CN110206666A - 一种进气道结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种进气道结构及其制作方法，该进气道结构为S弯形或蛇形，进气道结构内壁设为多个鲨鱼表皮鳞片状结构，鲨鱼表皮鳞片状结构沿进气道结构周向或轴向方向阵列排布，且排布的阵列密度不同，轴向排布时，大弯角两侧阵列排布的阵列密度大于其它区阵列排布的阵列密度。该进气道结构实现对进气道边界层分离流动的控制，解决了现有进气道流动控制方式需要增加额外能量、辅助机构和自适应差的问题。鲨鱼表皮鳞片状结构周向或轴向阵列排布方式，可最大化、连续性抑制边界层流动分离。该进气道结构适用性更宽。

Description

一种进气道结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种进气道结构及其制作方法。

背景技术

S弯或者蛇形进气道为军用发动机的重要部件之一，其不仅可以缩短进气道的长度提高推重比，而且具有很好的隐身性，但是，S弯或者蛇形进气道大弯角结构会对进口高速气流产生流动阻力，S形管沿流向扩展存在较大的逆压梯度，进入进气管道的高速气流很难贴附于极度弯曲的管道内壁，容易发生流动分离现象。同时，由于具有两个方向不同的弯道，气流主流经过这两个弯道时，由于离心力的作用，使得进气道两个弯道的高压区和低压区分布刚好相反，在周向上存在横向逆压梯度，驱动气流产生二次流，在进气道出口产生旋转涡结构，从而导致S弯/蛇形进气道出口速度和压力差不均匀、总压损失增大以及严重畸变的气流。而进气道出口的严重畸变流场带来的直接后果就是压气机稳定裕度下降和增压比、效率降低。

现有技术中，控制进气道流动分离主要有四种，其一，通过抽吸放气，将分离严重区域的低压气流边界层抽吸放气，该方法使用的结构简单，但存在能量损失；其二，通过涡流发生器，产生一定频率的旋涡结构，增加外层高能量流体和边界层内低能流体的惨混，达到增加边界层抵御逆压梯度的能力，但该方法频率无法与流动频率协调改变，变工况性能无法得到保障；其三，通过在分离点附近上下壁面开启狭缝射流出口进行射流，吹除分离区，该方法效果较为明显，但须考虑射流外部能量；其四，合成射流，合成射流激励源为等离子体或者压电应变片，与传统的吸/吹气流控制相比，合成射流具有无需额外气源、无需移动部件的独特优势，但是射流产生的能量受限，收益也比较有限。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对于现有的技术问题，本发明提出一种进气道结构及其制作方法，用于解决现有控制流动分离方式机构复杂、能量消耗等问题。

(二)技术方案

本发明提供一种进气道结构，该进气道结构为S弯形或蛇形，进气道结构内壁设为多个鲨鱼表皮鳞片状结构。

可选地，鲨鱼表皮鳞片状结构沿进气道结构周向方向阵列排布。

可选地，鲨鱼表皮鳞片状结构沿进气道结构轴向方向阵列排布。

可选地，鲨鱼表皮鳞片状结构沿进气道结构周向方向阵列排布的阵列密度不同。

可选地，鲨鱼表皮鳞片状结构沿进气道结构轴向方向阵列排布的阵列密度不同。

可选地，鲨鱼表皮鳞片状结构在进气道结构的弯角两侧阵列排布的阵列密度大于其它区阵列排布的阵列密度。

本发明另一方面提供一种进气道结构的制作方法，包括：

S1，对S弯形或蛇形进气道结构内部气体流动进行模拟，获得S弯形或蛇形进气道结构内部旋涡流动的形成条件和触发该旋涡流动的空间位置；S2，根据旋涡流动的形成条件、触发该旋涡流动的空间位置及S弯形或蛇形进气道的几何结构，计算S弯形或蛇形进气道结构内壁需设计的鲨鱼表皮鳞片状结构的尺寸；S3，根据鲨鱼表皮鳞片状结构的尺寸对S弯形或蛇形进气道结构内壁进行加工，使S弯形或蛇形进气道结构内壁形成多个鲨鱼表皮鳞片状结构。

