CN111379645B - 一种能够改变喉道面积和出口面积的双喉道喷管及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够改变喉道面积和出口面积的双喉道喷管及其方法。双喉道喷管包括喷管进口、喷管出口以及顺序连接在喷管进口、喷管出口之间的喷管前部固定段、喷管收敛段、凹腔扩张段、凹腔收敛段，喷管本体型面的各段之间均通过铰链连接，且凹腔扩张段、凹腔收敛段之间的连接位点处的铰链轴a安装在滑轨上；所述滑轨的铺设方向与喷管的轴向一致；所述铰链轴a与动力驱动装置A的动力输出端连接；铰链轴a在动力驱动装置A的作用下，能够沿着滑轨滑动。因此，本发明利用动力驱动装置改变各段活动部件的位置，可实现喷管喉道面积和出口面积的调节；具有结构简单合理，机构运动方式易于实现，效益明显，实用性强。

Description

一种能够改变喉道面积和出口面积的双喉道喷管及其方法

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，尤其是一种应用于航空发动机排气系统的新型结构，具体地说是一种能够改变喉道面积和出口面积的双喉道喷管及其方法。

背景技术

固定几何气动矢量喷管具有不变的几何结构和巧妙的流体控制方式，已经成为航空发动机排气系统领域的研究热点。其中，双喉道气动矢量喷管因其具有推力损失较小，矢量偏转角大且稳定，矢量效率高等优点，是目前主要的研究对象。对于固定几何气动矢量喷管，其喉道面积的变化主要是通过在喷管喉道截面附近注入对称的二次流来实现的。一般来说，使用1％的二次流相对流量可实现3％的当量喉道面积变化。然而，对于要求喉道面积变化达到50％甚至100％的带加力燃烧室的航空发动机来说，超过15％的二次流相对流量是难以接受的。针对双喉道喷管，在改变其喉道面积的同时，其出口面积也需要改变，继续采用对称注入二次流的气动方式来实现喷管喉道面积和出口面积的变化会越发困难。特别地，对于传统的双喉道喷管，其喉道面积与出口面积相等，其喉道面积改变的同时，出口面积也必须相应改变。否则，其将变成一个纯粹的收敛喷管，难以实现双喉道喷管的相应功能。对于出口面积大于喉道面积的扩张型双喉道喷管，当其喉道面积变化时，在喉道面积逐渐增大且大于出口面积的情况下，喷管出口面积也需要增大。因此，开发一种全新的，结构简单且能改变喉道面积和出口面积的双喉道喷管结构具有很强的工程应用价值。

发明内容

为了克服背景技术中的不足，本发明提供了一种能够改变喉道面积和出口面积的双喉道喷管及其方法，仅需通过简单的机构运动，即可实现双喉道喷管喉道面积和出口面积的调节。

为实现上述的技术目的，本发明将采取如下的技术方案：

一种能够改变喉道面积和出口面积的双喉道喷管，包括喷管进口、喷管出口以及连接在喷管进口、喷管出口之间的喷管本体型面；喷管本体型面具有四段，包括顺序连接在喷管进口、喷管出口之间的喷管前部固定段、喷管收敛段、凹腔扩张段、凹腔收敛段，喷管收敛段、凹腔扩张段连接位置处的截面为喷管几何喉道截面，凹腔扩张段、凹腔收敛段的连接位置处能够形成凹腔；喷管本体型面的各段之间均通过铰链连接，且凹腔扩张段、凹腔收敛段之间的连接位点处的铰链轴a安装在滑轨上；所述滑轨的铺设方向与喷管的轴向一致；所述铰链轴a与动力驱动装置A的动力输出端连接；铰链轴a在动力驱动装置A的作用下，能够沿着滑轨滑动。

作为本发明的进一步改进，所述凹腔收敛段与动力驱动装置B的动力输出端连接；凹腔收敛段在动力驱动装置B的作用下，能够绕凹腔扩张段、凹腔收敛段之间的连接位点旋转。

作为本发明的进一步改进，动力驱动装置A、动力驱动装置B均为直线驱动机构。

作为本发明的进一步改进，动力驱动装置A为气缸、液压缸或直线电机；动力驱动装置B为气缸、液压缸或直线电机。

本发明的另一个技术目的，是提供一种调整双喉道喷管喉道面积和出口面积的方法，包括以下步骤：

(1)将喷管前部固定段、喷管收敛段、凹腔扩张段、凹腔收敛段顺序连接在喷管进口、喷管出口之间，构成喷管本体型面；各段之间的连接方式均设置为铰链连接；

(2)将凹腔扩张段、凹腔收敛段之间的连接位点处的铰链轴a安装在一沿着喷管本体型面的轴向铺设的滑轨上；

(3)将铰链轴a与动力驱动装置A的动力输出端连接；

(4)启动动力驱动装置A，促使铰链轴a在滑轨上移动，能够同步带动喷管收敛段、凹腔扩张段、凹腔收敛段，促使喷管几何喉道截面面积、喷管出口面积发生变化；其中：喷管几何喉道截面为喷管收敛段、凹腔扩张段连接位置处的截面；当铰链轴a在动力驱动装置A的带动下，沿着滑轨朝向喷管出口滑动时，喷管几何喉道截面面积、喷管出口面积均增大；当铰链轴a在动力驱动装置A的带动下，沿着滑轨背离喷管出口滑动时，喷管几何喉道截面面积、喷管出口面积均减小。

