CN108680331B - 一种多支点侧壁可调式半柔壁喷管 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多支点侧壁可调式半柔壁喷管，包括承力框架、侧壁板、侧壁板驱动机构、密封系统、行走机构和型面保护装置，喷管采用上下壁板为平行的平板，左右侧壁板构成马赫数型面。该喷管入口为柔板加滑动端的结构形式，减少与喉道块搭接带来的型面不连续，保证喷管型面光滑过渡，进而提高风洞流动品质。喷管出口采用圆弧转轴形式，可实现出口绕喷管出口做定轴转动，并可根据试验要求调整出口角度。采用螺旋升降机和电动缸驱动侧壁板运动，实现了侧壁板的精确定位。采用高速应变测试系统，用于保护入口和出口柔板。此喷管用于风洞运行过程连续变M0.2～M1.6间任意马赫数风洞试验。

Description

一种多支点侧壁可调式半柔壁喷管

技术领域：

本发明涉及航空气动力风洞试验技术领域，具体涉及一种多支点侧壁可调式半柔壁喷管。

背景技术：

喷管作为高速风洞的重要部段，起到保证试验段获得设计马赫数的均匀气流的重要作用。喷管收缩部分将气流从亚声速均匀加速到声速后，气流从喷管喉道开始均匀加速膨胀，在喷管出口气流达到设计马赫数。马赫数由试验段与喷管喉道面积比决定；而喷管的型面则保证其出口获得试验要求的平行气流。因此，喷管的设计及加工质量将直接影响试验段的流场品质。

喷管可分为二维和三维两种形状：二维喷管只有两个平行壁面为型面，另两个为平面壁板，流场为二维的；三维喷管横截面为圆形或方形，其壁面均为型面，流场为三维的。三维喷管会使试验段中心部分产生不均匀的流场。二维喷管除避免这一缺点外，加工和设计也比三维喷管简单。因此，二维喷管广泛应用于亚跨超风洞中。

二维喷管可分为固块喷管、单支点半柔壁喷管、多支点半柔壁喷管和全柔壁喷管。固块喷管结构简单，但一套喷管仅能获得一个特定的马赫数，且喷管的设计马赫数间隔比较大，不能满足风洞试验马赫数的需要。单支点半柔壁喷管的型面由固定型面的喉道块和线性厚度分布的柔板组成，仅控制喉道块上的一个执行机构即可改变运行马赫数，但仅能在设计马赫数下得到较为理想的喷管型面。多支点半柔壁喷管由固定型面的喉道块和等厚度的柔板组成，通过多套执行机构控制喉道块和柔板的运动，其具有喉道型面和重复性好、调节时间短、运行时间长、运行成本低的特点。全柔壁喷管的型面由从入口延伸到出口的柔板行程，通过其背风面的多套执行机构可将柔板弯曲到要求的型面，其可实现的马赫数范围大，但其调节时间较长，一般多用于暂冲式风洞，调节时间较长，制造及运行成本高。

多支点半柔壁喷管型面曲线可由少数执行机构控制形成，机构整体刚性好，喷管型面在承压状态下，可有效抑制喷管型面失稳现象，可在风洞运行过程中实现连续变马赫数，风洞运行效率大大提高，特别适合应用于连续式风洞。

目前我国国内已有的生产型风洞多支点半柔壁喷管的型面均采用固定型面板、喉道块和柔板组成。其入口固定型面板直接搭接在喉道块上，随喉道块的运动，背风面采用被动拉紧装置，防止其与喉道块分离，因此两者会使型面不连续。