可选地，在S3中，将S弯形或蛇形进气道结构内壁加工成沿S弯形或蛇形进气道结构周向或轴向阵列排布的多个鲨鱼表皮鳞片状结构。

可选地，在S3中，将S弯形或蛇形进气道结构内壁加工成沿S弯形或蛇形进气道结构周向或轴向阵列排布的阵列密度不同的多个鲨鱼表皮鳞片状结构。

可选地，在S3中，进气道结构的弯角两侧加工的阵列排布鲨鱼表皮鳞片状结构的阵列密度大于其它区加工的阵列排布的鲨鱼表皮鳞片状结构的阵列密度。

(三)有益效果

本发明提出一种进气道结构及其制作方法，有益效果为：

1、由于仅将现有典型进气道内壁改造为鲨鱼表皮结构，充分利用鲨鱼表皮微小鳞片状结构减阻原理，实现对进气道内高速气流减阻，抑制或推迟边界层分离的目的，实现对进气道边界层分离流动的控制，解决了现有进气道流动控制方式需要增加额外能量、辅助机构和自适应差的问题。

2、可根据实际进气道内部流动状态和边界层分离恶化程度，优化鲨鱼表皮微小鳞片状结构，通过合理设计鳞片的长宽高和角度，实现流动减阻效果的最大化，进而抑制或推迟边界层分离。不需要通过施加任何外部能量来提升边界层分离抑制的收益。

3、可根据实际进气道内部边界层分离流动抑制需求，进行微小鳞片状结构的周向或轴向阵列排布，通过周向或轴向阵列方式提升流动减阻效果，进而抑制或推迟边界层分离。

4、该进气道结构适用性更宽，不需要考虑进气道前后变工况条件导致的边界层分离点位置变化而引起的流动控制失效问题，内壁完全鲨鱼表皮造型可实现任何地方的边界层分离流动控制。

附图说明

图1示意性示出了本发明实施例S弯进气道内部流动示意图。

图2示意性示出了本发明实施例蛇形进气道内部流动示意图。

图3示意性示出了本发明实施例鲨鱼表皮细微鳞片状结构示意图。

图4示意性示出了本发明实施例S弯或蛇形进气道内壁鲨鱼表皮细微鳞片状结构周向阵列排布示意图。

图5示意性示出了本发明实施例S弯或蛇形进气道内壁鲨鱼表皮细微鳞片状结构轴向阵列排布示意图。

图6示意性示出了本发明实施例进气道结构的制作方法流程图。

图7示意性示出了本发明实施例鲨鱼表皮细微鳞片状结构几何尺寸的示意图。

【附图标记】

1-进口 2-出口 3-鲨鱼表皮细微鳞片状结构

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1和图2分别为现有典型的S弯进气道结构和蛇形进气道结构的示意图，从图中可以明显的看出，这种进气道结构具有明显边界层分离区，该分离区会在出口演变为强旋涡畸变流场，影响发动机本体的工作性能。从边界层分离流动控制的原理来看，目的就是增加边界层抵御逆压梯度的能力，如果可以通过减小流动阻力的方式，减小近壁流动能量耗散，也可以实现推迟或者抑制边界层分离的目的。

基于此，本发明提出一种进气道结构，可用于降低超隐身进气道流动的阻力。该进气道结构为S弯形或蛇形，进气道结构内壁设为多个鲨鱼表皮鳞片状结构，鲨鱼表皮鳞片状结构如图3所示。

根据仿生学原理：鲨鱼作为一种海洋动物，其游速之快毋容置疑，在海水里游速一般要比其他海洋动物快，成为众多海洋生物的霸主。研究表明，由于鲨鱼表面覆盖着许多微小盾鳞(鲨鱼表皮细微鳞片状结构)，能够大大减小鲨鱼在水中游泳时的阻力。因此，将鲨鱼在海里高速游动过程中用于减小流动阻力的表皮细微鳞片状结构，用于S弯形或蛇形进气道内壁，即可达到减小高速气流在进气道内壁流动阻力的目的，从而可抑制或推迟边界层分离，进而减小进气道出口的畸变强度。

