CN108757217B - 一种双钟型膨胀偏转喷管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双钟型膨胀偏转喷管，包括膨胀偏转塞锥、喷管收敛段、双钟型基础扩张段和双钟型延伸扩张段；膨胀偏转塞锥部分由多段圆弧曲线设计而成，并与外壁面形成环形喉道，保证气流发生不平行于发动机轴向的偏转流动；双钟型基础扩张段及双钟型延伸扩张段之间通过型面与喷管轴线切角的差异形成拐点，从而保证双钟型膨胀偏转喷管在低落压比工作时气流在拐点分离，有效利用双钟型基础扩张段与膨胀偏转塞锥形成的膨胀偏转喷管进行高度补偿，从而保持较高推力性能，在高落压比时气流一直沿双钟型延伸扩张段膨胀至喷管出口，有效利用喷管出口面积，保证高落压比下推力性能。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，更具体的说是涉及一种双钟型膨胀偏转喷管，主要应用于宽落压比高推力性能要求的航空发动机。
背景技术
随着航空航天技术的发展，水平起降高超声速飞行器因其具有即时打击、快速突防等优点成为近年来的重点发展方向，尾喷管作为高超声速飞行器动力装置的核心部件也面临着前所未有的全新技术挑战，其推力特性，流量特性将直接影响着推进系统的工作效率及运行能力。
与以往航空发动机尾喷管不同，高超声速发动机尾喷管需要在极宽的落压比内均保持较高的推力性能，并且由于排气温度过高带来的结构可实现性等问题的限制，很难做到膨胀面积比自由调节。目前针对高超声速发动机尾喷管的研究主要集中在钟型喷管，双钟型喷管、膨胀偏转喷管、塞式喷管等喷管类型，除钟型喷管外，其余几种喷管都是具有一定高度补偿特性的喷管。但是上述几种喷管也都具有一定的缺点，双钟型喷管只能保证两个设计压比下推力性能较好，但在两个设计压比之间工作时，会出现不可避免的推力低点；膨胀偏转喷管只在一定压比范围内具有高度补偿特性，并且工作在高度过膨胀工况下时，膨胀偏转喷管塞锥底部压力过低将会导致推力性能急剧恶化；塞式喷管也因为冷却面积过大，补偿效果存在争议而没有得到广泛应用。
因此，如何提供一种在宽落压比范围内持续具有高度补偿性能的尾喷管是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种双钟型膨胀偏转喷管，将膨胀偏转喷管与双钟型喷管相结合，利用双钟型喷管具有两个设计压比的特点，将膨胀偏转喷管设计点下移，从而有效保证固定几何轴对称喷管在宽落压比范围内的高推力性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种双钟型膨胀偏转喷管，包括：膨胀偏转塞锥、喷管收敛段、双钟型基础扩张段和双钟型延伸扩张段，其中，所述喷管收敛段、所述双钟型基础扩张段和所述双钟型延伸扩张段依次相接，所述膨胀偏转塞锥位于所述喷管收敛段和双钟型基础扩张段的内部。
进一步，所述膨胀偏转塞锥包括塞锥枢轴段、入口圆弧段、偏转圆弧段、反向偏转圆弧段和喉道后圆弧，其中，所述塞锥枢轴段、所述入口圆弧段、所述偏转圆弧段、所述反向偏转圆弧段和所述喉道后圆弧依次相接。
进一步，所述喷管收敛段包括依次相接的等直段和喉道前倒圆段，所述喉道前倒圆段的末端与所述反向偏转圆弧段的末端之间为喷管喉道。
进一步，所述双钟型基础扩张段和所述双钟型延伸扩张段相接处设置有拐点。
所述拐点(301)的偏转角为：
θo＝θi+α(νp-νo) (1)
