CN110805695B - 一种可调流道转动轴动密封结构 - Google Patents

一种可调流道转动轴动密封结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可调流道转动轴动密封结构，所述流道为进气道，进气道包括：外压缩面、侧板、唇口板、内压缩段底板、附面层吸除通道、吸除腔前壁、吸除腔下壁、吸除腔后壁、吸除腔侧壁、吸除腔出口；所述内压缩段底板上设计有附面层吸除通道，使内压缩段底板周围的附面层低能流体由附面层吸除通道排出进气道内通道；内压缩段底板下部设有吸除腔封闭腔体，由附面层吸除通道排出进气道内通道的低能流体进入吸除腔封闭腔体，然后排出发动机。本发明对于呈二元或近似呈二元特征的发动机流道壁面，可以实现驱动杆力臂有效增长，降低驱动装置输出力需求和空间需求。

Description

一种可调流道转动轴动密封结构
技术领域
本发明属于吸气式冲压发动机技术领域，涉及一种可调流道转动轴动密封结构。
背景技术
可调进气道是实现宽马赫数多模态工作发动机工作宽域工作、“多点”性能优化的有效技术途径。依托以喉道调节为代表的可调进气道方案具有适应范围宽，结构实现代价适中等特点，需要针对此类调节需求，提出一种兼顾流动控制和调节代价的调节结构方案。
第一，可调流道方案需要引入动密封方案，切断流道通道内高温高压气流窜入附件腔体的通道，避免附件腔体内设备因工作环境失控而被破坏的问题。针对高温动密封技术公开报道较少，目前公开文献中，在多为工业级元器件或原材料进展，对宽马赫数多模态工作发动机可调流道使用高温动密封方案报道稀缺。因此需要在结构设计中重点考虑高温动密封方案设计。
第二，从密封基本原理可知，为了实现流道型面调节过程中的密封功能，需要配置预紧力来保持密封材料与密封面的贴合，因此密封材料随可调流道运动时必然带来摩擦力，增加调节机构驱动装置输出力要求。另一方面，驱动装置输出力受限于发动机能源管理和质量/空间要求，不能为了“绝对”密封，无限制的增大驱动力要求。因此，需要精细设计调节机构，缓解调节对于驱动力的需求。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：针对具有近似二元几何特征的几何流道，兼顾流动控制和调节代价需求，提出一类可调流道转动轴动密封结构。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种可调流道转动轴动密封结构，所述流道为进气道，进气道包括：外压缩面6、侧板7、唇口板8、内压缩段底板9、附面层吸除通道10、吸除腔前壁11、吸除腔下壁12、吸除腔后壁13、吸除腔侧壁14、吸除腔出口15；进气道结构相对于XY平面成对称分布，侧板7、唇口板8、内压缩段底板9以及对称面另一侧隐藏部分，形成进气道内通道；捕获气流沿外压缩面6和进气道内通道流动，经历减速增压过程，主流沿X方向流向进气道下游部件；其中，XYZ三维坐标系为：Y方向为法向，Z方向为展向，X方向为流向；所述内压缩段底板9上设计有附面层吸除通道10，使内压缩段底板9周围的附面层低能流体由附面层吸除通道10排出进气道内通道；内压缩段底板9下部设有吸除腔封闭腔体，由附面层吸除通道10排出进气道内通道的低能流体进入吸除腔封闭腔体，然后排出发动机。
其中，所述吸除腔前壁11、吸除腔下壁12、吸除腔后壁13、吸除腔侧壁14形成吸除腔封闭腔体。
其中，所述吸除腔封闭腔体上还设置有吸除腔出口15，由附面层吸除通道10排出进气道内通道的低能流体进入吸除腔封闭腔体后由侧向吸除腔出口15排出发动机。
其中，所述内压缩段底板9的两端分别设置底板前铰链16和底板后铰链17，吸除腔下壁12下方设置吸除腔下壁背部铰链18，驱动杆19绕底板背部铰链18转动，实现内压缩段底板9的几何运动。
