CN105539862B - 一种串联式组合动力进气道平动式模态转换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种串联式组合动力进气道平动式模态转换装置，模态转换装置为一组合式阀门结构，包括内、外阀门；内、外阀门为内径或者外径不相等的环状体，两阀门上设有一可以相互契合的面，并且内、外阀门中至少有一个可前后移动的固定在发动机通道入口段，可移动的阀门上连接一驱动装置，使该可移动阀门移动在进气道内能够在与另一阀门契合的位置和设定的开度位置之间移动；设计思路是通过平动代替转动的方式实现串联组合动力进气道模态转换过程阀门的开启与关闭，采用平动的方式可简化模态转换阀门的运动规律及其控制机构；随着模态转换阀门的移动，模态转换过程进入冲压发动机通道的流量逐渐增大，进入涡轮发动机通道的流量逐渐减少。
Description
技术领域
本发明涉及一种串联式组合动力进气道平动式模态转换装置的设计，属于组合动力进气道模型设计研究领域。
背景技术
国家提出空天一体化的战略，意味着未来空中优势的争夺将逐渐转变成空天优势的争夺。空天飞行器以其独有的作战优势，正受到世界各强国的广泛关注。组合动力推进系统综合了不同推进系统的优势，可满足未来空天飞行器的宽飞行包线的需求。目前常见的组合动力推进系统主要有火箭基组合循环（RBCC）和涡轮基组合循环（TBCC）。其中涡轮基组合循环推进系统具有可重复使用、成本低、安全性高等特点，是未来空天飞行器推进系统重要的选择之一。
TBCC推进系统的按照布局方式可以分为串联式和并联式。其中串联形式采用涡轮发动机在前，冲压发动机在后的布局，具有发动机基线小，重量轻等优点。组合循环发动机工作过程中必然要经历由涡轮发动机工作状态向冲压发动机工作状态（或冲压发动机工作状态向涡轮发动机工作状态）转换的模态转换过程。在发动机模态转换过程中，进气道需要同时向涡轮发动机通道和冲压发动机通道提供所需气流，配合发动机完成动力模式的转换，且在此模态转换过程中需要满足组合发动机的流量和推力保持平稳过渡等要求，是TBCC发动机研制成败的关键技术之一。
日本是世界上开展TBCC发动机研制工作较早的国家之一。1989年日本提出高超声速运输机(Hypersonic Transport HST)计划。试验机型HYPR90-C发动机由双轴不带加力的变循环涡扇发动机和亚燃冲压发动机串联组成。发动机可调部分包括：模态转换阀门、前/后可变面积放气门、高压压气机可调静子叶片、低压涡轮可调导向器和可变面积尾喷管。在起飞状态时，关小低压涡轮导向器以加大涵道比，降低排气噪音；高速飞行时，则加大核心机空气流量，提高单位推力。使用进气道内的分流板选择涡扇工作模式、冲压工作模式或涡扇-冲压同时工作模式。涡扇发动机从起飞直到工作到飞行速度为Ma=3.0；Ma=2.5～3.0时，涡扇和冲压发动机工作转接；Ma=3.0～5.0时冲压发动机工作，涡扇发动机关闭。由于模态转换阀门处于环形截面上，若要实现冲压发动机流道的开启和关闭，则模态转换阀门在运动过程中需要改变面积，其运动规律类似于收敛喷管喉道的扩大/缩小过程。
由于串联式组合动力模态转换阀门的运动规律及其控制机构较为复杂，因此若能采用平动的方式实现模态转换阀门的关闭与开启，则可以简化运动规律及其控制机构。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供一种简化模态转换阀门运动规律及其控制机构的平动式模态转换装置。
串联TBCC进气道主要由超声速外压段、亚声速扩压段和涡轮和冲压发动机分流段三部分组成。其中超声速外压段和亚声速扩压段为组合动力进气道前半部分，该部分为涡轮和冲压发动机提供合适的进气条件，涡轮和冲压发动机分流段将气流分成内外两股，引导气流进入涡轮以及冲压发动机。因此涡轮发动机入口通道形状呈圆形，冲压发动机入口通道形状呈环形。在模态转换开始前，气流全部流入涡轮发动机通道。模态转换过程位于冲压发动机通道内的模态转换阀门逐渐开启，引导气流进入冲压发动机通道。
