CN112623237B - 基于形状记忆合金的tbcc进气道调节机构设计方法 - Google Patents
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Abstract
基于形状记忆合金的TBCC进气道调节机构设计方法,涉及TBCC进气道技术领域。包括以下步骤:1)通过温度控制形状记忆合金的形变来调节门体形状,实现支气道通风口的开启与闭合;2)在闭合时保证通风口的密闭特性;3)在门体打开和关闭过程中实现连续调节;4)将门体形状按照主进气道内壁轮廓进行设计。达到开启时通风口面积无遮挡的效果。将形状记忆合金应用于TBCC发动机进气道领域,其解决基于单板绕中心轴转动来调节支气道通风口面积的方案中,所需力矩过大的问题。其方便控制,实现在开合过程中对支气道通风面积的连续调节,和在闭合时的完全密闭。
Description
技术领域
本发明涉及TBCC进气道技术领域,特别是涉及一种基于形状记忆合金的TBCC进气道调节机构设计方法。
背景技术
现今高超声速飞行器已经成为了未来飞行器研究的主要研究方向,具有极强的战略发展意义。高超声速飞行器的飞行范围十分宽广,为使其在亚声速、跨声速、超声速下都可正常飞行,那么对其发动机的要求会更高。但如今航空涡轮发动机支持的飞行范围是马赫数0~3,亚燃冲压发动机支持的飞行范围是马赫数2~6,超燃冲压发动机可以支持飞行马赫数大于6的飞行范围。由此可见,任何单一的吸气式发动机都不能支持高超声速飞行器全速域正常飞行,所以研究者们对组合动力开展了广泛而深入的研究。
组合式发动机包含RBCC(火箭基组合循环)发动机和TBCC(Turbine-Based-Combined-Cycle,涡轮基组合循环)发动机两大类;其中TBCC发动机是将涡轮发动机(包括涡喷、涡扇发动机)和冲压发动机(包括亚燃、超燃和双模态燃烧冲压发动机)的两种技术相结合后研制的,其整合了涡轮发动机和冲压发动机在各自适用飞行范围内的优势,使其具有可常规起降、重复使用、可靠性高、低速性能好、技术风险小等优点,具有很好的工程应用前景。
进气道是TBCC发动机的重要组成部分,并且如何改进进气道的气动性能和不同飞行状态下的实用性已被认为是TBCC发动机的关键技术之一。Huebner L D等人对以转动唇口方式的调节机构进行了研究,该机构在助推过程中将进气道封闭,可以提高助推的可靠性和稳定性,且进气道由关闭到打开的过程能够实现内收缩比的调节,可以使过压缩的进气道实现启动而以往单块板调节进气道通风面积的方案存在调节力矩过大等问题,但其存在唇口开启过程中对飞行器会产生一定的冲击力的问题。在《一种埋入隔板内部的TBCC并联尾喷管调节机构》中调节机构使用单隔板对支气道通风口进行调节,不免存在调节力矩过大等问题。因此,有必要提出基于形状记忆合金的TBCC进气道调节机构设计方法,以改善并提高TBCC发动机在整个飞行过程中的效率。
形状记忆合金因其独特的形状记忆效应,已广泛应用于航空航天领域。同时为满足宽速域飞行器的使用需求,超高温形状记忆合金的研究逐步受到人们的重视。其中,最近发展起来的Ta-Ru和Ru-Nb合金尤为突出。Ru元素的性质十分特殊,其具有高熔点、高硬度等特点。将Ta-Ru和Ru-Nb作为形状记忆合金的材料,可提高材料的致密性和抗拉强度,可产生较强的拉力带动门体产生形变,从而实现支气道通风口的开合。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的缺陷,提供一种基于形状记忆合金的TBCC进气道调节机构设计方法。该机构达到了开启时通风口面积无遮挡的效果。该调节机构的实现过程为:当环境温度升高并持续处于高温时,形状记忆合金伸长并维持伸长状态,拉伸弹簧使得所有门体呈直线,封闭支气道;当环境温度降低并持续处于低温时,弹簧拉力使得形状记忆金属变形,致使门体弯曲,打开支气道。该机构将形状记忆合金应用于TBCC发动机进气道领域,其解决了基于单板绕中心轴转动来调节支气道通风口面积的方案中,所需力矩过大的问题;其方便控制,实现在开合过程中对支气道通风面积的连续调节,和在闭合时的完全密闭。
本发明包括以下步骤:
1)通过温度控制形状记忆合金的形变来调节门体形状,实现支气道通风口的开启与闭合;
2)在闭合时保证通风口的密闭特性;
3)在门体打开和关闭过程中实现连续调节;
4)将门体形状按照主进气道内壁轮廓进行设计。
