CN106837601A - 带有侧向膨胀的喉道偏移式气动矢量喷管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带有侧向膨胀的喉道偏移式气动矢量喷管，包括喷管内流道，该喷管内流道包括喷管进口、一喉道、处于喷管进口与一喉道之间的一喉道前部收敛段、二喉道以及处于一喉道、二喉道之间的二喉道前部扩张收敛段，所述的一喉道前部收敛段和/或二喉道前部扩张收敛段在宽度上具有侧向膨胀段，且二喉道出口宽度大于喷管进口宽度。因此，本发明实现了在二喉道截面高度不变的情况下喷管矢量及非矢量性能的提高；即改善了喷管的推力系数和矢量角性能。

Description

带有侧向膨胀的喉道偏移式气动矢量喷管
技术领域
本发明涉及一种矢量喷管，尤其是一种带有侧向膨胀的喉道偏移式气动矢量喷管。
背景技术
随着科学技术的发展和实际需求的提高，未来飞行器将越来越多地使用推力矢量航空发动机。推力矢量航空发动机实现推力矢量功能的核心是推力矢量喷管。传统机械式推力矢量喷管结构复杂，可靠性差，维护麻烦。因此开发一种结构简单、重量轻、维护性好的推力矢量喷管迫在眉睫。
当下，流体推力矢量喷管逐渐以其结构简单、重量轻的特点成为各国的研究重点和研究热点，并将在不远的未来进入工程应用。
而喉道偏移式气动矢量喷管是近年来兴起的一种新型流体推力矢量喷管，凭借结构简单，重量轻的特点，受到越来越多的青睐。传统的喉道偏移式气动矢量喷管的侧壁为平行的等直壁，在高落压比情况下其喷管的推力系数和矢量角不够理想。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，基于喉道偏移式气动矢量喷管纵向剖面，在流体力学及相关喷管设计方法的指导下，将传统喉道偏移式气动矢量喷管两侧平行的等直壁变为两侧侧壁同时逐渐扩张的型面，从而实现了在二喉道截面高度不变的情况下喷管矢量及非矢量性能的提高；即改善了喷管的流量系数和矢量角性能。
为实现以上技术目的，本发明将采取以下的技术方案：
一种带有侧向膨胀的喉道偏移式气动矢量喷管，包括喷管内流道，该喷管内流道包括喷管进口、一喉道、处于喷管进口与一喉道之间的一喉道前部收敛段、二喉道以及处于一喉道、二喉道之间的二喉道前部扩张收敛段，所述的一喉道前部收敛段和/或二喉道前部扩张收敛段在宽度上具有侧向膨胀段，且二喉道出口宽度大于喷管进口宽度。
作为本发明的进一步改进，所述喷管内流道的型面在宽度上沿着气流的流向先膨胀后等直设置。
作为本发明的进一步改进，所述喷管内流道的型面，与一喉道前部收敛段对应的位置处，在宽度上沿着气流的流向先膨胀后等直设置；而与二喉道前部扩张收敛段对应的位置处，在宽度上沿着气流的流向等直设置；且一喉道的出口宽度与二喉道的出口宽度相等。
作为本发明的进一步改进，所述喷管内流道的型面在宽度上沿着气流的流向膨胀设置。
作为本发明的进一步改进，所述喷管内流道的型面在宽度上沿着气流的流向先等直后膨胀设置。
作为本发明的进一步改进，所述喷管内流道的型面，与一喉道前部收敛段对应的位置处，在宽度上沿着气流的流向等直设置；而与二喉道前部扩张收敛段对应的位置处，在宽度上沿着气流的流向膨胀设置。
作为本发明的进一步改进，所述喷管内流道的等效扩张角α在0-25°范围内。
作为本发明的进一步改进，所述的侧向膨胀段，在宽度上的一侧为膨胀型面，另一侧为等直型面。
作为本发明的进一步改进，所述侧向膨胀段的侧壁膨胀角度可调。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