发明内容：

本发明的目的是为了解决风洞试验连续变马赫数调节的需要，提供一种多支点侧壁可调式半柔壁喷管，可实现M0.2～M1.6之间任意马赫数型面高精度连续变换。

采用的技术方案是：一种多支点侧壁可调式半柔壁喷管，包括承力框架、两组侧壁板、两组侧壁板驱动机构、密封系统、行走机构和型面保护装置；承力框架下面安装有行走机构，所述的承力框架包括上壁板、下壁板、前端板、后端板及多根立柱，上壁板和下壁板之间分别安装有前端板、后端板及多根立柱，前端板与收缩段连接，后端板与试验段连接，两组侧壁板及侧壁板驱动机构对称安装在承力框架内，两组侧壁板在上壁板和下壁板间滑动组成喷管型面，每组侧壁板上安装有密封系统，保证内流道的气密性，所述的侧壁板包括出口圆弧座，多个支撑点铰链座、滑动端、入口柔板、喉道块和出口柔板；在出口柔板背风面上安装有出口圆弧座，圆弧座上开有圆弧槽，该槽与固定在承力框架上的圆弧轴相配合，实现喷管出口型面绕出口做定轴转动；出口柔板的一端与喉道块的一端光滑固连；入口柔板一端与喉道块的另外一端光滑固连，入口柔板的另外一端通过直线滑轨与滑动端连接，实现入口柔板沿滑动端滑动；滑动端通过转轴与前端板连接，实现喷管入口定轴转动；出口柔板和入口柔板的背风面都安装有多个支撑点铰链座，所述的侧壁板驱动机构与出口圆弧座、滑动端、多个支撑点铰链座分别连接，用于控制出口柔板和入口柔板的变形及对喷管出口型面角度的控制；所述的型面保护装置采集出、入口柔板变形应力数据，当应力超过设定值时，送出报警开关信号，侧壁板驱动机构停止动作，侧壁板立即停止运动，从而达到保护的目的。

本发明的优点及有益效果：此喷管能够提高风洞流场品质，用于连续变M0.2～M1.6间任意马赫数风洞试验。同时，将喷管入口设计为柔板加滑动端的形式，保证了喷管的整个型面光滑过渡，提高了亚跨声速试验流场品质。喷管出口采用圆弧转轴形式，可实现出口柔板绕喷管出口做定轴转动，并可根据试验要求调整出口角度，保证喷管出口型面的连续性。采用高速应变测试系统，用于保护入口和出口柔板。

附图说明：

图1是本发明的整套系统的侧视图。

图2是本发明的整套系统的后视图。

图3是本发明的整套系统的主视图。

图4是本发明的整套系统的仰视图。

图5是侧壁板结构示意图。

图6是本发明的侧壁板及侧壁板驱动机构俯视图。

图7是入口滑动端示意图。

具体实施方式：

下面根据说明书附图举例对本发明做进一步说明：

实施例1

如图1-4所示，一种多支点侧壁可调式半柔壁喷管，包括承力框架1、两组侧壁板2、两组侧壁板驱动机构3、密封系统4、行走机构5和型面保护装置；

所述的承力框架1包括上壁板7、下壁板8、前端板9、后端板10及多根立柱11，上壁板7和下壁板8之间分别安装有前端板9、后端板10及多根立柱11，前端板与收缩段连接，后端板10与试验段连接，两组侧壁板及侧壁板驱动机构对称安装在承力框架内，两组侧壁板2在上壁板7和下壁板8间滑动组成喷管型面，每组侧壁板上安装有密封系统，保证内流道的气密性；侧壁板驱动机构3控制侧壁板2调节到试验所需的马赫数型面，并保证满足试验对流场品质的要求。

如图5-6所示，所述的侧壁板2包括出口圆弧座12，多个支撑点铰链座13、滑动端14、入口柔板15、喉道块16和出口柔板17；在出口柔板17背风面上安装有出口圆弧座12。

入口柔板15和出口柔板17采用优质合金钢，其具有较高的屈强比，对缺口敏感性低。在各个马赫数型面和不同总压下，材料屈服强度应大于入口柔板15和出口柔板17的最大应力的1.5倍。出口圆弧座12和多个支撑点铰链座13通过螺钉和销钉固定在侧壁板2的背风面，并与侧壁板驱动机构3铰接。

