CN110953072A - 高流量捕获能力变几何轴对称进气道 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高流量捕获能力变几何轴对称进气道，解决现有进气道无法同时兼具高超声速动力宽范围、高流量捕获能力发展设计要求的问题。高流量捕获能力变几何轴对称进气道包括中心锥以及唇口；中心锥和唇口均为回转体，且中心锥同轴套设在唇口内，并可沿轴向在唇口内相对滑动，以实现激波贴口，使得面积收缩比、气动压缩量与来流马赫数达到良好匹配。本发明进气道具备宽范围(Ma0～6+)工作，高流量捕获能力(如Ma1.5～6+范围，流量系数大于0.98)，可有力缓解当前高超声速动力宽范围发展的迫切需求。其可在Ma0～6+工作范围内正常工作，并在超声速段(如Ma1.5～6+)范围实现几乎流量全捕获，同时可匹配良好的压缩量，总体性能良好。

Description

高流量捕获能力变几何轴对称进气道

技术领域

本发明属于进气道技术领域，具体涉及一种具有高流量捕获能力的变几何轴对称进气道。

背景技术

自上世纪60年代至今，吸气式高超声速动力技术取得了长足发展，形成了一系列重大成果。目前，高超声速动力发展出多种形式，如典型的超燃冲压发动机，以及多种组合循环发动机，如RBCC发动机、TBCC发动机以及预冷组合循环发动机等。

随着高超声速技术的工程化进程，对发动机的工作范围、性能等方面提出了更高的要求。在这种情况下，发动机的各个关键部件也需要进一步的提升各项性能。进气道作为吸气式高超声速动力的关键部件之一，应拓展工作范围，提升捕获能力，优化各方面的性能。

然而，传统的进气道在拓展工作范围的同时往往是以牺牲非设计点流量捕获能力为代价的，两者无法同时拓展；并且，传统的进气道均有明确的设计点(即额定工作工况)，在设计点可以实现流量全捕获，但是在非设计点性能严重下降。

由此，亟需设计一种新的进气道，在具备宽范围工作的情况下，同时具有高流量捕获能力，以满足更高的设计要求。

发明内容

本发明的目的在于解决现有进气道无法同时兼具高超声速动力宽范围、高流量捕获能力发展设计要求的不足之处，而提供了一种高流量捕获能力变几何轴对称进气道。

为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

高流量捕获能力变几何轴对称进气道，其特殊之处在于，包括中心锥、以及唇口；

所述中心锥和唇口均为回转体，且中心锥同轴套设在唇口内，并可沿轴向在唇口内相对滑动，以实现激波贴口，使得面积收缩比、气动压缩量与来流马赫数达到良好匹配；

该变几何轴对称进气道的型面由中心锥压缩面和唇口压缩面构成；

建立直角坐标系，定义进气道的轴向为X轴，径向为Y轴；

所述中心锥压缩面包括依次连接的外压段和内压段；

所述外压段采用曲面压缩设计，设计公式参见公式(1)：

y＝kxⁿ+tanθ·x (1)

其中，k为系数，可对幂指数函数xⁿ进行比例变换，一般小于1；

n为指数，其大小取决于外压段的设计线型；对于曲面压缩取凹线型，n＞1；而n＜1时，为凸线型；n＝1时，为直线型；

θ为中心锥压缩面的初始半锥角，其大小取决于进气道的工作马赫数范围；

外压段终点由最大压缩角θ_max确定；最大压缩角θ_max根据进气道的压缩量确定，与工作范围有关；

通过上述设计可有效缩短中心锥压缩面外压段长度，提高进气道的总压恢复，同时提高进气道的攻角、侧滑角适应能力。

内压段采用曲面设计，设计公式参见公式(2)：

y_c＝a(x_c-b)²+c (2)