其中，所述底板前铰链16与内压缩段底板9上游的流道型面连接，实现内压缩段底板9的转动。
其中，所述驱动杆19设置有两组，能够实现内压缩段底板9的平动升降。
其中，所述内压缩段底板9的两端分别设置底板前铰链16和底板后铰链17内压缩段底板9背部设置内压缩段底板背部铰链20，内压缩段底板背部铰链20位于吸除腔前壁11、吸除腔下壁12、吸除腔后壁13构成的吸除腔内部，驱动杆19绕内压缩段底板背部铰链20转动，实现内压缩段底板9的几何运动。
其中，所述内压缩段底板背部铰链20包括：吸除腔内侧壁21、铰链轴22、密封环23、密封环压盖24、紧固螺母25；吸除腔内侧壁21与其对称侧结构分别设置了两个同轴等直径铰链轴孔，驱动杆19设置有一个铰链轴孔，上述三孔直径相等；随后利用铰链轴22贯穿上述铰链孔，并在铰链轴22外侧依次安装密封环23和密封环压盖24，并用紧固螺母25形成与铰链轴22轴线方向相同的预紧力；铰链轴22中部的铰链配合面26与驱动杆19、吸除腔内侧壁21安装配合，铰链密封端面27与吸除腔内侧壁21的端面、密封环23平齐；铰链轴22外侧的配合面28与密封环23内孔表面配合；铰链轴22外端的螺纹29和“一”字固定槽30用于紧固螺母25时使用。
其中，所述唇口板8为固定型面。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的可调流道转动轴动密封结构，对于呈二元或近似呈二元特征的发动机流道壁面，可以实现驱动杆力臂有效增长，降低驱动装置输出力需求和空间需求。
附图说明
图1为近似二元特征的流道型面调节示意图。
图2为二元进气道流道型面示意图。
图3为流道型面调节基础方案示意图。
图4为流道型面调节改进方案示意图。
图5为流道型面调节改进方案示意图。
图6为铰链轴结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
首先，对于进气道几何调节的基本形式进行说明。如图1所示几何调节主要呈现定轴转动和升降平动，以二维截面表征流道型面，其中：(1)1型面-O1A1在O1处与发动机其他流道结构进行铰链连接，使型面可以绕O1转动至O1A2位置；
(2)2型面-B1C1、3型面-C1D、4型面-DE和5型面-B1E四型面呈平行四边形特征，各型面依次通过铰链连接，若以型面DE为相对运动参考，通过型面3型面-C1D和5型面-B1E绕各自转动中心的定轴转动，可以实现2型面-B1C1平动升高至B2C2位置。补充说明的是，针对平动升降运动，仍有其他运动机构形式可以实现相同调节功能。鉴于保证进气道性能考虑，通常要求其流道型面光顺。因此，针对转动和平动调节需求，需要将铰链连接结构设置于远离流道通道的可调型面背部。
其次，对于二元进气道流道进行说明。考虑二元进气道的几何对称特性，形成如图2所示流道结构，进气道主要包括：外压缩面6、侧板7、唇口板8、内压缩段底板9、附面层吸除通道10、吸除腔前壁11、吸除腔下壁12、吸除腔后壁13、吸除腔侧壁14、吸除腔出口15。进气道结构相对于XY平面成对称分布。侧板7、唇口板8、内压缩段底板9以及对称面另一侧隐藏部分，形成进气道内通道。捕获气流沿外压缩面6和进气道内通道流动，经历减速增压过程，主流近似沿X方向流向进气道下游部件，沿灰色较粗箭头方向流动。由流场分布特征可知，在内压缩段底板9附近容易形成较厚的附面层，形成不利于进气道性能的流动特征，附面层分离、激波/附面层相互作用等。因此，在内压缩段底板9上设计有附面层吸除通道10，使内压缩段底板9附近的附面层低能流体由附面层吸除通道10排出进气道内通道。另一方面，在内压缩段底板9下部设有一腔体结构，以图2为例，吸除腔前壁11、吸除腔下壁12、吸除腔后壁13、吸除腔侧壁14形成除吸除腔出口15外的吸除腔封闭腔体(对称面另一侧隐藏)排除，由附面层吸除通道10排出进气道内通道的低能流体，进入吸除腔封闭腔体，并由侧向吸除腔出口15排出发动机(沿白色较细箭头方向流动)。
