CN112945508B - 一种超跨音速平面叶栅可变喷管装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超跨音速平面叶栅可变喷管装置，喷管上壁包括喷管上壁固定块、柔性壁以及柔性壁调节机构，喷管下壁包括喷管下壁固定块、平板和抽吸段，柔性壁调节机构的末端与柔性壁的主体部分的上表面活动连接，通过柔性壁调节机构可调节柔性壁的主体部分任意位置处的弯曲程度，继而实现对喷管的扩张段的形状的调节；平板的上游端通过一转轴机构与喷管下壁固定块的下游端相连接，使得平板可沿转轴进行有限角度的旋转，用于调节喷管扩张段形状。本发明以通过可变喷管的固定和调节机构，实现进口超音速流动和进口马赫数的连续可变；本发明设计的调节机构使用简单、效果明显。

Description

一种超跨音速平面叶栅可变喷管装置

技术领域

本发明属于叶轮机械风洞试验领域，更具体地，涉及一种超跨音速平面叶栅可变喷管装置，通过对可变喷管结构的设计，实现进口超音速流动和进口马赫数的连续可变，具有使用简单、效果明显、通用性好、成本低等特点。

背景技术

近年来，随着航空发动机技术的发展，航空发动机的叶轮机械部件(风扇、压气机、涡轮等)中存在着广泛的超、跨音速流动，其进口马赫数范围亦比较宽广。在叶轮机械的超、跨音速流动中，往往伴随着复杂的激波结构、激波-附面层分离、叶顶泄露流、角区分离、叶片振动等多种流动和结构现象，影响着航空发动机的性能，是发动机研发中一个必要的研究方向。

在航空发动机叶片的基础研究以及设计中，普遍采用平面叶栅试验的方法进行测量和验证，而叶栅性能的好坏直接影响航空发动机的性能指标。详细研究叶栅流道内复杂的流场结构、损失机理、振动特性，探索降低叶栅流道内的能量损失以及改善叶栅气动性能的方法，已经成为提高航空发动机性能的重要研究内容。

在超跨音速平面叶栅风洞的设计中，进口段使用拉瓦尔喷管使测试段的来流马赫数达到超音速工况，而特定的拉瓦尔喷管结构对应一个特定的来流马赫数。传统的超跨音速平面叶栅风洞往往采用固定结构的拉瓦尔喷管，在调整进口马赫数时，需要替换拉瓦尔喷管段，其加工、安装及调试的成本高、花费时间长。

综上分析可知，对于超跨音速平面叶栅风洞进口段的设计和应用，在增强可调节性及适用性、降低经济及时间成本等方面仍有提升改进空间。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种超跨音速平面叶栅可变喷管装置，其利用可变拉瓦尔喷管结构，实现超音速来流条件，通过可调装置，可实现进口马赫数的连续可调。

本发明为实现其技术目的所采用的技术方案为：

一种超跨音速平面叶栅可变喷管装置，包括一设置在风洞上壁下侧的喷管上壁和一设置在风洞下壁上侧的喷管下壁，所述喷管上壁与喷管下壁相对布置，二者之间的空间形成为喷管流道，一叶栅布置在所述喷管流道的下游出口位置处，其特征在于，

所述喷管上壁，至少包括一喷管上壁固定块、一柔性壁以及一柔性壁调节机构，其中，所述喷管上壁固定块固定设置在风洞上壁的下侧，其下表面与柔性壁11贴合形成为喷管上壁的收缩段及喉部；所述柔性壁的前端固定设置在所述喷管上壁固定块上，并至少覆盖所述喷管上壁固定块的部分下表面或覆盖所述固定块的整个下表面，所述柔性壁的主体部分设置在所述喷管上壁固定块的下游，且所述柔性壁的主体部分的下表面形成为喷管上壁的扩张段；所述柔性壁调节机构设置在所述风洞上壁上，所述柔性壁调节机构的末端与所述柔性壁的主体部分的上表面活动连接，通过所述柔性壁调节机构可调节所述柔性壁的主体部分任意位置处的弯曲程度，继而实现对所述喷管的扩张段的形状的调节；

所述喷管下壁，至少包括一喷管下壁固定块、一平板和一抽吸段，其中，所述喷管下壁固定块固定设置在所述风洞下壁的上侧，其上表面形成为喷管下壁的收缩段及喉部；所述平板与抽吸段的上表面形成为喷管下壁的扩张段，所述平板的上游端通过一转轴机构与所述喷管下壁固定块的下游端相连接；所述抽吸段固定设置在所述风洞下壁的上侧，且其上游端与所述平板的下游端相连接。

