CN112780442B - 一种可调流道冲压发动机及设计、调节方法 - Google Patents

一种可调流道冲压发动机及设计、调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种可调流道冲压发动机及设计、调节方法，包括进气道、燃烧室和喷管，燃烧室内安装固定隔板，将燃烧室流道分隔成共用流道和第二流道；进气道压缩面一侧安装可调部件，可调部件可在进气道内转动，通过调整可调部件的位置，实现发动机流道变化。本发明在燃烧室中安装固定隔板、在进气道内安装可调部件，通过调节可调部件位置实现发动机流道可调，无需通过设置喷管可调装置，就可达到了同时调整进气道喉道和燃烧室热力喉道的效果。

Description

一种可调流道冲压发动机及设计、调节方法
技术领域
本发明涉及一种可调流道冲压发动机及设计、调节方法，属于冲压发动机技术领域。
背景技术
冲压发动机在不同的飞行马赫数下工作对应的最佳流道是不同的，固定几何流道冲压发动机工作马赫数过大发动机性能将急剧降低，工作马赫数过小发动机将面临极大溢流和不起动风险，适宜工作的马赫数范围较窄。拓宽冲压发动机工作马赫数范围、提高发动机性能最根本的途径是实现发动机流道可调，使发动机在不同飞行马赫数下工作时流道都能够与来流条件良好匹配。要实现发动机流道的完全柔性可调使发动机在不同马赫数下工作流道都达到最佳几乎是不可能的，工程中主要是对某个发动机部件局部进行调节，可调进气道和可调喷管是目前比较常用的两种技术手段。
可调进气道技术是通过对进气道局部进行调节来提高进气道的性能，进而使发动机总体性能获得提升。如图1所示，在进气道中安装可调隔板，通过调节隔板使进气道流道面积改变。
可调喷管又分为喷管喉道可调和喷管出口面积可调，喷管喉道可调技术通过调节喷管喉道面积大小改变燃烧室压力，进而使燃烧室和进气道实现更好的工作匹配，发动机总体性能获得提升。喷管出口面积可调技术通过改变喷管膨胀比使气流在喷管内的膨胀加速处在最佳状态来提升发动机推力性能。
理论上同时采用进气道可调技术、喷管喉道可调技术、喷管出口面积可调技术发动机性能更好，但多部件可调系统太过复杂，工程上实现起来技术难度很大。进气道相对燃烧室和喷管来说工作温度要低一些，进气道可调技术面临的结构实现难度相对要小一些，但单纯采用进气道可调技术对发动机性能提升幅度有限。喷管喉道可调技术通过喷管喉道面积大小调整使燃烧室和进气道实现更好的工作匹配，该技术在亚燃冲压发动机以及涡喷、涡扇等航空发动机上都有应用，但随着冲压发动机工作马赫数升高，发动机燃烧室需要油冷，喷管喉道可调使发动机热防护、密封等变得非常困难，结构上很难实现。喷管出口面积可调技术需要在较大空间范围内进行调整，受飞行器或发动机结构尺寸的限制，加上其本身对发动机性能提有限，在工程上一般不被使用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种发动机性能提升效果好、对热防护、密封无特殊要求、结构简单、易于实现的可调流道冲压发动机及设计、调节方法。
本发明的技术解决方案：一种可调流道冲压发动机，包括进气道、燃烧室和喷管，所述的燃烧室内安装固定隔板，将燃烧室流道分隔成共用流道和第二流道；所述进气道压缩面一侧安装可调部件，可调部件可在进气道内转动，通过调整可调部件的位置，实现发动机流道变化。
一种可调流道冲压发动机设计方法，通过以下步骤实现：
第一步，设计进气道、燃烧室和喷管；
第二步，确定固定隔板和可调部件的安装位置，
所述的固定隔板的安装位置包括固定隔板起始、终止位置及固定隔板分割流道位置，所述的可调部件的安装位置是指可调部件在进气道中的安装位置；
第三步，根据第二步确定的固定隔板和可调部件的安装位置，在进气道内安装可调部件，在燃烧室内安装固定隔板。
一种可调流道调节方法，根据发动机工作马赫数范围不同，调节可调部件的位置处于位置A或位置B，当发动机工作在较高马赫数范围时，可调部件处于位置A，采用单流道模式，当发动机工作在较低马赫数范围时，可调部件处于位置B，采用双流道模式。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明在燃烧室中安装固定隔板、在进气道内安装可调部件，通过调节可调部件位置实现发动机流道可调，无需通过设置喷管可调装置，就可达到了同时调整进气道喉道和燃烧室热力喉道的效果；
