CN114394224B - 基于三维科恩达效应的鼓包增升装置及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维科恩达效应的鼓包增升装置，包括设置于机翼上表面一定位置的鼓包和高速排气气源，所述高速排气气源来自发动机的喷流，吹到机翼上表面，在鼓包的作用下增加更多的升力，所述鼓包的型面将高速排气气流变为流线弯曲的三维流动。通过鼓包的突起将原本机翼上表面原本均匀的流动变为流线弯曲的三维流动，提高了机翼上表面发动机排气的高速作用面积，在引射作用下，实现了升力的明显增加，结构简单，重量轻便。

Description

基于三维科恩达效应的鼓包增升装置及其设计方法

技术领域

本发明属于飞行器的气流控制技术领域，尤其是涉及一种基于三维科恩达效应的鼓包增升装置及其设计方法。

背景技术

随着科学技术的发展和实际需求的提高，未来飞行器对于短距起降的要求越来越高。短距起降能力赋予了飞行器在高原、海岛、山区起飞着陆的能力，具有广阔、可观的应用前景。因此开发一种结构简单、重量轻、适合现有飞行器改装、增升性能好的增升装置迫在眉睫。

当下，使用流动控制实现增升是最常见、最热门的研究方向。其中，科恩达效应是其中一种。科恩达效应(Coanda Effect)是指流体(水流或气流)离开本来的流动方向，改为随着凸出的物体表面流动的倾向。同时，由于空气的粘性作用，高速的流体会带动周围更多的气体流动。

科恩达效应应用在飞机上的实例主要是苏联An-72系列运输机和美国 YC-14运输机，其具体使用方式是：重新调整发动机的安装位置，从而使得其发动机(涡轮喷气发动机或涡轮风扇发动机)的尾喷口位于机翼前端上侧，从而使得高动量、高温的发动机尾气直接流过机翼上表面，配合较常规飞机弯曲程度更大的襟翼，从而使得其升力明显增加。但其弊端也是显而易见的：高温的发动机尾气流过机翼上表面会对机翼蒙皮及机翼内部大梁、桁架结构等产生烧蚀，因此需要大量使用笨重、昂贵的高温合金；同时，大弯度襟翼机构结构复杂笨重；并且这种类型的增升装置必须针对特别设计的飞机使用，无法对已有飞机通过简单改造实现性能提高；对于发动机类型要求苛刻，一般使用涡轮风扇发动机或涡轮喷气发动机这类发动机尾气速度较快的发动机，开式转子发动机(桨扇发动机)、电动螺旋桨发动机和涡轮螺旋桨发动机等这类发动机后气流速度较慢的发动机无法使用。

例如公告号为CN 209776789 U的专利公开了一种用于超音速机翼的环量控制变形襟翼，所述变形襟翼上端设有长条形的吹气缝，同时需要增加前缘增升装置，以减小前缘的气流分离，在低速状态下，变形襟翼弯曲成月牙形，同时吹气缝吹出高速射流层，由于科恩达效应的存在，射流层紧贴曲面流动，沿曲面发生偏转，最后向斜下方吹出，此时月牙形的襟翼相当于环量控制技术的圆弧形后缘，这一过程大大增加了机翼的环量，提高了升力系数，同时巡航状态下，襟翼保持平直状态，不会增加额外阻力。该方法改变了机翼的形状，机翼机构复杂，改装不太方便，成本较大。本发明因此而来。

发明内容

1、本发明的目的

针对上述存在的技术问题，提出了一种基于三维科恩达效应的鼓包增升装置，通过鼓包的突起将原本机翼上表面原本均匀的流动变为流线弯曲的三维流动，提高了机翼上表面发动机排气的高速作用面积，在引射作用下，实现了升力的明显增加，结构简单，重量轻便。

2、本发明所采用的技术方案

一种基于三维科恩达效应的鼓包增升装置，包括设置于机翼上表面一定位置的鼓包和高速排气气源，所述高速排气气源用于产生吹到机翼上表面的高速排气气流，所述鼓包的型面将高速排气气流变为流线弯曲的三维流动。

