CN105738068B - 一种减小型面旋转连续可调风洞喷管调节作动力的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种减小型面旋转连续可调风洞喷管调节作动力的装置，包括气缸和作动活塞，作动活塞包括活塞、活塞上端杆、活塞下端杆以及密封环，作动活塞位于气缸内，活塞下端杆连接喷管调节部位，活塞上端杆连接驱动系统，气缸与活塞组成的封闭空间内充满风洞喷管来流高压气体，活塞下表面为喷管出口环境背压。由于本系统的活塞上下表面处在不同压力环境中，活塞上下表面形成压差，对活塞形成向下的作用力，经活塞下端杆传递到风洞喷管旋转部件，抵消喷管壁面因内外压差形成的向上的大部分压差力，如此驱动系统可以用较小的驱动力经减力装置带动喷管壁面作动。
Description
技术领域
本发明涉及风洞设计与试验领域，特别是一种型面旋转连续可调风洞中调节喷管壁面的作动装置。
背景技术
随着航空航天领域的高速发展，许多前沿问题要求在进行空气动力学试验时，风洞试验段的马赫数不能一直保持单一马赫数不变，如飞行器在加速或者减速过程中性能的变化，一直是各类飞行器研发过程中的重点，很多情况下它们限制着飞行器的整体性能。例如，高超声速飞行器在加速过程中进气道的不启动问题，TBCC组合发动机转级过程中性能的变化等，这些问题都是飞行器研发过程中的重点和难点。只有解决这些难点，才能使得飞行器性能得以突破。其中变马赫数的风洞流场是至关重要的，也只有风洞流场的马赫数连续变化才有可能模拟飞行器的真实工作环境。为此，马赫数可以连续变化的高性能、高效率风洞的研发目前已经显得尤为突出，与此同时新型高性能的连续可调风洞喷管的研究也已成为风洞设备研发过程的重中之重。
在诸多可调风洞中，型面旋转连续可调风洞喷管是一种高效、简洁的风洞喷管，通过作动电机驱动系统与喷管旋转部件连接，由于其出口面积基本不变，通过绕出口支点旋转喷管旋转部件，使得喷管喉道高度连续变化，实现喷管出口马赫数的连续变化。这种风洞喷管出口马赫数可调范围宽，且具有较高的经济实用性，但其调节过程中旋转喷管壁面所需的作动力过大，而且作动力变化范围较宽，这对喷管喉道高度的精确控制以及该类风洞喷管的实际应用带来了巨大困难。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种减小型面旋转连续可调风洞喷管调节作动力的装置，用于解决现有的型面旋转连续可调风洞喷管在调节过程中旋转喷管壁面所需的作动力过大、作动力变化范围较宽，从而影响喷管喉道高度的精确控制以及风洞喷管的实际应用推广的技术问题。
为实现以上技术目的，本发明将采取以下的技术方案：
一种减小型面旋转连续可调风洞喷管调节作动力的装置，包括气缸和作动活塞；所述气缸的上端处设置有上端盖并通过上端盖密封，气缸的下端敞开并与风洞喷管出口的背压环境连通；所述作动活塞包括活塞、活塞上端杆和活塞下端杆，所述活塞与气缸内腔密封配合，活塞上端杆固定于活塞的上表面，所述气缸的上端盖上设置有与活塞上端杆密封匹配的孔，活塞上端杆伸出气缸的上端盖后与作动电机驱动系统连接，活塞下端杆固定于活塞的下表面并与风洞喷管旋转部件连接；所述活塞的上表面与气缸的上端之间所形成的空间与风洞喷管进口连通。
本发明装配的活塞上下表面处在不同压力环境中，其中活塞下表面处于与气缸下端连通的风洞喷管出口的背压环境，因此活塞下表面所在空间的气体压力与喷管出口环境背压时刻保持一致，活塞上表面所在空间与风洞喷管进口连通，因此活塞上表面所在空间的气体压力与风洞喷管来流总压时刻保持一致。这样活塞上下表面形成压差，对活塞形成向下的作用力，经活塞下端杆传递到风洞喷管旋转部件，抵消风洞喷管旋转部件的壁面因内外压差形成的向上的大部分压差力，如此作动电机驱动系统可以用较小的驱动力带动风洞喷管旋转部件作动。另外对于不同出口马赫数的试验工况，风洞喷管进出口落压比发生变化时，活塞上下表面压差会同步变化，进而自适应的减小需要的作动电机驱动力，使得对所有试验工况需要的作动电机驱动力均保持在较低的范围，避免驱动力的大幅度变化。
进一步的，在本发明中，所述活塞与气缸的内腔之间、活塞上端杆与气缸的上端盖之间设置有密封圈。防止活塞上下两部分气体间以及气缸内气体与外界大气之间的漏气。
进一步的，在本发明中，所述活塞的上表面与气缸的上端之间所形成的空间通过高压导管与风洞喷管进口连通，使得在工作时，活塞的上表面与气缸的上端之间所形成的空间中充满风洞喷管来流高压气体。
