CN109339949A

CN109339949A - 一种压缩角度连续可调的进气道几何调节装置

Info

Publication number: CN109339949A
Application number: CN201811083751.9A
Authority: CN
Inventors: 袁化成; 王云飞; 张锦昇; 刘君; 高明
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2018-09-18
Filing date: 2018-09-18
Publication date: 2019-02-15

Abstract

本发明公开了一种压缩角度连续可调的进气道几何调节装置，安装于进气道的底板上，其特征是，包括驱动装置、被推动部件、直线轴承及光轴和转动部件；所述驱动装置固定在底板上；所述驱动装置上设置有丝杆；所述丝杆的顶部与被推动部件相连接；所述被推动部件的顶部与转动部件的一端相连接；所述转动部件的另一端铰接在底板上，转动部件绕铰接的一端进行旋转；所述被推动部件与转动部件之间设置有销轴模块。本发明所达到的有益效果：本装置由直线电机驱动的直线运动运动距离可连续变化，可根据实际的流量系数需求和喉道高度的需求进行几何调节，进而确保进气道的流量捕获需求和喉道高度需求，保证进气道的气动及起动性能。

Description

一种压缩角度连续可调的进气道几何调节装置

技术领域

本发明涉及一种压缩角度连续可调的进气道几何调节装置，属于进气道模型设计技术领域。

背景技术

进气道是高超声速及组合动力飞行器的重要组成部件，它的主要作用是向下游压气机或冲压燃烧室提供具有一定压力、温度及流量的气体。对于宽范围高超声速及组合动力飞行器而言，其飞行马赫数范围十分宽广，进气道不仅要保证能够在设计状态下正常工作且具有优良性能，还要保证在非设计状态下能够稳定工作需求并保证一定的性能需求。当处于非设计工作状态时,进气道能否以较小的阻力及流动损失为发动机提供足够的、满足一定气流品质要求的空气流量将是评价进气道综合气动性能的重要标准。

对于宽范围工作的飞行器,飞行速度通常由亚声速扩展到超声速乃至高超声速,而定几何进气道很难满足宽马赫数范围的工作要求。因此必须对进气道采用变几何设计技术以解决非设计状态下进气道与发动机流量匹配,低马赫数自起动以及保证一定进气道气动性能的问题。另外对于组合动力装置，如TBCC和RBCC，变几何进气道也是解决各推进循环之间协调工作和实现模态转换的最佳选择。鉴于变几何进气道在宽马赫数范围工作的气动性能优势,各国学者开展了大量的研究工作。美国“SR-71”飞行器的发动机进气道采用轴对称方案，移动中心锥保证不同飞行马赫数状态下进气道提供需求的气流；法国ONERA进气道采用唇口伸缩的平动式变几何方案；美国X-43A采用唇口转动式变几何方案；日本ATREX采用可调顶板的变几何方案。

其中二元超声速进气道由于其设计方法成熟、易于实现飞行器/进气道一体化设计等优点引起国内外众多学者关注，并且已成功应用到诸多飞行试验中。二元超声速进气道通过外压段分段产生的多道斜激波实现对气流的减速增压，该类二元进气道波系结构简单，设计周期短，包括美国的X-43A、X-51A以及澳大利亚的Hyshot多采用常规二级或三级外压缩形式，外压段每块转板均可以绕固定铰链进行转动，以针对不同飞行马赫数改变外压段的压缩角度。

基于上述二元进气道的变楔角的气动设计需求，必须相应的设计出能够实现上述变几何过程的几何调节机构并具有明确的调节方法。实际调节机构要求能够最终实现楔板角度的变化，占用空间小且能够输出足够大的转动力矩，保证楔角在有气动力的情况下实现变几何调节。实际应用的进气道多采用液压装置驱动，采用连杆机构传动，改变运动方向或运动形式，但连杆结构所需空间较大，且结构复杂，设计难度较大。

