CN106441781A - 一种流量可测的进气道节流装置 - Google Patents

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Abstract

一种流量可测的进气道节流装置，包括节流蝶阀、节流蝶阀驱动机构、节流筒以及音速喷嘴，所述节流筒内相对于其轴线竖直插装有一节流蝶阀，节流蝶阀驱动机构设置在节流筒外侧，所述节流蝶阀在节流蝶阀驱动机构的驱动下实现转动进而改变节流筒内的堵塞面积实现反压大小的调节，所述音速喷嘴安装在节流筒的出口端。本发明中的节流蝶阀受到较小的气动阻力矩，所需驱动电机功率较小；其驱动节流蝶阀转动的电机安装在流道外部，大大缩短了节流装置的长度。本发明的节流装置与音速喷嘴串联使用，能够实现调节进气道出口反压的同时实时获得进气道流量，且测量误差较小。

Description

一种流量可测的进气道节流装置
技术领域
本发明涉及进气道风洞试验领域，具体涉及一种流量可测的节流装置。
背景技术
超燃冲压发动机主要由进气道-隔离段、燃烧室和尾喷管等部分组成，进气道-隔离段是发动机重要的压缩部件，且能够有效防止下游燃烧室反压对上游流动的影响。进气道-隔离段的抗反压能力是评价其性能的重要参数。在风洞试验中，为模拟燃烧室反压的影响，通常在进气道-隔离段尾部布置节流装置，通过调节节流程度来模拟反压的改变。在研究进气道不起动过程时，通常还需要在试验中测量内流道流量大小。
目前在进气道风洞试验中使用的机械式节流装置主要有三种：
(1)节流尾锥。曹学斌在博士论文《矩形隔离段流动特性及控制规律研究》(2011年6月，南京航空航天大学，博士学位论文)提供了一种节流装置，其节流堵锥示意图如图1所示，主要由堵锥、步进电机、丝杠等部分组成；
(2)尾部斜板。J.L.Wagner等发表于2010年《AIAAJournal》Vol.48No.9的文献《Velocimetry Measurements of Unstart in an Inlet-Isolator Model in Mach5Flow》在试验中采用尾部斜板进行节流。尾部斜板在风洞试验中示意图如图2所示，通过改变斜板角度调节反压大小。
(3)尾部直板。陈植等发表在2014年《国防科技大学学报》Vol.36No.2上的文献《节流方式对隔离段流场结构影响的数值仿真》提到了这种节流装置。尾部直板的示意图如图3所示，通过改变直板高度调节反压大小。
目前测量进气道流量通常是用“米”字排来测量进气道出口截面处的总压分布及周围壁面静压来测得的。图4给出了一种用于测量流量的典型进气道出口截面测压点的分布示意图，图中数字即为压力测点编号。
目前进气道试验中所用的机械节流装置或多或少存在一些缺陷。对节流尾锥(图1)而言，在其移动节流过程中锥面受到很大气动力，需要电机驱动丝杆提供较大驱动力，因此需要选择较大功率电机，且电机需要与尾锥串联，占用较长流道。对尾部斜板和直板而言(图2，图3)，其节流装置均在流道一侧，在非对称来流条件下，位于节流装置一侧的边界层对节流效果更加敏感，因此这种节流装置不便于试验操作。另外，在进气道试验中，需要精确模拟反压不同的变化规律(如反压改变速率、反压改变路径等)，目前的节流装置难以满足要求。目前的流量测量装置“米”字排所需压力测点较多。并且由于进气道攻角改变，使得进气道内部出现流动分离等现象，导致流场发生畸变，用“米”字排所得流量存在较大误差。
发明内容
为了克服现有技术中存在的这些缺陷，本发明提出了一种流量可测的进气道节流装置，这是一种机械式的节流装置，其通过改变堵塞面积实现反压大小的调节。
本发明采用的技术方案是：
一种流量可测的进气道节流装置，包括节流蝶阀、节流蝶阀驱动机构、节流筒以及音速喷嘴，所述节流筒内相对于其轴线竖直插装有一节流蝶阀，节流蝶阀驱动机构设置在节流筒外侧，所述节流蝶阀在节流蝶阀驱动机构的驱动下实现转动进而改变节流筒内的堵塞面积实现反压大小的调节，所述音速喷嘴安装在节流筒的出口端。
进一步地，本发明中所述节流蝶阀包括位于节流蝶阀一端的阀尾、位于节流蝶阀另一端的阀头以及阀头和阀尾间的阀体，所述阀头位于节流筒外侧，所述阀体从节流筒的一侧壁竖直插入直至其阀尾抵接到与该侧壁相对的另一侧节流筒的内侧壁上。
进一步地，本发明中，与阀尾抵接的节流筒的内侧壁上设置有与阀尾配合的凹槽，该凹槽与阀尾之间形成过盈配合。凹槽的设计，能够使节流蝶阀能够在节流蝶阀驱动机构下顺畅的转动同时又能起到限位的作用。
进一步地，与阀尾抵接的节流筒侧壁为设置在节流筒上的堵盖，堵盖盖扣在节流筒上并实现密封，堵盖与节流筒之间设置有密封垫，堵盖的内侧壁上设置有与阀尾配合的凹槽，该凹槽与阀尾之间形成过盈配合。
进一步地，本发明中，所述阀头与节流筒之间通过锁紧螺钉紧固且阀头与节流筒之间设置有密封结构，该密封结构可以是设置在阀头与节流筒连接处的密封垫。
进一步地，本发明中，所述节流蝶阀驱动机构包括伺服电机以及减速机，所述减速机的一端通过轴承与伺服电机的输出端连接，减速机的另一端与节流蝶阀的阀头连接，驱动节流蝶阀转动。
进一步地，本发明中，所述阀头与减速机之间采用键接的方式连接后再通过锁紧螺钉紧固。
