure BDA0003127214610000042
是纵坐标y1、y4的平均值；
Figure BDA0003127214610000043
是纵坐标y2、y4的平均值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明根据进气道马赫数工作范围，通过设置分流板对进气道喉部进行双流道面积分配，实现了低马赫数大流量捕获和高马赫数高总压恢复性能的需求。
(2)本发明中调节板与进气道顶压缩面和进气道喉部曲面位于同一气动型面，调节板作为气动型面的一部分，实现对进气道流量和压缩量双重控制。
附图说明
图1是本发明一种双流道分级可调宽范围进气道实施例的结构示意图；
图2是图1实施例在马赫数2～4范围内工作示意图；
图3是图1实施例在马赫数4～5范围内工作示意图；
图4是本发明双流道分级可调宽范围进气道与固定几何进气道在不同马赫数下的总压恢复系数点线图。
附图标记如下：1-进气道顶压缩面，11-进气道压缩面；2-转轴；3-调节板；4-作动筒；5-唇罩；6-分流板；7-进气道喉部曲面；8-安装腔。
具体实施方式
下面结合附图和示例性实施例对本发明作进一步地说明。
参照图1，一种双流道分级可调宽范围进气道，包括进气道顶压缩面1、进气道压缩面11，进气道喉部曲面7、唇罩5、分流板6、调节板3、作动筒4以及安装腔8；所述进气道顶压缩面1、进气道压缩面11、进气道喉部曲面7沿气流方向依次位于进气道内侧面，所述进气道顶压缩面1为楔型或特征线生成的等熵弯曲压缩面，进气道顶压缩面1为进气道前端固定压缩面，展向无变化，为二元结构；所述唇罩5型面为圆弧或样条曲线，与进气道顶压缩面1形成进气道气动流道结构，对来流进一步压缩；所述分流板6设置在进气道喉部，为薄壁结构，并且将进气道喉部分为I和II两部分；所述调节板3设置于所述进气道压缩面11位置，其前端通过转轴2设置在进气道顶压缩面1上；所述进气道压缩面11位置的机体上设有安装腔8，用于隔绝气流和隔热，所述作动筒4位于安装腔8内，作动筒4的活动端从安装腔8伸出，且与调节板3中部铰接，作动筒4的固定端与安装腔8底部铰接。
调节板3与进气道顶压缩面1和进气道喉部曲面7形成第一气动型面，作动筒4通过气动或电动或液压作动方式使调节板3绕转轴2旋转，调节板3的后端与分流板6的前端连接，调节板3与进气道顶压缩面1和分流板6形成第二气动型面，从而对压缩面形状进行调节和实现流道切换。
当来流马赫数低于设计马赫数时，调节板3与进气道压缩面11贴合，形成图2所示的进气道流道结构，增加进气道对来流捕获能力；当来流马赫数高于设计马赫数，通过作动筒4作动使得调节板3绕转轴2旋转一定角度，使得调节板3和分流板6连接，形成图3所示的进气道流道结构，增加进气道在高来流马赫数条件下压缩能力。
本实施例中，进气道顶压缩面1采用锥和等熵压缩形式，进一步提高进气道压缩效率和性能，进气道设计马赫数为4。所述进气道顶压缩面1初始压缩角为7.2°，总压缩角为25°，等熵压缩面采用有旋特征线法计算得到，所述有旋特征线法的迭代公式为：
Figure BDA0003127214610000071
其中：设定喷管进口的下角点为坐标原点，x为横坐标，x方向为进口水平方向，y为纵坐标，y方向为水平方向的法向；P1～P4为四个所在点的静压，a为当地声速，ρ为密度，V为速度，θ为当地流动方向角，M为当地流动马赫数且M>1，μ为当地流动马赫角，δ为流动类型参数，对于二维流动δ＝0，对于轴对称流动δ＝1；
(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)分别是已知特征线单元上的三个不同点的坐标值；(x4,y4)是待求的另一条特征线上对应离散点坐标值；
Figure BDA0003127214610000072