其中，a、b和c为参数，大小根据中心锥压缩压缩面终点参数以及与外压段终点的连续、相切条件确定；

唇口压缩面为类S型曲面，设计公式参见公式(3)：

其中，f₀～f₅为参数，通过中心锥曲面压缩面与唇口压缩面的匹配约束条件进行确定；唇口曲线在最高工作马赫数状态进行求解；

本发明提供一种简单的确定f₀～f₅这6个参数的方法，于唇口型面起点、中间某处(如S弯拐弯处附近)和终点设置三个控制点，给定三个点的坐标和斜率即可全部解出6个参数。唇口起点的坐标可由捕获高度和激波贴口条件确定，起点处的斜率可由唇口压缩角和关闭条件约束确定，终点的斜率一般可根据出口约束条件确定；终点的位置和中间控制点参数可结合匹配约束关系最终确定。

按照上述设计，将唇口压缩面与中心锥压缩面进行匹配设计，可以实现进气道收缩比随移动距离按某一规律变化。通过移动变几何实现不同来流马赫数的“贴口”，获得极高的流量捕获能力，同时针对来流马赫数匹配合适的压缩量。

所述匹配约束关系，参见公式(4)：

其中，CR为面积收缩比，是进气道捕获面积与喉道面积之比；δx为中心锥的移动距离；CR和δx均是来流马赫数Ma₀的函数；

其中δx与Ma₀的函数关系由激波贴口条件确定，以最低工作马赫数位置为零点；CR与Ma₀的函数关系由进气道设计要求的压缩量来确定。

A_c为捕获面积；

h_c为捕获高度(对于轴对称进气道而言实际上是捕获半径)；

A_t为喉道面积。

进一步地，所述中心锥通过滑动组件在唇口内沿轴向滑动；

所述滑动组件包括支板以及相适配的滑动轴和滑轨；

所述滑动轴同轴安装在中心锥内；

所述滑轨通过支板同轴支撑在唇口内；

所述中心锥上开设有供支板穿过的通槽。

进一步地，所述支板有三个(当然也可以根据实际情况，调整支板的个数)，沿滑轨周向均匀设置，将滑轨固定在唇口内。

本发明的优点是：

1.本发明进气道为具备宽范围(Ma0～6+)工作，高流量捕获能力(如Ma1.5～6+范围，流量系数大于0.98)的变几何轴对称进气道，可有力缓解当前高超声速动力宽范围发展的迫切需求。其可在Ma0～6+工作范围内正常工作，并在超声速段(如Ma1.5～6+)范围实现几乎流量全捕获，同时可匹配良好的压缩量，总体性能良好。

2.本发明变几何轴对称进气道，通过精心设计气动压缩面，实现压缩量、面积收缩比与来流马赫数的良好匹配，从而在超声速工作范围内尽可能地实现激波贴口，达到几乎全流量捕获的目的。其核心在于中心锥压缩面和唇口压缩面气动型面的匹配设计，在特定移动变几何规律的约束下，实现激波贴口、面积收缩比与气动压缩量的良好匹配。

3.本发明根据给出的匹配约束关系和中心锥压缩面曲线，通过数学求解获得唇口压缩面，从而完成整个进气道气动型面的设计。

4.本发明通过移动中心锥进行几何调节，实现进气道喉道面积的变化，以适应进气道流量捕获能力、压缩量和来流马赫数的良好匹配，最终达到高流量捕获能力。

5.本发明通过匹配中心锥压缩面和唇口压缩面，在高马赫数或者其他不需要进气道工作的情况下，可通过移动中心锥变几何实现唇口和中心锥的贴合，关闭进气道流道。该功能传统的进气道均不具备。

6.传统的进气道均有明确的设计点，在设计点可以实现流量全捕获，但是在非设计点性能下降严重。本发明中的进气道设计时没有明确的设计点，针对工作范围(如Ma1.5～6+)结合移动变几何开展型面设计，可在整个超声速工作范围内实现良好的流量捕获能力，在设计方法上相比传统进气道有明显优势。