其中α为过膨胀系数，取值为1.4～2.0；θi表示双钟型基础扩张段的出口轴向切角，θ0表示双钟型延伸扩张段的入口轴向切角；Map表示双钟型延伸扩张段出口马赫数，Mao表示双钟型基础扩张段出口马赫数，νp为双钟型延伸扩张段普朗特—迈耶尔流动角，νo为双钟型基础扩张段普朗特—迈耶尔流动角，γ表示气体比热比。
进一步，所述喷管喉道的面积为环形面积，根据发动机流量设置喷管喉道的圆环面积，得出所述喷管喉道环宽ND为Gt。
进一步，所述塞锥枢轴段的高度Yd设置为0.5Gt～2Gt，所述入口圆弧段的圆弧半径RAB设置为1Gt～4Gt，所述偏转圆弧段的圆弧半径RBC与所述反向偏转圆弧段的圆弧RCD半径相同，均设置为1Gt～2Gt，所述喉道后圆弧的圆弧半径RDE设置为1Gt～2Gt，所述喉道前倒圆段的圆弧RMN半径设置为1/3RAB～1/4RAB。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种双钟型膨胀偏转喷管，具有以下优点：
(1)有效结合了双钟型喷管及膨胀偏转喷管的优点，将膨胀偏转喷管的设计膨胀比定为双钟型喷管基础扩张段膨胀比，从而防止膨胀偏转喷管工作在高度过膨胀工况下，有效利用其高度补偿特性。
(2)在低可用压比情况下气流在双钟型基础扩张段与延伸扩张段之间的拐点处分离，进而防止燃气在低落压比下过度膨胀，造成推力损失。
(3)在高可用压比情况下，尾流关闭，气流一直沿着双钟型延伸扩张段膨胀到喷管出口，从而有效避免高落压比时燃气欠膨胀问题。
(4)可根据具体落压比数据及流量需求快速的完成双钟型膨胀偏转喷管的设计，该设计方法通用，有效且可操作性强，只需快速确定数个设计参数即可得到喷管型面，并且可以有效保证喷管在宽落压比范围内的高推力性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的一种双钟型膨胀偏转喷管整体结构示意图。
图2附图为本发明双钟型-膨胀偏转喷管塞锥部分示意图。
图3附图为本发明双钟型-膨胀偏转喷管塞锥型面结构说明图。
图4附图为本发明双钟型-膨胀偏转喷管扩张段型面结构说明图。
图5附图为本发明双钟型-膨胀偏转喷管与具有同等设计推力的钟型喷管推力特性比较图，其中，Bellnozzle表示钟型喷管，Dualbellnozzle表示本发明设计的双钟型-膨胀偏转喷管。
其中，各部分表示：
1、膨胀偏转塞锥，101、入口圆弧段，102、偏转圆弧段，103、反向偏转圆弧段，104、喉道后圆弧，105、塞锥枢轴段，2、喷管收敛段，201、等直段，202、喉道前倒圆段，203、喷管喉道，3、双钟型基础扩张段，301、拐点，4、双钟型延伸扩张段。
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明实施例公开了一种双钟型膨胀偏转喷管，结合图1-2，包括：膨胀偏转塞锥1、喷管收敛段2、双钟型基础扩张段3和双钟型延伸扩张段4，其中，喷管收敛段2、双钟型基础扩张段3和双钟型延伸扩张段4依次相接，膨胀偏转塞锥1位于喷管收敛段2和双钟型基础扩张段3的内部；
膨胀偏转塞锥1包括塞锥枢轴段105、入口圆弧段101、偏转圆弧段102、反向偏转圆弧段103和喉道后圆弧104，其中，塞锥枢轴段105、入口圆弧段101、偏转圆弧段102、反向偏转圆弧段103和喉道后圆弧104依次相接；
喷管收敛段2包括依次相接的等直段201和喉道前倒圆段202，喉道前倒圆段202末端与反向偏转圆弧段103末端之间的缝隙为喷管喉道203；双钟型基础扩张段3和双钟型延伸扩张段4相接处设置有拐点301。
下面对采用本发明双钟型-膨胀偏转喷管的参数设计进行叙述：
