CN112855392A - 基于曲柄滑块原理的tbcc进气道调节机构设计方法 - Google Patents
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Abstract
基于曲柄滑块原理的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)将连杆对门体施力的作用点设在门体距转动轴的远端；2)在闭合时保证通风口的密闭特性；3)在门体打开过程中实现连续调节、随时启停；4)将门体形状按照主进气道内壁轮廓进行设计。电机带动驱动杆平动，通过与滑块铰接的连杆带动门体绕中心轴转动，实现支气道通风口的开合。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，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、随时启停，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，尤其是涉及一种基于曲柄滑块原理的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、夸声速、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，有必要提出基于曲柄滑块原理的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。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的缺陷，提出基于曲柄滑块原理的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：电机带动驱动杆平动，通过与滑块铰接的连杆带动门体绕中心轴转动，实现支气道通风口的开合。该机构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，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、随时启停，和在闭合时的完全密闭。
本发明包括以下步骤：
1)将连杆对门体施力的作用点设在门体距转动轴的远端；
2)在闭合时保证通风口的密闭特性；
3)在门体打开过程中实现连续调节、随时启停；
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，所述将连杆对门体施力的作用点设在门体距转动轴的远端具体方法为：在设计门体、连杆和驱动杆整体(即调节机构)时，将门体设计作为曲柄滑块机构中的曲柄构件，驱动杆设计作为曲柄滑块机构中的滑块构件，连杆与门体、驱动杆通过转动副铰接；其中连杆与门体铰接的位置位于远离门体转动中心轴的一端，即门体距转动轴的远端，由此对比于在门体转动轴近端推门的方案，本调节机构可加长门体的转动力臂，从而达到省力的目的。
在步骤2)中，所述在闭合时保证通风口的密闭特性具体方法为，将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，所述在门体打开过程中实现连续调节、随时启停具体方法为，通过电机驱动的方式可实现门体绕转动轴运动全过程中，位移、速度、加速度可实时调节，以实现门体的连续调节、随时启停。
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具体方法为，将门体形状设计为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。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明将原本在门体转动轴近端推门的方案，优化为设计连杆与门体铰接的位置位于远离门体转动中心轴的一端，即在门体距转动轴的远端施力，从而加长了门体的转动力臂，达到省力的目的。
2、本发明实现对支气道通风口面积的连续调节、随时启停和闭合时的密闭特性。
3、本发明将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；将门体形状设计为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矩形管道及类矩形管道中，推动单板绕中心轴转动来调节支气道通风口面积的方案。
附图说明
图1为基于曲柄滑块原理的TBCC进气道调节机构(开启时)的示意图。上为外侧视角，下为内侧视角。
图2为基于曲柄滑块原理的TBCC进气道调节机构打开时，在沿支气道方向的示意图。左为内侧视角，右为外侧视角。
图3为基于曲柄滑块原理的TBCC进气道调节机构关闭时，在沿支气道方向的示意图。左为内侧视角，右为外侧视角。
图4为基于曲柄滑块原理的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。
本发明提供基于曲柄滑块原理的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，以下实施例将结合附图对本发明作进一步详细说明。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。
本发明实施例包括以下步骤：
1)将连杆对门体施力的作用点设计在门体距转动轴的远端；具体为，在设计门体、连杆和驱动杆整体(即调节机构)时，将门体设计作为曲柄滑块机构中的曲柄构件，驱动杆设计作为曲柄滑块机构中的滑块构件，连杆与门体、驱动杆通过转动副铰接。其中连杆与门体铰接的位置位于远离门体转动中心轴的一端，即门体距转动轴的远端，由此对比于在门体转动轴近端推门的方案，本调节机构可加长门体的转动力臂，从而达到省力的目的。
2)在闭合时保证通风口的密闭特性；具体为，将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)在门体打开过程中实现连续调节、随时启停；具体为，通过电机驱动的方式可实现门体绕转动轴运动全过程中，位移、速度、加速度可实时调节，以实现门体的连续调节、随时启停。
4)将门体形状按照主进气道内壁轮廓进行设计；具体为，将门体形状设计为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。
本发明基于曲柄滑块原理，本机构通过电机带动驱动杆平动，从而拉动连杆运动，进而带动门体转动，实现支气道通风口的开启。本实施例将在近轴端施力的方式改变为在远轴端施力的方式，据此加大推动门体的力臂，从而达到省力的目的。如图1所示，图1上为基于曲柄滑块原理的TBCC进气道调节机构开启时外侧视角的示意图；图1下为基于曲柄滑块原理的TBCC进气道调节机构开启时内侧视角的示意图。
如图2所示，图2上为基于曲柄滑块原理的TBCC进气道调节机构打开时，在沿支气道方向的内侧视角示意图，图2下为外侧视角示意图。
如图3所示，图3上为基于曲柄滑块原理的TBCC进气道调节机构关闭时，在沿支气道方向的内侧视角示意图，图3下为外侧视角示意图。
如图4所示，图4为基于曲柄滑块原理的TBCC进气道调节机构的爆炸视图。本机构由驱动杆导轨2、门体4、转动轴5、连杆6、铰接销7和驱动杆8组成。图4中还包含支气道1和主进气道3。
调节机构的运动步骤为：在闭合时，由电机带动驱动杆8平动，从而拉动连杆6运动，进而带动门体4转动，实现支气道通风口的开启。在开启时运动原理相同，即可实现支气道通风口的连续调节、随时启停。
由图2和3可见，本发明将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；将门体形状设计为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。
本发明基于曲柄滑块原理的TBCC进气道调节机构设计方法，该调节机构的实现过程为：电机带动驱动杆平动，通过与滑块铰接的连杆带动门体绕中心轴转动，实现支气道通风口的开合。该机构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，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、随时启停，和在闭合时的完全密闭。
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 (5)
1.基于曲柄滑块原理的TBCC进气道调节机构设计方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将连杆对门体施力的作用点设在门体距转动轴的远端；
2)在闭合时保证通风口的密闭特性；
3)在门体打开过程中实现连续调节、随时启停；
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所述基于曲柄滑块原理的TBCC进气道调节机构设计方法，其特征在于在步骤1)中，所述将连杆对门体施力的作用点设在门体距转动轴的远端具体方法为：在设计门体、连杆和驱动杆整体时，将门体设计作为曲柄滑块机构中的曲柄构件，驱动杆设计作为曲柄滑块机构中的滑块构件，连杆与门体、驱动杆通过转动副铰接；其中连杆与门体铰接的位置位于远离门体转动中心轴的一端，即门体距转动轴的远端，由此对比于在门体转动轴近端推门的方案，本调节机构可加长门体的转动力臂，从而达到省力的目的。
3.如权利要求1所述基于曲柄滑块原理的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具体方法为，将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。
4.如权利要求1所述基于曲柄滑块原理的TBCC进气道调节机构设计方法，其特征在于在步骤3)中，所述在门体打开过程中实现连续调节、随时启停具体方法为，通过电机驱动的方式可实现门体绕转动轴运动全过程中，位移、速度、加速度可实时调节，以实现门体的连续调节、随时启停。
5.如权利要求1所述基于曲柄滑块原理的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具体方法为，将门体形状设计为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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