(2)本发明设置了可调部件和固定隔板，结构简单，可调部件整位置在吸除孔设置位置附近，因此，可调部件在关闭第二流道时对密封要求不高，且可调部件全部或绝大部分位于进气道中，实现其位置调节的装置设计较为简单，易于实现；
(3)本发明在燃烧室设置固定隔板，安装固定简单，热防护、密封易于实现，其安装位置确定，使得本发明能在不用安装喷管可调装置的情况下，实现喷管可调的功能。
附图说明
图1为现有技术进气道可调结构；
图2为本发明整体结构示意图(第二流道关闭)；
图3为本发明整体结构示意图(第二流道打开)。
具体实施方式
以下结合附图和具体实例详细说明本发明。
本发明如图2、3所示，提供一种可调流道冲压发动机，发动机流道由进气道、燃烧室、喷管组成，燃烧室中间增加固定隔板2将发动机燃烧室流道分为上下两个部分，下部为共用流道5，上部为第二流道3。进气道压缩面一侧安装可调部件1，可调部件1可在进气道内转动，通过调整可调部件1的位置，实现发动机流道变化。
可调部件1全部或绝大部分(固定隔板的起始位置可以不在进气道设计喉道处，可以根据需要设置在进气道设计喉道下游位置，此时可调部件后端有一部分在燃烧室内)在进气道内，可调部件1可以通过转动结构9实现其在进气道内转动。
可调部件1如图2、3所示，其截面为楔形结构，其内侧壁面为进气道型面的一部分。可调部件1通过转动结构9转到位置A，可调部件1后端面将第二流道3的进口关闭，气流全部进入共用流道5，在共用流道5内组织燃烧，使发动机高马赫数工作时燃烧室工作在单流道模式下，发动机单流道模式下工作时进气道喉道为图2所示的截面6，进气道收缩比变大，燃烧室热力喉道为截面4，从热力喉道到喷管出口膨胀比变大，流道适应高马赫数工作。
可调部件1通过转动结构9转到位置B，第二流道3进口打开，气流进入共用流道5和第二流道3，在共用流道5和第二流道3内同时组织燃烧，使发动机低马赫数工作时燃烧室工作在双流道模式下，燃烧室流通面积增大，气流速度减小，更有利于低马赫数燃烧组织，发动机在双流道模式下工作时进气道喉道为图3所示的截面8，进气道收缩比变小，燃烧室热力喉道为截面7，从热力喉道到喷管出口膨胀比变小，流道适应低马赫数工作。发动机在双流道模式下工作时燃烧室热力喉道更靠后，热力喉道前都是主燃区，燃烧室主燃区变长，更有利于低马赫数燃烧组织。
本发明通过一处可调部件实现进气道喉道和燃烧室热力喉道(喷管喉道)的同时调节，结构相对简单，对发动机性能提升效果明显。且可调部件设计在进气道喉道前的压缩面位置，此处需要吸除气流来提高进气道启动和抗反压能力，所以不需要对可调部件和流道之间的缝隙进行严格的密封，可调部件环境温度相对较低，热防护的问题相对较容易解决，结构实现难度较小。
固定隔板2安装位置如图2、3所示，起始位置为进气道设计喉道或设计喉道下游，终止位置在燃烧室设计热力喉道上游，固定安装在燃烧室内，将燃烧室分隔成两个流道。固定隔板2起始位置设置在进气道设计喉道下游，是指与进气道设计喉道距离不超过进气道设计喉道高度的位置范围。固定隔板2终止位置设置在燃烧室设计热力喉道上游，是指与燃烧室设计热力喉道距离不超过燃烧室设计热力喉道高度的位置范围。
共用流道5和第二流道3面积比例具体根据发动机工作马赫数范围以及对不同马赫数下发动机性能要求而定，参考发动机燃烧室设计。工程中通常的冲压发动机的工作马赫数范围下，共用流道5和第二流道3面积比例在1～2：1即可满足发动机性能。
可调部件1通过转动结构9与进气道压缩面连接，转动结构9可以是旋转轴结构、铰链结构等，只要能满足调节可调部件1在A、B之间转动即可。
可调部件1可参考现有可调进气道设计方法进行设计，根据发动机不同工作状态下的工作马赫数范围，进气道根据所需流量系数、总压恢复等性能指标要求、起动性能需求以及为燃烧室提供满足速度、压力等要求的压缩气流设计而得，进气道设计为本领域公知技术，再根据进气道所需的性能来确定可调部件的内侧壁面及安装位置。
本发明还提供一种可变流道宽域冲压发动机设计方法，通过以下步骤实现：
1、冲压发动机进气道、燃烧室和喷管设计。
冲压发动机进气道、燃烧室和喷管设计为本领域公知技术，根据总体对发动机提出的各项性能指标来进行设计。在设计中可以得到进气道设计喉道和燃烧室设计热力喉道等参数。
