CN111927646A - 进气道自起动试验用快速自适应旋转节流装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及实验空气动力学技术领域,公开了进气道自起动试验用快速自适应旋转节流装置,包括固定于进气道上壁板上表面的固定座,固定座铰接有节流门;节流门的门板背风面下方固定有配重块。本发明的快速自适应旋转节流装置可在试验前或流场建立前依靠节流门自身及配重块的重力自动闭合流道,试验过程中气流的冲击作用使节流门绕转轴快速旋转打开流道,从而达到在进气道下游先堵塞流道再打开的快速节流效果,实现瞬时风洞开展进气道自起动试验的功能;既可以避免轻质堵块的质量把控问题以及电破膜节流中系统复杂成本高的问题,也能避免气动旋转门意外打开或人为操作失误引起的节流试验失败以及对节流装置进行同步控制的繁琐问题。
Description
技术领域
本发明涉及实验空气动力学技术领域,具体涉及进气道自起动试验用快速自适应旋转节流装置。
背景技术
超燃冲压发动机是吸气式高超声速飞行器的主要动力,而进气道处于超燃冲压发动机最前端,承担着捕获来流,为燃烧室提供合适气流的重任,其气动性能尤其是自起动性能直接关系到整个发动机的性能,因此研究进气道的自起动性能对分析评估推进系统性能至关重要。目前,通过试验来研究进气道的自起动性能是开展进气道研究的一个基本内容。
试验研究进气道自起动性能的方法通常是人为造成一个高反压因素导致进气道不起动,然后在同一车次试验中设法消除该因素,察看进气道是否能恢复起动。由于常规风洞运行时间长达数十秒,在地面风洞试验时通常使用“电机控制节流锥进退”的方式开展进气道的起动性能研究,即通过电机控制锥体的前后移动改变进气道气流出口流道面积来实现进气道的节流与打开,此时节流锥的进退动作时间在秒量级,风洞有效运行时间对于开展进气道起动性能试验是足够的。但是在脉冲风洞、激波风洞等瞬时风洞设备中开展进气道自起动试验时,由于风洞试验有效时间为毫秒级,要想在同一车次中进行节流与打开,根本不可能采用传统的电机控制节流锥进退的方式。因此,对瞬时风洞进气道自起动试验中的节流技术开展研究是一个很现实的问题,它对拓展瞬时风洞试验能力、开展进气道的自起动性能试验研究意义重大。
国内外在瞬时风洞试验中开展进气道自起动性能研究采用的节流控制技术主要有以下几种:一是在模型内流道出口处预设轻质堵块,在试验过程中利用气流的冲击将轻质堵块吹跑;二是在进气道的内流道末端设置可快速打开与关闭的射流装置,利用高压射流形成高反压导致进气道不起动,并在试验中先打开后关闭射流,看进气道是否能恢复起动状态;第三是在进气道出口使用电破模,在试验期间控制破膜时序实现节流与打开;第四是在模型内流道出口安装转轴在门板底部的气动旋转门,通过试验过程中气流的冲击打开气动旋转门。
在模型内流道预设轻质堵块的方法,无法控制轻质堵块的质量,质量太重会造成试验过程中的气流冲击无法吹走堵块,从而导致节流试验失败,质量太轻会导致堵块在瞬时风洞流场稳定前就被吹跑,从而达不到节流的效果;在模型内流道末端设置射流节流虽然能够有效堵塞与打开流道,但需要配置额外的高压气瓶与管线等,还需要在风洞中加入控制模块,对同步要求很高,以至于可靠性不高,往往增加许多调试车次;在进气道出口使用电破膜也可以实现流道的堵塞与打开,但试验的成功率依赖于破膜的成功率,实际使用中可靠性并不高,且破膜装置与进气道出口在形状尤其是尺寸上的几何对接、特制膜片的生产、消耗、安装、调试常常使得试验成本增加较大;在模型内流道出口安装转轴在门板下方的气动旋转门方法,在瞬时风洞试验前需要手动将门闭合,如果试验过程中由于风洞设备的各种震动使气动旋转门意外提前打开,就会导致节流试验失败,又若由于人为失误在风洞关闭仓门前没有闭合气动旋转门,同样会导致节流试验失败。