是纵坐标y1、y4的平均值；
Figure BDA0003127214610000073
是纵坐标y2、y4的平均值。
本实施例中，所述分流板6位于进气道喉部区域内，进气道喉部长度为进气道喉部高度的4～6倍，喉部存在0.5°～2°的扩张角，分流板6将进气道喉部分为I和II两部分，I和II部分比例根据进气道工作马赫数范围及设计马赫数确定，进气道工作马赫数范围为2～5，进气道设计马赫数为4，以马赫数2状态下进气道喉部流道为基准，以设计马赫数为依据，将进气道喉部靠近机体一侧壁面位置作为分流板6位置，在进气道喉部后，I和II两部分流道汇成一个流道。
本实施例中，所述调节板3绕转轴2旋转调节压缩面形状和实现流道切换，在马赫数2～4范围内，调节板3与进气道压缩面11贴合，当来流马赫数增加至设计马赫数4时，调节板3绕转轴2旋转8°，使得调节板3和分流板6连接，形成图3所示的进气道流道结构。
参照图4，本发明通过简单的变几何流道调节，进气道总压恢复系数相对于固定几何进气道在马赫数4总压恢复系数提高60％，在马赫数5总压恢复系数提高30.8％，证明本发明极大提高了进气道工作性能。
上述双流道分级可调宽范围进气道方案通过合理设计进气道喉部流道，通过分流支板将进气道喉部流道一分为二，在低马赫工作范围内，通过将喉部流道全部打开实现小压缩量和大流量捕获；在高马赫数工作范围内，通过关闭其中一个流道，提高进气道的压缩量，从而提高进气道的总压恢复性能。
本发明还提供一种双流道分级可调宽范围进气调节方法，采用了上述双流道分级可调宽范围进气道，包括以下步骤：
(1)根据进气道顶压缩面1的初始压缩角7.2°确定一条进气道初始斜激波后的参数，并根据进气道顶压缩面1的参数分布，在特征线单元上取三个不同点的坐标值(x1,y1)、(x2,y2)、(x3，y3)，采用有旋特征线法的迭代公式计算得到另一条特征线上对应离散点坐标值(x4,y4)，通过特征线网格不断推进生成进气道顶压缩面；
有旋特征线法的迭代公式为：
Figure BDA0003127214610000091
其中：设定喷管进口的下角点为坐标原点，x为横坐标，x方向为进口水平方向，y为纵坐标，y方向为水平方向的法向；P为当地静压，a为当地声速，θ为当地流动方向角，M为当地流动马赫数且M>1，μ为当地流动马赫角，δ为流动类型参数，对于二维流动δ＝0，对于轴对称流动δ＝1；
(2)根据进气道工作马赫数范围为2～5，确定进气道喉部长度为进气道喉部高度的4～6倍，喉部存在0.5°～2°的扩张角；再以进气道工作马赫数最小值2为基准，依据进气道设计马赫数4，将进气道喉部靠近机体一侧壁面位置作为分流板6位置；
(3)当来流马赫数低于设计马赫数时，调节板3与进气道压缩面11贴合，进气道喉部流道的I和II两部分均开放，实现小压缩量和大流量捕获；
当来流马赫数高于设计马赫数数，通过作动筒4作动使得调节板3绕转轴2旋转8°，调节板3和分流板6连接，进气道喉部流道的II部分开放，I部分关闭，提高进气道的总压恢复性能。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种双流道分级可调宽范围进气道，包括沿气流方向依次位于进气道内侧面的进气道顶压缩面(1)、进气道压缩面(11)和进气道喉部曲面(7)，以及设置在进气道外侧面的唇罩(5)，其特征在于：
还包括分流板(6)、调节板(3)和作动筒(4)；
所述分流板(6)设置在进气道喉部，其两侧与进气道喉部壁面相接，将进气道喉部分为I和II两部分；
所述调节板(3)设置于所述进气道压缩面(11)位置，其前端通过转轴(2)设置在进气道顶压缩面(1)上；
所述进气道压缩面(11)位置的机体上设有安装腔(8)，所述作动筒(4)位于安装腔(8)内，作动筒(4)的活动端从安装腔(8)伸出，且与调节板(3)中部铰接，作动筒(4)的固定端与安装腔(8)底部铰接；