为了满足出口柔板17在不同马赫数型面下对出口角度的要求，在喷管出口柔板17上安装了出口圆弧座12，其加工的圆弧槽与固连在上下壁板上的圆弧轴18配合，可保证出口柔板17绕喷管出口做定轴转动；

出口圆弧座12通过铰链座侧壁板驱动机构3的电动缸19连接，通过控制电动缸19的运动，实现出口圆弧座12的转动，进而实现出口柔板17绕喷管出口做定轴转动，并达到设计出口角度的要求。多组支撑点铰链座13通过螺钉和销钉与出口柔板17、喉道块16和入口柔板15固连，并与侧壁板驱动机构3的螺旋升降机20铰接。滑动端14、入口柔板15、喉道块16和出口柔板17构成侧壁板型面。滑动端14安装在喷管的入口，其上的转轴21与前端板9上的轴孔配合实现定轴转动，背风面安装有直线滑轨22将入口柔板15和滑动端14连接，实现入口柔板15沿滑动端14滑动，入口角度的控制通过入口柔板15上铰接的螺旋升降机20的运动实现，以适应喷管型面改变时型面长度和入口型面角度变化。入口柔板15和出口柔板17与喉道块16之间通过螺钉和销钉固连。为了支撑侧壁板2及减少侧壁板2与上壁板7和下壁板8的摩擦，在出口圆弧座12、喉道块16和滑动端14的上下表面上安装了自润滑滑块23，并定期涂抹附着性强的润滑油脂。

所述的侧壁板驱动机构3包括多套直线驱动装置组成，左右对称安装，其位置根据马赫数型面要求，合理布置在侧壁板2的背风面。出口圆弧座12上铰接电动缸19，出口柔板17、喉道块16和入口柔板15上铰接螺旋升降机20。螺旋升降机20直连伺服直角减速器24，并由伺服电机25驱动。每组螺旋升降机20均安装有绝对值拉线编码器26，用于位置反馈控制。侧壁板驱动机构3可随型面的变化调整摆动，其电动缸19和螺旋升降机20均采用两端铰接，输出端通过铰链和推叉与侧壁板2铰接，缸/箱体与立柱11铰接。

所述的密封系统4包括喷管出口密封和侧壁板密封。喷管与收缩段的密封安装在收缩段出口处；与试验段间的出口密封安装在喷管的后端板10上，采用梯形密封胶条的形式。在出口柔板17、喉道块16和入口柔板15上下端面上加工密封槽用于安装圆截面橡胶条。滑动端14和入口柔板15存在相对滑动，如图7所示，因此两者间的缝隙通过补偿板32来补偿，但补偿板32不起密封作用，因此必须设计一个密封腔来阻止气体通过补偿板向驻室中泄露，这里在入口柔板上的铰链座33和滑动端14上下端面上分别安装密封条，密封长度要长于两者的错动距离。为了防止沿铰链座33和滑动端14的错动平面上产生泄露，在滑动端上沿柔板宽度方向布置的密封条。

如图4所示，所述的行走机构5用于喷管进出驻室，可沿风洞轴向和横向移动。下壁板8上对角布置两个主动轮34；余下两个为从动轮35。四个轮子均可实现90°换向。主动轮34上安装减速电机36；从动轮35上安装导向器6，用于消除主动轮对角分布带来的走偏现象。所述的导向器6用于保证喷管沿风洞轴向运动时，与风洞的轴线的重合。并且沿轴向再布置两对导向器6，通过调节每对导向器的距离，控制与驻室内安装的导向器轨道的配合，使导向器沿导向器轨道运动。

所述的型面保护装置，由应变片、应变测量仪、控制计算机、交换机、电源控制器、数据采集模块、数据采集软件等组成，当入口柔板15和出口柔板17发生变形时，粘贴在背面的应变片发生弯曲，从而引起应变测量仪输出电压的变化，由计算机软件程序计算出测量点的应力。当应力超过设定值时，送出报警开关信号，侧壁板驱动机构3停止动作，侧壁板2立即停止运动，从而达到保护柔板的目的。

