CN111272432B

CN111272432B - 一种基于凸轮和喷流机构的进气道脉动反压发生试验装置

Info

Publication number: CN111272432B
Application number: CN202010176697.3A
Authority: CN
Inventors: 高文智; 宁重阳; 曾亿山; 宋志雄; 曹绕; 刘常海
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2020-03-13
Filing date: 2020-03-13
Publication date: 2021-07-02
Anticipated expiration: 2040-03-13
Also published as: CN111272432A

Abstract

本发明涉及一种基于凸轮和喷流机构的进气道脉动反压发生试验装置，属于超声速和高超声速进气道技术领域。本发明包括进气道、堵块机构、凸轮机构、喷流机构和底座；进气道内的底部开设有方槽；堵块机构包括直动轴和堵块，堵块活动位于方槽内；凸轮机构包括凸轮、旋转轴和电机；喷流机构包括喷口板和两根以上的气管，喷口板上开设有喷孔，喷孔一端位于进气道内。试验时，高速气流由进气道的进口进入，电机带动堵块在方槽内上下移动，改变进气道的横截面积，产生脉动反压；当流通横截面积小于进气道横截面积的70%‑80%时，喷孔无气流喷入；当流通横截面积大于进气道横截面积的70%‑80%时，声速气流由喷孔喷入，声速气流由实验来流高速气流夹带到进气道的出口。

Description

一种基于凸轮和喷流机构的进气道脉动反压发生试验装置

技术领域

本发明属于超声速和高超声速进气道技术领域，具体涉及一种基于凸轮机构和喷流机构的脉动反压发生装置。

背景技术

超燃冲压发动机是吸气式高超声速飞行器的核心部件，沿流动方向由进气道、隔离段、燃烧室和尾喷管组成。超燃冲压发动机通过进气道从大气层获取氧化剂，使燃料在燃烧室内发生超声速燃烧并经过尾喷管膨胀产生推力。在实际工作时，燃烧室内会产生高温高压气体会以下游反压的形式作用于上游进气道/隔离段流动，这种作用会影响上游进气道的流场结构和发动机的工作模态，严重时会造成进气道不起动。进气道反压受燃料喷射的添质效应以及燃料燃烧产生的热释放效应综合影响，两者相互耦合并且伴随着明显的脉动特征。在进行进气道反压的模拟实验时，由于直接利用燃料燃烧产生脉动反压存在成本昂贵、难以控制和监测，安全要求高等因素，当前对于进气道脉动反压特性的产生多在无燃烧条件下通过下游节流增压或质量添加的模拟试验方法来实现。主要包括：1在进气道出口放置堵块，通过流道面积缩小、气流堵塞聚积产生反压；2在进气道下游通过外部气体喷流的质量添加和喷流扰动的综合效应产生反压。这些方法在模拟脉动反压时通常会遇到瓶颈。若采用堵块节流的方法，则脉动反压的频率受制于堵块周期性运动的频率，产生的脉动频率较低，难以满足高频脉动反压研究的需求。已有专利在进气道出口下游通过叶片旋转实现“堵”与“不堵”状态产生脉动反压。此方法虽然能够产生高频脉动反压，但该装置在进气道外部产生反压，与进气道内部受限空间的脉动反压存在明显差别。此外，单独采用外部气体喷流或脉冲喷流产生脉动反压时，受喷流与流场主流干扰影响，脉动反压的频率和反压强度的控制难度较大，并且试验时会消耗大量的气体。

发明内容

为了实现超燃冲压发动机中进气道高频脉动反压特性的宽范围、多工况的可靠模拟，本发明提供一种基于凸轮和喷流机构的进气道脉动反压发生试验装置。

一种基于凸轮和喷流机构的进气道脉动反压发生试验装置包括进气道1、堵块机构、凸轮机构2、喷流机构3和底座4；

所述进气道1呈水平气道，一端为进口，一端为出口；进气道1的横截面呈矩形，与出口相邻的进气道1内径向的底部开设有方槽12；与方槽12对应的进气道1底部设有光电传感器52；

