CN108730037B - 宽速域变几何进气道 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽速域变几何进气道，通过转动高超声速进气道唇口与第三级顶板大幅降低高超声速进气道启动马赫数，并能保证高超声速进气道低马赫数时较好的流量捕获能力，即保证发动机推力。

Description

宽速域变几何进气道

技术领域

本发明涉及一种宽速域变几何进气道，属于发动机进气道流动控制领域。

背景技术

为实现高超声速飞行器在较宽范围内的飞行，只靠单一动力装置难以实现，必须使用组合动力输出装置，现有常用发动机组合：火箭基组合循环发动机(RBCC)和涡轮基组合循环发动机(TBCC)。随着研究的展开，研究人员发现进气道的各项性能越来越成为制约高超声速飞行技术发展的瓶颈，这是因为常规进气道与发动机相匹配，性能特点也与发动机相似，一般只在设计状态下运行时能发挥较好的性能，一旦飞行状态偏离了设计状态，进气道就难以为发动机提供合适的气流。随着飞行马赫数范围的拓宽，就会出现定几何进气道难以解决高马赫数或低马赫数下总体性能与低马赫数下起动性能之间的矛盾，变几何进气道因其能在较宽飞行速域下，都能与发动机较好匹配，因而变几何进气道成为组合发动机的必然选择。

但现有变几何进气道发动机的启动所需马赫数(简称Ma)较高，低速时进气道流量捕获量较小，从而降低了组合发动机的推力，限制了组合发动机在工程领域的应用。

在进气道低速情况下，高超声速飞行器通常以牺牲流量捕获量来保证进气道的可靠启动。由于飞行器低速时一般处于加速阶段，所以要求进气道具有良好的来流捕获能力，即需要具有较高的流量系数，而流量系数较高时，进气道的启动性通常又较差，而为了保证可靠启动需要进一步牺牲流量捕获量，从而限制了飞行器的加速效果，影响了飞行器的整体性能。

因而目前对运用于高超声速飞行器的变几何进气道还存在要求较低的启动速度，为实现低速启动过度牺牲流量捕获能力的问题。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种连续可调的转动顶板与唇口相结合的宽速域变几何进气道，该进气道所需启动马赫数较低，降低高超声速进气道所需启动马赫数，从而避免过度牺牲流量捕获量，提高低马赫数时流量捕获能力，使高超声速进气道在全速域内性能较优。

包括：顶板和隔离段，所述隔离段的上壁面正对所述顶板设置，所述隔离段的上壁面与所述顶板间隔设置；所述隔离段的上壁面迎流端上设有转动唇口，所述转动唇口以所述隔离段的上壁面的一端为转轴绕所述隔离段的上壁面转动；所述顶板和所述转动唇口根据来流的马赫数分别转动角度。

优选的，所述转动唇口与水平面所成夹角处于0～15°范围内。

可选的，所述宽速域变几何进气道还包括顶板侧壁，所述顶板侧壁固定设置于所述顶板的两相对侧。

优选的，所述顶板包括定顶板和与所述定顶板一端转动连接的动顶板，所述动顶板包括转动顶板和隔离段下壁面，所述转动顶板与所述定顶板的一端转动连接，所述隔离段下壁面与所述转动顶板的另一端转动连接，所述定顶板为固定转角的两级楔板，所述转动顶板为第三级楔板。

可选的，所述宽速域变几何进气道还包括多个作动杆，所述作动杆分别与所述转动唇口和所述动顶板驱动连接。

可选的，所述作动杆包括第一作动杆和第二作动杆，所述第一作动杆与所述转动唇口相连接；所述第二作动杆与所述隔离段下壁面相连接。

本发明的又一方面提供了一种发动机，包括：如上述的宽速域变几何进气道。

本发明的有益效果包括但不限于：

(1)本发明所提供的宽速域变几何进气道，启动马赫数低，在Ma2时即可实现自启动，从而保证了使用该进气道的发动机的低速启动能力，同时保留了较好流量捕获能力，能够使发动机有足够的推力。该进气道能变几何地实现连续可调，使进气道在整个速域范围内均具有较好地综合性能。该进气道结构简单易实现，且效果明显。