对于Ma4-7冲压发动机和宽域宽马赫数多模态工作发动机而言，进气道往往位于飞行器头部或前部，相比而言，飞行器/发动机对于Y方向(法向)约束相对严苛，其次是Z方向(展向)，较为宽松的是X方向(流向)。因此，结构设计时需要特别注意Y方向(法向)的空间占用需求。
随后，对于可调进气道几何调节型面进行说明。本专利重点解决9内压缩段底板几何调节所带来的结构问题。由图1和图2所示，不难发现，基于定轴转动形式，可以实现进气道型面调节功能。因此，选用附面层吸除与型面定轴转动两个设计要求，形成如图3所示的调节基础方案，其中外侧矩形虚线框表征空间要求(特别是Y方向约束)。具体来看，唇口板8为固定型面，内压缩段底板9上设有附面层吸除通道10，可以使其上侧低能附面层流体进入下方由吸除腔前壁11、吸除腔下壁12、吸除腔后壁13形成的吸除腔(侧板7、吸除腔侧壁14未在图中显示)。底板前铰链16和底板后铰链17分别设置于内压缩段底板9的两端，吸除腔下壁背部铰链18设置于吸除腔下壁12下方。由于内压缩段底板9、吸除腔前壁11、吸除腔下壁12、吸除腔后壁13为刚性连接结构，因此，在驱动杆19的作用下(绕底板背部铰链18转动)，可以实现内压缩段底板9的几何运动要求。例如，若将底板前铰链16与内压缩段底板9上游的流道型面连接，则可以实现内压缩段底板9的转动；若参照图1(b)原理，设置两组驱动杆19，则可以实现内压缩段底板9的平动升降。
图4显示了基于图3形成的改进方案，也即本专利提出的设计创新点。对比易知，图4所示改进方案将吸除腔下壁背部铰链18改为了内压缩段底板背部铰链20，直接加长了驱动杆19的力臂尺寸，当内压缩段底板9需要完成相同的运动规律时，其力学载荷近似不变(力矩近似不变)，因此，可以有效节省型面调节带来的驱动力需求。当然，由于内压缩段底板背部铰链20位于内压缩段底板9背部、吸除腔内部(主要由吸除腔前壁11、吸除腔下壁12、吸除腔后壁13构成)，需要考虑内压缩段底板背部铰链20在运动过程中的动密封问题，壁面吸除腔内高温气流经由铰链连接间隙，进入附件腔体。
最后，针对流道型面调节改进方案的具体结构进行说明。图5显示了图4所示改进方案的三维模型，前文已说明设计特征包括：内压缩段底板9、附面层吸除通道10、吸除腔前壁11、吸除腔下壁12、吸除腔后壁13、吸除腔侧壁14、底板前铰链16、底板后铰链17、驱动杆19。针对内压缩段底板背部铰链20，细化分解为：吸除腔内侧壁21(含铰链轴孔)、铰链轴22、密封环23、密封环压盖24、紧固螺母25。
具体来看，吸除腔内侧壁21与其对称侧结构，分别设置了两个同轴等直径铰链轴孔，驱动杆19设置有一个铰链轴孔，上述三孔直径相等。随后利用铰链轴22贯穿上述铰链孔，并在铰链轴22外侧依次安装密封环23和密封环压盖24，并用紧固螺母25形成与铰链轴22轴线方向相同的预紧力。如图6所示，铰链轴22中部的铰链配合面26与驱动杆19、吸除腔内侧壁21(含铰链轴孔)安装配合，铰链密封端面27与吸除腔内侧壁21的端面、密封环23平齐。铰链轴22外侧的配合面28与密封环23内孔表面配合。铰链轴22外端的螺纹29和“一”字固定槽30用于紧固螺母25时使用。
由上述技术方案可以看出，本发明具有以下显著特点：
1、基于图5所示铰链连接结构，将该结构移至调节型面背部，增大驱动杆力臂距离，间接降低驱动装置输出力需求和空间需求。
2、基于图5所示转动轴密封结构，解决吸除腔内部高温气流在铰链结构转动过程中的动密封问题。
3、基于图6所示铰链轴安装特征，解决密封预紧力和转轴安装固定问题。
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 (2)