所述模态转换装置为一组合式阀门结构，包括内阀门、外阀门；所述内、外阀门为内径或者外径不相等的环状体，两阀门上设有一可以相互契合的面，并且内、外阀门中至少有一个可前后移动的固定在发动机入口通道中，可移动的阀门上连接一驱动装置，使该可移动阀门在进气道内能够在与另一阀门契合的位置和设定的开度位置之间移动。
其中，内阀门固定设置在涡轮发动机入口通道的外壁面，外阀门可前后移动的固定在冲压发动机的内表面；所述外阀门的外侧面设有凸起，冲压发动机内表面对应位置设有凹槽与外阀门外侧面的凸起相匹配。
进一步的，所述内阀门上各处内径相等，外径沿轴向的两边向中间逐渐变大，截面形成大致为顶角向外的三角形；所述外阀门上各处外径相等，内径沿轴向的两边向中间逐渐变大，截面形成大致为顶角向内的三角形；所述外阀门外侧面的凸起为矩形体角块，在其外侧面均匀设有四个。
本发明提出了新的模态转换阀门设计思路及其平动的运动方式。采用该装置能够实现平动的方式完成模态转换过程，简化了模态转换阀门的运动规律及其控制机构，同时也能满足模态转换过程涡轮发动机流量降低，冲压发动机流量增大的要求。
模态转换阀门采用分段式设计，分为内外两部分，其中内侧部分固定在涡轮发动机通道外壁面，外侧部分通过四个角块固定在冲压发动机通道内壁面且该部分可通过角块进行移动，实现冲压发动机通道的开启和关闭。
采用该装置能实现用平动代替转动的方式进行串联式TBCC进气道模态转换，简化了模态转换阀门的运动规律及其控制机构。
附图说明
图1是本发明串联式组合动力进气道平动式模态转换装置的剖视图；
图2是本发明中外阀门的整体示意图；
图3是串联式组合动力进气道平动式模态转换装置模态转换过程三个典型位置图；
图4是串联式组合动力进气道平动式模态转换装置模态转换过程流量系数变化规律；
图中横纵坐标及图标的含义分别为：
D1：进气道出口截面直径；
D2：涡轮发动机通道截面直径；
h1：模态转换阀门内侧部分三角形高度；
L1：模态转换阀门内侧部分三角形半长度；
h2：模态转换阀门外侧部分三角形高度；
L2：模态转换阀门外侧部分三角形半长度；
ϕ：流量系数；
L：冲压通道开度；
1-内阀门、2-外阀门、3-进气道出口、4-涡轮发动机通道、5-冲压发动机通道、6-矩形体角块、7-凹槽。
具体实施方式
本发明提供一种串联式组合动力进气道平动式模态转换装置，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
采用平动的方式实现模态转换阀门的关闭与开启，可以简化模态转换阀门的运动规律及其控制机构，目前未见国内外关于串联式TBCC进气道平动式模态转换装置设计研究的相关文献发表。本发明针对串联式组合动力进气道平动式模态转换装置设计思路。为实现模态转换过程冲压发动机通道逐渐开启，设计了模态转换阀门，该阀门能通过平动的方式完成冲压发动机通道的开启和关闭，简化了模态转换阀门的运动规律及控制机构。
1-内阀门、2-外阀门、3-进气道出口、4-涡轮发动机通道、5-冲压发动机通道、6-矩形体角块、7-凹槽。
本发明串联式组合动力进气道平动式模态转换装置整体示意图如图1所示，该装置用于串联式TBCC进气道出口3，其中，所述串联式TBCC进气道包括超声速外压段、亚声速扩压段和涡轮以及冲压发动机，所述涡轮发动机入口通道呈圆形，冲压发动机入口通道形状呈环形，设置在涡轮发动机通道的外部；所述模态转换装置为一组合式阀门结构，包括内阀门1、外阀门2；所述内、外阀门为内径或者外径不相等的环状体，其中，内阀门1固定设置在涡轮发动机通道4的外壁面，外阀门2设置在冲压发动机通道5的内表面；所述外阀门2的外侧面设有凸起，凸起为矩形体角块6，在其外侧面均匀设有四个，冲压发动机通道5内表面对应位置设有凹槽7与外阀门2外侧面的凸起6相匹配；所述外阀门2位于内阀门1下游位置。
其中，外阀门的整体示意图如图2所述，内阀门上各处内径相等，外径沿轴向的两边向中间逐渐变大，截面形成大致为顶角向外的三角形；所述外阀门上各处外径相等，内径沿轴向两边向中间逐渐变大，截面形成大致为顶角向内的三角形。