(2)本发明所提供的宽速域变几何进气道，通过转动高超声速进气道唇口与第三级顶板大幅降低高超声速进气道启动马赫数，并能保证高超声速进气道低马赫数时较好的流量捕获能力，即保证发动机推力。

(3)本发明所提供的使用宽速域变几何进气道的发动机，既能保证低速启动性又能保证有较高的流量捕获，发动机各项性能均最优。

附图说明

图1是本发明提供的宽速域变几何进气道立体结构剖面示意图；

图2是本发明优选实施例中基准进气道模型示意图；

图3是本发明优选实施例中变几何进气道在Ma2条件下的结构示意图；

图4是本发明优选实施例中进气道变几何原理示意图；

图5是本发明优选实施例中宽速域变几何进气道在不同来流马赫数时的等值线示意图，其中(a)为Ma6时，(b)为Ma5时，(c)为Ma4时，(d)为Ma3时；

图6是本发明优选实施例中宽速域变几何进气道在Ma2马赫数等值线示意图；

图7是本发明优选实施例中宽速域变几何进气道在低来流马赫数结构下仿真的等值线示意图；其中(a)为Ma1.5时，(b)为Ma1.3时；

图8是本发明优选实施例中宽速域变几何进气道在来流马赫数低于Ma2结构低来流马赫数--流量系数的变化趋势示意图；

图9是本发明优选实施例中本发明提供的宽速域变几何进气道立体结构示意图。

图例说明：

110、定顶板；120、顶板侧壁；131、转动顶板；132、隔离段下壁面；210、转动唇口；220、隔离段；310、第一作动杆；320、第二作动杆。

具体实施方式

下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。

参见图1和9，本发明提供的宽速域变几何进气道结构，包括：顶板和隔离段220，所述隔离段220的上壁面正对所述顶板设置，所述隔离段220的上壁面与所述顶板间隔设置。所述隔离段220的上壁面迎流端上设有转动唇口210，所述转动唇口210以隔离段220的上壁面的一端为转轴绕所述隔离段220的上壁面转动；所述顶板和所述转动唇口210根据来流的马赫数转动角度。

所述顶板为径向靠近或远离所述隔离段220的上壁面运动。唇口以隔离段220的上壁面靠近来流侧为转轴绕其转动。通过唇口和顶板转动能有效根据来流马赫数调整进气道内/外压比，从而保证低来流马赫数时，含有该气道的发动机的正常启动。最低在来流马赫数为2时正常启动。同时无需损失流量捕获量。提高使用综合性能。转动唇口210与动顶板-隔离段220相结合实现对高超声速进气道几何形状改变的控制。进气道顶板和隔离段220调节方式可以为无级调节或多级调节。整个调节过程中隔离段下壁面132始终保持水平。顶板转动时隔离段220的下壁面与所述上壁面相对的水平长度会发生变化，所述水平长度发生的变化通过隔离段后燃烧室结构变化补偿，通过转动燃烧室凹腔垂直来流方向的壁面一定角度使隔离段下壁面132向来流方向移动一定距离，该距离正好为转动顶板时隔离段下壁面132水平长度的改变长度。

优选的，还包括顶板侧壁120，所述顶板侧壁120固定设置于所述顶板的两相对侧。所述顶板、所述顶板侧壁120和所述转动唇口210围成所述气道。

优选的，所述顶板包括定顶板110和与所述定顶板一端转动连接的动顶板。

优选的，所述动顶板包括转动顶板131和隔离段下壁面132，所述转动顶板与所述定顶板110的一端转动连接，所述隔离段下壁面132与所述转动顶板131的另一端转动连接。

可选的，还包括多个作动杆，所述作动杆分别与所述转动唇口210和所述动顶板驱动连接。

在一具体实施例中，作动杆包括第一作动杆310和第二作动杆320。第一作动杆310与所述转动唇口210相连接，并通过第一作动杆310控制其转动角度。所述第二作动杆320与所述顶板相连接，并通过第二作动杆320控制其转动角度。

优选的，所述作动杆包括第一作动杆310和第二作动杆320。第一作动杆310与所述转动唇口210相连接，并通过第一作动杆310控制其转动角度。第二作动杆320与所述隔离段下壁面132相连接，并对通过第二作动杆320控制其转动角度。通过控制隔离段下壁面132的转动，带动转动顶板131的转动，能提高控制精度，进一步降低启动所需马赫数。转动唇口210与转动顶板131可以为单独控制或同步控制。