实施例2

本发明的工作过程及原理：

本发明是一种航空气动力风洞试验技术，发明的一套风洞多支点侧壁可调式半柔壁喷管实现了精确获得各马赫数型面及高品质流场。通过控制系统控制侧壁板背风面的驱动机构的运动，实现喷管各马赫数的精确变换。

侧壁板背风面安装有出口圆弧座，用于实现出口柔板绕喷管出口的定轴转动运动，并将圆弧座与高精度电动缸铰接，以满足不同马赫数对喷管出口的角度要求。出口柔板、喉道块和入口柔板背风面上布置若干高精度螺旋升降机，用于实现柔板的弯曲变形及喉道块的移动，进而使侧壁板运动到试验所需的马赫数型面。电动缸和螺旋升降机输出端与侧壁板铰接，另一端与立柱铰接，即构成了长度可变的二力杆。通过协调控制螺旋升降机的长度皆可使侧壁板达到试验所需马赫数型面。入口柔板的末端可沿喷管入口的滑动端滑动，用于补偿不同马赫数型面变化引起的侧壁板长度的变化；滑动端通过固定转轴与前端板连接，以适应不同的试验马赫数对入口柔板角度的要求。当喷管到达试验所需马赫数型面，侧壁板驱动机构停止运动，电动缸利用内置电机锁定，螺旋升降机利用螺杆自锁性，以保证整个侧壁板的型面的稳定性。

密封系统用于防止喷管内流道与驻室间气流流动，进而保证流场品质。

此喷管安装了行走机构，用于实现喷管进出驻室的要求。四个车轮均可换向，以实现喷管沿风洞横向和轴向的运动。

导向器用于保证喷管进入驻室后与风洞轴线的重合性。

柔板背面粘贴若干应变片，用于实时测量柔板的应力，当超出设定值，控制系统将紧急停车，防止柔板在工作过程中超载，以实现保护柔板的目的。

Claims (1)

1.一种多支点侧壁可调式半柔壁喷管，包括承力框架、两组侧壁板、两组侧壁板驱动机构、密封系统、行走机构和型面保护装置；承力框架下面安装有行走机构，所述的承力框架包括上壁板、下壁板、前端板、后端板及多根立柱，上壁板和下壁板之间分别安装有前端板、后端板及多根立柱，前端板与收缩段连接，后端板与试验段连接，两组侧壁板及侧壁板驱动机构对称安装在承力框架内，两组侧壁板在上壁板和下壁板间滑动组成喷管型面，每组侧壁板上安装有密封系统，保证内流道的气密性，其特征在于，

所述的侧壁板包括出口圆弧座，多个支撑点铰链座、滑动端、入口柔板、喉道块和出口柔板；在出口柔板背风面上安装有出口圆弧座，圆弧座上开有圆弧槽，该槽与固定在承力框架上的圆弧轴相配合，实现喷管出口型面绕出口做定轴转动；出口柔板的一端与喉道块的一端光滑固连；入口柔板一端与喉道块的另外一端光滑固连，入口柔板的另外一端通过直线滑轨与滑动端连接，实现入口柔板沿滑动端滑动；滑动端通过转轴与前端板连接，实现喷管入口定轴转动；所述的出口柔板和入口柔板的背风面都安装有多个支撑点铰链座，

所述的侧壁板驱动机构分别与出口圆弧座、滑动端、多个支撑点铰链座连接，用于控制出口柔板和入口柔板的变形及对喷管出口型面角度的控制；

所述的型面保护装置采集出、入口柔板变形应力数据，当应力超过设定值时，送出报警开关信号，侧壁板驱动机构停止动作，侧壁板立即停止运动，从而达到保护的目的。