CN107161351B - 一种适用于横风工况的双唇口抗畸变进气道结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于横风工况的双唇口抗畸变进气道结构，包括一级唇口和二级唇口，一级唇口设计有法兰，负责与涵道机匣连接，唇口曲线采用双纽线，使得气流在无横风工况能以最小损失进入涵道风扇。本发明首先不会破坏无横风工况的进气品质，且不会带来过多的额外重量。另一方面，传统进气道在遭遇横风时，唇口迎风侧极易产生流动分离导致流场畸变，而适用于横风工况的双唇口抗畸变进气道明显抑制了这一分离现象，气流流动稳定，气流畸变强度明显降低。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器气动设计领域，属于进气道部件，特别涉及一种适用于横风工况的双唇口抗畸变进气道结构，该结构用于发动机进气质量改善。
背景技术
垂直起降飞行器因其具有使用灵活，扩展功能多样化今年来得到了较好的发展。其中涵道风扇无人机由于其结构紧凑，便携性好等特点，在过去的十几年中得到了研究人员的广泛关注，涌现出大量涵道风扇无人机样机，比如HoverEye，Istar,FanTail以及霍尼韦尔的T-Hawk等。但是，该类无人机在快速前飞、遭遇突风等进口畸变状态下易出现唇口前缘流动分离等现象，最终导致升力不稳定，风扇性能下降等问题的出现。
流动分离现象一方面导致飞行器飞行品质降低、载荷下降，另一方面由于前缘空气流动紊乱，飞行器受力不稳定，对飞行控制系统产生了极大的干扰。为解决这一难题，研究人员进行了相关的技术研究，如采用“双涵道”、唇口处高速定常吹气等方案。然而，这类方案往往带来不可接受的额外重量，甚至额外能量损耗，最终缺乏实用价值。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对现有技术的不足，因此本发明设计一种新形式的、适用于垂直起降飞行器的进气道，旨在不过度提高额外重量的同时，提高横风工况的进气道抗畸变性能。该发明亦适用于其他行业中处于横风工况的进气道部件，如火车、汽车等通风扇进气道。
本发明的技术方案是：一种适用于横风工况的双唇口抗畸变进气道结构，包括一级唇口1和二级唇口3，所述一级唇口1整体为柱状体，两端开口，其中一端呈弯曲状，定义弯曲部分为曲线段，未弯曲部分为直线段；二级唇口3为喇叭口状；一级唇口1直线段和飞行器机匣法兰连接，一级唇口1和二级唇口3通过唇口支架连接，一级唇口1曲线段横截面为双纽线，二级唇口3横截面中弧线为双纽线，其中双纽线方程为：
(x2+y2)2＝2a2(x2-y2)
其中a为双纽线弦长，a>0，取值为涵道风扇直径的倍数，x为双纽线横坐标轴，x坐标轴沿双纽线弦长方向，y为双纽线纵坐标轴，与x坐标轴相互垂直，且指向机匣内中心锥方向；一级唇口1和二级唇口3的a取值不同。
本发明的进一步技术方案是：所述一级唇口1的坐标轴原点为直线段与曲线段连接处，双纽线结束点为x＝a，y＝0。
本发明的进一步技术方案是：所述二级唇口3坐标轴角度不变，原点相比于一级唇口坐标沿半径减小的方向平行移动0.06倍转子直径，曲线起点位于坐标原点，结束点位于直角坐标系下第一象限内曲线斜率为0的点。
本发明的进一步技术方案是：所述唇口支架为碳纤维板。
本发明的进一步技术方案是：所述二级唇口3厚度采用naca0008翼型厚度分布规律。
本发明的进一步技术方案是：定义二级唇口3小径端端点与一级唇口1直线段和曲线段交接处之间的纵向距离为h2，横向距离为h1。
本发明的进一步技术方案是：所述h1取0.05～0.1倍涵道直径。
本发明的进一步技术方案是：所述h2取-0.016～0.033倍涵道直径。
本发明的进一步技术方案是：横风气流先接触的端口为两个唇口的大径端，一级唇口1大径端内径大于二级唇口3大径端内径。
发明效果
本发明的技术效果在于：本发明首先不会破坏无横风工况的进气品质，且不会带来过多的额外重量。另一方面，传统进气道在遭遇横风时，唇口迎风侧极易产生流动分离导致流场畸变，而适用于横风工况的双唇口抗畸变进气道明显抑制了这一分离现象，气流流动稳定，气流畸变强度明显降低。
附图说明
图1传统进气道在横风条件下的流场仿真示意图
图2本发明进气道在横风条件下的流场仿真示意图
图3本发明侧视图
图4本发明四分之一剖视图
图5本发明三维视图
图6本发明与涵道机匣装配演示图
图7本发明几何尺寸说明图
附图标记说明：1—一级唇口 2—二级唇口支架 3—二级唇口 4—涵道风扇机匣5—中心锥 6—涵道风扇
具体实施方式
1、参见图1-图2，本发明针对现有垂直起降飞行器动力系统，在横风工况及突风工况易出现唇口气流分离现象，导致飞行器性能下降甚至失控，而现有改善措施可实现性较低，提出适用于横风工况的双唇口抗畸变进气道，传统进气道在遭遇横风时，唇口迎风侧极易产生流动分离导致流场畸变，如图1所示。本发明明显抑制了这一分离现象，气流流动稳定，气流畸变强度明显降低，如见图2所示。