所述堵块机构包括堵块21、直动轴23，堵块21固定设于直动轴23的上端，堵块21配合位于方槽12内，且能在方槽12内实现上下伸缩；

所述凸轮机构2包括依次连接的凸轮25、旋转轴26和电机211，旋转轴26平行于直动轴23；凸轮25的轴向两端面为工作面，所述直动轴23下部与凸轮25的一侧工作面活动接触；电机211的转动，带动堵块21在方槽12内上下移动，通过进气道1横截面的变化，实现进气流量的变化；

所述喷流机构3包括喷口板和两根以上的气管34，喷口板上开设有贯通的二个以上的喷孔321，二个以上的喷孔321的一端位于进气道1内，二个以上的喷孔321的另一端连通着两根以上的气管34，每根气管34上设有电磁阀35；

所述凸轮机构2设于底座4一侧，所述喷流机构3设于底座4另一侧上部；

试验时，高速气流不断由进气道1的进口进入，电机211带动凸轮25转动，驱动直动轴23上下往复移动，实现堵块21在方槽12内上下往复移动，改变进气道1内的横截面积，使进入进气道1内的高速气流因周期性的堵塞作用产生反压；当流通的横截面积小于进气道1横截面积的70%-80%时，喷孔无气流喷入；当流通的横截面积大于进气道1横截面积的70%-80%时，低速气流由喷孔喷入，低速气流由实验来流高速气流夹带到进气道的出口。

进一步限定的技术方案如下：

所述堵块机构的直动轴23上部是圆柱杆，下部是四棱柱；所述圆柱杆配合设有直线轴承22，直线轴承22的轴向一端固定在与方槽12对应的进气道1外侧底部；所述四棱柱上部一侧设有挡光板231，挡光板231垂直于直动轴23，所述光电传感器52固定设于与方槽12对应的进气道1外侧底部，挡光板321在光电传感器52有光路空间的下部位置，挡光板231随着直动轴23的上下移动实现传感器52光路周期性通断；所述四棱柱上部另一侧设有一对圆柱形的滚子24；所述凸轮机构2的凸轮25的部分位于一对滚子24之间，且凸轮25的轴向两侧工作面分别与一对滚子24接触。

所述凸轮25的轴向两端面为相同的凸凹起伏的波浪面,上下起伏的幅度为2-4mm，采用正弦曲面过渡。

所述凸轮25固定设于旋转轴26的一端，所述电机211的输出轴通过联轴器210固定连接着旋转轴26的另一端；旋转轴26的中部和一对轴承29配合，一对轴承29设于轴承座28内，轴承座28的外部设有一块外伸臂，外伸臂固定连接着底座4的顶部，使凸轮机构2位于底座4一侧。

所述喷流机构3还包括固定圆盘31、喷口板32和安装盘33；所述固定圆盘31上开设有阶梯通孔311，喷口板32配合位于固定圆盘31上的阶梯通孔311内，喷口板32和固定圆盘31之间存在偏心距；固定圆盘31位于安装盘33内，安装盘33固定设于与第一阶梯孔11对应的进气道1的底部，使固定圆盘31位于进气道1上的第一阶梯孔11内；每根气管34上的电磁阀35固定设于底座4上。

所述方槽12的槽中心线距进气道1的出口端之间的间距为50-53mm。

所述进气道1的横截面积为710-730mm²，当流通横截面积小于500-580mm²时，喷孔无气流喷入；当流通横截面积大于500-580mm²时，低速气流由喷孔喷入，低速气流由实验来流高速气流夹带到进气道的出口。