附图说明

图1为本发明进气道气动型面设计原理示意图。

图2为本发明进气道中心锥及滑动轴的三维构型图；

图3为本发明进气道唇口、滑轨及支板的三维构型图；

图4为本发明进气道打开状态的示意图；

图5为本发明进气道关闭状态的示意图；

附图标号如下：

1-中心锥；11-外压段；12-内压段；13-通槽；2-唇口；21-唇口压缩面；3-支板；4-滑动轴；5-滑轨。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：

如图所示，高流量捕获能力变几何轴对称进气道包括中心锥1、唇口2以及滑动组件。

中心锥1和唇口2均为回转体，且中心锥同轴套设在唇口内；中心锥通过滑动组件在唇口内沿轴向滑动，以实现激波贴口，使得面积收缩比、气动压缩量与来流马赫数达到匹配。

滑动组件包括以及相适配的滑动轴4和滑轨5。滑动轴同轴安装在中心锥内；滑轨通过三个支板3同轴支撑在唇口内，三个支板沿滑轨轴向均匀设置，将滑轨固定支撑在唇口内；中心锥上开设有供三个支板分别穿过的通槽13。

变几何轴对称进气道的型面由中心锥压缩面和唇口压缩面21构成，其中，中心锥压缩面包括依次连接的外压段11和内压段12；对于中心锥压缩面和唇口压缩面的型面设计以下述实施例为例进行详细说明。

一、确定设计要求：

1)进气道工作范围Ma0-4

2)Ma1.2-4范围流量系数大于0.98

3)压缩量要求，喉道马赫数位于1.2-2.2范围

4)捕获高度140mm

5)进气道长度不大于1200mm

二、建立直角坐标系，定义进气道的轴向方向为X轴，径向方向为Y轴；设计结果如下：

1.外压段型面的确定

对于工作范围Ma0-4，选取超声1.2-4开展设计。0-1.2范围使用Ma1.2状态的型面，对于该速度范围，马赫数较低，以1.2不脱体为原则，确定初始半锥角θ为8.5度；外压段为曲面压缩设计，为获得凹型曲线，参数n取2；通过调整系数使曲线更平缓，系数取k取0.1；根据进气道压缩量的要求，选取最大压缩角θ_max为20度；据此确定中心锥压缩面外压段的型面设计参数如表1所示：

表1外压段设计参数

设计参数	数值
		k	0.1
n	2.0
		θ/°	8.5
θ<sub>max</sub>/°	20

根据公式(1)可确定中心锥压缩面外压段型面：

y＝kxⁿ+tanθ·x (1)

2.内压段型面的确定

结合中心锥压缩面长度即可进一步确定内压段型面，中心锥长度取进气道总长的60％～90％(左右)，本实施例中取为800mm，根据中心锥压缩面终点参数以及与外压段终点的连续、相切的条件可解出三个参数分别为：

a＝-0.000697501；

b＝800；

c＝145.404；

并根据公式(2)确定内压段型面：

y_c＝a(x_c-b)²+c (2)

3.完成中心锥压缩面设计后，结合激波贴口关系可以得到典型马赫数对应的移动距离δx，详见表2：

表2移动距离与来流马赫数的对应关系

Ma<sub>0</sub>	δx/h<sub>c</sub>
		1.2	0
1.5	0.44
		2	1.00
2.5	1.48
		3	1.96
3.5	2.31
		4	2.68

通过拟合可以获得函数关系式δx/h_c＝l(Ma₀)，该关系式就有进气道最终的变几何移动调节规律。

4.唇口压缩面的确定

唇口压缩面结合中心锥压缩面及匹配约束关系可以给出三个控制点的参数。

第一个控制点的参数由喉道高度和Ma4状态的贴口条件确定，该点的切角可根据设计经验结合关闭时型面不干涉条件综合选取，取为8度。

为获得类“S”特征，第二控制点切角应小于第一个控制点，取为6度，其坐标和第三控制点参数可以逐步调整，通过多次迭代，求解出面积收缩比与来流马赫数的函数关系

与压缩量的要求对比，最终确定具体数值。

面积收缩比与来流马赫数的关系可以根据来流马赫数和出口马赫数要求通过气动理论关系初步估算出一个大致结果，迭代获得的面积收缩比关系与该理论分析结果相当即可完成迭代，最终确定第二、三个控制点的全部参数。