发明内容
基于以上问题,本发明提供进气道自起动试验用快速自适应旋转节流装置,节流装置可在试验前或流场建立前依靠节流门自身及配重块重力自动闭合流道,试验过程中气流的冲击作用使节流门绕转轴快速旋转打开流道,从而达到在进气道下游先堵塞流道再打开的快速节流效果,实现瞬时风洞开展进气道自起动试验的功能;既可以避免轻质堵块的质量把控问题以及电破膜节流中系统复杂成本高的问题,也能避免气动旋转门意外打开或人为操作失误引起的节流试验失败以及对节流装置进行同步控制的繁琐问题。
为实现上述技术效果,本发明采用的技术方案是:
进气道自起动试验用快速自适应旋转节流装置,包括固定于进气道出口段上壁板上表面的固定座,所述固定座在靠近进气道出口处通过轴套和转轴铰接有可对进气道出口段内流道出口进行接触堵塞的节流门,所述节流门的门板尺寸大于进气道出口段内流道的出口尺寸且小于进气道出口段出口端面的外轮廓尺寸;所述节流门的门板在背离进气道出口段出口的一面下方固定有配重块,所述配重块的宽度小于等于节流门的门板宽度,所述配重块的高度小于节流门的门板高度。
进一步地,固定座的中部是一个平台,固定座远离进气道出口的部位是与固定座的平台恰好对接的楔角为15~20°的楔形尖劈,固定座靠近进气道出口的部位是与固定座的平台上下表面齐平的同轴轴套。
进一步地,固定座采用螺钉一固定在进气道出口段上壁的上表面,所述轴套包括固定座的两个轴套和位于固定座两个轴套之间的节流门轴套,在节流门的轴套中部通过螺钉二旋入并卡在转轴的凹槽内,所述配重块采用螺钉三固定在节流门背风面下方位置。
进一步地,固定座两个轴套之间的端面轮廓是与节流门轴套相匹配的圆弧形结构。
为解决上述技术问题,本发明还提供了进气道自起动试验用快速自适应旋转节流装置的控制方法,包括如下步骤:
S1、将带有快速自适应旋转节流装置的进气道模型安装在风洞试验段内,试验流场建立前,节流门依靠自身和配重块的重力自动闭合进气道出口段的内流道;
S2、启动风洞,内流道压力建立过程中气流冲击节流门,节流门被快速自适应旋转打开且自动稳定在设计角度;
S3、试验结束后,节流门依靠自身及配重块的重力自然下垂而自动关闭内流道。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1)本发明中的节流门可在试验前或流场建立前依靠自身重力自动闭合流道,试验过程中气流的冲击作用使门板绕转轴快速旋转打开流道,从而达到在进气道下游先堵塞流道再打开的快速节流效果,实现瞬时风洞开展进气道自起动试验的功能;
2)该快速自适应旋转节流装置既可以避免轻质堵块的质量把控问题以及电破膜节流中系统复杂成本高的问题,也能避免气动旋转门意外打开或人为操作失误引起的节流试验失败以及对节流装置进行同步控制的繁琐问题。
附图说明
图1为实施例中进气道自起动试验的快速自适应旋转节流装置各零件拆解示意图;
图2为实施例中处于闭合状态的快速自适应旋转节流装置结构示意图;
图3为实施例中处于设计角度(稳定起动状态)的快速自适应旋转节流装置结构示意
其中,1、固定座;2、螺钉一;3、转轴;4、节流门;5、螺钉二;6、配重块;7、螺钉三;8、进气道出口段。
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,下面结合实施例和附图,对本发明作进一步的详细说明,本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明,并不作为对本发明的限定。
实施例:
参见图1-3,进气道自起动试验用快速自适应旋转节流装置,包括固定于进气道出口段上壁板上表面的固定座1,所述固定座1在靠近进气道8出口端面通过轴套和转轴3铰接有可对进气道出口段8内流道出口进行接触堵塞的节流门4,所述节流门4的门板尺寸大于进气道出口段8内流道的出口尺寸且小于进气道出口段8出口端面的外轮廓尺寸;所述节流门4的门板在背离进气道出口段8出口的一面下方固定有配重块6,所述配重块6的宽度小于等于节流门4的门板宽度,所述配重块6的高度小于节流门4的门板高度。