进一步地，本发明还包括控制器，控制器控制伺服电机转动角度和转动速度，控制器一端通过电源线和控制电缆与伺服电机连接，驱动并控制伺服电机转动；控制器另一端通过网线与主机相连。
进一步地，控制器上设置有用于接收其他设备的触发信号的外触发端口和用于触发其他试验设备的反馈端口。
进一步地，本发明中，音速喷嘴靠近其入口处不布置有压力测点和温度测点。
进一步地，本发明中，音速喷嘴的入口端与节流筒的出口端通过法兰连接，且在连接处设置有密封圈。
进一步地，本发明中，音速喷嘴为具有收缩段、喉部以及扩张段拉瓦尔喷管。
与现有技术中采用的节流堵锥相比，本发明提供的节流装置，主要优点有：
(1)在节流过程中，节流堵锥受到沿轴向很大的气动阻力，需要较大功率的电机才能驱动堵锥前后移动；而本发明中的节流蝶阀受到较小的气动阻力矩，所需驱动电机功率较小；
(2)驱动节流堵锥的电机需要与堵锥串联，即会占用较长的流道；而本发明中驱动节流蝶阀转动的电机安装在流道外部，大大缩短了节流装置的长度；
(3)本发明的节流装置与音速喷嘴串联使用，能够实现调节进气道出口反压的同时实时获得进气道流量，且测量误差较小。
附图说明
图1为节流尾锥结构示意图。
图2为尾部斜板示意图
图3为尾部直板示意图
图4为进气道出口截面测压点分布示意图
图5为本发明的机构示意图
图6为本发明节流装置(不带音速喷嘴)的结构示意图
图7为节流蝶阀的剖视图
图8为节流蝶阀的外观图
图9为节流蝶阀角度以1度/秒改变时反压时序曲线图
图10为节流蝶阀角度以10度/秒改变时反压时序曲线图。
1、节流阀；101、阀头；102、阀尾；103、阀体；2、节流筒；3、音速喷嘴；4、伺服电机；5、减速机；501、驱动转轴；6、堵盖；7、锁紧螺钉；8、密封圈；9、压力测点和温度测点；10、联接法兰。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
参照图5和图6，本发明提供一种流量可测的进气道节流装置结构示意图。包括节流蝶阀1、节流蝶阀驱动机构、节流筒2以及音速喷嘴3，所述节流筒2内相对于其轴线竖直插装有一节流蝶阀1，节流蝶阀驱动机构设置在节流筒2外侧，所述节流蝶阀1在节流蝶阀驱动机构的驱动下实现转动进而改变节流筒内的堵塞面积实现反压大小的调节，所述音速喷嘴3安装在节流筒2的出口端。通过在节流装置下游布置音速喷嘴，实现在改变进气道出口反压的同时获得进气道实时流量。当电机转动时，驱动节流蝶阀在节流筒内做定轴转动。通过改变电机转速和转动角度，进而改变蝶阀与来流的角度，改变堵塞面积大小，从而实现反压的调节。音速喷嘴靠近其入口处不布置有用于安装压力传感器和温度传感器的压力测点和温度测点9。
本发明中音速喷嘴3为具有收缩段、喉部以及扩张段拉法尔喷管拉瓦尔喷管，音速喷嘴3的入口端在收缩段的顶端，音速喷嘴3的出口端在扩张段的尾端。音速喷嘴3的入口端与节流筒2的出口端通过联接法兰10连接，且在连接处设置有密封圈8，防止漏气。
参照图5、图7和图8，节流蝶阀1包括位于节流蝶阀一端的阀头101、位于节流蝶阀另一端的阀尾102以及阀头和阀尾间的阀体103，所述阀头101位于节流筒外侧，所述阀体103从节流筒的一侧壁竖直插入直至其阀尾102抵接到与该侧壁相对的另一侧节流筒的内侧壁上。与阀尾102抵接的节流筒侧壁为设置在节流筒上的堵盖6，堵盖6盖扣在节流筒上并实现密封，堵盖6与节流筒2之间设置有密封垫，堵盖6的内侧壁上设置有与阀尾102配合的凹槽，该凹槽与阀尾102之间形成过盈配合。凹槽的设计，能够使节流蝶阀能够在节流蝶阀驱动机构下顺畅的转动同时又能起到限位的作用。所述阀头101与节流筒2之间通过锁紧螺钉紧固且阀头与节流筒之间设置有密封结构，该密封结构可以是设置在阀头与节流筒连接处的密封垫。
节流蝶阀驱动机构包括伺服电机4以及减速机5，所述减速机5的一端通过轴承与伺服电机4的输出端连接，减速机5的另一端的驱动转轴501穿过轴套502与节流蝶阀的阀头101连接，驱动节流蝶阀转动。阀头101与减速机5之间采用键接的方式连接后再通过锁紧螺钉7紧固。减速机的目的是为了降低电机转速，从而为节流装置提供更大的扭矩，以抵抗其转动过程中受到的气动力。通过“伺服电机+减速机”的方式驱动蝶阀转动，减速机能够减低电机转速、增大驱动扭矩。
本发明还包括控制器，控制器是控制伺服电机转动角度和转动规律的控制部件，可以通过编程输入的方式对电机转动进行精确控制，从而精确能够控制节流程度和节流变化规律。控制器控制伺服电机转动角度和转动速度，控制器一端通过电源线和控制电缆与伺服电机连接，驱动并控制伺服电机转动；控制器另一端通过网线与主机相连，实现通过GUI方式的编程控制。控制器上设置有用于接收其他设备的触发信号的外触发端口和用于触发其他试验设备的反馈端口。在控制器上布置反馈端口和外触发端口，便于与其他测量设备同步试验。
图9，图10分别为节流蝶阀以1度/秒和10度/秒速度变化时测量得到的压力信号曲线。由试验结果可知，本发明涉及的节流蝶阀能够调节反压大小以及反压改变规律，试验证明了方案可行。
以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (12)

