CN109989849A - 一种栅板密封非均布预紧机构 - Google Patents

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Abstract

一种栅板密封非均布预紧机构，包括由布置在基座上的弹性元件构成的弹性元件组，弹性元件组与柔性桥接元件、由栅板构成的栅板组以及壁面顺序接触，其特征在于，所述弹性元件在基座上呈非均匀分布，在壁面两侧斜率变化大处按小间距布置弹性元件，在壁面中部斜率变化小处按大间距布置弹性元件，构成非均布弹性元件组。壁面变形时，弹性元件释放预紧力，推动柔性桥接元件适应壁面的变形，形成多段直线段逼近壁面的曲线形状，进而推动栅板产生壁面适应性法向追随，贴紧壁面，从而能够使栅板密封适应冲压发动机可变流道壁面变形。

Description

一种栅板密封非均布预紧机构
技术领域
本发明属于栅板密封技术领域，特别涉及一种栅板密封非均布预紧机构。
背景技术
根据现有文献【Jeffrey J.DeMange,Patrick H.Dunlap,Bruce M.Steinetz,GaryJ.Drlik and Analex Corporation,“An Evaluation of High Temperature AirframeSeals for Advanced Hypersonic Vehicles,”NASA/TM—2007-215043,AIAA–2007–5743,October 2007】、【Patrick H.Dunlap,Jr.,Bruce M.Steinetz and Jeffrey J.DeMange,“Further Investigations of Hypersonic Engine Seals,”NASA/TM—2004-213188,AIAA–2004–3887,August 2004】以及【Dr.Bruce M.Steinetz,“Seal Technology forHypersonic Vehicles and Propulsion Systems:An Overview,”Short Course onHypersonics Structures and Materials,February 26-28,2008】，栅板密封是高超音速飞行器冲压发动机可变流道动密封的重要类型，预紧机构是其中的核心部件之一，负责推动栅板与壁面保持贴合以达到密封效果，如图1所示。图中，A处为可移动的发动机壁板，B处为热气流，C处表示间隙，6表示增压室，7表示倾余盘旋弹簧，8表示分水墙，9表示预加载，10表示高热环境的气膜冷却。
目前，已有的预紧机构是在基座5上，均匀布置弹性元件4构成的弹性元件组、柔性桥接元件3、栅板2构成的栅板组和壁面1顺序接触，并且弹性元件4处于预紧状态，使各部件间相互压紧，壁面1变形时，均布的弹性元件4推动柔性桥接元件3产生变形，进而推动栅板组产生壁面法向追随。根据理论分析，只有弹性元件4正对的栅板2与壁面1接触，桥接元件3呈分段直线段形式，其他栅板2沿直线段分布，如图2所示。但是，由于壁面1各处变形并不均匀，均布的弹性元件4所形成的直线段在壁面1斜率变化大处不能较好逼近壁面形状，造成较大泄漏间隙。
发明内容
为了克服现有的均布预紧机构造成较大泄漏间隙的不足，本发明的目的在于提供一种栅板密封非均布预紧机构，该非均布预紧机构可使栅板密封按照壁面各处变形产生更精确的追随，推动栅板密封贴紧流道壁面，更好地适应壁面复杂变形。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种栅板密封非均布预紧机构，包括由布置在基座5上的弹性元件4构成的弹性元件组，弹性元件组与柔性桥接元件3、由栅板2构成的栅板组以及壁面1顺序接触，其特征在于，所述弹性元件4在基座5上呈非均匀分布，在壁面1两侧斜率变化大处按小间距布置弹性元件4，在壁面1中部斜率变化小处按大间距布置弹性元件4，构成非均布弹性元件组。
所述壁面1跨距L，两端变形量之差为Δh，其两端位置布置两个弹性元件4，柔性桥接元件3呈一直线段，直线斜率为k＝Δh/L，设壁面1的曲线方程为y＝yx，则泄漏间隙变化规律为δ(x)＝y(x)-kx+const，在y'(xk)＝k处间隙最大，在壁面两端点处栅板2和壁面1接触，间隙δ＝0，从端点到y'(xk)＝k处壁面斜率变化越大，累积造成的间隙越大，在栅板(2)和桥接元件(3)接触点，const指栅板高度，在其他位置，指栅板高度与栅板底端到桥接元件(3)的距离之和，可以表示为c(x)＝k(b[x/b])-k(x)+h，b为栅板厚度，h为栅板高度。由于c(x)为一线性函数，为简便计算，一般可采用栅板和接触点处间隙进行计算，取const＝c(b[x/b])＝h，即栅板厚度。
所述弹性元件组提供的预紧力使柔性桥接元件3形成更多段直线段，从而更好地逼近壁面1的曲线形状。
所述柔性桥接元件3底侧与弹性元件4接触但不连接，弹性元件4与基座5间有定位但不固连。
所述弹性元件4均处于预紧状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：可以使桥接元件在壁面斜率变化大处以多段直线段更好地逼近壁面形状，从而减小栅板和壁面间的泄漏间隙。
附图说明
图1是可变流道栅板密封结构示意图。
图2是均布式预紧机构密封原理图。
图3是本发明的结构原理图。
图4是非均布预紧机构实施例的主视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
参考图3，本发明根据预测出的壁面中间凸起的拱形变形分布情况，在基座5上按不同间距布置弹性元件4构成非均布弹性元件组，与柔性桥接元件3、由栅板2构成的栅板组以及壁面1顺序接触，并且柔性桥接元件3底侧与弹性元件4接触但不连接，弹性元件4与基座5间有定位但不固连，弹性元件4处于预紧状态，使各部件间产生预紧力。其中，弹性元件4在基座5上呈非均匀分布，在壁面1中间变形平缓处(即斜率变化小处)稀疏地布置弹性元件4，在壁面1两侧变形剧烈处(即斜率变化大处)紧密地布置弹性元件4。壁面1变形时，弹性元件4释放预紧力，推动柔性桥接元件3适应壁面1的变形，形成多段直线段逼近壁面1的曲线形状，进而推动栅板2产生壁面适应性法向追随，贴紧壁面1，从而能够使栅板密封适应冲压发动机可变流道壁面变形。
在图4所示实施例中，壁面1在温差、压力载荷下产生变形，和栅板2间产生泄漏间隙，弹性元件4伸长释放预紧力，预紧力使柔性桥接元件3形成更多段直线段，更好的逼近壁面1的曲线形状，柔性桥接元件3推动栅板2追随壁面1，减小泄漏间隙。
对于一个呈拱形变形的壁面1，假如在78mm的跨距上产生了最大1mm的凸起变形，以图3中桥接元件为x轴，每块栅板2的厚度为3mm，高度为20mm，弹性元件4为弹簧，布置在3mm、27mm、51mm和75mm位置处，以24mm间隔等间距布置。壁面曲线方程为在等间隔的均匀布置下，各弹簧位置处的栅板2将和壁面1接触，桥接元件3将以自身和弹簧的接触点为端点形成3段直线段。接触点坐标为(-39,20)，(-15,20.852)，(15,20.852)，(39,20)，三段直线的方程为y＝0.0355x+1.278，y＝0.852，y＝-0.0355x+1.278，在壁面(-26.998,20.52)，(0,21)，(26.998,20.52)处斜率和直线段相等，故间隙最大，用x＝±27mm处的间隙近似代替，可计算三处间隙大小为0.2mm，0.148mm，0.2mm，在x＝-39到x＝-15之间，壁面斜率由0.0513变为0.0197，在x＝-15到x＝0之间，壁面斜率由0.0197变为0，另一侧对称变化，可见斜率变化大的位置处泄漏间隙更大。
为消除x＝±27mm处的最大间隙，可在x＝±24mm处布置弹簧，如图4所示，桥接元件3呈五段直线段，原y＝0.0355x+1.278段变为y＝0.0434x+1.563和y＝0.0276x+1.183两直线段，在壁面(-32.996,20.284)和(-20.996,20.71)处斜率和直线段相等，间隙最大，用x＝-33和x＝-21处的间隙近似代替，两处间隙大小为0.15mm和0.107mm，另一侧对称变化，最大间隙减小，同时如图4所示总体泄漏面积也减小，用扇形面积减去一三角形面积估算，泄漏面积从0.125mm2减小为0.0423mm2，密封效果明显改善。

