CN105201689A - 一种变几何火箭基组合循环地面实验发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变几何火箭基组合循环地面实验发动机，采用变几何燃烧室分级调节的机械结构，发动机固定在实验台上，两个作动机构等间距垂直安装在实验台上，发动机位于两个作动机构的支架内。固定段燃烧室与可变段燃烧室固连，固定段燃烧室内腔底板与可变段燃烧室内腔底板为一体结构，火焰稳定装置安装在固定段燃烧室内，简化了变几何机构，被压腔盖板安装在可变段燃烧室上面；两个作动机构通过液压缸活塞及连杆分别带动上腔板在竖直方向上下运动，完成对燃烧室在不同马赫数范围内的四级调节，实现不同来流马赫数下燃烧室构型的调节和保持。发动机用于不同马赫数下发动机的研究和燃烧室结构调节过程中燃烧动态响应特性研究。

Description

一种变几何火箭基组合循环地面实验发动机

技术领域

本发明涉及火箭冲压发动机技术领域，具体地说，涉及一种变几何火箭基组合循环地面实验发动机。

背景技术

火箭基组合循环(简称RBCC)推进系统整合了火箭发动机和冲压发动机的优势，具有四种模态，能实现0～8Ma的宽范围飞行，并可在加速和巡航阶段灵活的调整任务需求推力，具有良好的应用前景。火箭基组合循环发动机的四种模态共用同一流道，然而各模态对于流道的要求不尽相同，因此，在同一流道中实现各模态较优的性能以及不同模态间的转换问题就显得非常关键。燃烧室作为发动机的核心部件之一，其性能决定了整台发动机的性能。为了获得燃烧室的高效燃烧和高性能，主要通过燃烧组织技术和变几何结构来实现的；目前采用的方案主要为三种:固定结构发动机加上热力喉道调节技术、完全变几何发动机和发动机部分变几何结合热力喉道调节技术。

变几何火箭基组合循环发动机是指改变发动机流道结构形状，通过改变结构来调节进气道的溢流量，改变燃烧室结构实现亚声速和超声速状态下的高效率燃烧以及改变喷管的扩张比来适应环境背压，从而使得发动机在宽马赫数范围内均具有高性能。鉴于变几何发动机带来的性能优势，国内外相关的科研人员对变几何发动机的研究进行了大量的工作，法国初步掌握了变几何发动机设计和研发的相关技术。其中，法国和俄罗斯合作开发了完全可变几何的宽范围冲压发动机(WRR)，WRR发动机能实现1.5～12Ma的工作。在现有公开的技术文献“French-RussianCooperationonHigh-SpeedAirbreathingPropulsion”(MarcBOUCHEZ,VadimLEVINE.AIAA2003-2907)中，该发动机燃烧室的可调部分由四块型面板通过圆柱铰链连接而成，最前端铰链为活动铰链，末端铰链为固定铰链，整个燃烧室构型的变化和保持由三个作动筒完成，该发动机燃烧室由于最前端铰链可滑动，增加了动密封的困难，采用可伸缩的火焰稳定器，但其带来了结构实现的困难。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种变几何火箭基组合循环地面实验发动机，采用变几何燃烧室分级调节的机械结构，实现不同来流马赫数下燃烧室构型的转变，并解决了作动过程中由于变结构带来的动密封问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括发动机、实验台、发动机作动机构，发动机固定在实验台上，两个作动机构等间距垂直安装在实验台上，发动机位于两个作动机构的支架内，所述发动机包括固定段燃烧室、可变段燃烧室、第一上腔板、第二上腔板、第三上腔板、销轴、被压腔盖板、燃烧室侧板、燃烧室内腔底板、连接耳、第一圆柱铰链、第二圆柱铰链、第三圆柱铰链、U型滑轨、凸耳、滑槽，固定段燃烧室位于可变段燃烧室前端部，且与可变段燃烧室通过连接发兰固连，连接法兰端面有密封槽，固定段燃烧室内腔底板与可变段燃烧室内腔底板为一体结构，燃烧室内腔底板两侧边开有密封槽，燃烧室内腔底板两侧有多个连接耳与台面支架固连，被压腔盖板位于可变段燃烧室的上面，被压腔盖板两侧开有密封槽，燃烧室侧板与燃烧室内腔底板和被压腔盖板固连，第一上腔板一端与固定段燃烧室通过第一圆柱铰链连接，第一上腔板另一端与第二上腔板通过第二圆柱铰链连接，第二上腔板另一端与第三上腔板一端通过第三圆柱铰链连接，第三上腔板的另一端与燃烧室侧板通过销轴连接，第一上腔板上表面和第三上腔板上表面各有两个凸耳,凸耳上有滑槽，两个凸耳的滑槽半径相同且同轴，第二上腔板前半部为带有160～170度转角的型面板，与后半部通过U型滑轨嵌套连接；