2、确定固定隔板的安装位置和可调部件的安装位置及内侧壁面。
固定隔板的安装位置包括固定隔板起始、终止位置及固定隔板分割流道位置，固定隔板起始位置为进气道设计喉道或进气道设计喉道下游，终止位置在燃烧室设计热力喉道上游，固定隔板分割流道位置根据发动机工作马赫数范围以及对不同马赫数下发动机性能要求来确定流道分割比例。
可调部件的安装位置和内侧壁面，根据进气道性能确定。
可调部件可参考现有可调进气道设计方法进行设计，根据发动机不同工作状态下的工作马赫数范围，进气道根据所需流量系数、总压恢复等性能指标要求、起动性能需求以及为燃烧室提供满足速度、压力等要求的压缩气流设计而得，此为本领域公知的技术。
3、根据步骤2确定的固定隔板和可调部件的安装位置，安装固定隔板和可调部件。
进一步，本发明还提供一种可调流道调节方法，根据发动机工作马赫数范围不同，调节可调部件的位置处于位置A或位置B，当发动机工作在较高马赫数范围时，可调部件处于位置A，采用单流道模式，当发动机工作在较低马赫数范围时，可调隔板处于位置B，采用双流道模式。
宽域冲压发动机一般会工作在两个工作马赫数范围内(对应亚燃和超燃模式)，其中较高马赫数范围，采用单流道模式，实际进气道喉道和燃烧室热力喉道比进气道设计喉道和燃烧室设计热力喉道小；较低马赫数范围，采用双流道模式，实际进气道喉道和燃烧室热力喉道恢复到进气道设计喉道和燃烧室设计热力喉道。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (9)

1.一种可调流道冲压发动机，包括进气道、燃烧室和喷管，其特征在于：所述的燃烧室内安装固定隔板，将燃烧室流道分隔成共用流道和第二流道，所述进气道的压缩面一侧安装可调部件，可调部件可在进气道内转动，通过调整可调部件的位置，实现发动机流道变化；
所述的固定隔板起始位置为进气道设计喉道或进气道设计喉道下游，终止位置在燃烧室设计热力喉道上游。
2.根据权利要求1所述的一种可调流道冲压发动机，其特征在于：所述的可调部件截面为楔形结构，其内侧壁面为进气道型面的一部分，可调部件转到位置A，可调部件后端面将第二流道进口关闭，气流全部进入共用流道，在共用流道内组织燃烧；可调部件转到位置B，第二流道进口打开，气流进入共用流道和第二流道，在共用流道和第二流道内同时组织燃烧。
3.根据权利要求1所述的一种可调流道冲压发动机，其特征在于：所述的进气道设计喉道下游与进气道设计喉道距离不超过进气道设计喉道高度。
4.根据权利要求1所述的一种可调流道冲压发动机，其特征在于：所述的固定隔板终止位置与燃烧室设计热力喉道距离不超过燃烧室设计热力喉道高度。
5.一种可调流道冲压发动机设计方法，其特征在于，通过以下步骤实现：
第一步，设计进气道、燃烧室和喷管；
第二步，确定固定隔板和可调部件的安装位置，
所述的固定隔板的安装位置包括固定隔板起始、终止位置及固定隔板分割流道位置，所述的可调部件的安装位置是指可调部件在进气道中安装位置，所述的固定隔板起始位置为进气道设计喉道或进气道设计喉道下游，终止位置在燃烧室设计热力喉道上游；
第三步，根据第二步确定的固定隔板和可调部件的安装位置，在进气道内安装可调部件，在燃烧室内安装固定隔板。
6.根据权利要求5所述的一种可调流道冲压发动机设计方法，其特征在于：所述第二步中固定隔板分割流道位置根据发动机工作马赫数范围以及对不同马赫数下发动机性能要求来确定流道分割比例。
7.根据权利要求5所述的一种可调流道冲压发动机设计方法，其特征在于：所述的可调部件的安装位置根据所需进气道性能确定。
8.根据权利要求6所述的一种可调流道冲压发动机设计方法，其特征在于：所述第二步中进气道设计喉道下游与进气道设计喉道距离不超过进气道设计喉道高度，固定隔板终止位置与燃烧室设计热力喉道距离不超过燃烧室设计热力喉道高度。
9.一种采用权利要求1所述的发动机的可调流道调节方法，其特征在于：根据发动机工作马赫数范围不同，调节可调部件的位置处于位置A或位置B，当发动机工作在较高马赫数范围时，可调部件处于位置A，采用单流道模式，当发动机工作在较低马赫数范围时，可调部件处于位置B，采用双流道模式。
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