在步骤1)中,所述通过温度控制形状记忆合金的形变来调节门体形状,实现支气道通风口的开启与闭合的具体方法为:在设计门体、弹簧和形状记忆合金整体时,将门体设计拆分成若干门体单元,每两块门体单元的内侧由形状记忆合金和弹簧连接;弹簧起到环境温度降低时的恢复作用,形状记忆合金随着环境温度升高产生形变,带动各门体单元之间发生转动,进而调节门体形状,实现支气道通风口的自动开启与闭合。
在步骤2)中,所述在闭合时保证通风口的密闭特性的具体方法为:在环境温度升高后,形状记忆合金形变从而带动门体闭合,将闭合后的门体外边缘形状设计与支气道通风口轮廓相同,以保证在门体完全关闭时与支气道通风口紧密贴合,实现其密闭特性。
在步骤3)中,所述在门体打开和关闭过程中实现连续调节的具体方法为:当环境温度升高并持续处于高温时,形状记忆合金伸长并维持伸长状态,拉伸弹簧使得所有门体呈直线,封闭支气道;当环境温度降低并持续处于低温时,弹簧拉力使得形状记忆金属变形,致使门体弯曲,打开支气道;其中各升温、降温过程连续,且形状记忆合金形变过程连续,实现门体在打开和关闭过程中可连续调节。
在步骤4)中,所述将门体形状按照主进气道内壁轮廓进行设计的具体方法为:在环境温度升高后,形状记忆合金形变从而带动门体闭合,将闭合后的门体侧面形状设计与相贯面截面相同的曲面形状,以减小门体在完全关闭时对于主气道气流的影响。
本发明基于形状记忆合金的TBCC进气道调节机构设计方法,该机构达到开启时通风口面积无遮挡的效果。该调节机构的实现过程为:当环境温度升高并持续处于高温时,形状记忆合金伸长并维持伸长状态,拉伸弹簧使得所有门体呈直线,封闭支气道;当环境温度降低并持续处于低温时,弹簧拉力使得形状记忆金属变形,致使门体弯曲,打开支气道。该机构将形状记忆合金应用于TBCC发动机进气道领域,其解决基于单板绕中心轴转动来调节支气道通风口面积的方案中,所需力矩过大的问题。其方便控制,实现在开合过程中对支气道通风面积的连续调节,和在闭合时的完全密闭。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
1、本发明将形状记忆合金应用于TBCC发动机进气道领域,其解决基于单板绕中心轴转动来调节支气道通风口面积的方案中,所需力矩过大的问题。并通过温度控制形状记忆合金的形变来调节门体形状,实现支气道通风口的开启与闭合。
2、本发明实现对支气道通风口面积的连续调节和闭合时的密闭特性。
3、本发明将在环境温度升高后,形状记忆合金形变从而带动门体闭合,将闭合后的门体外边缘形状设计与支气道通风口轮廓相同,以保证在门体完全关闭时与支气道通风口紧密贴合,实现调节机构在完全关闭时的密闭特性;在环境温度升高后,形状记忆合金形变从而带动门体闭合,将闭合后的门体侧面形状设计与相贯面截面相同的曲面形状,以减小门体在完全关闭时对于主气道气流的影响。
4、本发明的设计思路和功能原理适用于设计矩形进气道来调节支气道通风口面积的方案。
附图说明
图1为基于形状记忆合金的TBCC进气道调节机构(开启时)的示意图。
图2为基于形状记忆合金的TBCC进气道调节机构打开时,在沿支气道方向的示意图。左为外侧视角,右为内侧视角。
图3为基于形状记忆合金的TBCC进气道调节机构关闭时,在沿支气道方向的示意图。左为外侧视角,右为内侧视角。
图4为基于形状记忆合金的TBCC进气道调节机构的爆炸视图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
本发明提供基于形状记忆合金的TBCC进气道调节机构,为使本发明的目的,设计方案及效果更加清楚,明确,将对本发明附图进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体方案内容仅用以解释本发明,但并不用于限定本发明。
基于形状记忆合金的TBCC进气道调节机构设计方法,包括:
1、通过温度控制形状记忆合金的形变来调节门体形状,实现支气道通风口的开启与闭合;在设计门体、弹簧和形状记忆合金整体(即调节机构)时,将门体设计拆分成若干门体单元(本例为拆分成3个门体单元),每两块门体单元的内侧(支气道一侧)由形状记忆合金和弹簧连接。弹簧起到环境温度降低时的恢复作用,形状记忆合金随着环境温度升高产生形变,带动各门体单元之间发生转动,进而调节门体形状,实现支气道通风口的自动开启与闭合。
2、在闭合时保证通风口的密闭特性;在环境温度升高后,形状记忆合金形变从而带动门体闭合,将闭合后的门体外边缘形状设计与支气道通风口轮廓相同,以保证在门体完全关闭时与支气道通风口紧密贴合,实现其密闭特性。