对于尾喷管来说，首先应该按照发动机实际工作参数确定设计压比及喉道面积，结合图3，双钟型膨胀偏转喷管喉道位置不同于常规轴对称拉瓦尔喷管，该喷管喉道203位于膨胀偏转塞锥反向偏转圆弧RCD与喷管收敛段喉道前圆弧RMN所夹狭缝处，即图中直线ND处，因为喷管是轴对称形式，喉道面积折算时应取此处圆环面积。根据发动机流量要求选定喷管喉道面积后，将直线ND的实际长度定为单位长度Gt，方便后续膨胀偏转塞锥参数的无量纲化选取与优化。
结合图3，设计膨胀偏转塞锥1的基本型面，主要待定参数包括选择塞锥入口圆弧RAB、偏转圆弧RBC、反向偏转圆弧RCD、喉道后圆弧RDE及塞锥轴Yd。通过改变上述圆弧半径及圆弧圆心角从而改变塞锥大小及型面。根据几何关系及设计经验，对于设计压比几百的双钟型膨胀偏转喷管，上述圆弧可取值如下：
膨胀偏转塞锥入口圆弧半径RAB为1～4Gt；
膨胀偏转塞锥偏转圆弧半径RBC与反向偏转圆弧半径RCD相等，为1～2Gt；
喉道后圆弧RDE为1～2Gt；
塞锥高度Yd为0.5～2Gt。
喷管收敛段2，包括等直段HM及喉道前倒圆段RMN，一般情况下，确定了膨胀偏转塞锥型面后，也就确定了喉道前倒圆RMN与喉道线ND的切点N点。根据实际经验，为避免喷管设计中出现双喉道或喉道出现在设计喉道线ND之前，喉道前倒圆段圆弧半径RMN一般取为1/3RAB～1/4RAB；等直段HM根据具体需要向前延伸即可。
结合图4，对于喷管扩张段壁面设计，包括双钟型基础扩张段3、双钟型延伸扩张段4的设计，扩张段型面可以使用二次抛物线型面，对于双钟型基础扩张段3，需保证其与喷管收敛段相接处N点沿喷管轴向切角相同，双钟型基础扩张段结尾O点沿喷管出口轴向切角θi由形式为y＝c1x2+c2x+c3的二次曲线方程计算得到，求解喷管出口轴向切角θi的方法是喷管型面设计的常用方法，故不再详述。根据喷管出口轴向切角θi进而需要确定双钟型延伸扩张段4的入口轴向切角θ0，而双钟型基础扩张段与双钟型延伸扩张段之间的拐点301也是由于上述角度的差异所形成的。
可以根据双钟型基础扩张段出口设计马赫数与双钟型延伸扩张段设计出口马赫数求解下式，从而获得双钟型延伸扩张段4的入口轴向切角θ0，其计算公式如下
θo＝θi+α(νp-νo) (1)
其中α为过膨胀系数，取值为1.4～2.0，以保证在第一设计点的落压比下，气流从拐点301处与壁面稳定分离；θi表示双钟型基础扩张段的出口轴向切角，θ0表示双钟型延伸扩张段的入口轴向切角；Map表示双钟型延伸扩张段出口马赫数，Mao表示双钟型基础扩张段出口马赫数，νp为双钟型延伸扩张段普朗特—迈耶尔流动角，νo为双钟型基础扩张段普朗特—迈耶尔流动角，γ表示气体比热比。
实施例1：某双钟型-膨胀偏转喷管需要在宽落压比范围内工作，根据发动机工作参数及流量要求选定喷管喉道面积At；为缓解低落压比下燃气过膨胀问题，保证喷管膨胀偏转部分的优点得到有效利用，选定双钟型基础扩张段设计压比50，为保证高落压比情况下燃气充分膨胀，选定双钟型延伸扩张段设计压比250，根据此参数可以具体计算出喷管膨胀面积比。
设计膨胀偏转塞锥1具体参数如下，结合图3，塞锥入口圆弧半径RAB取2Gt，圆心角θab为30度，塞锥偏转圆弧RBC取1Gt，圆心角θbc为30度，反向偏转圆弧RCD取1Gt，圆心角θbc为30度，喉道后圆弧RDE取1Gt，圆心角θde为60度，及塞锥高度Yd取1.5Gt。
设计喷管收敛段2型面，为保证喉道位置，喉道前倒圆RMN取0.25Gt。