所述发动机作动机构包括第一作动机构、第二作动机构，第一作动机构包括第一作动机构支架、第一连杆、第一液压缸、第一铰链、第一直线轴承，第一液压缸固定在第一作动机构支架上,第一连杆一端与第一液压缸活塞杆通过第一铰链连接，第一连杆另一端穿过被压腔盖板上的第一直线轴承与第一上腔板的凸耳滑槽配合连接；第二作动机构包括第二作动机构支架、第二连杆、第二液压缸、第二铰链、第二直线轴承，第二液压缸固定在第二作动机构支架上，第二连杆一端与第二液压缸活塞杆通过第二铰链连接，第二连杆另一端穿过被压腔盖板上的第二直线轴承与第三上腔板的凸耳滑槽配合连接。

第一上腔板、第二上腔板和第三上腔板周向分别开有密封槽，密封槽内填充柔性材料实现密封。

被压腔盖板上的第一直线轴承和第二直线轴承下面周向开有密封槽，密封槽内填充O型密封圈实现密封。

有益效果

本发明提出的一种变几何火箭基组合循环地面实验发动机，由发动机、实验台、发动机作动机构组成；发动机固定在实验台上，两个作动机构等间距垂直固定在实验台上，发动机位于两个作动机构支架内。固定段燃烧室位于可变段燃烧室前端部，且与可变段燃烧室通过连接发兰固连，固定段燃烧室内腔底板与可变段燃烧室内腔底板为一体结构，被压腔盖板位于可变段燃烧室的上面。两个作动机构通过液压缸活塞及连杆分别带动上腔板在竖直方向上下运动,实现发动机燃烧室构型变化。变几何火箭基组合循环地面实验发动机,采用变几何燃烧室分级调节的机械结构，完成对燃烧室在不同马赫数范围内的四级调节，实现不同来流马赫数下燃烧室构型的调节和保持，并解决了作动过程中由于变结构带来的动密封问题。

与现有技术相比，本发明变几何火箭基组合循环地面实验发动机独特的结构起着点火与火焰稳定的作用，而且火焰稳定装置安装在固定段燃烧室内，简化了变几何机构，实现大范围的结构调节。变几何火箭基组合循环地面实验发动机适用于不同马赫数下发动机的研究和燃烧室结构调节过程中燃烧动态响应特性研究。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种变几何火箭基组合循环地面实验发动机作进一步详细说明。

图1为变几何火箭基组合循环地面实验发动机示意图。

图2为变几何火箭基组合循环地面实验发动机轴侧图。

图3为变几何火箭基组合循环地面实验发动机的密封部位示意图。

图4为地面实验发动机的燃烧室内腔底板轴侧图。

图5为图3中A的局部放大图。

图6为图3中B的局部放大图。

图中:

1.发动机2.实验台3.发动机作动机构4.固定段燃烧室5.第一上腔板6.第二上腔板7.第三上腔板8.销轴9.被压腔盖板10.燃烧室侧板11.实验台架12.第一台面支架13.第二台面支架14.第一作动机构支架15.第三台面支架16.第二作动机构支架17.第一作动机构18.第二作动机构19.第一连杆20.第一液压缸21.第二连杆22.第二液压缸23.第一圆柱铰链24.第二圆柱铰链25.第三圆柱铰链26.U型滑轨27.第一铰链28.第一直线轴承29.凸耳30.第二铰链31.第二直线轴承32.滑槽33.内腔底板侧密封槽34.发兰端密封槽35.第二侧面密封槽36.第三侧面密封槽37.第四侧面密封槽38.第五侧面密封槽39.第一曲路密封槽40.第二曲路密封槽41.第三曲路密封槽42.第一横向密封槽43.第二横向密封槽44.第三横向密封槽45.第四横向密封槽46.第五横向密封槽47.第六侧面密封槽48.第七侧面密封槽49.第八侧面密封槽50.连接耳51.燃烧室内腔底板52.可变段燃烧室