优选地，所述柔性壁由橡胶壁和薄金属片贴合而成，其中所述橡胶壁形成为所述柔性壁的下表面，所述薄金属片形成为所述柔性壁的上表面，所述柔性壁整体可自由弯曲。

优选地，所述柔性壁调节机构包括多个沿长度方向分布在所述风洞上壁的调节杆，每一所述调节杆的末端均通过一铰接机构与所述柔性壁的主体部分的上表面的一对应位置活动连接，通过上下调节各所述调节杆相对于所述风洞上壁的伸出长度，可以调节所述柔性壁的主体部分各对应位置处的弯曲程度，而实现对所述喷管的扩张段的形状的调节。

进一步的，所述调节杆的数量选择可由喷管扩张段的复杂程度和精度要求来决定；所述调节杆可应用伺服电机控制，通过编程及给定流场参数，实现喷管形状的自动调节，进一步提高试验效率。

优选地，所述抽吸段与喷管下壁之间构成抽吸腔，所述抽吸腔与外部真空抽吸设备连通，使得所述抽吸腔形成为负压，实现抽吸功能。

进一步的，所述抽吸段包括一平直段和一倾斜段，所述倾斜段设置在平直段的下游并向下侧倾斜，且所述平直段整体位于所述叶栅的上游，所述倾斜段的倾斜方向基本与所述叶栅的排列方向一致，所述平直段的上表面上以阵列方式设有多个第一抽吸孔，所述倾斜段的上表面上以阵列方式设有多个第二抽吸孔，所述第一抽吸孔、第二抽吸孔均与所述抽吸腔连通，所述第一抽吸孔用于抽吸所述叶栅前激波附面层，以提高栅前流场的周期性，所述第二抽吸孔用于抽吸所述叶栅旁通段的低能流体，提升通流能力。

进一步的，所述第二抽吸孔的孔径大于所述第一抽吸孔的孔径。

优选地，所述喷管上壁固定块和喷管下壁固定块为给定形状，对于不同的流场需求，可以更换不同形状的固定块。

本发明实施例提供的超跨音速平面叶栅可变喷管装置中，喷管上壁固定块下壁面为给定缩放曲面，用于给定喷管收缩段形状、喷管喉部位置和面积。其上侧固定于风洞上壁下侧，其下侧与柔性壁连接。柔性壁调节机构包括若干独立的调节杆及铰接机构，用于调节喷管扩张段形状，可进行上下调节，每一调节杆的下端与柔性壁的上表面连接，调节杆穿过风洞上壁开有的长孔，并通过支撑结构固定于风洞上壁上侧。

本发明实施例提供的超跨音速平面叶栅可变喷管装置中，喷管下壁固定块上壁面为给定收缩曲面，用于给定喷管收缩段及喉部形状。平板可沿转轴进行有限角度的旋转，用于调节喷管扩张段形状。抽吸段上表面开有两种抽吸孔，上游开有的细小抽吸孔用于抽吸叶栅前激波附面层，提高栅前流场的周期性；下游开有的大抽吸孔用于抽吸叶栅旁通段的低能流体，提升通流能力。风洞下壁与抽吸段之间构成抽吸腔，外部真空泵通过风洞下壁开有的圆孔抽气，使抽吸腔形成负压，实现抽吸功能。

本发明实施例提供的超跨音速平面叶栅可变喷管装置中，叶栅是风洞试验测试件，位于可变喷管出口处，其上、下侧分别于喷管上、下壁形成上、下旁通段。

总体而言，同现有技术相比，本发明的超跨音速平面叶栅可变喷管装置主要具备以下的技术优点：

(1)效果明显：本发明通过对可变喷管结构的设计，可以通过可变喷管的固定和调节机构，实现进口超音速流动和进口马赫数的连续可变；本发明设计的调节机构使用简单、效果明显。

(2)通用性好：本发明可广泛应用于各类超跨音速平面叶栅风洞中。

(3)成本低：本发明采用的设计、材料、加工成本低；本发明有效的降低了风洞的建设和使用成本，提高了试验效率，适用于各种科学研究和工程试验的要求。

附图说明

图1是本发明实施例的超跨音速平面叶栅可变喷管装置结构示意图；

图2是本发明实施例的可调螺栓结构示意图；

图3是本发明实施例的抽吸结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-橡胶壁，2-薄金属片，3-喷管上壁固定块，4-调节杆，5-风洞上壁，6-喷管下壁固定块，7-平板，8-抽吸段，9-风洞下壁，10-叶栅，11-柔性壁，12-铰接机构，13-第一抽吸孔，14-第二抽吸孔。所有附图中，左侧为气流上游，右侧为气流下游。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。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。下面结合附图对本发明的结构、技术方案作进一步的具体描述，给出本发明的一个实施例。

如图1所示，本发明实施例提供的超跨音速平面叶栅可变喷管装置，该装置由设置在风洞上壁5下侧的喷管上壁和设置在风洞下壁9上侧的喷管下壁组成，喷管上壁与喷管下壁相对布置，二者之间的空间形成为喷管流道，叶栅10布置在喷管流道的下游出口位置处。

