CN104912668B - 可变弯度叶片式旋流畸变发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可变弯度叶片式旋流畸变发生器，属于航空航天领域。包括圆环形机匣、对称安装在机匣内的两组由若干个可变弯度叶片构成的叶片组和分别驱动两组叶片组独立旋转的两个叶片组驱动机构；可变弯度叶片包括相互之间活动连接的前叶片和后叶片；所述前叶片固定在机匣上，后叶片穿过机匣与叶片组驱动机构连接；叶片组驱动机构可驱动后叶片旋转。通过调节可变弯度叶片的后叶片的安装角度，可以改变旋流的结构，形成同向整体涡、反向整体涡、对涡、偏置对涡等多种不同形式涡流，并可实时调整旋流畸变的涡流强度；在实验过程中可以不用停机更换叶片，完成多种旋流畸变下的发动机试验，降低试验成本和时间，提高试验效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种旋流畸变发生器，具体讲是一种可变弯度叶片式旋流畸变发生器，属于航空航天领域。
背景技术
目前，先进战机多采用腹部和两侧进气，发动机置于尾部，为提高总压恢复系数且兼顾隐身的需求，进气道设计成S形。在战斗机进行机动飞行、遭遇侧风、发射导弹等特殊情况时，除了产生总压畸变或总温畸变，还会形成旋流畸变。旋流畸变的强度除了与进气道的形状有关外，还会受到飞行条件和姿态的影响，如某型飞机的二元腹部S形进气道对于飞行侧滑角非常敏感，在侧滑角大于6°时会产生与发动机转向相同的整体涡，其最大的旋流强度达到5°，平均旋流强度也在2.5°以上。为研究旋流畸变对发动机性能和稳定性的影响，研究人员发展了多种形式的旋流畸变发生器用于模拟旋流畸变。叶片式旋流畸变发生器因其具备结构简单、成本低、调节方便等优点被广泛使用。
上世纪80年代末，德国的Fottner等对旋流畸变进行了研究，发展了一种三角翼旋流畸变发生器，通过手动调节三角翼与来流的夹角产生不同强度的对涡；2002年，AEDC设计了一种叶片式旋流畸变发生器，利用叶片的尾迹涡和端部的泄漏涡产生旋流，实验产生了切向达25°的旋流；南京航空航天大学的彭成一、林峰和张堃元等[1-3]先后通过实验证实了叶片式旋流畸变发生器可以产生基本旋流流场；姜健等[4]设计了一种叶片转折角、叶片高度和叶片数可以手动更换的叶片式旋流畸变发生器，数值模拟和试验研究了不同设计参数对旋流畸变结构和强度的影响，证明这种旋流发生器可产生不同强度的整体涡、局部涡和对涡，切向角最大可达28°。现有的叶片式旋流畸变发生器采用常规的整体式叶片，只能通过手动调节的方式改变整个叶片的安装角或者通过更换不同弯角的叶片实现旋流强度和结构的调整，操作复杂且需花费大量的时间用于调整叶片，影响试验效率。同时，受到整体式叶片自身气动性能的限制，一般在安装角调整范围超过±10°就会出现附面层分离，无法保证气流顺着叶片型面流动，导致旋流强度无法继续增加。
参考文献：
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发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种产生涡流形式多样、涡流强度自动调节，叶片更换方便的可变弯度叶片式旋流畸变发生器。
为了解决上述技术问题，本发明提供的一种可变弯度叶片式旋流畸变发生器，包括圆环形机匣、对称安装在机匣内的两组由若干个可变弯度叶片构成的叶片组和分别驱动两组叶片组独立旋转的两个叶片组驱动机构；所述可变弯度叶片包括相互之间活动连接的前叶片和后叶片；所述前叶片固定在机匣上，所述后叶片穿过机匣与叶片组驱动机构连接；所述叶片组驱动机构可驱动后叶片转动。