优选的技术方案中，所述高速排气气源为涡轮喷气发动机或涡轮风扇发动机燃烧后的尾气、螺旋桨做功加速后的常温空气、气泵、高压气瓶或气路引气。

优选的技术方案中，所述鼓包设置有调节结构或气路装置，所述调节结构或气路装置用于调节鼓包型面。

优选的技术方案中，所述鼓包的型面以升力系数和升阻比最高，且阻力系数最低为优化目标优化得到。

优选的技术方案中，所述鼓包采用记忆合金或厚度不均匀的柔性材料制成。

优选的技术方案中，所述鼓包沿展向的宽度较气流在机翼上表面流过的宽度略小。

本发明还公开了一种基于三维科恩达效应的鼓包增升装置的设计方法，包括以下步骤：

S01：确定涡桨发动机桨盘、机翼的尺寸和性能参数，获得常见起降工况下性能参数，简化三维设计的几何模型；

S02：在三维设计的几何模型中，选取典型位置进行二维设计，获得在上述截面中鼓包的初始设计；在不同二维截面中，桨盘在此截面上的高度D’，鼓包各点最高点距桨盘轴线距离h、未加装鼓包时机翼上表面各点距离轴线的距离h₁之间满足以下条件：h₁≤h≤0.5D’且1/3(0.5D’-h₁)≤(h-h₁)≤3/4(0.5D’ -h₁)；

S03：通过多个二维截面的鼓包型线相连，确定出三维鼓包的基本形状。

优选的技术方案中，所述步骤S01中参数包括：发动机桨盘直径记为D，桨盘后总压提高为P₁，环境压力P₀，桨盘平面距离机翼头部前缘为X，轴线距离机翼头部前缘为Y。

优选的技术方案中，所述步骤S03之后还包括，通过三维变形，结合涡桨发动机桨盘后真实气流的参数进行全三维优化设计；

针对得到的鼓包，校验平飞工况下的性能是否满足要求；若不满足，则返回迭代优化。

优选的技术方案中，所述步骤S02中，当巡航速度在300km/h以下时，鼓包最高点尺寸满足h₁≤h≤0.5D’且(h-h₁)≈1/3(0.5D’-h₁)；

当巡航速度超过700km/h，鼓包最高点尺寸满足h₁≤h≤0.5D’且(h-h₁)≈ 3/4(0.5D’-h₁)；

当飞行速度介于300km/h至700km/h之间时，鼓包尺寸介于上述两个取值范围之内。

3、本发明所采用的有益效果

(1)本发明通过使用鼓包带来的三维流动效应，为固定翼飞机特别是使用涡桨发动机的固定翼飞机赋予了更好的短距起降能力，结构简单、成本低廉。

(2)通过在机翼上表面指定位置固定几何不可变形的鼓包，不改变飞机机翼结构，不影响飞行器操纵，改装方便快捷；在相同工况下有望为飞行器增升 6％以上，缩短起飞距离3.5％以上。

(3)通过改进机翼设计，安装可以变形的鼓包，则可以使得飞机在较宽的飞行包线内具有更加优异的性能，避免了由于鼓包存在而导致的阻力增加。

附图说明

图1为本发明基于三维科恩达效应的鼓包增升装置的结构示意图；

图2为本发明基于三维科恩达效应的鼓包增升装置的设计方法的流程图；

图3为本实施例过桨盘轴线的二维示意图；

图4为本实施例不过桨盘轴线、典型位置的二维示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实例作进一步地详细描述。

实施例1

如图1所示，一种基于三维科恩达效应的鼓包增升装置，包括设置于机翼4 上表面一定位置的鼓包1和高速排气气源(图中未示出)，所述高速排气气源用于产生吹到机翼4上表面的高速排气气流，所述鼓包1的型面将高速排气气流变为流线弯曲的三维流动。

以使用涡桨发动机及其使用的螺旋桨为例，鼓包1相对于桨盘平面2、桨盘轴线3的位置如图1所示。

因此，鼓包1有效作用的前提是机翼4上表面必须有流过发动机或其他装置产生的高速排气流过。其高速排气可以是涡轮喷气发动机或涡轮风扇发动机燃烧后的高温尾气，也可以是通过开式转子发动机(桨扇发动机)、电动螺旋桨发动机或涡轮螺旋桨发动机等的螺旋桨做功加速后的常温空气，还可以是通过气泵、高压气瓶或气路引气而来的气体。具体实施和实现时以前两个类型的高速排气为主，第三个类别而来的高速排气对于增升***的作用原理与前两个类别的作用原理一致，在后文中不再特别描述。