在本实施例中,快速自适应旋转节流装置的结构特点:
装配后节流装置的整体结构特征:转轴3位于节流门4的顶端,其轴线与固定座1的平台的上下表面的中面齐平,固定座1架设并固定于进气道出口段上壁板上表面。
固定座1的前部是一个楔角15~20°的楔形尖劈,以减少固定座1安装后对流场的干扰;固定座1的中部是一个平台,该平台上下表面与楔形尖劈根部齐平;固定座1的后部是与固定座1的平台上下表面齐平的同轴轴套。固定座1两个轴套之间的端面轮廓是与节流门4轴套相匹配的圆弧形结构,圆弧形结构与节流门4轴套之间预留有可供节流门4旋转的较小间隙,可以规避进气道上表面上方的气流经节流门4轴套与固定座1之间的间隙处流向进气道出口段8的出口而对进气道出口气流产生干扰的问题。
转轴3的形式及定位方式可以多样化,只要能够保证转轴3在节流门4的顶部,转轴3轴线在固定座1的平台上下表面的中面上,固定座1轴套、节流门4轴套、转轴3能够有效对接和定位即可,本实施例中给出的形式与定位分别为贯通型转轴3并使用螺钉二5定位。
节流门4的顶部是轴套,轴套下方是门板;节流门4的顶部轴套内孔大小与固定座1后部轴套内孔相等,节流门4的轴套外部轮廓与固定座1后部端面轮廓吻合;节流门4的门板尺寸大于进气道出口段8内流道的出口尺寸且小于进气道出口段8出口端面的外轮廓尺寸,从而使节流门4在进气道出口段8起动前封闭进气道出口但不超出进气道出口段8出口端面的外轮廓。
配重块6的宽度小于等于节流门4的门板宽度,高度小于节流门4的门板高度,保证配重块6与节流门4的装配不出现干涉;本实施例中采用螺钉三7固定在节流门4门板背离进气道出口一端的下方。
快速自适应旋转节流装置的各零件连接方式:
本实施例中固定座1采用螺钉一2固定在进气道出口段上壁的上表面,节流门4紧靠进气道出口段8的出口,转轴3依次穿过固定座1的近端轴套、节流门4的顶部轴套和固定座1的远端轴套后,在节流门4的顶部轴套中部将螺钉二5旋入转轴3中部的凹槽内,以保证转轴3不产生轴向串动。将节流门4固定在进气道出口段8上壁板上表面(无论进气道是否倒置安装,文中的“上”、“下”均按重力方向自然定义,全文同),配重块6采用螺钉三7固定在节流门4的右下方,配重块6的端面轮廓不超过节流门4的门板端面轮廓。
快速自适应旋转节流装置与进气道组装后特征如下:固定座1架设并固定于进气道出口段上壁板上表面,节流门4与进气道出口正好贴合,而转轴3位于节流门4的顶端,与转轴3连接的轴套(即固定座1的轴套以及节流门4的轴套)均在进气道出口段上壁板上表面之上。
快速自适应旋转节流装置的运动控制方式:
1、将带有快速自适应旋转节流装置的进气道模型安装在风洞试验段内,试验流场建立前,节流门4依靠自身和配重块6的重力自动闭合进气道的内流道;
2、启动风洞,内流道压力建立过程中气流冲击节流门4,节流门4被快速自适应旋转打开且自动稳定在设计角度;
3、试验结束后,节流门4依靠自身及配重块6的重力自然下垂而自动关闭内流道。
由于固定座1的自动卡位,节流门4绕转轴3最大翻转角的理论值≤180°。试验前及流场建立前,节流门4依靠自身和配重块6的重力自动闭合进气道的内流道;内流道压力建立过程中气流冲击节流门4,节流门4被快速旋转打开且自动稳定在设计角度,合理选择配重块6的质量可使节流门4在气动力力矩与重力力矩相平衡时的打开角度<90°;试验结束后节流门4自然下垂而自动关闭内流道,这是因为撤去气动力后,节流门4与配重块6的重心在转轴3轴线所在竖直面的右侧。