进一步的，在本发明中，所述活塞下端杆与风洞喷管旋转部件之间设置有传动杆，所述传动杆的两端分别与活塞下端杆、风洞喷管旋转部件铰接。
有益效果：
1、本发明在型面旋转连续可调风洞调节机构上增加气缸、活塞组成的减力装置，经过该装置能够大幅度减小喷管调节需要的驱动力，经实验实证，在某些试验工况下，最大可将驱动力减小为原本的10％以内；
2、本发明设计的减力装置，能够自适应不同试验工况，对于任一工况均能大幅度减小所需驱动力，使得马赫数连续变化时所需的驱动力稳定在较低的范围，避免驱动力的大幅度变化。
因此，本发明有着较好的工程应用前景，可以在型面旋转连续可调风洞喷管中得以广泛应用。
附图说明
图1是本发明所述减小型面旋转连续可调风洞喷管调节作动力装置的结构示意图；
图2是风洞喷管壁面受力分析图；
图中：气缸1；活塞上端杆2；活塞3；活塞下端杆4；密封环5；高压导管6；来流气体7；风洞喷管旋转部件8；旋转支点9；传动杆10；
图中：P*表示当地点处压力为来流高压，Pb表示当地点处压力为喷管出口环境背压；
图中：活塞直径ΦD；活塞上端杆直径Φd；风洞喷管内部气体对风洞喷管旋转部件8的喷管膨胀壁面作用的力矩Min；风洞喷管外部气体对风洞喷管旋转部件8的喷管膨胀壁面作用的力矩Me。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，本发明所述的一种减小型面旋转连续可调风洞喷管调节作动力的装置，包括气缸1、活塞上端杆2、活塞3、活塞下端杆4和密封环5。喷管试验过程中，来流高压气体7流入风洞喷管，并有一部分经过高压导管6流入气缸1中，使得气缸1与活塞3组成的封闭空间充满高压气体，而活塞3下端为喷管出口环境背压，由此活塞3上下端面形成压力差，即P*-Pb。
喷管壁面在风洞喷管内部气体对风洞喷管旋转部件8的喷管膨胀壁面作用的力矩Min与风洞喷管外部气体对风洞喷管旋转部件8的喷管膨胀壁面作用的力矩Me的共同作用下进行绕旋转支点9进行旋转，由于活塞3的直径ΦD与活塞上端杆2的直径Φd决定了活塞3上下端面的有效压差面积，因此通过将有效压差面积调整至合适的大小，使得则通过该装置可以大幅度的减小试验过程中喷管膨胀壁面的张开力。
另外通过数值计算分析发现不同试验工况需要该装置的有效压差面积变化幅度很小，也就是在一组合适的活塞3的直径ΦD与活塞上端杆2的直径Φd的情况下，该装置的减力效果可以自适应于风洞喷管不同的出口马赫数试验工况，最终使得试验装置作动力在整个连续变马赫数试验时稳定在较低的范围。
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和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种减小型面旋转连续可调风洞喷管调节作动力的装置，其特征在于：包括气缸(1)和作动活塞；所述气缸(1)的上端处设置有上端盖并通过上端盖密封，气缸(1)的下端敞开并与风洞喷管出口的背压环境连通；所述作动活塞包括活塞(3)、活塞上端杆(2)和活塞下端杆(4)，所述活塞(3)与气缸(1)内腔密封配合，活塞上端杆(2)固定于活塞(3)的上表面，所述气缸(1)的上端盖上设置有与活塞上端杆(2)密封匹配的孔，活塞上端杆(2)伸出气缸(1)的上端盖后与作动电机驱动系统连接，活塞下端杆(4)固定于活塞(3)的下表面并与风洞喷管旋转部件(8)连接；所述活塞(3)的上表面与气缸(1)的上端之间所形成的空间与风洞喷管进口连通。
2.根据权利要求1所述的减小型面旋转连续可调风洞喷管调节作动力的装置，其特征在于：所述活塞(3)与气缸(1)的内腔之间、活塞上端杆(2)与气缸(1)的上端盖之间设置有密封圈(5)。
3.根据权利要求1所述的减小型面旋转连续可调风洞喷管调节作动力的装置，其特征在于：所述活塞(3)的上表面与气缸(1)的上端之间所形成的空间通过高压导管(6)与风洞喷管进口连通。
4.根据权利要求1所述的减小型面旋转连续可调风洞喷管调节作动力的装置，其特征在于：所述活塞下端杆(4)与风洞喷管旋转部件(8)之间设置有传动杆(10)，所述传动杆(10)的两端分别与活塞下端杆(4)、风洞喷管旋转部件(8)铰接。
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