CN107013332A - 一种可调进气道 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种可调进气道，采用几何调节和气动调节相结合，通过在进气道中增加内收缩段调节型面和扩张段调节型面，以控制进气道喉道面积大小，实现各燃烧室对不同压缩程度空气的需要，拓宽发动机工作马赫数范围、提高发动机性能，解决与涡轮发动机接力困难的难题。

Description

一种可调进气道

技术领域

本发明属于航空航天发动机技术领域，涉及一种可调进气道。

背景技术

随着高超声速技术的快速发展，临近空间已经成为世界大国竞相争夺的新边疆，成为国家安全新的战略制高点，临近空间高超声速飞行器逐渐成为各技术先进国家国防建设的重点关注方向。临近空间高超声速飞行器是以吸气式组合发动机为动力，能够水平起降，在稠密大气、临近空间和近地轨道机动飞行的可重复使用高超声速飞行器。

多种吸气式组合发动机中，涡轮发动机与宽范围冲压发动机的组合动力方案最具工程应用前景，但“推力鸿沟”是该方案存在的最大难题。当前宽范围冲压发动机主要采用双模态超燃冲压发动机，其工作马赫数下限为Ma4左右，而现有货架涡轮发动机工作马赫数上限在Ma2.5左右，二者难以实现顺利衔接。目前有借助进气道可调技术来扩宽冲压发动机工作马赫数的技术，但此类技术多为几何调节技术，存在增加进气道调节附加质量、需提升高温动密封需求等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，一种可调进气道。

本发明的技术解决方案：

一种可调进气道，由固定型面、可调型面及连接铰链构成，其中，所述固定型面包括外压缩型面、内收缩段型面、喉道型面、扩张段型面、唇口型面以及与燃烧室连接型面；所述可调型面包括内收缩段调节型面和扩张段调节型面，所述内收缩段调节型面和扩张段调节型面的一端分别固定于内收缩段起点和扩张段终点，另一端分别为活动端，所述连接铰链包括铰链a和b，所述铰链a和b分别位于内收缩段起点和扩张段终点，且所述内收缩段调节型面和扩张段调节型面可分别绕着所述铰链a和b按设计旋转角度进行旋转。

进一步的，所述进气道可以为1个或至少2个，且在至少2个的基础上，其后面可连接不同工作模态的燃烧室或发动机；

进一步的，在旋转调节过程中，所述内收缩段调节型面和扩张段调节型面的活动端距离唇口型面的垂直距离始终保持相等。

进一步的，所述内收缩段调节型面和扩张段调节型面旋转后，所述内收缩段调节型面、内收缩段型面、喉道型面、扩张段型面和扩张段调节型面围成一个凹腔，在凹腔内形成涡流作为进气道的气动喉道型面，该气动喉道型面对应的喉道高度定义为可调型面旋转后进气道喉道高度H_th，通过公式(1)得到：

其中，H_th为可调型面旋转后进气道喉道高度，H_c为进气道捕获高度，q(Ma)为流量函数，Ma₀和Ma_th分别为来流马赫数和进气道喉道马赫数，为流量系数，σ_th为进气道喉道总压恢复系数。

进一步的，所述旋转角度包括内收缩段调节型面的旋转角度θ₇和扩张段调节型面的旋转角度θ₈，由公式(2)得到；

其中，H₇为内收缩段调节型面固定端与唇口型面垂直高度，H₈为扩张段调节型面固定端与唇口型面垂直高度，H_th为可调型面旋转后进气道喉道高度，L₇为内收缩段调节型面两端点间距离，L₈为扩张段调节型面两端点间距离，θ₂为内收缩段型面两端点连线与喉道型面之间的角度(取锐角)，θ₄为扩张段型面两端点连线与喉道型面之间的角度(取锐角)。

所述旋转角度θ₇和θ₈为0°时，所述内收缩段调节型面和扩张段调节型面分别与内收缩段型面和扩张段型面贴合；

所述旋转角度θ₇和θ₈为最大值时，所述内收缩段调节型面和扩张段调节型面完全关闭所述进气道。

进一步的，所述进气道固定型面设计如下：设定进气道工作马赫数范围为Ma_min～Ma_max，所述进气道固定型面根据Ma_max的流量系数、总压恢复等性能指标要求以及Ma_min的起动性能需求设计而得，此为本领域公知的技术。

进一步的，当来流马赫数大于Ma_min时，根据发动机性能需求以及进气道设计的调节规律，所述铰链控制可调型面旋转调节，直至来流马赫数为Ma_max。

本发明的有益效果：

1、采用几何调节和气动调节相结合的调节措施较好的解决了冲压发动机宽范围工作难题，有助于拓宽发动机工作马赫数下限，同时该调节方案具有减轻调节附加质量、无需额外增加调节机构、降低高温动密封需求等诸多优点。