其中，S弯形或蛇形进气道内壁，鲨鱼表皮鳞片状结构可沿进气道结构周向方向阵列排布，排布结果如图4所示，也可沿进气道结构轴向方向阵列排布，排布结果如图5所示。鲨鱼表皮鳞片状结构沿进气道结构周向方向阵列排布的阵列密度不同，这种结构可最大程度地减小高速气流在进气道内的流动阻力，推迟分离发生；鲨鱼表皮鳞片状结构沿进气道结构轴方向阵列排布的阵列密度不同，且进气道结构的大弯角两侧阵列排布的阵列密度大于其它区阵列排布的阵列密度，这种结构可减小高速气流流经大弯角处的阻力，从而减小进气道总压损失。

本发明实施例提出一种进气道结构的制作方法，如图6所示，方法包括：

S1，对S弯形或蛇形进气道结构内部气体流动进行模拟，获得S弯形或蛇形进气道结构内部旋涡流动的形成条件和触发该旋涡流动的空间位置。

在上述操作S1中，通过数值模拟方法对S弯形或蛇形进气道结构内部气体流动进行模拟，获得进气道内部旋涡流动形成机制和触发该旋涡流动的空间位置，如图1和图2所示。

S2，根据旋涡流动的形成条件、触发该旋涡流动的空间位置及S弯形或蛇形进气道的几何结构，计算所述S弯形或蛇形进气道结构内壁需设计的鲨鱼表皮鳞片状结构的尺寸。

在上述操作S2中，设计如图3所示的鲨鱼表皮细微鳞片状结构，设计过程中需确定鲨鱼表皮细微鳞片状结构的尺寸参数，如图7所示，包括该鲨鱼表皮细微鳞片状结构的长(L_c和Lr)，宽度(L_s)，高度(h₁和h₂)以及角度(θ)，根据旋涡流动的形成条件、触发该旋涡流动的空间位置、边界层分离恶化程度及S弯形或蛇形进气道的几何结构，对参数进行设计及优化，获得能够最大程度上进行减阻的微小鳞片状结构，然后通过数值模拟方法评估鳞片结构对边界层分离流动的抑制效果。

在完成鲨鱼表皮细微鳞片状结构尺寸参数设计及优化之后，为了使得边界层分离流动抑制程度的最大化，可根据不同进气道几何结构，设计不同周向阵列密度，如图4所示排布方式，最大程度地减小高速气流在进气道内的流动阻力，推迟边界层分离。周向阵列密度可根据需求进行优化，阵列密度的选取要权衡对边界层分离流动抑制的收益和加工制造难度及工艺需求，目前可以采用3D打印实现高精度细微结构的加工。

另外，为了能够连续性抑制边界层分离，通常可以采用如图5所示的轴向阵列排布方式，根据不同进气道结合结构，设计不同轴向阵列密度，尤其是在大弯角前后端应提高阵列密度，减小高速气流流经大弯角处的阻力，推迟分离发生，从而减小进气道总压损失。阵列密度可根据需求进行优化，阵列密度的选取要权衡对边界层分离流动抑制的收益和加工制造难度及工艺需求，目前可以采用3D打印实现高精度细微结构的加工。