（1）通过侧壁的扩张，在保持喷管二喉道高度不变的前提下，其宽度扩大，放大了喷管二喉道的面积；
（2）通过二喉道面积的扩大，较常规的侧壁为相互平行等直壁的情况，虽然总压恢复系数和流量系数有所降低，实现了矢量和非矢量工作下喷管推力系数的提高，并使矢量状态下最大矢量角提高, 根据构型不同，喷管的性能参数有所变化：参照图8-图11，一般来说，总压恢复系数最大降低0.015-0.065不等，流量系数最大降低0.02-0.10不等。而带来的收益是推力系数最大可以提高0.02左右,且低落压比（NPR＜4）情况下最大矢量角最大能增加12°左右，而高落压比（NPR＞4）情况下最大矢量角最大也可以提高2°以上。而喷管最重要的考核指标是推力系数和矢量角，因此如此改进后对于喷管最重要的性能来说是提高的；
（3）通过仅仅扩张侧壁，却保持喷管二喉道高度不变，使新构型喷管具备了较好的工作稳定性。
附图说明
图1本喷管侧壁全程为膨胀段的三维示意图。
图2本喷管侧壁全程为膨胀段的俯视图。
图3本喷管侧壁先膨胀段后等直段的三维示意图。
图4本喷管侧壁先膨胀段后等直段的俯视图。
图5本喷管侧壁先等直段后膨胀段的三维示意图。
图6本喷管侧壁先等直段后膨胀段的俯视图。
图7本喷管内流道纵向截面的示意图。
图8是不同喷管类型的性能（矢量角）对比图。
图9是不同喷管类型的性能（推力系数）对比图。
图10是不同喷管类型的性能（总压恢复系数）对比图。
图11是不同喷管类型的性能（流量系数）对比图。
其中：喷管进口1、喉道前部收敛段2、一喉道3、二喉道前部扩张收敛段4、二喉道5。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置。表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)。
本发明是带有侧向膨胀的喉道偏移式气动矢量喷管，如图1至7所示，在保持喉道偏移式气动矢量喷管纵向剖面不变的情况下，将原本平行、等直的侧壁改为带有侧向膨胀型面的壁面，使得喷管二喉道宽度大于喷管进口宽度。从图7的喷管流道纵向截面图可以看出，本喷管内部结构依次为喷管进口、喉道前部收敛段、一喉道、二喉道前部扩张收敛段、二喉道。由此可见，其主要结构与侧壁等直的喉道偏移式气动矢量喷管一致基本一致，本喷管的控制方法也和侧壁等直的喉道偏移式气动矢量喷管一致。
本发明正常工作状态分两种：矢量状态和非矢量状态。当一喉道处为不注入气体时，气体水平向后喷出，此时喷管无矢量效果。当在一喉道处注入气体，从而在一喉道注入的气体对气体流动产生扰动，通过二喉道前部扩张收敛段将扰动放大，实现了矢量功能。以从一喉道上部注入气体产生扰动为例，此时流经一喉道的气体将沿喷管二喉道前部扩张收敛段下壁面流动，最终在凹腔壁面的作用下向后上方喷出，产生了抬头力矩。产生低头力矩的原理、方法与前述一致，在此不做赘述。其中，矢量状态在一喉道处注入的气体来源可以是外置气源，如飞行器外部的气流、高压气瓶、气泵等，也可以是从发动机内部引气，如从风扇后部、压气机或涡轮出口等高于喷管喉部压力的位置处引气。图1和图2为本喷管侧壁全程为膨胀段的三维示意图和俯视图。图3和图4为本喷管侧壁先膨胀段后等直段的三维示意图和俯视图。图5和图6为本喷管侧壁先等直段后膨胀段的三维示意图和俯视图。从上述三种典型构型图片可以看出，本喷管的纵向剖面与常规侧壁等直平行的喉道偏移式气动矢量喷管一致，而从俯视图可以看出，本发明的侧壁通过不同的具体方式实现了侧壁膨胀的效果，即二喉道宽度大于喷管进口宽度。当然，上述三种侧壁膨胀方式仅仅为对于典型构型的描述，具体侧壁以何种方式膨胀取决于具体喷管构型、喷管设计点工作状态和气动性能、红外隐身性能等。不管采用何种喷管侧壁膨胀方式，只要实现了喷管出口宽度（或称平均宽度）大于喷管进口宽度，即可认为实现了广义的侧向膨胀。根据现有计算结果，若记喷管进口宽度为Win，喷管二喉道宽度为Wout，喷管总长度为L，则其较好的取值范围为Win＜Wout≤Win+L*tanα，其中α为等效扩张角，取值为0°＜α≤25°