本发明中，所述叶片组驱动机构包括联动半环、驱动电机和若干根摇臂；所述联动半环设置在机匣外周并与驱动电机连接，所述若干根摇臂的一端与联动半环连接，另一端分别与后叶片连接；上述驱动电机采用步进电机。
本发明中，所述每个叶片组中可变弯度叶片的数量为1-12个。
本发明中，所述后叶片的转动角度为±30°。
本发明中，所述前叶片为可变弯度叶片总长的30-40%，后叶片为可变弯度叶片总长的60-70%。
本发明的有益效果在于：(1)、本发明采用可变弯度叶片，通过调节后叶片的安装角度，可以改变旋流的结构，产生同向整体涡、反向整体涡、对涡、偏置对涡等不同形式涡流，并可以实时调整涡流强度的旋流畸变；(2)、可变弯度叶片的数量采用1-12个，可根据实际试验要求调整叶片数量，大大提高旋流畸变发生器的试验范围；（3）、述后叶片的转动角度为±30°，能够保证后叶片在调整中不会出现明显的附面层分离，确保气流顺着叶片型面流动，最大可使整体涡和对涡的强度分别等于30°和60°；（4）、前叶片为叶片总长的30-40%，后叶片为叶片总长的60-70%，采用这种前后叶片长度分配比例的可变弯度叶片气动性能好，能够保证后叶片在±30°的转动范围内，气流顺着叶片型面流动，不会出现附面层分离的现象；(5)、在实验过程中不用停机更换叶片，完成多种旋流畸变下的发动机试验，降低试验成本和时间，提高试验效率；(6)、驱动机构结构简单可靠，采用步进电机的实时控制，能够模拟旋流畸变的动态形成过程及对发动机的影响，其控制精度高，可大大提高试验数据的准确性。
附图说明
图1为本发明可变弯度叶片式旋流畸变发生器结构图；
图2为图1 中A-A剖视图；
图3为图1中B-B剖视图；
图4为本发明中可变弯度叶片结构示意图，(a)为俯视图、(b)为侧视图；
图5为可变弯度叶片横截面示意图，(b)为可变弯度叶片初始状态，(a)表示后叶片逆时针旋转，(c)表示后叶片顺时针旋转。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1至5所示，本发明的变弯度叶片式旋流畸变发生器，包括机匣1、可变弯度叶片2、两个联动半环3和两个步进电机4组成。机匣1为圆环形结构，可变弯度叶片2为两组，每组由6个可变弯度叶片2组成，第一组包括叶片A1-A6，第二组包括叶片B1-B；两组可变弯度叶片2对称安装在机匣1内，可变弯度叶片2的安装方向与机匣1的轴向一致；各组的可变弯度叶片2沿机匣1内周均匀间隔布置。
图4和5所示，可变弯度叶片2包括前叶片2-1和后叶片2-2，其中前叶片2-1占总叶片长度的30-40%，后叶片2-2占总叶片长度的60-70%，两叶片之间的间隙占总叶片长度的1%。前叶片2-1的定轴穿过机匣1通过螺栓固定在机匣1上，安装完成后不可调节；后叶片2-2的转动轴穿过机匣1通过销固定与机匣1实现活动连接。两个联动半环3设置在机匣1的外围，分别对应两组叶片组。各个可变弯度叶片2中的后叶片2-2的转动轴分别通过摇臂7与联动半环3连接。
联动半环3通过销与第一推杆5连接，第一推杆5通过销与第二推杆8连接，第二推杆8通过键与步进电机4的输出轴连接。当步进电机4旋转时，带动第二推杆8旋转，进而带动第一推杆5移动，第一推杆5移动导致联动半环3沿机匣1的外围同时移动，进而通过摇臂7带动后叶片2-2实现转动。每台步进电机4控制一组可变弯度叶片2中后叶片2-2的安装角调节，通过电脑或者操作平台控制步进电机4，给定步进电机4输出轴的旋转方向和角度，控制后叶片2-2安装角的大小并调节。后叶片2-2安装角的旋转角度为±30°，可实现可变弯曲叶片2的弯角大小和方向的调整，以产生不同强度和结构形式的旋流。