作为本发明的进一步改进，在步骤(3)中，将凹腔收敛段与动力驱动装置B的动力输出端连接；在步骤(4)中，通过启动动力驱动装置B，促使凹腔收敛段绕凹腔扩张段、凹腔收敛段之间的连接位点旋转，达到调整喷管出口面积的目的。

根据上述的技术方案，相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果：

本发明利用动力驱动装置改变各段活动部件的位置，可实现喷管喉道面积和出口面积的调节；结构简单合理，机构运动方式易于实现，效益明显，实用性强。

附图说明

图1是本发明所述喷管结构的结构示意图。

图2是本发明所述喷管结构通过将凹腔扩张段、凹腔收敛段连接位点10A后移至10B的结构示意图。

图3是图2所示的喷管结构，通过绕连接位点10B外旋凹腔收敛段后的结构示意图。

图4是结合图1-3的一个示意图；

图中1：喷管进口；2A：喷管收敛段；2B：调整后的喷管收敛段；3A：喷管几何喉道截面；3B：调整后的喷管几何喉道截面；4A：凹腔扩张段；4B：调整后的凹腔扩张段；5A：凹腔收敛段；5B：第一次调整后的凹腔收敛段；5C：第二次调整后的凹腔收敛段；6A：喷管出口；6B：第一次调整后的喷管出口；6C：第二次调整后的喷管出口；7：滑轨；8：喷管前部固定段与喷管收敛段之间的连接位点；9A：喷管收敛段与凹腔扩张段之间的连接位点；9B：经第一次调整后喷管收敛段与凹腔扩张段之间的连接位点；10A：凹腔扩张段与凹腔收敛段之间的连接位点；10B：经第一次调整后的凹腔扩张段与凹腔收敛段之间的连接位点；11：喷管前部固定段。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)。

如图1所示，本发明所述的喷管结构，包括喷管进口、喷管出口以及连接在喷管进口、喷管出口之间的喷管本体型面；喷管本体型面具有四段，包括顺序连接在喷管进口、喷管出口之间的喷管前部固定段、喷管收敛段、凹腔扩张段、凹腔收敛段，各段之间均通过铰链连接，喷管收敛段、凹腔扩张段连接位置处的截面为喷管几何喉道截面，凹腔扩张段、凹腔收敛段的连接位置处能够形成凹腔；凹腔扩张段、凹腔收敛段之间的连接位点处的铰链轴a安装在滑轨上，使得铰链轴a在动力驱动装置A的作用下，能够沿着滑轨滑动；所述滑轨的铺设方向与喷管的轴向一致；因此，通过在滑轨上移动铰链轴a，以同步调整喷管收敛段、凹腔扩张段、凹腔收敛段，实现对喷管几何喉道截面面积、喷管出口面积同步调整的目的，换句话来讲，本发明这种滑动连接方式，能够对喷管本体型面所具有的内流道进行同步调整；使得本发明更具有工程应用价值。

另外，所述凹腔收敛段还与一动力驱动装置B连接，则通过该动力驱动装置B提供的动力，能够使得凹腔收敛段绕凹腔扩张段、凹腔收敛段之间的连接位点旋转，从而实现喷管出口面积的控制。

动力驱动装置A、动力驱动装置B可以为气缸，液压缸，直线电机等直线驱动机构。

以下将结合本发明的两个应用实施例，详细地说明本发明的技术方案。

实施例1

如图2所示的喷管结构，以传统的二元双喉道喷管(轴对称喷管及扩张型的喷管实施方式类似，不再赘述)为例，通过将凹腔扩张段、凹腔收敛段连接位点10A在滑轨上后移至10B得到。根据图示可知：喷管收敛段与凹腔扩张段之间的连接位点9A也同步后移至9B；此时，喷管收敛段外旋，致使喷管几何喉道截面变大，凹腔收敛段不仅后移，同时还外旋，致使喷管出口后移，同时还增大了喷管出口面积，换句话来说，本发明所述的喷管本体型面所具有的内流道，在长度上、高度上均得到扩张，实现了双喉道的一喉道(喷管几何喉道截面)、二喉道(喷管出口)的同步调整。具体的调整过程如下：

本发明通过连接位点10A在滑轨7上的前后移动，可改变喷管的喉道面积和出口面积。当连接位点10A在动力驱动装置的动力输出作用下，向后移动到连接位点10B所在位置时，凹腔扩张段4A跟随连接位点10A移动到凹腔扩张段4B所在位置，带动喷管收敛段2A绕连接位点8逆时针转动到喷管收敛段2B所在位置，同时，连接位点9A也移动到连接位点9B所在位置，喷管几何喉道截面由3A变为3B，喷管的喉道面积增大。