作为本发明的进一步改进，本喷管可以利用侧壁膨胀的理论和设计结果，设计可动的机械结构或者气动方式，如气动/液压/机械作动机构或其他气动控制手段，根据发动机和喷管的工作状态，调节机械结构，改变侧壁膨胀角度，从而实现在宽范围中各个工作状态点喷管都能有较好的工作性能。
需要说明的是，目前在喷管设计方案中，已有带侧向膨胀的非对称喷管设计方法，但与本喷管不同的是，通过将平行等直侧壁改变成带侧向膨胀的侧壁，使得非对称喷管在高落压比情况下推力系数、总压恢复系数提高而流量系数有所降低，而低落压比情况下推力系数、总压恢复系数、流量系数基本不变，且全落压比范围内不涉及矢量角的变化。而本喷管通过侧向膨胀，使得高落压比范围内总压恢复系数和流量系数有所减小，推力系数和最大矢量角有所提高。可见，本专利所述带有侧向膨胀的喉道偏移式气动矢量喷管并不是机械地将带侧向膨胀的非对称喷管的设计方法应用于喉道偏移式气动矢量喷管。

Claims (9)

1.一种带有侧向膨胀的喉道偏移式气动矢量喷管，包括喷管内流道，该喷管内流道包括喷管进口、一喉道、处于喷管进口与一喉道之间的一喉道前部收敛段、二喉道以及处于一喉道、二喉道之间的二喉道前部扩张收敛段，其特征在于，所述的一喉道前部收敛段和/或二喉道前部扩张收敛段在宽度上具有侧向膨胀段，且二喉道出口宽度大于喷管进口宽度。
2.根据权利要求1所述的带有侧向膨胀的喉道偏移式气动矢量喷管，其特征在于，所述喷管内流道的型面在宽度上沿着气流的流向先膨胀后等直设置。
3.根据权利要求2所述的带有侧向膨胀的喉道偏移式气动矢量喷管，其特征在于，根据权利要求1所述的带有侧向膨胀的喉道偏移式气动矢量喷管，其特征在于，所述喷管内流道的型面，与一喉道前部收敛段对应的位置处，在宽度上沿着气流的流向先膨胀后等直设置；而与二喉道前部扩张收敛段对应的位置处，在宽度上沿着气流的流向等直设置；且一喉道的出口宽度与二喉道的出口宽度相等。
4.根据权利要求1所述的带有侧向膨胀的喉道偏移式气动矢量喷管，其特征在于，所述喷管内流道的型面在宽度上沿着气流的流向膨胀设置。
5.根据权利要求1所述的带有侧向膨胀的喉道偏移式气动矢量喷管，其特征在于，所述喷管内流道的型面在宽度上沿着气流的流向先等直后膨胀设置。
6.根据权利要求5所述的带有侧向膨胀的喉道偏移式气动矢量喷管，其特征在于，所述喷管内流道的型面，与一喉道前部收敛段对应的位置处，在宽度上沿着气流的流向等直设置；而与二喉道前部扩张收敛段对应的位置处，在宽度上沿着气流的流向膨胀设置。
7.根据权利要求1所述的带有侧向膨胀的喉道偏移式气动矢量喷管，其特征在于，所述喷管内流道的等效扩张角α在0-25°范围内。
8.根据权利要求1所述的带有侧向膨胀的喉道偏移式气动矢量喷管，其特征在于，所述的侧向膨胀段，在宽度上的一侧为膨胀型面，另一侧为等直型面。
9.根据权利要求1或8所述的带有侧向膨胀的喉道偏移式气动矢量喷管，其特征在于，所述侧向膨胀段的侧壁膨胀角度可调。
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