所述调节板(3)与进气道顶压缩面(1)和进气道喉部曲面(7)形成第一气动型面，所述作动筒(4)作动后，调节板(3)的后端与分流板(6)的前端连接，调节板(3)与进气道顶压缩面(1)和分流板(6)形成第二气动型面。
2.根据权利要求1所述的一种双流道分级可调宽范围进气道，其特征在于：所述进气道顶压缩面(1)为楔形或特征线生成的压缩面，为进气道内侧面前端固定压缩面。
3.根据权利要求2所述的一种双流道分级可调宽范围进气道，其特征在于：所述进气道顶压缩面(1)采用锥和等熵压缩形式。
4.根据权利要求3所述的一种双流道分级可调宽范围进气道，其特征在于：所述作动筒(4)为气动缸或液压缸或电动缸。
5.根据权利要求4所述的一种双流道分级可调宽范围进气道，其特征在于：所述进气道顶压缩面(1)初始压缩角为7.2°，总压缩角为25°。
6.根据权利要求5所述的一种双流道分级可调宽范围进气道，其特征在于：所述进气道喉部长度为进气道喉部高度的4～6倍，进气道喉部存在0.5°～2°的扩张角。
7.根据权利要求6所述的一种双流道分级可调宽范围进气道，其特征在于：所述唇罩(5)型面为圆弧或样条曲线，与进气道顶压缩面(1)形成进气道气动流道结构。
8.一种双流道分级可调宽范围进气道发动机，为冲压发动机或组合循环发动机，其特征在于：采用权利要求1-7任一所述双流道分级可调宽范围进气道。
9.一种双流道分级可调宽范围进气调节方法，其特征在于，基于权利要求1所述的一种双流道分级可调宽范围进气道，包括以下步骤：
(1)根据进气道设计马赫数、进气道顶压缩面(1)的初始压缩角和总压缩角，采用有旋特征线法计算得到进气道顶压缩面(1)；
(2)根据进气道工作马赫数范围确定进气道喉部长度与进气道喉部高度的比值，以及进气道喉部扩张角；再以进气道工作马赫数最小值为基准，依据进气道设计马赫数确认分流板(6)位置；
(3)当来流马赫数低于设计马赫数时，调节板(3)与进气道压缩面(11)贴合，进气道喉部流道的I和II两部分均开放，实现小压缩量和大流量捕获；
当来流马赫数高于设计马赫数，通过作动筒(4)作动使得调节板(3)绕转轴(2)旋转，调节板(3)和分流板(6)连接，进气道喉部流道的II部分开放，I部分关闭，提高进气道的总压恢复性能。
10.根据权利要求9所述的一种双流道分级可调宽范围进气调节方法，其特征在于：步骤(1)中，所述采用有旋特征线法计算得到进气道顶压缩面(1)的具体过程如下：
根据进气道顶压缩面(1)的初始压缩角确定一条进气道初始斜激波后的参数，并根据进气道顶压缩面(1)的参数分布，在特征线单元上取三个不同点的坐标值(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)，采用有旋特征线法的迭代公式计算得到另一条特征线上对应离散点坐标值(x4,y4)，通过特征线网格不断推进生成进气道顶压缩面(1)；
有旋特征线法的迭代公式如下：
Figure FDA0003127214600000031
其中：设定喷管进口的下角点为坐标原点，x为横坐标，x方向为进口水平方向，y为纵坐标，y方向为水平方向的法向；P1～P4为四个所在点的静压，a为当地声速，ρ为密度，V为速度，θ为当地流动方向角，M为当地流动马赫数且M>1，μ为当地流动马赫角，δ为流动类型参数，对于二维流动δ＝0，对于轴对称流动δ＝1；
Figure FDA0003127214600000032
是纵坐标y1、y4的平均值；
Figure FDA0003127214600000033
是纵坐标y2、y4的平均值。
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