设计喷管基准扩张段3型面，根据二次曲线几何关系确定曲线系数，得到曲线型面，其中，基准扩张段出口轴向切线夹角θi为14.4°。选取过膨胀系数α为1.6，则双钟型延伸扩张段4入口轴向切线夹角θ0为41.5°。
喉道面积At与喉道单位长度Gt之间的关系如下式所示，根据实际喉道面积At求解下式可得Gt实际值，从而得到完整塞锥型面。
At＝[2*[Yd+RAB-(RAB-RBC)*cos(θab)-RBC*cos(θab+θbc)+2*RBC*sin(θbc/2)*cos(π/2-θbc/2-θab)+cos(θab)]]*Gt^2*π
至此，完成了设计压比为250的双钟型-膨胀偏转喷管型面设计，图5为具有同等设计推力的钟型喷管与本发明双钟型-膨胀偏转喷管的推力特性比较，可以看出，本发明双钟型-膨胀偏转喷管在宽落压比范围内均保持了性对较高的推力性能，尤其在低可用压比的情况下，推力性能提升明显。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.一种双钟型膨胀偏转喷管，其特征在于，包括：膨胀偏转塞锥(1)、喷管收敛段(2)、双钟型基础扩张段(3)和双钟型延伸扩张段(4)，其中，所述喷管收敛段(2)、所述双钟型基础扩张段(3)和所述双钟型延伸扩张段(4)依次相接，所述膨胀偏转塞锥(1)位于所述喷管收敛段(2)和所述双钟型基础扩张段(3)的内部；
所述膨胀偏转塞锥(1)包括塞锥枢轴段(105)、入口圆弧段(101)、偏转圆弧段(102)、反向偏转圆弧段(103)和喉道后圆弧(104)，其中，所述塞锥枢轴段(105)、所述入口圆弧段(101)、所述偏转圆弧段(102)、所述反向偏转圆弧段(103)和所述喉道后圆弧(104)依次相接。
2.根据权利要求1所述的一种双钟型膨胀偏转喷管，其特征在于，所述喷管收敛段(2)包括依次相接的等直段(201)和喉道前倒圆段(202)，所述喉道前倒圆段(202)末端与所述反向偏转圆弧段(103)末端之间的缝隙为喷管喉道(203)。
3.根据权利要求2所述的一种双钟型膨胀偏转喷管，其特征在于，所述双钟型基础扩张段(3)和所述双钟型延伸扩张段(4)相接处设置有拐点(301)。
4.根据权利要求3所述的一种双钟型膨胀偏转喷管，其特征在于，所述拐点(301)的偏转角为：
α(νp-νo)＝θo-θi (1)
其中α为过膨胀系数，取值为1.4～2.0；θi表示双钟型基础扩张段的出口轴向切角，θ0表示双钟型延伸扩张段的入口轴向切角；Map表示双钟型延伸扩张段出口马赫数，Mao表示双钟型基础扩张段出口马赫数，νp为双钟型延伸扩张段普朗特—迈耶尔流动角，νo为双钟型基础扩张段普朗特—迈耶尔流动角，γ表示气体比热比。
5.根据权利要求2所述的一种双钟型膨胀偏转喷管，其特征在于，所述喷管喉道(203)的面积为环形面积，根据发动机流量设置喷管喉道(203)的圆环面积，得出所述喷管喉道(203)环宽ND为Gt。
6.根据权利要求5所述的一种双钟型膨胀偏转喷管，其特征在于，所述塞锥枢轴段(105)的高度Yd设置为0.5Gt～2Gt，所述入口圆弧段(101)的圆弧半径RAB设置为1Gt～4Gt，所述偏转圆弧段(102)的圆弧半径RBC与所述反向偏转圆弧段(103)的圆弧RCD半径相同，均设置为1Gt～2Gt，所述喉道后圆弧(104)的圆弧半径RDE设置为1Gt～2Gt，所述喉道前倒圆段(202)的圆弧RMN半径设置为1/3RAB～1/4RAB。
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