在进气道试验过程中，风洞通常对试验模型尺寸有一定限制，要求整个模型在风洞中对来流的堵塞比不高于某个比例，因此驱动装置更要求尽可能位于进气道模型内部，不增加迎风面积，否则将造成风洞难以启动，无法获得需要来流条件。而在进气道试验过程中，通常难以做到连续调节，需要提前设计几个可固定位置，每次试验需要改变压缩角度时人工进入风洞对其位置进行改变并固定，增加了试验的时间成本且极其不方便。在试验过程中除固定的几个预设角度外无法进行其他角度的试验，调节过程不连续。而常用的传动机构如连杆结构，尽管可实现转动与直线运动的转换，但其结构相对复杂，在狭小空间内设计难度较大，经过连杆后的可提供给转动部件的力矩有限，且容易出现故障，难以维护，不适合在进气道试验中应用。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种压缩角度连续可调的进气道几何调节装置，能够解决在狭小空间内实现将需求的转动转变为直线运动过程，使其能够通过直线驱动装置驱动，并能够实现进气道压缩角度连续无级可调节，并保证较大的转动力矩输出，确保能够在风洞试验过程中有较大气动力作用下实现压缩板顺利转动。可根据实际的流量系数需求和喉道高度的需求对进行几何调节，进而确保进气道的流量捕获需求和喉道高度需求，保证进气道的气动及起动性能。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种压缩角度连续可调的进气道几何调节装置，安装于进气道的底板上，其特征是，包括驱动装置、被推动部件、直线轴承及光轴和转动部件；所述驱动装置固定在底板上；所述驱动装置上设置有丝杆；所述丝杆的顶部与被推动部件相连接；所述被推动部件的顶部与转动部件的一端相连接；所述转动部件的另一端铰接在底板上，转动部件绕铰接的一端进行旋转；所述被推动部件与转动部件之间设置有销轴模块；所述直线轴承及光轴位于被推动部件的一端，用于限定被推动部件的运动轨迹；所述转动部件通过被推动部件的动作，改变进气道的通道宽度。

前述的一种压缩角度连续可调的进气道几何调节装置，其特征是，所述驱动装置采用直线步进电机或液压传动装置。

前述的一种压缩角度连续可调的进气道几何调节装置，其特征是，所述销轴模块包括轨道部件和销轴；所述轨道部件的中部设置有滑动槽；所述销轴位于滑动槽内；所述被推动部件与销轴两端相连接。

前述的一种压缩角度连续可调的进气道几何调节装置，其特征是，所述销轴在滑动槽内滚动。

本发明所达到的有益效果：进行几何调节过程中，直线运动距离与压缩角度之间存在一定函数关系，根据需求转动角度可迅速计算出需要直线运动的距离，根据位移传感器反馈的位置亦可准确判断转角大小，转动部件所处位置。由直线电机驱动的直线运动运动距离可连续变化，进而转动件转动角度亦可连续变化即压缩角度连续无级可调，转动部件所处角度可根据需求停留其转动范围内的任意位置。可根据实际的流量系数需求和喉道高度的需求对进行几何调节，进而确保进气道的流量捕获需求和喉道高度需求，保证进气道的气动及起动性能。

附图说明

图1是本装置的剖面结构示意图；

图2是图1的调节部分的结构示意图；

图3是销轴部分的结构示意图；

图4是被推动部件的结构示意图；

图5是调节过程中的几何过程图；

图6是图5的另一角度示意图。

图中附图标记的含义：

1-底板，2-侧板，3-转动部件，4-唇罩，5-扩张段，6-转动部件铰链中心，7-被推动部件，8-直线轴承及光轴，9-销轴，10-电机安装座，11-直线步进电机，12-丝杆，13-轨道部件，14-滑动槽，15-位移传感器，A-转动部件起始位置，B-转动部件终止位置，C-轨道部件起始位置，D-轨道部件终止位置，1'-初始位置产生的斜激波位置，1"-初始位置进气道捕获的最边缘流线位置，2'-终止位置产生的斜激波位置，2"-终止位置进气道捕获的最边缘流线位置，H-进气道捕获高度，H₁-初始位置进气道捕获远前方的自由流管高度，H₂-终止位置进气道捕获远前方的自由流管高度，h₁为初始位置喉道高度，h₂为终止位置喉道高度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本装置主要由直线步进电机(或液压传动装置)，直线位移传感器，直接被推动部件，直线轴承及光轴，销轴，轨道部件,转动部件构成。本实施例中以直线步进电机为例进行说明。此外，本实施例中还添加有位移传感器，位移传感器本质上是直接感知某一运动部件的直线位移距离，而具体的安装方式与模型本身及采用的传感器种类及其要求的安装方式有关。以文本中的模型为例，选用的接触式的普通直线位移变送器，可安装于底板固定，其弹簧头部(伸缩部分)与被推动部件或直线轴承底部平面相接触，甚至可以加工一小平面与电机丝杆相连，再抵住此平面。简而言之，其只要能够正确感知需要反馈的直线运动距离，并不限于如何安装，安装于何处。

转动部件一端可绕某铰链中心转动，直线步进电机被固定于转动部件下方远离转动中心一侧，且其丝杆可上下直线运动。

转动部件绕铰链中心的转动需求被转变为销轴的直线运动。与转动部件相连的轨道部件内部放置销轴，假设转板转动，保证此销轴相对转动部件在轨道内滚动，但相对于整个进气道销轴只做上下直线运动，即将需求的转动部件转动转变为了某一部件直线运动，采用直线驱动装置驱动此销轴上下直线运动即可实现需求的转动部件转动。