所述喷孔321的孔径为4-6mm，相邻喷孔之间的孔间距为2-5mm，喷孔321的中心与方槽12的槽中心线之间的间距为30-53mm。

所述一对轴承29均为圆锥滚子轴承。

所述电机211为松下MINAS A6系列MHMF042L1型号伺服电机。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.通过凸轮机构实现堵块21在进气道1内上下往复运动，使进气道1中气流出现周期性堵塞，堵塞度的大小可模拟振荡的振幅，往复运动的频率可模拟振荡频率，通过凸轮25升程曲线改变频率和振幅大小，振幅为2-4mm，根据凸轮升程可设置多种频率和振幅叠加运动，也可通过电机211改变转速从而改变振荡频率，频率可达到300Hz，远高于现有实验产生的频率，能更好模拟进气道1所承受的下游燃烧室振荡频率。

2.通过喷流机构实现对进气道1喷入气流，从而模拟燃料的喷入，可由两个以上电磁阀35分别控制喷孔321喷流的频率，喷流机构与进气道1安装之前，可通过改变固定圆盘31和喷口板32的角度，从而改变喷孔321的位置和角度，两个以上喷孔321可与进气道1内方槽12方向成不同角度，并距方槽12中心不同距离。

3.堵块21在进气道内上下周期往复运动使进气道流通横截面积周期性变化，变化范围在540mm到720mm之间，模拟进气道1燃烧室内燃料燃烧产生的反压，电磁阀35改变喷流的频率模拟进气道1燃料的喷流，当堵块21堵塞度达到或超过上限堵塞度25%，此时进气道1流通横截面积为540mm，触发反馈机构，并通过延时器的设定停止喷流喷入，堵塞度低于极限堵塞度时喷流开始喷入，堵塞与喷流相互耦合，联合模拟进气道1工作状态；使得模拟进气道1脉动反压过程更加准确、可靠。

4.本发明实验可以模拟脉动反压的频率范围为100-300Hz，频率数值高于现有的装置，并且喷流机构可模拟进气道实际工作时气体燃料的喷入过程，使得进气道反压模拟实验整体上更符合实际进气道工作过程，从而能够更好模拟出进气道实际工作时出现的高频脉动反压导致强非定常现象并加以研究，使得实验结果更加可靠。

5.本发明适用性强，关键零部件可单独拆卸，实现不同工况时，能够方便更换零件。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明凸轮机构的结构示意图；

图3为本发明进气道结构示意图；

图4为本发明直线轴承和反馈机构与进气道安装示意图；

图5为本发明凸轮带动堵块运动运动结构示意图；

图6为本发明直动轴机构示意图；

图7为本发明凸轮结构示意图；

图8为本发明轴承座结构示意图；

图9为本发明轴承与旋转轴安装示意图；

图10为本发明喷流机构的结构示意图；

图11为本发明固定圆盘结构示意图；

图12为本发明喷口板结构试图；

图13为本发明安装盘结构示意图；

图14为本发明喷流机构与进气道安装剖视图：

图15为本发明底座结构示意图；

图16为本发明堵快运动到最下端时工作状态示意图；

图17为本发明堵快运动到最上端时工作状态示意图。

上图中序号：进气道1、第一阶梯孔11、方槽12、第一通孔13、堵块21、直线轴承22、直动轴23、挡光板231、外螺纹232、第一圆孔233、滚子24、凸轮25、凸轮端面251、第二圆孔252、旋转轴26、轴承座端盖27、轴承座28、第二圆孔281、法兰282、第二螺纹孔283、第二通孔284、轴承29、联轴器210、电机211、固定圆盘31、阶梯通孔311、喷口板32、喷孔321、安装盘33、气管34、电磁阀35、底座4、电机支板41、传感器支架51、光电传感器52。

具体实施方案

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

实施例

参见图1，一种基于凸轮和喷流机构的进气道脉动反压发生试验装置包括进气道1、堵块机构、凸轮机构2、喷流机构3和底座4。

参见图3，进气道1呈水平气道，一端为进口，一端为出口；进气道1的横截面呈矩形，与出口相邻的进气道1内径向的底部开设有方槽12和第一阶梯孔11，方槽12的槽中心线距进气道1的出口端之间的间距为52mm；与方槽12对应的进气道1底部通过传感器支架51安装着光电传感器52。