当实施例1所述的调整方式，导致的喷管出口面积不能达到要求时，可以通过控制凹腔收敛段5绕连接位点10A的顺、逆时针转动来实现，具体如下：

在连接位点10A向后移动以及凹腔收敛段5逆时针转动的过程中，须保证连接位点9A向外侧运动的极限位置和凹腔收敛段5的后端点不超过连接节点10A(或滑轨7)所处位置，以保证喷管几何喉道后的形状始终是先扩张后收缩的，喷管始终是一个双喉道喷管。这样能充分利用双喉道构型的优点，保证喷管的优异性能。

实施例2

在动力驱动装置的动力输出作用下，凹腔收敛段5A绕连接位点10A(10B)逆时针转动到凹腔收敛段5B所在位置，喷管出口由6A变化为6B，喷管的出口面积也同步增大，仍与喉道面积相等；若凹腔收敛段5A逆时针转动到凹腔收敛段5C所在位置，则喷管出口由6A变化为6C，喷管出口面积将大于喉道面积，此时，喷管是一个扩张型的双喉道喷管。反之，在动力驱动装置的动力输出作用下，当连接位点10B向前移动到连接位点10A所在位置以及凹腔收敛段5B(或5C)顺时针转动到凹腔收敛段5A所在位置时，喷管的喉道面积和出口面积减小，这样就实现了双喉道喷管喉道面积和出口面积的调节。

以面积比(出口面积与喉道面积之比)为1.44的扩张型轴对称双喉道喷管为例，当其几何喉道截面3的面积增大50％时，喷管出口6的面积也同步增大，喷管的面积比保持不变。虽然凹腔扩张段4和凹腔收敛段5的位置发生了变化，但喷管的流量系数却变化不大(调节前后均为0.968)且矢量角和推力系数均较大(调节前后矢量角均接近20，推力系数在0.95上下)，不仅很好地满足发动机加力状态下的通流需求，还保证了喷管的优异性能。

Claims (4)

1.一种能够改变喉道面积和出口面积的双喉道喷管，包括喷管进口、喷管出口以及连接在喷管进口、喷管出口之间的喷管本体型面；喷管本体型面具有四段，包括顺序连接在喷管进口、喷管出口之间的喷管前部固定段、喷管收敛段、凹腔扩张段、凹腔收敛段，喷管收敛段、凹腔扩张段连接位置处的截面为喷管几何喉道截面，凹腔扩张段、凹腔收敛段的连接位置处能够形成凹腔；其特征在于，喷管本体型面的各段之间均通过铰链连接，且凹腔扩张段、凹腔收敛段之间的连接位点处的铰链轴a安装在滑轨上；所述滑轨的铺设方向与喷管的轴向一致；所述铰链轴a与动力驱动装置A的动力输出端连接；铰链轴a在动力驱动装置A的作用下，能够沿着滑轨滑动；

所述凹腔收敛段与动力驱动装置B的动力输出端连接；凹腔收敛段在动力驱动装置B的作用下，能够绕凹腔扩张段、凹腔收敛段之间的连接位点旋转。

2.根据权利要求1所述的能够改变喉道面积和出口面积的双喉道喷管，其特征在于，动力驱动装置A、动力驱动装置B均为直线驱动机构。

3.根据权利要求2所述的能够改变喉道面积和出口面积的双喉道喷管，其特征在于，动力驱动装置A为气缸、液压缸或直线电机；动力驱动装置B为气缸、液压缸或直线电机。

4.一种调整双喉道喷管喉道面积和出口面积的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将喷管前部固定段、喷管收敛段、凹腔扩张段、凹腔收敛段顺序连接在喷管进口、喷管出口之间，构成喷管本体型面；各段之间的连接方式均设置为铰链连接；

(2)将凹腔扩张段、凹腔收敛段之间的连接位点处的铰链轴a安装在一沿着喷管本体型面的轴向铺设的滑轨上；

(3)将铰链轴a与动力驱动装置A的动力输出端连接；

(4)启动动力驱动装置A，促使铰链轴a在滑轨上移动，能够同步带动喷管收敛段、凹腔扩张段、凹腔收敛段，促使喷管几何喉道截面面积、喷管出口面积发生变化；其中：喷管几何喉道截面为喷管收敛段、凹腔扩张段连接位置处的截面；当铰链轴a在动力驱动装置A的带动下，沿着滑轨朝向喷管出口滑动时，喷管几何喉道截面面积、喷管出口面积均增大；当铰链轴a在动力驱动装置A的带动下，沿着滑轨背离喷管出口滑动时，喷管几何喉道截面面积、喷管出口面积均减小；

在步骤(3)中，将凹腔收敛段与动力驱动装置B的动力输出端连接；在步骤(4)中，通过启动动力驱动装置B，促使凹腔收敛段绕凹腔扩张段、凹腔收敛段之间的连接位点旋转，达到调整喷管出口面积的目的。

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