转动实现过程如下：直线步进电机(或液压传动装置)丝杆上下直线运动，推动直接被推动部件直线运动，被推动部件被直线轴承及光轴组成的直线运动轨道所限制，保证运动方向为上下直线。直接被推动部件上下直线运动推动销轴中心上下直线运动，销轴自身被限制于直接被推动部件内但可滚转以减小摩擦阻力，销轴的上下直线运动将作用力传递给轨道部件接触面，同时销轴相对轨道在其间滚转，保证运动形式变化过程中需要的相对位置改变可实现。轨道部件与被驱动的转动部件之间固定连接，无相对运动，最终直线驱动装置的直线运动被转变为转动部件绕一端铰链中心转动。

在调节过程中，直线运动距离与压缩角度之间存在如下函数关系，转动角度可直接与直线运动距离对应：x_i＝L[tan(α_i+1-α_*)-tan(α_i-α_*)]，其中，x_i为每次的需要运动距离，单位“mm”；α_i+1为下一个角度，α_i为转动部件当下所在角度，单位为角度“°”；L为电机丝杆坐在X方向位置距转动铰链中心的距离，单位为“mm”，α_*为转动铰链中心与销轴中心连线与转动部件之间的固定夹角。在一确定的模型中，L和α_*为确定的常量。

进气道第一次调节前的初始位置通过如下方式判断，根据对初始位置的销轴中心与铰链转动中心的高度方向投影距离的测量即可确定转动部件所处角度，假设测量值x₀，根据下式可得到初始部件所处角度为α₀，同时将此位置标定为传感器0位。

通过传感器的反馈数据，亦可对当下转动部件所处角度进行判断，传感器反馈位置信息y，根据如下关系可得到当下转动部件所处角度。

利用本装置的调节方法，由直线电机驱动的直线运动运动距离可连续变化，进而转动件转动角度亦可连续变化即压缩角度连续无级可调，转动部件所处角度可根据需求停留其转动范围内的任意位置。调节过程中能够精确调节进气道的流量系数和喉道高度，使进气道能够根据不同飞行状态及性能需求实现不同的状态调节，满足试验乃至飞行条件下对进气道的性能需求，在一确定的进气道构型下，其直线运动距离与进气道流量系数和喉道高度之间满足一定的函数关系。

以某二元变几何进气道试验模型为例，对本发明作出具体说明。二元变几何进气道工作范围为在Ma＝0-4之间，如图1所示，主要包括一级压缩板，二级压缩板(即转动部件)，唇罩，扩张段及变几何调节机构。为满足设计需求，需要根据不同飞行状态调整第二级压缩板所处角度。根据需要，第二级压缩板所处的角度分别为13°，16°，18.5°，20°，21°，21.5°。

图2给出了具体的变几何调节结构，主要包括转动铰链中心，转动部件(即第二级压缩板)，轨道部件，销轴，直接被推动部件，直线步进电机及丝杆，电机安装座，直线轴承及光轴。其中，轨道部件，销轴及直接被推动部件之间的装配关系如图3、图4所示。在调节过程具体如下：转动部件一端可绕某铰链中心转动，直线步进电机通过安装座被固定于转动部件下方远离转动中心一侧，且其丝杆可上下直线运动。通过直线步进驱动装置的上下直线运动，推动直接被推动部件直线运动，进而推动销轴中心上下直线运动，销轴自身被限制于直接被推动部件内但可滚转以减小摩擦阻力，销轴的上下直线运动将作用力传递给轨道部件接触面，同时销轴相对轨道在其间滚转，保证运动形式变化过程中需要的相对位置改变可实现。轨道部件与被驱动的转动部件之间固定连接，无相对运动，最终转动部件(第二级压缩板)绕一端铰链中心转动被转变为销轴直线运动，并被直线驱动装置驱动。直接被推动部件的上下运动被直线轴承及光轴组成的直线轨道限制，防止其左右及前后有晃动，位移传感器将对直接被推动部件的位移实时进行反馈。电机作用力通过丝杆直接向上传递，经过直接被推动部件，销轴及轨道部件通过推动第二级压缩板远离铰链中心一侧，最大限度的将电机作用力转化为推动第二级压缩板转动的力矩。