如图1、2所示，喷管上壁，至少包括一喷管上壁固定块3、一柔性壁11以及一柔性壁调节机构，其中，喷管上壁固定块3固定设置在风洞上壁5的下侧，其下表面与柔性壁11贴合形成为喷管上壁的收缩段及喉部；柔性壁11的前端固定设置在喷管上壁固定块3上，并至少覆盖喷管上壁固定块3的部分下表面或覆盖固定块3的整个下表面，柔性壁11的主体部分设置在喷管上壁固定块3的下游，且柔性壁11的主体部分的下表面形成为喷管上壁的扩张段；柔性壁调节机构设置在风洞上壁5上，柔性壁调节机构的末端与柔性壁11的主体部分的上表面活动连接，通过柔性壁调节机构可调节柔性壁11的主体部分任意位置处的弯曲程度，继而实现对喷管的扩张段的形状的调节。

本发明优选的实例中，如图1所示，柔性壁11由橡胶壁1和薄金属片2贴合而成，其中橡胶壁1形成为柔性壁11的下表面，薄金属片2形成为柔性壁11的上表面，柔性壁11整体可自由弯曲。

本发明优选的实例中，如图1、2所示，柔性壁调节机构包括多个沿长度方向分布在风洞上壁5的调节杆4，每一调节杆4的末端均通过一铰接机构12与柔性壁11的主体部分的外表面的一对应位置活动连接，通过上下调节各调节杆4相对于风洞上壁5的伸出长度，可以调节柔性壁11的主体部分各对应位置处的弯曲程度，而实现对喷管的扩张段的形状的调节。

本发明优选的实例中，调节杆4的数量选择可由喷管扩张段的复杂程度和精度要求来决定；调节杆4可应用伺服电机控制，通过编程及给定流场参数，实现喷管形状的自动调节，进一步提高试验效率。

本发明的喷管上壁中，通过采用喷管上壁固定块3和调节杆4相结合的方式实现柔性壁11的调节、支撑和固定。

继续参见图1、3，喷管下壁，至少包括一喷管下壁固定块6、一平板7和一抽吸段8，其中，喷管下壁固定块6固定设置在风洞下壁9的上侧，其上表面形成为喷管下壁的收缩段及喉部；平板7与抽吸段8的上表面形成为喷管下壁的扩张段，平板7的上游端通过一转轴机构与喷管下壁固定块6的下游端相连接，使得平板7可沿转轴进行有限角度的旋转，用于调节喷管扩张段形状；抽吸段8固定设置在风洞下壁9的上侧，且其上游端与平板7的下游端相连接。

本发明优选的实例中，如图3所示，抽吸段8与喷管下壁9之间构成抽吸腔，抽吸腔与外部真空抽吸设备连通，使得抽吸腔形成为负压，实现抽吸功能；抽吸段8包括一平直段和一倾斜段，倾斜段设置在平直段的下游并向下侧倾斜，且平直段整体位于叶栅10的上游，倾斜段的倾斜方向基本与叶栅10的排列方向一致，平直段的上表面上以阵列方式设有多个第一抽吸孔13，倾斜段的上表面上以阵列方式设有多个第二抽吸孔14，第一抽吸孔13、第二抽吸孔14均与抽吸腔连通，第一抽吸孔13用于抽吸叶栅10前激波附面层，以提高栅前流场的周期性，第二抽吸孔14用于抽吸叶栅10旁通段的低能流体，提升通流能力。

进一步的，第二抽吸孔14的孔径大于第一抽吸孔13的孔径。

本发明实施例提供的超跨音速平面叶栅可变喷管装置中，喷管上壁固定块3下壁面为给定缩放曲面，用于给定喷管收缩段形状、喷管喉部位置和面积。其上侧固定于风洞上壁5下侧，其下侧与柔性壁11连接。柔性壁调节机构包括若干独立的调节杆4及铰接机构12，用于调节喷管扩张段形状，可进行上下调节，每一调节杆4的下端通过铰接机构12与柔性壁11的上表面连接，调节杆4穿过风洞上壁5开有的长孔，并通过支撑结构固定于风洞上壁5上侧。

本发明实施例提供的超跨音速平面叶栅可变喷管装置中，喷管下壁固定块6上壁面为给定收缩曲面，用于给定喷管收缩段及喉部形状。平板7可沿转轴进行有限角度的旋转，用于调节喷管扩张段形状。抽吸段8上表面开有两种抽吸孔，上游开有的细小抽吸孔用于抽吸叶栅10前激波附面层，提高栅前流场的周期性；下游开有的大抽吸孔用于抽吸叶栅旁通段的低能流体，提升通流能力。风洞下壁9与抽吸段8之间构成抽吸腔，外部真空泵通过风洞下壁9开有的圆孔抽气，使抽吸腔形成负压，实现抽吸功能。