参见图2和图5，堵块机构包括堵块21、直动轴23，堵块21固定设于直动轴23的上端，堵块21配合位于方槽12内，且能在方槽12内实现上下伸缩。参见图6，直动轴23上部是圆柱杆，下部是四棱柱；圆柱杆上配合设有直线轴承22，直线轴承22的轴向一端固定在与方槽12对应的进气道1外侧底部。四棱柱上部一侧安装有挡光板231，挡光板231垂直于直动轴23，光电传感器52固定安装于与方槽12对应的进气道1外侧底部，参见图4，挡光板231在光电传感器52有光路空间的下部位置，挡光板231随着直动轴23的上下移动实现传感器52光路周期性通断。四棱柱上部另一侧安装有一对圆柱形的滚子24。

参见图5，凸轮机构2包括依次连接的凸轮25、旋转轴26和电机211，旋转轴26平行于直动轴23，电机211为伺服电机。凸轮25固定安装于旋转轴26的一端，电机211的输出轴通过联轴器210固定连接着旋转轴26的另一端。参见图9，旋转轴26的中部和一对轴承29配合，一对轴承29固定安装于轴承座28内，一对轴承29均为圆锥滚子轴承。参见图8，轴承座28的外部设有一块外伸臂，外伸臂固定连接着底座4的顶部，参见图15，底座4呈L形，底座4的直立板一侧中部设有水平的电机支板41，电机211固定安装于电机支板41上，使凸轮机构2固定位于底座4的一侧，见图1。参见图7，凸轮25的轴向两端面为工作面，且为相同的凸凹起伏的波浪面,波浪面上下起伏的幅度为3mm，采用正弦曲面过渡。凸轮25的部分位于一对滚子24之间，且凸轮25的轴向两侧工作面分别与一对滚子24接触。直动轴23下部与凸轮25的一侧工作面活动接触。电机211的转动，带动堵块21在方槽12内上下移动，通过进气道1横截面的变化，实现进气流量的变化。

参见图10，喷流机构3包括固定圆盘31、喷口板32、安装盘33、三根气管34和三只电磁阀35。参见图12，喷口板32上开设有贯通的三个喷孔321。参见图11，固定圆盘31上开设有阶梯通孔311，喷口板32配合位于固定圆盘31上的阶梯通孔311内，喷口板32和固定圆盘31之间存在偏心距，偏心距为10mm。参见图13，安装盘33为具有台阶通孔的法兰盘；固定圆盘31位于安装盘33内，参见图14，安装盘33固定安装于与第一阶梯孔11对应的进气道1的底部，使固定圆盘31位于进气道1上的第一阶梯孔11内，且使喷口板32上的三个喷孔321的一端位于进气道1内。三个喷孔321的另一端分别连通着三根气管34；每根气管34上安装一个电磁阀35，三个电磁阀35分别固定安装于底座4上部另一侧。

喷孔321的孔径为5mm，相邻喷孔之间的孔间距为4mm，喷孔321的中心与方槽12的槽中心线之间的间距为45mm。

光电传感器52为AkuSense公司的SL-305N光电传感器，响应频率为1000Hz，远高于堵块21运动频率；电磁阀35为SMC公司的SX10高频电磁阀，频率可达1200Hz，足够接受通断信号并迅速动作；伺服电机211为松下MINAS A6系列MHMF042L1型号伺服电机。

本发明的试验技术条件说明如下：

实验在超声速或高超声速风洞里进行，高速气流为马赫3以上的空气或等同空气组分的气体来流，利用伺服电机211驱动凸轮机构，带动堵块21上下往复移动的频率为100-300Hz，进气道1起始横截面积为720mm²，通过更换上下端面凹凸起伏不同的凸轮25可改变堵块上下运动幅度和频率，通过更换不同厚度的堵块可以改变进气道1横截面积变化范围，通过伺服驱动器编程改变伺服电机211转速也可改变堵块上下运动频率；喷流机构由压缩气罐提供声速气流，电磁阀35由光电传感器52控制通断，与堵块21上下运动频率一致，喷口板32与固定圆盘31安装固定在进气道1的第一阶梯孔11上之前，可以调整角度，调整完成后通过安装盘33安装固定在进气道1上，并涂抹硅橡胶进行密封防止漏气。