如图5所示，图中（b）为可变弯度叶片2初始状态，（a）表示后叶片2-2逆时针旋转，（c）所示后叶片2-2顺时针旋转。在轴向进气条件下，气流流经（b）所示叶片状态后保持轴向流动，不产生旋流；假设发动机旋转方向为顺时针方向，则气流流经（a）所示叶片状态后周向气流角为负值，气流沿逆时针旋转，产生旋流，此时旋流方向与发动机旋转方向相反，称为反向涡；气流流经（c）所示叶片状态后周向气流角为正值，气流沿顺时针旋转，产生旋流，此时旋流方向与发动机旋转方向相同，称为同向涡。
在本实施例中，每组可变弯度叶片2数量为6片，在实际试验过程中也可以根据实际需要进行数量调整。旋流畸变发生器每一个可变弯度叶片2的前叶片2-1和后叶片2-2必须成对使用，可变弯度叶片2总数最少1，最多12。
使用过程中，当步进电机4分别控制两组可变弯度叶片2后叶片2-2安装角为零度时，对进气气流角没有影响，维持轴向进气。两组叶片的安装角调整幅度大小相同，方向相反时产生对涡旋流，例如第一步进电机电机控制第二组叶片B1-B6安装角为30°，第二电机控制第一组叶片A1-A6安装角为-30°，产生旋流强度为60°的对涡旋流。两组叶片的安装角调整幅度大小不同，而方向相反时产生偏置对涡旋流，例如第一步进电机控制第二组叶片B1-B6安装角为20°，第二步进电机控制第一组叶片A1-A6安装角为-30°，产生旋流强度为50°的偏置对涡旋流。两组叶片的安装角调整幅度大小和方向均相同时产生整体涡，两组叶片安装角均为30°，产生旋流强度为30°的同向整体涡；两组叶片安装角均为-30°，产生旋流强度为30°的反向整体涡；通过调整安装角的大小改变整体涡强度。
气流通过旋流畸变发生器的叶片，形成周向的二次流；当施加两个方向相反、强度相同的二次流时就形成对涡；若只施加一个方向的二次流，则形成整体涡。二次流的强度与切向气流角成正比，通过调节可变弯度叶片2后叶片2-2的安装角，使叶片弯角增加，在几何入口角不变时，必然导致出口气流角上升，在没有吸力面附面层分离的情况下，弯角越大，切向气流角越大，二次流越明显，则旋流畸变强度也就越大。因此本发明所提出的可变弯度叶片式旋流畸变发生器，可以方便地在发动机进口模拟不同强度和结构形式的旋流畸变，不用停机更换叶片就可以开展不同形式旋流对发动机性能和稳定性影响的试验，降低试验成本和时间，其不仅可直接用于航空发动机旋流畸变试验，还可应用于压气机旋流畸变试验。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种可变弯度叶片式旋流畸变发生器，其特征在于：包括圆环形机匣、对称安装在机匣内的两组由若干个可变弯度叶片构成的叶片组和分别驱动两组叶片组独立旋转的两个叶片组驱动机构；所述可变弯度叶片包括相互之间活动连接的前叶片和后叶片；所述前叶片固定在机匣上，所述后叶片穿过机匣与叶片组驱动机构连接；所述叶片组驱动机构可驱动后叶片转动。
2.根据权利要求1所述的可变弯度叶片式旋流畸变发生器，其特征在于：所述叶片组驱动机构包括联动半环、驱动电机和若干根摇臂；所述联动半环设置在机匣外周与驱动电机连接，所述若干根摇臂的一端与联动半环连接，另一端分别与后叶片连接。
3.根据权利要求1或2所述的可变弯度叶片式旋流畸变发生器，其特征在于：所述每个叶片组中可变弯度叶片的数量为1-12个。
4.根据权利要求3所述的可变弯度叶片式旋流畸变发生器，其特征在于：所述后叶片的转动角度为±30°。
5.根据权利要求4所述的可变弯度叶片式旋流畸变发生器，其特征在于：所述前叶片为可变弯度叶片总长的30-40%，后叶片为可变弯度叶片总长的60-70%。
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