具体实施方式

本实施例是一种变几何火箭基组合循环地面实验发动机。

参阅图1～图6，变几何火箭基组合循环地面实验发动机包括发动机1、实验台2、发动机作动机构3组成，发动机1固定在实验台2上，两个作动机构等间距、垂直固定安装在实验台2上，发动机1位于两个作动机构支架内,实验台架11安装在实验台2下面。发动机由固定段燃烧室4、可变段燃烧室52、第一上腔板5、第二上腔板6、第三上腔板7、销轴8、被压腔盖板9、燃烧室侧板10、燃烧室内腔底板51、连接耳50、第一圆柱铰链23、第二圆柱铰链24、第三圆柱铰链25、U型滑轨26、凸耳29、滑槽32组成；固定段燃烧室4安装在可变段燃烧室52的前端部，且与可变段燃烧室52通过连接发兰固定连接，连接法兰周向有螺孔，端面开有发兰端密封槽34。固定段燃烧室4内腔底板与可变段燃烧室52内腔底板为一体结构，燃烧室内腔底板51两侧有若干在同一直线上的螺孔，燃烧室内腔底板51两侧有多个连接耳50分别与实验台2上部的第一台面支架12、第二台面支架13、第三台面支架15台面支架固定连接。被压腔盖板9连接在可变段燃烧室52的上面，被压腔盖板9两侧边上开有密封槽和螺孔，燃烧室侧板10与燃烧室内腔底板51和被压腔盖板9固定连接。第一上腔板5一端与固定段燃烧室4通过第一圆柱铰链23连接，第一上腔板5另一端与第二上腔板6一端通过第二圆柱铰链24连接，第二上腔板6的另一端与第三上腔板7一端通过第三圆柱铰链25连接，第三上腔板7的另一端与燃烧室侧板10通过销轴8连接，第一上腔板5上表面和第三上腔板7上表面各有两个凸耳29，凸耳29上分别开有滑槽32，两个凸耳的滑槽半径相同且同轴；第二上腔板6前半部为带有160～170度转角的型面板，与后半部通过U型滑轨26嵌套连接。第一上腔板5、第二上腔板6和第三上腔板7周向分别开有密封槽，密封槽内填充柔性材料实现密封。

发动机作动机构3由第一作动机构17和第二作动机构18组成；第一作动机构17包括第一作动机构支架14、第一连杆19、第一液压缸20、第一铰链27、第一直线轴承28，第一液压缸20固定安装在第一作动机构支架14上，第一连杆19一端与第一液压缸20活塞杆通过第一铰链27连接，第一连杆19另一端穿过被压腔盖板9上的第一直线轴承28与第一上腔板5的凸耳29滑槽32配合连接。被压腔盖板9上的第一直线轴承28下面周向开有第七侧面密封槽48，密封槽内填充O型密封圈实现密封。第二作动机构18包括第二作动机构支架16、第二连杆21、第二液压缸22、第二铰链30、第二直线轴承31，第二液压缸22固定安装在第二作动机构支架16上，第二连杆21一端与第二液压缸22活塞杆通过第二铰链30连接，第二连杆21另一端穿过被压腔盖板9上的第二直线轴承31与第三上腔板7的凸耳滑槽32配合连接。被压腔盖板9上的第二直线轴承31下面周向开有第八侧面密封槽49，密封槽内填充O型密封圈实现密封。

本实施例以3Ma构型为燃烧室构型调节基准点，第一上腔板5与水平方向夹角为8°，燃烧室几何喉道高度为90mm。第一级调节，来流马赫数为3～4，在第一作动机构17作用下，第一上腔板5绕第一圆柱铰链23顺时针旋转3°，与此同时,在第二作动机构18作用下，燃烧室几何喉道高度向下调节15mm；第二级调节，来流马赫数为4～5，在第一作动机构17作用下，第一上腔板5绕第一圆柱铰链23顺时针旋转3°，在第二作动机构18作用下，燃烧室几何喉道高度向下调节10mm；第三级调节，来流马赫数为5～6，在第一作动机构17作用下，第一上腔板5保持位置不变，在第二作动机构18作用下，第二上腔板6调至与水平方向成2°夹角；第四级调节，来流马赫数大于6，在第一作动机构17和第二作动机构18作用下，可对燃烧室扩张角度进行调节。