Claims (5)

1.一种栅板密封非均布预紧机构，包括由布置在基座(5)上的弹性元件(4)构成的弹性元件组，弹性元件组与柔性桥接元件(3)、由栅板(2)构成的栅板组以及壁面(1)顺序接触，其特征在于，所述弹性元件(4)在基座(5)上呈非均匀分布，在壁面(1)两侧斜率变化大处按小间距布置弹性元件(4)，在壁面(1)中部斜率变化小处按大间距布置弹性元件(4)，构成非均布弹性元件组。
2.根据权利要求1所述栅板密封非均布预紧机构，其特征在于，所述壁面(1)跨距L，两端变形量之差为Δh，其两端位置布置两个弹性元件(4)，柔性桥接元件(3)呈一直线段，直线斜率为k＝Δh/L，设壁面(1)的曲线方程为y＝y(x)，则泄漏间隙变化规律为δ(x)＝y(x)-kx+const，在y'(xk)＝k处间隙最大，在壁面两端点处栅板(2)和壁面(1)接触，间隙δ＝0，从端点到y'(xk))＝k处壁面斜率变化越大，累积造成的间隙越大，在栅板(2)和桥接元件(3)接触点，const指栅板高度，在其他位置，指栅板高度与栅板底端到桥接元件(3)的距离之和。
3.根据权利要求1所述栅板密封非均布预紧机构，其特征在于，所述弹性元件组提供的预紧力使柔性桥接元件(3)形成更多段直线段，从而更好地逼近壁面(1)的曲线形状。
4.根据权利要求1所述栅板密封非均布预紧机构，其特征在于，所述柔性桥接元件(3)底侧与弹性元件(4)接触但不连接，弹性元件(4)与基座(5)间有定位但不固连。
5.根据权利要求1所述栅板密封非均布预紧机构，其特征在于，所述弹性元件(4)均处于预紧状态。
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