这样，通过对鲨鱼表皮细微鳞片状结构进行周向和轴向进行不同阵列密度方式排布之后，即可评估类鲨鱼表皮进气道内壁结构对进气道边界层分离流动抑制或推迟的效果。

S3，根据鲨鱼表皮鳞片状结构的尺寸对S弯形或蛇形进气道结构内壁进行加工，使S弯形或蛇形进气道结构内壁形成多个鲨鱼表皮鳞片状结构。

在上述操作S3中，根据操作S2中的设计，对S弯形或蛇形进气道结构内壁进行加工，将S弯形或蛇形进气道结构内壁加工成沿S弯形或蛇形进气道结构周向或轴向阵列排布的多个鲨鱼表皮鳞片状结构，沿S弯形或蛇形进气道结构周向或轴向阵列排布的阵列密度不同，尤其是进气道结构的弯角两侧加工的阵列排布鲨鱼表皮鳞片状结构的阵列密度需要根据实际需求和几何结构进行优化设计，在本发明一实施例中，鲨鱼表皮鳞片状结构在进气道结构的弯角两侧阵列排布的阵列密度大于其它区阵列排布的阵列密度。

通过上述步骤即可完成进气道结构的制作，该做方法制作的进气道结构，由于仅将现有典型进气道内壁改造为鲨鱼表皮结构，充分利用鲨鱼表皮微小鳞片状结构减阻原理，实现对进气道内高速气流减阻，抑制或推迟边界层流动分离；通过轴向和周向阵列排布鲨鱼表皮鳞片状结构，可最大化、连续性抑制边界层分离；该种结构设计根据进气道结合结构设计，适用性更宽，不需要考虑进气道前后变工况条件。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种进气道结构，其特征在于，所述进气道结构为S弯形或蛇形，所述进气道结构内壁设为多个鲨鱼表皮鳞片状结构，所述鲨鱼表皮鳞片状结构可减小所述进气道结构内壁的流体流动阻力。

2.根据权利要求1所述的进气道结构，其特征在于，所述鲨鱼表皮鳞片状结构沿所述进气道结构周向方向阵列排布。

3.根据权利要求1所述的进气道结构，其特征在于，所述鲨鱼表皮鳞片状结构沿所述进气道结构轴向方向阵列排布。

4.根据权利要求2所述的进气道结构，其特征在于，所述鲨鱼表皮鳞片状结构沿所述进气道结构周向方向阵列排布的阵列密度不同。

5.根据权利要求3所述的进气道结构，其特征在于，所述鲨鱼表皮鳞片状结构沿所述进气道结构轴向方向阵列排布的阵列密度不同。

6.根据权利要求5所述的进气道结构，其特征在于，所述鲨鱼表皮鳞片状结构在所述进气道结构的弯角两侧阵列排布的阵列密度大于其它区阵列排布的阵列密度。

7.一种进气道结构的制作方法，其特征在于，包括：

S1，对S弯形或蛇形进气道结构内部气体流动进行模拟，获得所述S弯形或蛇形进气道结构内部旋涡流动的形成条件和触发该旋涡流动的空间位置；

S2，根据所述旋涡流动的形成条件、触发该旋涡流动的空间位置及所述S弯形或蛇形进气道的几何结构，计算所述S弯形或蛇形进气道结构内壁需设计的鲨鱼表皮鳞片状结构的尺寸；

S3，根据所述鲨鱼表皮鳞片状结构的尺寸对所述S弯形或蛇形进气道结构内壁进行加工，使S弯形或蛇形进气道结构内壁形成多个鲨鱼表皮鳞片状结构。

8.根据权利要求7所述的进气道结构的制作方法，其特征在于，在S3中，将所述S弯形或蛇形进气道结构内壁加工成沿所述S弯形或蛇形进气道结构周向或轴向阵列排布的多个鲨鱼表皮鳞片状结构。

9.根据权利要求8所述的进气道结构的制作方法，其特征在于，在S3中，将所述S弯形或蛇形进气道结构内壁加工成沿所述S弯形或蛇形进气道结构周向或轴向阵列排布的阵列密度不同的多个鲨鱼表皮鳞片状结构。

10.根据权利要求9所述的进气道结构的制作方法，其特征在于，在S3中，所述进气道结构的弯角两侧加工的阵列排布鲨鱼表皮鳞片状结构的阵列密度大于其它区加工的阵列排布的鲨鱼表皮鳞片状结构的阵列密度。