2、参见图3-图7，本发明的适用于横风工况的双唇口抗畸变进气道结构，传统进气道可视为仅具有一级唇口。与传统进气道相比，最显著的外在特征在于其具有两层唇口。将两层唇口分别命名为一级唇口以及二级唇口，并以气流流动方向的反方向排序，即气流先经过的尺寸相对较小的为二级唇口，再经过的传统亚音速进气道中经常用到的为一级唇口。
参见图7，一级唇口取双纽线在直角坐标系内第一象限的整段曲线，二级唇口中弧线取双纽线在第一象限内，从坐标原点到曲线导数为零所截线段。二级唇口坐标轴角度不变，原点相比于一级唇口坐标沿半径减小的方向平行移动0.06倍转子直径，曲线起点位于坐标原点，结束点位于直角坐标系下第一象限内曲线斜率为0的点。
一级唇口设计有法兰，负责与涵道机匣连接，唇口曲线部分采用双纽线，取其在直角坐标系中的第一象限曲线，使得气流在无横风工况能以最小损失进入涵道风扇，其中双纽线方程可以表达为：
(x2+y2)2＝2a2(x2-y2)
其中参数a表征双纽线大小，对于一级唇口取为0.2倍涵道风扇直径。这一参数的最佳值随着涵道风扇的功率而变化，因此并不局限为0.2倍。
二级唇口由唇口支架固定连接于以及唇口表面。唇口截面造型采用双纽线作为中弧线，本实施例中，参数a取0.3倍涵道风扇直径，并以NACA0008作为厚度分布规律产生。两个唇口之间距离存在一定要求，距离太近或太远均会导致畸变环境下无法有效抑制畸变，甚至造成无横风条件下流动损失过大。为准确描述两个唇口之间的相对位置，用各级唇口双纽线坐标系的原点来描述相对位置：通常h1取0.05～0.1倍涵道直径，h2取-0.016～0.033倍涵道直径有较好效果，对于本实施例，h1＝0.0677,h2＝0.02。二级唇口对横风工况进气道的抗畸变性能起到决定性作用，一方面在于二级唇口的压力面产生了高静压力区域，提高了一级唇口表面法向的静压力梯度，使得气流具有更高的折转驱动力，而不会在一级唇口表面产生分离；另一方面由于一级唇口表面气流的顺利转折，使得唇口附近空气的整体流动角度偏向于向涵道内折转，这一变化促使二级唇口来流较为理想，因此二级唇口也不会产生明显的分离流动。
本实施例中，涵道风扇机匣内径300mm，预留有法兰接口。一级唇口采用碳纤维材料，底部预制法兰，用螺丝螺母与涵道风扇机匣连接。根据一级二级唇口之间的相对位置以及其表面形状，切割2mm厚度碳纤维板制作二级唇口支架，支架共四片，呈90度沿周向均匀安装。二级唇口用模具加工制作，仍然使用碳纤维材料。利用型架将这三部分安装到正确位置，并用环氧树脂将其粘接牢固。中心锥通常属于涵道风扇转子部件的一部分，为避免由中心锥引起的进气畸变，中心锥采用钝体外形，最后用7075铝加工出薄壳结构。
最后需要说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换：而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种适用于横风工况的双唇口抗畸变进气道结构，其特征在于，包括一级唇口(1)和二级唇口(3)，所述一级唇口(1)整体为柱状体，两端开口，其中一端呈弯曲状，定义弯曲部分为曲线段，未弯曲部分为直线段；二级唇口(3)为喇叭口状；一级唇口(1)直线段和飞行器机匣法兰连接，一级唇口(1)和二级唇口(3)通过唇口支架连接，一级唇口(1)曲线段横截面为双纽线，二级唇口(3)横截面中弧线为双纽线，其中双纽线方程为：
(x2+y2)2＝2a2(x2-y2)
其中a为双纽线弦长，a＞0，取值为涵道风扇直径的倍数，x为双纽线横坐标轴，x坐标轴沿双纽线弦长方向，y为双纽线纵坐标轴，与x坐标轴相互垂直，且指向机匣内中心锥方向；一级唇口(1)和二级唇口(3)的a取值不同。
2.如权利要求1所述的一种适用于横风工况的双唇口抗畸变进气道结构，其特征在于，所述一级唇口(1)的坐标轴原点为直线段与曲线段连接处，双纽线结束点为x＝a，y＝0。
3.如权利要求1所述的一种适用于横风工况的双唇口抗畸变进气道结构，其特征在于，所述二级唇口(3)坐标轴角度不变，原点相比于一级唇口坐标沿半径减小的方向平行移动0.06倍转子直径，曲线起点位于坐标原点，结束点位于直角坐标系下第一象限内曲线斜率为0的点。
4.如权利要求1所述的一种适用于横风工况的双唇口抗畸变进气道结构，其特征在于，所述唇口支架为碳纤维板。
5.如权利要求1所述的一种适用于横风工况的双唇口抗畸变进气道结构，其特征在于，所述二级唇口(3)厚度采用naca0008翼型厚度分布规律。
6.如权利要求1所述的一种适用于横风工况的双唇口抗畸变进气道结构，其特征在于，定义二级唇口(3)小径端端点与一级唇口(1)直线段和曲线段交接处之间的纵向距离为h2，横向距离为h1；h1取0.05～0.1倍涵道直径；h2取-0.016～0.033倍涵道直径。
7.如权利要求1所述的一种适用于横风工况的双唇口抗畸变进气道结构，其特征在于，横风气流先接触的端口为两个唇口的大径端，一级唇口(1)大径端内径大于二级唇口(3)大径端内径。
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