各级调节的实现其原理一样，下面以第一级调节为例进行说明:第一作动机构17中的第一液压缸20驱动活塞向下运动13.8mm，带动第一连杆19在竖直方向向下运动，第一连杆19的下端在第一上腔板5的凸耳滑槽内滑动，从而带动第一上腔板5顺时针转动3°。第二作动机构18中的第二液压缸22驱动活塞杆向下运动11.6mm，带动第二连杆21在竖直方向向下运动，第二连杆21的下端在第三上腔板7的凸耳滑槽内滑动，从而带动第三上腔板7的转动，实现燃烧室喉道高度向下调节15mm。通过第一作动机构17和第二作动机构18的配合驱动，实现燃烧室构型按需求变化。

本实施例在密封方面，在密封槽内分别填充柔性材料和O型密封圈,实现密封。通过螺钉与零部件上的螺孔配合,压紧内腔底板侧密封槽33、发兰端密封槽34内的密封材料；通过螺钉与零部件上的螺孔配合,提供燃烧室侧板10和被压腔盖板9之间的预紧力，并压紧第二侧面密封槽35、第三侧面密封槽36、第四侧面密封槽37、第五侧面密封槽38和第六侧面密封槽47内的密封材料。可变段燃烧室52与燃烧室侧板10之间的动密封，气流在第一曲路密封槽39、第二曲路密封槽40和第三曲路密封槽41内缓冲，第二侧面密封槽35、第三侧面密封槽36、第四侧面密封槽37和第五侧面密封槽38联通为贯穿燃烧室头尾的一条曲线，实现侧向的动密封；在第一横向密封槽42、第二横向密封槽43、第三横向密封槽44、第四横向密封槽45和第五横向密封槽46填入密封材料，实现铰链和滑动连接处的密封。在第七侧面密封槽48和第八侧面密封槽49内填入O型密封圈，分别实现第一连杆19和第二连杆21与被压腔盖板9之间的密封。

Claims (3)

1.一种变几何火箭基组合循环地面实验发动机，其特征在于:包括发动机、实验台、发动机作动机构，发动机固定在实验台上，两个作动机构等间距垂直安装在实验台上，发动机位于两个作动机构的支架内，所述发动机包括固定段燃烧室、可变段燃烧室、第一上腔板、第二上腔板、第三上腔板、销轴、被压腔盖板、燃烧室侧板、燃烧室内腔底板、连接耳、第一圆柱铰链、第二圆柱铰链、第三圆柱铰链、U型滑轨、凸耳、滑槽，固定段燃烧室位于可变段燃烧室前端部，且与可变段燃烧室通过连接发兰固连，连接法兰端面有密封槽，固定段燃烧室内腔底板与可变段燃烧室内腔底板为一体结构，燃烧室内腔底板两侧边开有密封槽，燃烧室内腔底板两侧有多个连接耳与台面支架固连，被压腔盖板位于可变段燃烧室的上面，被压腔盖板两侧开有密封槽，燃烧室侧板与燃烧室内腔底板和被压腔盖板固连，第一上腔板一端与固定段燃烧室通过第一圆柱铰链连接，第一上腔板另一端与第二上腔板通过第二圆柱铰链连接，第二上腔板另一端与第三上腔板一端通过第三圆柱铰链连接，第三上腔板的另一端与燃烧室侧板通过销轴连接，第一上腔板上表面和第三上腔板上表面各有两个凸耳,凸耳上有滑槽，两个凸耳的滑槽半径相同且同轴，第二上腔板前半部为带有160～170度转角的型面板，与后半部通过U型滑轨嵌套连接；

所述发动机作动机构包括第一作动机构、第二作动机构，第一作动机构包括第一作动机构支架、第一连杆、第一液压缸、第一铰链、第一直线轴承，第一液压缸固定在第一作动机构支架上,第一连杆一端与第一液压缸活塞杆通过第一铰链连接，第一连杆另一端穿过被压腔盖板上的第一直线轴承与第一上腔板的凸耳滑槽配合连接；第二作动机构包括第二作动机构支架、第二连杆、第二液压缸、第二铰链、第二直线轴承，第二液压缸固定在第二作动机构支架上，第二连杆一端与第二液压缸活塞杆通过第二铰链连接，第二连杆另一端穿过被压腔盖板上的第二直线轴承与第三上腔板的凸耳滑槽配合连接。

2.根据权利要求1所述的变几何火箭基组合循环地面实验发动机，其特征在于:第一上腔板、第二上腔板和第三上腔板周向分别开有密封槽，密封槽内填充柔性材料实现密封。

3.根据权利要求1所述的变几何火箭基组合循环地面实验发动机，其特征在于:被压腔盖板上的第一直线轴承和第二直线轴承下面周向开有密封槽，密封槽内填充O型密封圈实现密封。