吹风过程中气流的冲击作用不会出现节流门4翻转后停留在180°位置的情况。这是因为:假设节流门4瞬时绕转轴3旋转了180°,则此时进气道外流对节流门4的冲击力对转轴3形成的顺时针方向(“顺时针”、“逆时针”方向与图示一致,全文同)气动力矩远大于节流门4后气流压力对转轴3的逆时针方向力矩与配重块6对转轴3的逆时针方向的重力矩之和(节流门4后气流压力远小于门前压力,其对转轴3的气动力力矩可忽略不计),节流门4势必绕转轴3自动顺时针回旋翻转。
本实施例中可根据节流门4打开并自动稳定时的设计角度,依据进气道处于稳定起动状态时节流门4重力力矩和配重块6重力力矩之和与节流门4气动力矩平衡,计算出节流门4厚度;并可根据获得的节流门4厚度、材料、门板尺寸、安全系数作为输入参数,作用于节流门4的气动力作为载荷条件,通过有限元计算对节流门4的结构强度进行校核;根据转轴3材料的抗剪强度、安全系数、转轴3的受力情况,计算出转轴3的半径。
如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明验证过程,并非用以限制本发明的专利保护范围,本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准,凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化,同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.进气道自起动试验用快速自适应旋转节流装置,其特征在于:包括固定于进气道出口段(8)上壁板上表面的固定座(1),所述固定座(1)在靠近进气道出口处通过轴套和转轴(3)铰接有可对进气道出口段(8)内流道出口进行接触堵塞的节流门(4),所述节流门(4)的门板尺寸大于进气道出口段(8)内流道的出口尺寸且小于进气道出口段(8)出口端面的外轮廓尺寸;所述节流门(4)的门板在背离进气道出口段(8)出口的一面下方固定有配重块(6),所述配重块(6)的宽度小于等于节流门(4)的门板宽度,所述配重块(6)的高度小于节流门(4)的门板高度。
2.根据权利要求1所述的进气道自起动试验用快速自适应旋转节流装置,其特征在于:固定座(1)的中部是一个平台,固定座(1)远离进气道出口的部位是与固定座(1)的平台恰好对接的楔角为15~20°的楔形尖劈,固定座(1)靠近进气道出口的部位是与固定座(1)的平台上下表面齐平的同轴轴套。
3.根据权利要求1或2所述的进气道自起动试验用快速自适应旋转节流装置,其特征在于:所述固定座(1)采用螺钉一(2)固定在进气道出口段(8)上壁的上表面,所述轴套包括固定座(1)的两个轴套和位于固定座(1)两个轴套之间的节流门(4)轴套,在节流门(4)的轴套中部通过螺钉二(5)旋入并卡在转轴(3)的凹槽内,所述配重块(6)采用螺钉三(7)固定在节流门(4)背风面下方位置。
4.根据权利要求3所述的进气道自起动试验用快速自适应旋转节流装置,其特征在于:所述固定座(1)两个轴套之间的端面轮廓是与节流门(4)轴套相匹配的圆弧形结构。
5.进气道自起动试验用快速自适应旋转节流装置的控制方法,该方法基于权利要求1-3任意一项所述的进气道自起动试验用快速自适应旋转节流装置,其特征在于,包括如下步骤:
S1、将带有快速自适应旋转节流装置的进气道模型安装在风洞试验段内,试验流场建立前,节流门(4)依靠自身和配重块(6)的重力自动闭合进气道出口段(8)的内流道;
S2、启动风洞,内流道压力建立过程中气流冲击节流门(4),节流门(4)被快速自适应旋转打开且自动稳定在设计角度;
S3、试验结束后,节流门(4)依靠自身及配重块(6)的重力自然下垂而自动关闭内流道。
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