图5给出了压缩板即转动部件调节过程中在几何过程中，调节角度与运动位移之间具有如下关系：x_i＝L[tan(α_i+1-α_*)-tan(α_i-α_*)]，其中，x_i为每次的需要运动距离，单位mm；α_i+1为下一个角度，α_i为当下所在角度，单位为角度°；L为电机丝杆坐在X方向位置距转动铰链中心的距离，单位为mm，α_*为转动铰链中心与销轴中心连线与转动部件之间的固定夹角。在一确定的模型中，L和α_*为确定的常量。在本案例中，L＝223.12mm，α_*＝6.32°。

首先确定进气道第一次调节前的初始位置，此位置应小于或等于转动部件所需要的最小角度。根据对初始位置的销轴中心与铰链转动中心的高度方向投影距离的测量即可确定转动部件所处角度，假设测量值x₀为14.35mm，根据可得到初始部件所处角度为10°，同时将此位置标定为传感器0位。

根据上述的运动距离与起止角度之间的关系，结合本案例的调节需求，其第二级压缩板即转动部件所处角度依次为13°、16°、18.5°、20°、21°、21.5°，则每次需要移动的距离分别为1.22mm、11.93mm、10.10mm、6.15mm、4.14mm、2.09mm。控制直线步进电机依次向上运动上述距离，即可依次达到所需要的位置。

同时，在调节过程中，若因输入错误或电机故障等问题或需要再次确认并反馈第二级压缩板(转动部件)所在角度α，假设此时传感器反馈位置信息y＝12.00mm，可根据如下过程和关系进行判断所处角度：当传感器反馈位置信息为12mm时，可得到此时转动部件所处角度为13.06°。若此角度非当下需要的角度，则须再次进行调节或让电机回归零位再调节。

图6给出了基于上述运动的实现对进气道流量系数及喉道的调节过程，压缩面位于1位置时，其第二级激波位置为1',在某来流条件下，调节第二级压缩面，使其压缩角度增加值2位置，则其激波位置在2'位置，此时，根据来流流线的走向(进气道唇口位置对应的前方来流流线由1"变为2")，及流量系数的定义可以看出，进气道流量系数随着几何调节压缩角度的增加而下降，由最初的H₁/H下降为H₂/H(在二元进气道中，捕获的自由流管高度与进气道捕获高度的比值即为流量系数),即进气道流量捕获减小，此时为了保证进气道总压的性能，其喉道亦应在起动的前提下进行缩小，而上述调节过程中恰好实现了喉道的调节，喉道高度由h₁下降为h₂。又因为上述几何调节角度与直线运动距离的确定函数关系，以及压缩角度和激波角关系等，可以确定流量系数和喉道高度亦最终与直线运动距离建立明确的函数关系，基于此，类似的可以实现对流量系数和喉道高度的精确调节。

根据上述调节装置第二级压缩板转动转变为销轴直线运动且被直线步进电机驱动过程中，可以看出，直线步进电机作为驱动装置，输出的直线运动为连续运动，在推动第二级压缩板转动的过程中，压缩板的转动亦为角度连续变化。在上述案例中，只需要控制电机直线运动的位移，即可相应控制第二级压缩板的角度，且其角度在可转动范围内连续变化。根据直线运动距离与第二级压缩板角度之间的函数关系，也可判断，运动距离随压缩角度需求为连续变化。以需求角度为自变量，以运动距离为因变量，则两者之间的函数为连续函数。在调节过程中，可根据具体需求，随时进行第二级压缩板角度的调整，而不限于上述几个角度，实现了压缩角度连续无级可调的过程。基于上述关系，可以确定，流量系数及喉道高度也是连续可调的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种压缩角度连续可调的进气道几何调节装置，安装于进气道的底板上，其特征是，包括驱动装置、被推动部件、直线轴承及光轴和转动部件；所述驱动装置固定在底板上；所述驱动装置上设置有丝杆；所述丝杆的顶部与被推动部件相连接；所述被推动部件的顶部与转动部件的一端相连接；所述转动部件的另一端铰接在底板上，转动部件绕铰接的一端进行旋转；所述被推动部件与转动部件之间设置有销轴模块；所述直线轴承及光轴位于被推动部件的一端，用于限定被推动部件的运动轨迹；所述转动部件通过被推动部件的动作，改变进气道的通道宽度。

2.根据权利要求1所述的一种压缩角度连续可调的进气道几何调节装置，其特征是，所述驱动装置采用直线步进电机或液压传动装置。

3.根据权利要求1所述的一种压缩角度连续可调的进气道几何调节装置，其特征是，所述销轴模块包括轨道部件和销轴；所述轨道部件的中部设置有滑动槽；所述销轴位于滑动槽内；所述被推动部件与销轴两端相连接。

4.根据权利要求3所述的一种压缩角度连续可调的进气道几何调节装置，其特征是，所述销轴在滑动槽内滚动。