本发明的工作原理如下：首先介绍模态转换阀门的设计过程，图1为该模态转换阀门对称面图。模态转换阀门分为内外两部分，其中内侧部分阀门不可动，外侧部分阀门可动，这两部分阀门横截面均为等腰三角形，三角形的形状由L 1 、h 1 和L 2 、h 2 确定。可动部分阀门的移动距离为L 1 +L 2 ，可动部分阀门整体模型如图2所示。内、外阀门为内径或者外径不相等的环状体，两阀门上设有一可以相互契合的面，并且内、外阀门中至少有一个可前后移动的固定在发动机进气道中，可移动的阀门上连接一驱动装置，使该可移动阀门移动在进气道内能够在与另一阀门契合的位置和设定的开度位置之间移动。可动部分阀门通过四个角块固定在冲压通道表面，同时也是通过这四个角块实现外侧阀门向上游或向下游的平动。模态转换起始时刻，可动部分阀门位于最上游位置此时冲压发动机通道处于关闭状态，此后可动部分阀门向下游平移冲压通道流通面积逐渐增大，当移动距离等于L 1 时，冲压发动机通道流通面积达到最大值，此后可动部分阀门继续向下游移动，冲压发动机通道流通面积保持不变。图1所示的位置即为可动部分阀门移动距离为L 1 的状态。模态转换过程可动部分的三个典型位置如图3所示，分别为关闭状态、冲压发动机通道流通面积恰好达到最大状态和完全开启状态。
根据上述模态转换阀门的设计思路进行数值仿真验证，图4 给出了模态转换过程随着外侧可动阀门向下游平动，进气道出口、涡轮通道及冲压通道的流量变化规律，如图所示随着模态转换阀门向下游平动，进入冲压发动机通道的流量逐渐增大，进入涡轮发动机通道的流量逐渐减少，当可动阀门移动距离达到L 1 时，涡轮/冲压发动机通道的流量基本保持不变是因为冲压发动机通道的流通面积达到最大值且不随可动阀门的移动而改变。
上述工作原理的说明仅为本发明的一个特例，证明了采用平动方式设计的模态转换装置的可行性。因此凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (6)
1.一种串联式组合动力进气道平动式模态转换装置，该装置用于串联式TBCC进气道出口，其中，所述串联式TBCC进气道包括超声速外压段、亚声速扩压段和涡轮及冲压发动机入口通道，所述涡轮发动机入口通道呈圆形，冲压发动机入口通道形状呈环形，设置在涡轮发动机入口通道的外部；其特征在于，所述模态转换装置为一组合式阀门结构，包括内阀门、外阀门；所述内、外阀门为内径或者外径不相等的环状体，两阀门上设有一可以相互契合的面，并且内、外阀门中至少有一个可前后移动的固定在涡轮及冲压发动机入口通道中，可移动的阀门上连接一驱动装置，使该可移动阀门在进气道内能够在与另一阀门契合的位置和设定的开度位置之间移动。
2.根据权利要求1所述的一种串联式组合动力进气道平动式模态转换装置，其特征在于，其中，内阀门固定设置在涡轮发动机入口通道的外壁面，外阀门可前后移动的固定在冲压发动机入口通道的内表面。
3.根据权利要求1所述的一种串联式组合动力进气道平动式模态转换装置，其特征在于，所述外阀门的外侧面设有凸起，冲压发动机通道内表面对应位置设有凹槽与外阀门外侧面的凸起相匹配，且所述凹槽的宽度大于外凸起的宽度。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种串联式组合动力进气道平动式模态转换装置，其特征在于，所述内阀门上各处内径相等，外径沿轴向两边向中间逐渐变大，截面形成大致为顶角向外的三角形；所述外阀门上各处外径相等，内径沿轴向的两边向中间逐渐变大，截面形成大致为顶角向内的三角形。
5.根据权利要求3所述的一种串联式组合动力进气道平动式模态转换装置，其特征在于，所述外阀门外侧面的凸起为矩形体角块，在其外侧面均匀设有四个。
6.根据权利要求3所述的一种串联式组合动力进气道平动式模态转换装置，其特征在于，所述内阀门上各处内径相等，外径沿轴向两边向中间逐渐变大，截面形成大致为顶角向外的三角形；所述外阀门上各处外径相等，内径沿轴向的两边向中间逐渐变大，截面形成大致为顶角向内的三角形；所述外阀门外侧面的凸起为矩形体角块，在其外侧面均匀设有四个。
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