2、在多个进气道使用的情况下，可实现独立调节，适用不同的发动机工作模态，调节灵活，提高发动机性能。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中可调进气道进气道结构示意图；

图2为本发明实施例中可调进气道调节参数说明示意图。

图中，1、外压缩型面；2、内收缩段型面；3、喉道型面；4、扩张段型面；5、唇口型面；6、与燃烧室连接型面；7、内收缩段调节型面；8、扩张段调节型面；9、铰链a；10、铰链b；H₇为内收缩段调节型面7固定端与唇口型面5垂直高度；H₈为扩张段调节型面8固定端与唇口型面5垂直高度；H_th为所需调节到的喉道高度；θ₂为内收缩段型面2两端点连线与喉道型面3之间的角度(取锐角)；θ₄为扩张段型面4两端点连线与喉道型面3之间的角度(取锐角)。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。

在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

实施例1

本实施例提供一种可调进气道，图1为本发明实施例提供的可调进气道结构示意图；图2出示了进气道调节参数说明示意图。

所述进气道由固定型面、可调型面及连接铰链构成，其中，所述固定型面包括外压缩型面1、内收缩段型面2、喉道型面3、扩张段型面4、唇口型面5以及与燃烧室连接型面6；所述可调型面包括内收缩段调节型面7和扩张段调节型面8，所述内收缩段调节型面7和扩张段调节型面8的一端分别固定于内收缩段起点和扩张段终点，另一端分别为活动端，所述连接铰链包括铰链a9和b10，所述铰链a9和b10分别位于内收缩段起点和扩张段段终点，且所述内收缩段调节型面7和扩张段调节型面8可分别绕着所述铰链a9和b10按设计旋转角度进行旋转。

进一步的，所述进气道可以为1个或至少2个，根据发动机需求选择，且在至少2个的基础上，其后面可连接不同工作模态的燃烧室或发动机，且进气道可根据发动机(或燃烧室)的不同需求按各自调节规律分别独立进行调节，又可以是其中任意几个通道或者所有通道按设定调节规律同步调节，可满足不同发动机(或燃烧室)的工作需求。

进一步的，所述进气道固定型面设计如下：设定进气道工作马赫数范围为Ma_min～Ma_max，所述进气道固定型面根据Ma_max的流量系数、总压恢复等性能指标要求以及Ma_min的起动性能需求设计而得，此为本领域公知的技术。

进一步的，当来流马赫数大于Ma_min时，根据发动机性能需求以及进气道设计的调节规律，所述铰链控制可调型面旋转调节，直至来流马赫数为Ma_max。

通过上述工作过程，使得进气道在Ma_min～Ma_max范围内均能可靠高效工作，为燃烧室提供满足速度、压力等要求的压缩气流，确保发动机在Ma_min～Ma_max范围内均能正常工作并产生推力性能。

进一步的，在旋转调节过程中，所述内收缩段调节型面7和扩张段调节型面8的活动端距离唇口型面5的垂直距离始终保持相等。

进一步的，所述内收缩段调节型面7和扩张段调节型面8旋转后，所述内收缩段调节型面7、内收缩段型面2、喉道型面3、扩张段型面4和扩张段调节型面8围成一个凹腔，在凹腔内形成涡流作为进气道的气动喉道型面，以缩小进气道喉道面积，增大进气道收缩比，进而增大对来流空气的压缩，该气动喉道型面对应的喉道高度定义为可调型面旋转后进气道喉道高度H_th，通过公式(1)得到：

其中，H_th为可调型面旋转后进气道喉道高度，H_c为进气道捕获高度，q(Ma)为流量函数，Ma₀和Ma_th分别为来流马赫数和进气道喉道马赫数，为流量系数，σ_th为进气道喉道总压恢复系数。

进一步的，在低马赫数设计工况时，例如Ma_min，所述内收缩段调节型面7和扩张段调节型面8分别紧贴内收缩段型面2和扩张段型面4，随着来流马赫数的增大，则需要根据来流马赫数、进气道流量系数及燃烧室所需求进气道喉道马赫数等参数，按上述公式(1)计算得到所需调节的进气道喉道高度，再按几何关系转换为内收缩段调节型面7和扩张段调节型面8所需旋转的角度，且来流马赫数越大，内收缩段调节型面7和扩张段调节型面8旋转角度越大，形成气动喉道后，进气道喉道流通面积越小，对来流压缩作用越强，为燃烧室提供满足要求的压缩空气，利于稳定燃烧及发动机性能提高。另外，必要时可通过增大内收缩段调节型面7和扩张段调节型面8的旋转角度，完全关闭进气道。

上述旋转角度包括内收缩段调节型面7的旋转角度θ₇和扩张段调节型面8的旋转角度θ₈，由公式(2)得到；

其中，H₇为内收缩段调节型面7固定端与唇口型面5垂直高度，H₈为扩张段调节型面8固定端与唇口型面5垂直高度，H_th为可调型面旋转后进气道喉道高度，L₇为内收缩段调节型面7两端点间距离，L₈为扩张段调节型面8两端点间距离，θ₂为内收缩段型面2两端点连线与喉道型面3之间的角度(取锐角)，θ₄为扩张段型面4两端点连线与喉道型面3之间的角度(取锐角)。