较佳的，高速排气气源为涡轮喷气发动机或涡轮风扇发动机燃烧后的高温尾气，该装置包括具有发动机尾气吹到机翼上表面的发动机-机翼***布局结构，例如气流通道、鼓包1及调节鼓包型面的气路装置或机械结构。其中，鼓包1 位于机翼4上表面、且处于发动机高速排气中，通过鼓包1的突起将原本机翼4 上表面原本均匀的流动变为流线弯曲的三维流动，提高了机翼4上表面发动机排气的高速作用面积，在引射效应的作用下，实现了升力的明显增加。

鼓包1的具体结构形式有两种：固定几何不可变形和几何可变。

固定几何不可变形的鼓包形式适用于巡航飞行速度和起降速度变化不大且要求不高、迫切需要提高升阻比和升力性能但对阻力增加不敏感的飞行器，如运输机、客机及以这两类为平台改进的其他类型飞行器。其具体型面根据最迫切提升性能的有限个工作点、使用型面变形软件和优化软件、以升力系数和升阻比最高、阻力系数少量增加为优化目标优化设计而来。这个类型的鼓包以其固定几何简单的结构、对飞行器增重较少、改造成本较低的特点适合对于已有符合条件的飞行器进行改进，特别适合使用涡轮螺旋桨发动机的已有型号运输机起降性能提高。

几何可变的鼓包形式适用于工作范围较宽且需要各个工作点升阻比、升力系数和阻力系数等性能都要求较高的飞行器。其具体型面结合全飞行包线、以升力系数和升阻比最高且阻力系数有所减小或基本不变为优化目标设计而来。

鼓包型面变形方式有很多，包括但不限于以下几种典型方式：(1)鼓包使用记忆合金制造，记忆合金变形规律与飞行器在对应工作点下所需的型面相匹配； (2)鼓包使用特制的、厚度不均匀的橡胶等柔性材料制造、由机械挤压或高压气室气压调整导致型面变形而来。

另一实施例中，如图2所示，本发明还公开了一种基于三维科恩达效应的鼓包增升装置的设计方法，包括以下步骤：

S01：确定涡桨发动机桨盘、机翼的尺寸和性能参数，获得常见起降工况下性能参数，简化三维设计的几何模型；

S02：在三维设计的几何模型中，选取典型位置进行二维设计，获得在上述截面中鼓包的初始设计；在不同二维截面中，桨盘在此截面上的高度D’，鼓包各点最高点距桨盘轴线距离h、未加装鼓包时机翼上表面各点距离轴线的距离h₁之间满足以下条件：h₁≤h≤0.5D’且1/3(0.5D’-h₁)≤(h-h₁)≤3/4(0.5D’ -h₁)；

S03：通过多个二维截面的鼓包型线相连，确定出三维鼓包的基本形状。

以使用涡桨发动机及其使用的螺旋桨为例，一般来说，机翼上固定几何不可变形的鼓包的设计流程分为以下几步：

(1)确定涡桨发动机桨盘、机翼的尺寸和性能参数，特别是获得常见起降工况下性能参数，简化三维设计的几何模型；其中，机翼翼型由飞机确定，已知且不变；发动机桨盘直径记为D，桨盘后总压提高为P₁，环境压力P₀；桨盘平面距离机翼头部前缘为X，轴线较机翼头部前缘为Y。上述参数均为随飞机设计所带来的确定值。

(2)在三维设计的几何模型中，选取典型位置进行二维设计，获得在上述截面中鼓包的初始设计；一般来说，在不同二维截面中，如图3、4所示，桨盘在此截面上的高度D’，鼓包各点最高点距桨盘轴线距离h、未加装鼓包时机翼上表面各点距离轴线的距离h₁之间满足以下条件：h₁≤h≤0.5D’且1/3(0.5D’ -h₁)≤(h-h₁)≤3/4(0.5D’-h₁)。

(3)通过多个二维截面的鼓包型线相连，确定出三维鼓包的基本形状；

(4)通过三维变形，结合涡桨发动机桨盘后真实气流的参数进行全三维优化设计，进一步提高性能；一般来说，全三维优化设计得到的鼓包型面每个点到发动机轴线垂直距离较三维鼓包的基本形状每个点的到发动机轴线垂直距离偏差不超过10％。