3、在门体打开和关闭过程中实现连续调节;当环境温度升高并持续处于高温时,形状记忆合金伸长并维持伸长状态,拉伸弹簧使得所有门体呈直线,封闭支气道;当环境温度降低并持续处于低温时,弹簧拉力使得形状记忆金属变形,致使门体弯曲,打开支气道。其中各升温、降温过程连续,且形状记忆合金形变过程连续,实现门体在打开和关闭过程中可连续调节。
4、将门体形状按照主进气道内壁轮廓进行设计;在环境温度升高后,形状记忆合金形变从而带动门体闭合,将闭合后的门体侧面形状设计与相贯面截面相同的曲面形状,以减小门体在完全关闭时对于主气道气流的影响
本发明基于形状记忆合金形变原理,本机构在设计门体、弹簧和形状记忆合金整体(即调节机构)时,将门体设计拆分成若干门体单元(本实施例为拆分成3个门体单元),每两块门体单元的内侧(支气道一侧)由形状记忆合金和弹簧连接。弹簧起到环境温度降低时的恢复作用,形状记忆合金随着环境温度升高产生形变,带动各门体单元之间发生转动,进而调节门体形状,实现支气道通风口的自动开启与闭合。如图1所示,图1为基于形状记忆合金的TBCC进气道调节机构开启时的示意图。
如图2所示,图2左为基于形状记忆合金的TBCC进气道调节机构打开时,在沿支气道方向的外侧视角示意图,图2右为内侧视角示意图。
如图3所示,图3左为基于形状记忆合金的TBCC进气道调节机构关闭时,在沿支气道方向的外侧视角示意图,图3右为内侧视角示意图。
如图4所示,图4为基于形状记忆合金的TBCC进气道调节机构的爆炸视图。本机构由形状记忆合金2、弹簧3、形状记忆合金4、弹簧5、形状记忆合金6、弹簧7、转动销8、门体9、转动销10、门体11、转动销12和门体13组成。图4中还包含支气道1和主进气道14。
调节机构的运动步骤为:当环境温度升高并持续处于高温时,形状记忆合金(2、4、6)伸长并维持伸长状态,拉伸弹簧(3、5、7)使得所有门体(9、11、13)绕转动销(8、10、12)转动呈直线,封闭支气道;当环境温度降低并持续处于低温时,弹簧(3、5、7)拉力使得形状记忆金属(2、4、6)变形,致使门体(9、11、13)绕转动销(8、10、12)转动呈弯曲状态,打开支气道。
由图2、3可见,本发明在环境温度升高后,形状记忆合金形变从而带动门体闭合,将闭合后的门体外边缘形状设计与支气道通风口轮廓相同,以保证在门体完全关闭时与支气道通风口紧密贴合,实现调节机构在完全关闭时的密闭特性;在环境温度升高后,形状记忆合金形变从而带动门体闭合,将闭合后的门体侧面形状设计与相贯面截面相同的曲面形状,以减小门体在完全关闭时对于主气道气流的影响。
上述仅为本发明的具体实施方式,但本发明的设计构思并不局限于此,凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动,均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (3)
1.基于形状记忆合金的TBCC进气道调节机构设计方法,其特征在于包括以下步骤:
1)通过温度控制形状记忆合金的形变来调节门体形状,实现支气道通风口的开启与闭合,具体方法为:
在设计门体、弹簧和形状记忆合金整体时,将门体设计拆分成若干门体单元,每两块门体单元的内侧由形状记忆合金和弹簧连接;弹簧起到环境温度降低时的恢复作用,形状记忆合金随着环境温度升高产生形变,带动各门体单元之间发生转动,进而调节门体形状,实现支气道通风口的自动开启与闭合;
2)在闭合时保证通风口的密闭特性;
3)在门体打开和关闭过程中实现连续调节,具体方法为:当环境温度升高并持续处于高温时,形状记忆合金伸长并维持伸长状态,拉伸弹簧使得所有门体呈直线,封闭支气道;当环境温度降低并持续处于低温时,弹簧拉力使得形状记忆金属变形,致使门体弯曲,打开支气道;其中各升温、降温过程连续,且形状记忆合金形变过程连续,实现门体在打开和关闭过程中可连续调节;
4)将门体形状按照主进气道内壁轮廓进行设计。
2.如权利要求1所述基于形状记忆合金的TBCC进气道调节机构设计方法,其特征在于在步骤2)中,所述在闭合时保证通风口的密闭特性的具体方法为:在环境温度升高后,形状记忆合金形变从而带动门体闭合,将闭合后的门体外边缘形状设计与支气道通风口轮廓相同,以保证在门体完全关闭时与支气道通风口紧密贴合,实现其密闭特性。
3.如权利要求1所述基于形状记忆合金的TBCC进气道调节机构设计方法,其特征在于在步骤4)中,所述将门体形状按照主进气道内壁轮廓进行设计的具体方法为:在环境温度升高后,形状记忆合金形变从而带动门体闭合,将闭合后的门体侧面形状设计与相贯面截面相同的曲面形状,以减小门体在完全关闭时对于主气道气流的影响。
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