本发明的工作原理详细说明如下：

试验时，流速Ma3(Ma:马赫数，速度与当地声速的比值)以上的高速气流不断由进气道1的进口进入，电机211带动旋转轴26旋转，旋转轴26上的凸轮25随着旋转轴26一起旋转，凸轮25上下凹凸起伏的端面251与直动轴23上的滚子24接触，使得滚子24和直动轴23随着凸轮端面251上下运动，直动轴23顶端的堵块21随着直动轴23在进气道1内上下运动，从而改变进气道1的横截面积，使横截面积或减少或增加地周期性变化，实现进气道1内的高速气流周期性堵塞，产生周期性的反压向进气道1的进口处传递。参见图17，当堵块21向上运动使进气道1的横截面积减少到540mm²时，直动轴23上的挡光板231向上运动并遮住光电传感器52的光路，触发传感器52，电磁阀35断电关闭，此时喷口板32上的喷孔321没有气流喷入进气道1内；参见图16，当堵块21向下运动使进气道1横截面积为540mm²并继续减少时，档光板231向下运动使光电传感器52光路接通，电磁阀35通电打开，此时喷孔板32上的喷孔321将声速气流喷入进气道1内，随着流速为Ma3以上的高速气流一同从进气道1出口流出。

本装置可以模拟产生高频脉动反压，频率为100-300Hz，更符合进气道实际工作时燃烧产生的脉动反压，喷流机构实现模拟进气道实际工作时声速气体燃料的喷入过程，使得进气道反压模拟实验整体上更符合实际进气道工作过程，并且能够更好模拟出进气道实际工作时出现的高频脉动反压导致强非定常现象并加以研究，使得实验结果更加可靠。

Claims

1.一种基于凸轮和喷流机构的进气道脉动反压发生试验装置，其特征在于：包括进气道（1）、堵块机构、凸轮机构（2）、喷流机构（3）和底座（4）；

所述进气道（1）呈水平气道，一端为进口，一端为出口；进气道（1）的横截面呈矩形，与出口相邻的进气道（1）内径向的底部开设有方槽（12）；与方槽（12）对应的进气道（1）底部设有光电传感器（52）；

所述堵块机构包括堵块（21）、直动轴（23），堵块（21）固定设于直动轴（23）的上端，堵块（21）配合位于方槽（12）内，且能在方槽（12）内实现上下伸缩；

所述凸轮机构（2）包括依次连接的凸轮（25）、旋转轴（26）和电机（211），旋转轴（26）平行于直动轴（23）；凸轮（25）的轴向两端面为工作面，所述直动轴（23）下部与凸轮（25）的一侧工作面活动接触；电机（211）的转动，带动堵块（21）在方槽（12）内上下移动，通过进气道（1）横截面的变化，实现进气流量的变化；

所述喷流机构（3）包括喷口板（32）和两根以上的气管（34），喷口板（32）上开设有贯通的二个以上的喷孔（321），二个以上的喷孔（321）的一端位于进气道（1）内，二个以上的喷孔（321）的另一端连通着两根以上的气管（34），每根气管（34）上设有电磁阀（35）；

所述凸轮机构（2）设于底座（4）一侧，所述喷流机构（3）设于底座（4）另一侧上部；

试验时，高速气流不断由进气道（1）的进口进入，电机（211）带动凸轮（25）转动，驱动直动轴（23）上下往复移动，实现堵块（21）在方槽（12）内上下往复移动，改变进气道（1）内的横截面积，使进入进气道（1）内的高速气流因周期性的堵塞作用产生反压；当流通横截面积小于进气道（1）横截面积的70%-80%时，喷孔无气流喷入；当流通横截面积大于进气道（1）横截面积的70%-80%时，低速气流由喷孔喷入，低速气流由实验来流高速气流夹带到进气道的出口。