(5)针对该鼓包，校验平飞工况下的性能是否满足要求；若不满足，则返回第(2)步迭代优化。

进一步地，对于固定几何不可变形的鼓包，对于不同巡航速度的飞行器来说，巡航速度越快，在机翼尺寸不变的情况下鼓包越突出。一般来说，当巡航速度在 300km/h以下时，鼓包最高点尺寸满足h₁≤h≤0.5D’且(h-h₁)≈1/3(0.5D’ -h₁)；当巡航速度超过700km/h，鼓包最高点尺寸满足h₁≤h≤0.5D’且(h-h₁) ≈3/4(0.5D’-h₁)；当飞行速度介于300km/h至700km/h之间时，鼓包尺寸介于上述两个取值范围之内，如图3、4所示。

进一步地，鼓包沿展向的宽度较螺旋桨滑流在机翼上表面流过的宽度略小。没有螺旋桨滑流流过的地方，机翼上表面无鼓包。

进一步地，针对襟翼放下的起飞状态进行鼓包的优化设计，可以取得更好的效果。

若使用几何可变的鼓包，在固定几何不可变形的鼓包基础上，需要针对全飞行包线，进行上述鼓包的优化设计，获得型面上每一点在飞行包线中工作的位置，掌握鼓包型面的控制规律，全包线内都具有的更好性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于三维科恩达效应的鼓包增升装置的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01：确定涡桨发动机桨盘、机翼的尺寸和性能参数，获得常见起降工况下性能参数，简化三维设计的几何模型；所述参数包括：发动机桨盘直径记为D，桨盘后总压提高为P₁，环境压力P₀，桨盘平面距离机翼头部前缘为X，轴线距离机翼头部前缘为Y；

S02：在三维设计的几何模型中，选取典型位置进行二维设计，获得在截面中鼓包的初始设计；在不同二维截面中，桨盘在此截面上的高度D’，鼓包各点最高点距桨盘轴线距离h、未加装鼓包时机翼上表面各点距离轴线的距离h₁之间满足以下条件：h₁≤h≤0.5D’且1/3(0.5D’-h₁)≤(h-h₁)≤3/4(0.5D’-h₁)；

S03：通过多个二维截面的鼓包型线相连，确定出三维鼓包的基本形状；

所述基于三维科恩达效应的鼓包增升装置，包括设置于机翼上表面一定位置的鼓包和高速排气气源，所述高速排气气源用于产生吹到机翼上表面的高速排气气流，所述鼓包的型面将高速排气气流变为流线弯曲的三维流动；所述鼓包沿展向的宽度较气流在机翼上表面流过的宽度略小，没有高速排气气流流过的地方的机翼上表面无鼓包；

所述高速排气气源为涡桨发动机螺旋桨做功加速后的常温空气；

所述鼓包设置有调节结构或气路装置，所述调节结构或气路装置用于调节鼓包型面；

所述鼓包的型面以升力系数和升阻比最高，且阻力系数最低为优化目标优化得到；

所述鼓包采用记忆合金或厚度不均匀的柔性材料制成。

2.根据权利要求1所述基于三维科恩达效应的鼓包增升装置的设计方法，其特征在于，所述步骤S03之后还包括，通过三维变形，结合涡桨发动机桨盘后真实气流的参数进行全三维优化设计；

针对得到的鼓包，校验平飞工况下的性能是否满足要求；若不满足，则返回迭代优化。

3.根据权利要求1所述基于三维科恩达效应的鼓包增升装置的设计方法，其特征在于，所述步骤S02中，当巡航速度在300km/h以下时，鼓包最高点尺寸满足h₁≤h≤0.5D’且(h-h₁)≈1/3(0.5D’-h₁)；

当巡航速度超过700km/h，鼓包最高点尺寸满足h₁≤h≤0.5D’且(h-h₁)≈3/4(0.5D’-h₁)；

当飞行速度介于300km/h至700km/h之间时，鼓包尺寸满足h₁≤h≤0.5D’且1/3(0.5D’-h₁)＜(h-h₁)＜3/4(0.5D’-h₁)。