所述旋转角度θ₇和θ₈为0°时，所述内收缩段调节型面7和扩张段调节型面8分别与内收缩段型面2和扩张段型面4贴合；

所述旋转角度旋转角度θ₇和θ₈为最大值时，所述内收缩段调节型面7和扩张段调节型面8完全关闭所述进气道，该状态根据特殊任务需求而定。

本发明的设计原理在于：

本发明设计的进气道，其采用几何调节和气动调节相结合，增加内收缩段调节型面和扩张段调节型面，并通过铰链控制其旋转，在旋转的过程中，内收缩段调节型面、内收缩段型面、喉道型面、扩张段型面和扩张段调节型面会围成一个凹腔，在凹腔内形成涡流将作为进气进气道的气动喉道型面，通过合理设计内收缩段型面、扩张段型面以及喉道型面的长度，并分别使得内收缩段调节型面与内收缩段型面一致，扩张段调节型面与扩张段型面长度一致，从而使得内收缩段调节型面活动端和扩张段调节型面活动端沿流向的距离小于涡流的特征尺度，所述特征尺度通过CFD计算获得，进而在凹腔内形成稳定的涡流；此外，根据旋转角度的大小，将得到不同的气动喉道型面，进而通过这种方式来缩小进气道喉道面积，增大进气道收缩比，即增大对来流空气的压缩，进气道喉道流通面积越小，对来流压缩作用越强，为燃烧室提供满足要求的压缩空气，利于稳定燃烧、拓宽发动机工作马赫数范围以及提高发动机性能。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (7)

1.一种可调进气道，其特征在于：由固定型面、可调型面及连接铰链构成，其中，所述固定型面包括外压缩型面、内收缩段型面、喉道型面、扩张段型面、唇口型面以及与燃烧室连接型面；所述可调型面包括内收缩段调节型面和扩张段调节型面，所述内收缩段调节型面和扩张段调节型面的一端分别固定于内收缩段起点和扩张段终点，另一端分别为活动端，所述连接铰链包括铰链a和b，所述铰链a和b分别位于内收缩段起点和扩张段终点，且所述内收缩段调节型面和扩张段调节型面可分别绕着所述铰链a和b按设计旋转角度进行旋转。

2.根据权利要求1所述的进气道，其特征在于：在使用时，所述进气道可以为1个或至少2个。

3.根据权利要求2所述的进气道，其特征在于，所述进气道至少为2个的情况下，其后面可连接不同工作模态的燃烧室或发动机，且各个进气道可根据发动机或燃烧室的不同需求按各自调节规律分别独立进行调节，或其中任意几个进气道或者所有进气道按设定调节规律同步调节。

4.根据权利要求1所述的进气道，其特征在于：所述内收缩段调节型面和扩张段调节型面旋转后，所述内收缩段调节型面、内收缩段型面、喉道型面、扩张段型面和扩张段调节型面围成一个凹腔，在凹腔内形成涡流作为进气道的气动喉道型面，该气动喉道型面对应的喉道高度定义为可调型面旋转后进气道喉道高度H_th，通过公式(1)得到：

其中，H_th为可调型面旋转后进气道喉道高度，H_c为进气道捕获高度，q(Ma)为流量函数，Ma₀和Ma_th分别为来流马赫数和进气道喉道马赫数，为流量系数，σ_th为进气道喉道总压恢复系数。

5.根据权利要求4所述的进气道，其特征在于，在所述铰链旋转调节过程中，所述内收缩段调节型面和扩张段调节型面的活动端距离唇口型面的垂直距离始终保持相等。

6.根据权利要求5所述的进气道，其特征在于，所述旋转角度包括内收缩段调节型面的旋转角度θ₇和扩张段调节型面的旋转角度θ₈，由公式(2)得到；

其中，H₇为内收缩段调节型面固定端与唇口型面垂直高度，H₈为扩张段调节型面固定端与唇口型面垂直高度，H_th为可调型面旋转后进气道喉道高度，L₇为内收缩段调节型面两端点间距离，L₈为扩张段调节型面两端点间距离，θ₂为内收缩段型面两端点连线与喉道型面之间的锐角角度，θ₄为扩张段型面两端点连线与喉道型面之间的锐角角度。

7.根据权利要求6所述的进气道，其特征在于，所述旋转角度θ₇和θ₈为0°时，所述内收缩段调节型面和扩张段调节型面分别与内收缩段型面和扩张段型面贴合；所述旋转角度θ₇和θ₈为最大值时，所述内收缩段调节型面和扩张段调节型面以关闭关闭所述进气道为准。