1.一种流量可测的进气道节流装置，其特征在于，包括节流蝶阀、节流蝶阀驱动机构、节流筒以及音速喷嘴，所述节流筒内相对于其轴线竖直插装有一节流蝶阀，节流蝶阀驱动机构设置在节流筒外侧，所述节流蝶阀在节流蝶阀驱动机构的驱动下实现转动进而改变节流筒内的堵塞面积实现反压大小的调节，所述音速喷嘴安装在节流筒的出口端。
2.根据权利要求1所述的流量可测的进气道节流装置，其特征在于，所述节流蝶阀包括位于节流蝶阀一端的阀尾、位于节流蝶阀另一端的阀头以及阀头和阀尾间的阀体，所述阀头位于节流筒外侧，所述阀体从节流筒的一侧壁竖直插入直至其阀尾抵接到与该侧壁相对的另一侧节流筒的内侧壁上。
3.根据权利要求2所述的流量可测的进气道节流装置，其特征在于，与阀尾抵接的节流筒的内侧壁上设置有与阀尾配合的凹槽，该凹槽与阀尾之间形成过盈配合。
4.根据权利要求2所述的流量可测的进气道节流装置，其特征在于，与阀尾抵接的节流筒侧壁为设置在节流筒上的堵盖，堵盖盖扣在节流筒上并实现密封，堵盖与节流筒之间设置有密封垫，堵盖的内侧壁上设置有与阀尾配合的凹槽，该凹槽与阀尾之间形成过盈配合。
5.根据权利要求2所述的流量可测的进气道节流装置，其特征在于，所述阀头与节流筒之间通过锁紧螺钉紧固且阀头与节流筒之间设置有密封结构。
6.根据权利要求1所述的流量可测的进气道节流装置，其特征在于，所述节流蝶阀驱动机构包括伺服电机以及减速机，所述减速机的一端通过轴承与伺服电机的输出端连接，减速机的另一端与节流蝶阀的阀头连接，驱动节流蝶阀转动。
7.根据权利要求6所述的流量可测的进气道节流装置，其特征在于，所述阀头与减速机之间采用键接的方式连接后再通过锁紧螺钉紧固。
8.根据权利要求1所述的流量可测的进气道节流装置，其特征在于，还包括控制器，控制器控制伺服电机转动角度和转动速度，控制器一端通过电源线和控制电缆与伺服电机连接，驱动并控制伺服电机转动；控制器另一端通过网线与主机相连。
9.根据权利要求7所述的流量可测的进气道节流装置，其特征在于，控制器上设置有用于接收其他设备的触发信号的外触发端口和用于触发其他试验设备的反馈端口。
10.根据权利要求1所述的流量可测的进气道节流装置，其特征在于，音速喷嘴靠近其入口处布置有压力测点和温度测点。
11.根据权利要求10所述的流量可测的进气道节流装置，其特征在于，速喷嘴的入口端与节流筒的出口端通过法兰连接，且在连接处设置有密封圈。
12.根据权利要求10所述的流量可测的进气道节流装置，其特征在于，音速喷嘴为具有收缩段、喉部以及扩张段拉瓦尔喷管。
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