本发明实施例提供的超跨音速平面叶栅可变喷管装置中，叶栅10是风洞试验测试件，位于可变喷管出口处，其上、下侧分别于喷管上、下壁形成上、下旁通段。

本发明优选的实例中，喷管上壁固定块3和喷管下壁固定块6为给定形状，对于不同的流场需求，可以更换不同形状的固定块。

通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (8)

1.一种超跨音速平面叶栅可变喷管装置，包括一设置在风洞上壁下侧的喷管上壁和一设置在风洞下壁上侧的喷管下壁，所述喷管上壁与喷管下壁相对布置，二者之间的空间形成为喷管流道，一叶栅布置在所述喷管流道的下游出口位置处，其特征在于，

所述喷管上壁，至少包括一喷管上壁固定块、一柔性壁以及一柔性壁调节机构，其中，所述喷管上壁固定块固定设置在风洞上壁的下侧，其下表面与柔性壁贴合形成为喷管上壁的收缩段及喉部；所述柔性壁的前端固定设置在所述喷管上壁固定块上，并至少覆盖所述喷管上壁固定块的部分下表面或覆盖所述喷管上壁固定块的整个下表面，所述柔性壁的主体部分设置在所述喷管上壁固定块的下游，且所述柔性壁的主体部分的下表面形成为喷管上壁的扩张段；所述柔性壁调节机构设置在所述风洞上壁上，所述柔性壁调节机构的末端与所述柔性壁的主体部分的上表面活动连接，通过所述柔性壁调节机构可调节所述柔性壁的主体部分任意位置处的弯曲程度，继而实现对所述喷管的扩张段的形状的调节；

所述喷管下壁，至少包括一喷管下壁固定块、一平板和一抽吸段，其中，所述喷管下壁固定块固定设置在所述风洞下壁的上侧，其上表面形成为喷管下壁的收缩段及喉部；所述平板与抽吸段的上表面形成为喷管下壁的扩张段，所述平板的上游端通过一转轴机构与所述喷管下壁固定块的下游端相连接；所述抽吸段固定设置在所述风洞下壁的上侧，且其上游端与所述平板的下游端相连接。

2.根据权利要求1所述的超跨音速平面叶栅可变喷管装置，其特征在于，所述柔性壁由橡胶壁和薄金属片贴合而成，其中所述橡胶壁形成为所述柔性壁的下表面，所述薄金属片形成为所述柔性壁的上表面，所述柔性壁整体可自由弯曲。

3.根据权利要求2所述的超跨音速平面叶栅可变喷管装置，其特征在于，所述柔性壁调节机构包括多个沿长度方向分布在所述风洞上壁的调节杆，每一所述调节杆的末端均通过一铰接机构与所述柔性壁的主体部分的上表面的一对应位置活动连接，通过上下调节各所述调节杆相对于所述风洞上壁的伸出长度，可以调节所述柔性壁的主体部分各对应位置处的弯曲程度，而实现对所述喷管的扩张段的形状的调节。

4.根据权利要求3所述的超跨音速平面叶栅可变喷管装置，其特征在于，所述调节杆的数量选择可由喷管扩张段的复杂程度和精度要求来决定；所述调节杆可应用伺服电机控制，通过编程及给定流场参数，实现喷管形状的自动调节，进一步提高试验效率。

5.根据权利要求1所述的超跨音速平面叶栅可变喷管装置，其特征在于，所述抽吸段与喷管下壁之间构成抽吸腔，所述抽吸腔与外部真空抽吸设备连通，使得所述抽吸腔形成为负压，实现抽吸功能。

6.根据权利要求5所述的超跨音速平面叶栅可变喷管装置，其特征在于，所述抽吸段包括一平直段和一倾斜段，所述倾斜段设置在平直段的下游并向下侧倾斜，且所述平直段整体位于所述叶栅的上游，所述倾斜段的倾斜方向基本与所述叶栅的排列方向一致，所述平直段的上表面上以阵列方式设有多个第一抽吸孔，所述倾斜段的上表面上以阵列方式设有多个第二抽吸孔，所述第一抽吸孔、第二抽吸孔均与所述抽吸腔连通，所述第一抽吸孔用于抽吸所述叶栅前激波附面层，以提高栅前流场的周期性，所述第二抽吸孔用于抽吸所述叶栅旁通段的低能流体，提升通流能力。

7.根据权利要求6所述的超跨音速平面叶栅可变喷管装置，其特征在于，所述第二抽吸孔的孔径大于所述第一抽吸孔的孔径。

8.根据权利要求1所述的超跨音速平面叶栅可变喷管装置，其特征在于，所述喷管上壁固定块和喷管下壁固定块为给定形状，对于不同的流场需求，可以更换不同形状的固定块。

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