优选的，所述转动唇口210与水平面所成夹角处于0～15°范围内。

在一具体实施例中，参见图1，本发明提供的宽速域变几何进气道，包括：定顶板110、所述定顶板一端转动连接的动顶板，所述动顶板以所述定顶板一端为转轴绕所述定顶板110转动。定顶板110和动顶板的一侧设置顶板侧壁120。隔离段220的上壁面正对动顶板间隔设置于动顶板的顶面上，并保持静止。动顶板包括转动顶板131和隔离段下壁面132，所述转动顶板131与所述定顶板110的一端转动连接，所述隔离段下壁面132与所述转动顶板131的另一端转动连接。第一作动杆310与所述转动唇口210相连接，并通过第一作动杆310控制其转动角度。所述第二作动杆320与所述顶板相连接，并通过第二作动杆320控制其转动角度。

使用时，根据来流马赫数控制第一作动杆310和第二作动杆320分别控制唇口和隔离段下壁面132的转动角度，调节气道的内压比和外压比。

本发明的另一方面还提供了一种包含上述宽速域变几何进气道结构的发动机。

以该实施例所得气道结构，按表1中所列尺寸数据制得气道进行模拟实验。

以下结合具体实施例对本发明提供的进气道进行详细说明。

本实施例中基准进气道设计

本实施例中所采用的基准高超声速进气道模型为3道外压激波的混压式进气道，转角依次为6°、6.93°和6°，取Ma＝6，h＝25km为设计点，在设计状态，三道激波打到唇口处，具体结构参数如图2所示。唇罩内表面采用圆弧设计以减少总压损失，水平夹角4.93°，仿真表明此时进气道有较优性能。唇口高度H＝249.96mm，喉道高度Hth＝30mm，隔离段220长度取8倍喉道高度，内压比1.842，外压比8.332。基准进气道基本性能参数如表1所示。

表1基础进气道性能参数

图3为变几何进气道Ma2时结构示意图，因为基准进气道唇口端点与唇口转轴连线与水平夹角为β＝4.93°，为保证进气道启动和流量捕获能力，此时第三级顶板转角α3＝4.93°，喉道高度H_th＝115.8mm。

图4为变几何进气道原理图。如图所示，图中，a、b、c、d、e分别表示来流Ma2-6时进气道第三级顶板和隔离段220对应位置。

表2为不同来流马赫数时进气道具体结构参数。

图5为变几何进气道为变几何进气道来流马赫数为Ma3-6时马赫数等值线图，从图中可以看出，对于不同来流马赫数，进气道唇口都不存在弓形激波，隔离段220内激波串未引起大面积边界层分离形成堵塞，表明变几何进气道Ma3-6时均能启动。图6为进气道Ma2时马赫数等值线图，从图中可以看出，此时进气道及隔离段220内未形成堵塞，气流正常流通，唇口未形成弓形激波，隔离段220内没有大面积边界层分离，表明该变几何进气道设计Ma2时仍能顺利启动，隔离段220内反射波系清晰。表3为设计变几何进气道Ma2-6时基本性能参数。

当来流为Ma2时，进气道第三级顶板和隔离段下壁面132处于图4中a位置，当来流马赫数增加到Ma3时，转动顶板131和隔离段下壁面132到b位置，来流马赫数增加为Ma4时，转动顶板131和隔离段下壁面132到c位置，依次类推，Ma6时，转动顶板131和隔离段下壁面132到e位置。来流从Ma2增加到Ma6时，顶板共转动14°。图4中，f、g、h分别表示来流不同马赫数时唇口所在位置，来流为Ma2时，唇口处于h处，即基准进气道唇口所在位置，本实施例中唇口端点与唇口转轴连线与水平夹角β＝4.93°，来流为Ma3时，唇口处于g处，本实施例中唇口端点与唇口转轴连线与水平夹角为β＝8.43°，来流为Ma4时，唇口处于f处，本实施例中唇口端点与唇口转轴连线与水平夹角为β＝11.93°，来流为Ma5时，唇口处于g处，来流为Ma6时，唇口处于h处。