1.一种可调流道转动轴动密封结构，所述流道为进气道，进气道包括：外压缩面(6)、侧板(7)、唇口板(8)、内压缩段底板(9)、附面层吸除通道(10)、吸除腔前壁(11)、吸除腔下壁(12)、吸除腔后壁(13)、吸除腔侧壁(14)、吸除腔出口(15)；进气道结构相对于XY平面成对称分布，侧板(7)、唇口板(8)、内压缩段底板(9)以及对称面另一侧隐藏部分，形成进气道内通道；捕获气流沿外压缩面(6)和进气道内通道流动，经历减速增压过程，主流沿X方向流向进气道下游部件；其中，XYZ三维坐标系为：Y方向为法向，Z方向为展向，X方向为流向；其特征在于，所述内压缩段底板(9)上设计有附面层吸除通道(10)，使内压缩段底板(9)周围的附面层低能流体由附面层吸除通道(10)排出进气道内通道；内压缩段底板(9)下部设有吸除腔封闭腔体，由附面层吸除通道(10)排出进气道内通道的低能流体进入吸除腔封闭腔体，然后排出发动机；
所述吸除腔前壁(11)、吸除腔下壁(12)、吸除腔后壁(13)、吸除腔侧壁(14)形成吸除腔封闭腔体；
所述吸除腔封闭腔体上还设置有吸除腔出口(15)，由附面层吸除通道(10)排出进气道内通道的低能流体进入吸除腔封闭腔体后由侧向吸除腔出口(15)排出发动机；
所述内压缩段底板(9)的两端分别设置底板前铰链(16)和底板后铰链(17)，内压缩段底板(9)背部设置内压缩段底板背部铰链(20)，内压缩段底板背部铰链(20)位于吸除腔前壁(11)、吸除腔下壁(12)、吸除腔后壁(13)构成的吸除腔内部，驱动杆(19)绕内压缩段底板背部铰链(20)转动，实现内压缩段底板(9)的几何运动；
所述底板前铰链(16)与内压缩段底板(9)上游的流道型面连接，实现内压缩段底板(9)的转动；
所述驱动杆(19)设置有两组，能够实现内压缩段底板(9)的平动升降；
所述内压缩段底板背部铰链(20)包括：吸除腔内侧壁(21)、铰链轴(22)、密封环(23)、密封环压盖(24)、紧固螺母(25)；吸除腔内侧壁(21)与其对称侧结构分别设置了两个同轴等直径铰链轴孔，驱动杆(19)设置有一个铰链轴孔，上述三孔直径相等；随后利用铰链轴(22)贯穿上述铰链轴孔，并在铰链轴(22)外侧依次安装密封环(23)和密封环压盖(24)，并用紧固螺母(25)形成与铰链轴(22)轴线方向相同的预紧力；铰链轴(22)中部的铰链配合面(26)与驱动杆(19)、吸除腔内侧壁(21)安装配合，铰链密封端面(27)与吸除腔内侧壁(21)的端面、密封环(23)平齐；铰链轴(22)外侧的配合面(28)与密封环(23)内孔表面配合；铰链轴(22)外端的螺纹(29)和“一”字固定槽(30)用于紧固螺母(25)时使用。
2.如权利要求1所述的可调流道转动轴动密封结构，其特征在于，所述唇口板(8)为固定型面。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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CB03 Change of inventor or designer information
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Inventor after: Yang Hui

Inventor after: Guo Zhaopu

Inventor after: Du Jiangyi

Inventor after: Liu Sheng

Inventor after: Man Yanjin

Inventor after: Zhu Shoumei

Inventor before: Guo Zhaopu

Inventor before: Du Jiangyi

Inventor before: Liu Sheng

Inventor before: Man Yanjin

Inventor before: Zhu Shoumei