2.根据权利要求1所述一种基于凸轮和喷流机构的进气道脉动反压发生试验装置，其特征在于：所述堵块机构的直动轴（23）上部是圆柱杆，下部是四棱柱；所述圆柱杆配合设有直线轴承（22），直线轴承（22）的轴向一端固定在与方槽（12）对应的进气道（1）外侧底部；所述四棱柱上部一侧设有挡光板（231），挡光板（231）垂直于直动轴（23），所述光电传感器（52）固定设于与方槽（12）对应的进气道（1）外侧底部，挡光板（231）在光电传感器（52）有光路空间的下部位置，挡光板（231）随着直动轴（23）的上下移动实现传感器（52）光路周期性通断；所述四棱柱上部另一侧设有一对圆柱形的滚子（24）；所述凸轮机构（2）的凸轮（25）的部分位于一对滚子（24）之间，且凸轮（25）的轴向两侧工作面分别与一对滚子（24）接触。

3.根据权利要求1所述一种基于凸轮和喷流机构的进气道脉动反压发生试验装置，其特征在于：所述凸轮（25）的轴向两端面为相同的凸凹起伏的波浪面，上下起伏的幅度为2-4mm。

4.根据权利要求1所述一种基于凸轮和喷流机构的进气道脉动反压发生试验装置，其特征在于：所述凸轮（25）固定设于旋转轴（26）的一端，所述电机（211）的输出轴通过联轴器（210）固定连接着旋转轴（26）的另一端；旋转轴（26）的中部和一对轴承（29）配合，一对轴承（29）设于轴承座（28）内，轴承座（28）的外部设有一块外伸臂，外伸臂固定连接着底座（4）的顶部，使凸轮机构（2）位于底座（4）一侧。

5.根据权利要求1所述一种基于凸轮和喷流机构的进气道脉动反压发生试验装置，其特征在于：所述喷流机构（3）还包括固定圆盘（31）、喷口板（32）和安装盘（33）；所述固定圆盘（31）上开设有阶梯通孔（311），喷口板（32）配合位于固定圆盘（31）上的阶梯通孔（311）内，喷口板（32）和固定圆盘（31）之间存在偏心距，偏心距为10-11mm；固定圆盘（31）位于安装盘（33）内，安装盘（33）固定设于与第一阶梯孔（11）对应的进气道（1）的底部，使固定圆盘（31）位于进气道（1）上的第一阶梯孔（11）内；每根气管（34）上的电磁阀（35）固定设于底座（4）上。

6.根据权利要求1所述一种基于凸轮和喷流机构的进气道脉动反压发生试验装置，其特征在于：所述方槽（12）的槽中心线距进气道（1）的出口端之间的间距为50-53mm。

7.根据权利要求1所述一种基于凸轮和喷流机构的进气道脉动反压发生试验装置，其特征在于：所述进气道（1）的横截面积为710-730mm²，当流通横截面积小于500-580mm²时，喷孔无气流喷入；当流通横截面积大于500-580mm²时，低速气流由喷孔喷入，低速气流由实验来流高速气流夹带到进气道的出口。

8.根据权利要求1或4所述一种基于凸轮和喷流机构的进气道脉动反压发生试验装置，其特征在于：所述喷孔（321）的孔径为4-6mm，相邻喷孔之间的孔间距为2-5mm，喷孔（321）的中心与方槽（12）的槽中心线之间的间距为30-50mm。

9.根据权利要求4所述一种基于凸轮和喷流机构的进气道脉动反压发生试验装置，其特征在于：所述一对轴承（29）均为圆锥滚子轴承。

10.根据权利要求1所述一种基于凸轮和喷流机构的进气道脉动反压发生试验装置，其特征在于：所述电机（211）为伺服电机。