表2变几何进气道不同来流马赫数结构参数

	Ma2	Ma3	Ma4	Ma5	Ma6
						α3	4.93°	8.43°	11.93°	15.43°	18.93°
H<sub>th</sub>/mm	115.80	93.97	72.33	50.98	30
						内压比	1.04	1.11	1.22	1.42	1.84
外压比	2.16	2.66	3.46	4.90	8.33
						β	4.93°	8.43°	11.93°	8.43°	4.93°

表3变几何进气道不同来流马赫数性能参数

本发明优选实施例中提供的宽速域变几何进气道自启动性分析：

本发明采用FLUENT软件对进气道流场进行数值求解，控制方程为二维雷诺平均Navier-Stokes(N-S)方程，湍流模型选用RNGk-ε模型，网格为ICEM绘制结构网格，网格量均在15万左右，近壁面采用标准壁面函数法，壁面处网格等比加密，通量差分采用AUSM格式，控制方程使用二阶迎风格式离散。来流为理想气体，分子粘性系数采用Sutherland公式计算，计算中采用了压力远场、压力出口及无滑移绝热固壁边界条件。计算中监视各方程残差和出口流量，定常模拟以各残差指标下降到10^-3以下或继续迭代不再变化，同时进气道出口流量保持稳定为收敛准则。在来流马赫数大于2时进行仿真，所得仿真结果如图5～6所示，由仿真可知，本发明设计变几何进气道能够实现Ma2时冲压启动(以Ma2流场进行初始化)，但未知其在Ma2能否实现自启动。

当进气道顶板处于Ma2位置时，取来流Ma为1.5和1.3时进行流场仿真，结果如图7所示，由图7可知，来流Ma1.5和1.3时Ma2的进气道和隔离段220结构仍未出现堵塞，唇口也未出现弓形激波。说明此时本发明提供的宽速域变几何进气道可实现正常启动。

图8为变几何进气道处于Ma2结构时，来流为Ma2、Ma1.5、Ma1.3的流量系数变化图，从图8中可以看出，当来流从Ma2降低到Ma1.3时，流量系数未出现大幅降低，表明进气道始终处于启动状态，由此可以判定进气道处于Ma2结构时，来流Ma2条件下可以实现自启动。

以上所述，仅是本发明的几个实施例，并非对本发明做任何形式的限制，虽然本发明以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (5)

1.一种宽速域变几何进气道，其特征在于，包括：顶板和隔离段，所述隔离段的上壁面正对所述顶板设置，所述隔离段的上壁面与所述顶板间隔设置；所述隔离段的上壁面迎流端上设有转动唇口，所述转动唇口以所述隔离段的上壁面的一端为转轴绕所述隔离段的上壁面转动；所述顶板和所述转动唇口根据来流的马赫数分别转动角度；

整个调节过程中隔离段下壁面始终保持水平，顶板转动时隔离段下壁面与所述上壁面相对的水平长度会发生变化，所述水平长度发生的变化通过隔离段后燃烧室结构变化补偿，通过转动燃烧室凹腔垂直来流方向的壁面使隔离段下壁面向来流方向移动；

喉道高度是所述隔离段上下壁之间的距离，其高度变化范围是30mm-115.8mm；

所述顶板包括定顶板和与所述定顶板一端转动连接的动顶板，所述动顶板包括转动顶板和隔离段下壁面，所述转动顶板与所述定顶板的一端转动连接，所述隔离段下壁面与所述转动顶板的另一端转动连接，所述定顶板为固定转角的两级楔板，所述转动顶板为第三级楔板。

2.根据权利要求1所述的宽速域变几何进气道，其特征在于，所述宽速域变几何进气道还包括顶板侧壁，所述顶板侧壁固定设置于所述顶板的两相对侧。

3.根据权利要求1所述的宽速域变几何进气道，其特征在于，所述宽速域变几何进气道还包括多个作动杆，所述作动杆分别与所述转动唇口和所述动顶板驱动连接。

4.根据权利要求3所述的宽速域变几何进气道，其特征在于，所述作动杆包括第一作动杆和第二作动杆，所述第一作动杆与所述转动唇口相连接；所述第二作动杆与所述隔离段下壁面相连接。

5.一种发动机，其特征在于，包括：如权利要求1～4中任一项所述的宽速域变几何进气道。

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