本实施例中最终确定的三个控制点参数详见表3：

表3唇口曲线三个控制点的坐标及切角

	P1	P2	P3
				X/mm	470	681.5	1128
y/mm	140	154	217
				θ/°	8	6	11

据此可解出6个参数分别为：

f₀＝6.77376E-12；

f₁＝-2.73273E-8；

f₂＝4.28611E-5；

f₃＝-0.0325164；

f₄＝11.998；

f₅＝-1588.04；

至此完成进气道型面设计，进气道长度为1128mm。

进气道面积收缩比与来流马赫数的对应关系详见表4：

表4典型来流马赫数对应的收缩比

Ma<sub>0</sub>	CR
		1.2	0.81
1.5	0.90
		2	1.14
2.5	1.48
		3	2.03
3.5	2.69
		4	3.8

由上述进气道数值仿真结果表明，该进气道可在1.2～4范围实现0.98以上的流量系数，喉道马赫数范围位于1.4～2.2范围。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.高流量捕获能力变几何轴对称进气道，其特征在于：包括中心锥(1)以及唇口(2)；

所述中心锥(1)和唇口(2)均为回转体，且中心锥(1)同轴套设在唇口(2)内，并可沿轴向在唇口内相对滑动，以实现激波贴口，使得面积收缩比、气动压缩量与来流马赫数达到匹配；

该变几何轴对称进气道的型面由中心锥压缩面和唇口压缩面(21)构成；

建立直角坐标系，定义进气道的轴向为X轴，径向为Y轴；

所述中心锥压缩面包括依次连接的外压段(11)和内压段(12)；

所述外压段采用曲面压缩设计，设计公式参见公式(1)：

y＝kxⁿ+tanθ·x (1)

其中，k为系数，可对幂指数函数xⁿ进行比例变换，小于1；

n为指数，其大小取决于外压段的设计线型，对于曲面压缩取凹线型，n＞1；

θ为中心锥压缩面的初始半锥角，其大小取决于进气道的工作马赫数范围；

外压段终点由最大压缩角确定；最大压缩角根据进气道的压缩量确定，与工作范围有关；

所述内压段采用曲面设计，设计公式参见公式(2)：

y_c＝a(x_c-b)²+c (2)

其中，a、b和c为参数，大小根据中心锥压缩面终点参数以及与外压段终点的连续、相切条件确定；

唇口压缩面为类S型曲面，设计公式参见公式(3)：

其中，f₀～f₅为参数，通过中心锥曲面压缩面与唇口压缩面的匹配约束条件进行确定；

所述匹配约束关系，参见公式(4)：

其中，CR为面积收缩比，是进气道捕获面积与喉道面积之比；δx为中心锥的移动距离；CR和δx均是来流马赫数Ma₀的函数；

A_c为捕获面积；

h_c为捕获高度；

A_t为喉道面积。

2.根据权利要求1所述的高流量捕获能力变几何轴对称进气道，其特征在于：所述中心锥通过滑动组件在唇口内沿轴向滑动；

所述滑动组件包括支板以及相适配的滑动轴(4)和滑轨(5)；

所述滑动轴同轴安装在中心锥内；

所述滑轨通过支板(3)同轴支撑在唇口内；

所述中心锥上开设有供支板穿过的通槽(13)。

3.根据权利要求2所述的高流量捕获能力变几何轴对称进气道，其特征在于：所述支板有三个，沿滑轨周向均匀设置，将滑轨固定在唇口内。

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