CN113107681B - 一种连续可调的进气道放气装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续可调的进气道放气装置，进气道前体内设有位于压缩面内侧的若干放气槽，所述放气槽的两侧与进气道外界连通；放气槽与压缩面之间设有贯穿压缩面的开口，且该开口连通放气槽。还包括驱动模块，所述驱动模块包括位于内腔中的电机、位于放气槽内的叶片、叶片通过转动打开或关闭放气槽。本进气道放气装置构造简单、放气量连续可调且避开了死点的干扰；该放弃装置结构小巧，适应狭小空间；灵活性强，仅需改变运动副的长度即可进行不同角度范围的调节，且对转动方向无特殊要求；由于电机的转动角度可知，进而可知叶片的转动角度而无需额外的传感器监控其转动角度。

Description

一种连续可调的进气道放气装置
技术领域
本发明涉及高超声速进气道气动实验领域，特别是一种连续可调的进气道放气装置。
背景技术
高超声速进气道作为飞行器上的关键部件之一，其性能高低直接影响着推进系统的推进效率乃至飞行器的综合性能，而高超声速进气道低马赫数下的起动能力较差，限制了飞行器的工作范围，因此飞行器在低马赫数下必须采用其他动力装置。这样不仅使结构更加复杂，而且还影响高超声速飞行的成本。
通常，进气道降低起动马赫数的方法可以分为两类：变几何方法和定几何条件下的其它方法。由于常规的定几何进气道在不同工况下的性能差异很大，很难满足飞行器的要求，因此人们变几何进气道的方法。其主要包括以下几种方案：(1)中心体可变方案，通常为中心体前后平移或改变中心体直径来控制喉道面积变化。前者已在美国SR-71侦察机上得到了应用，后者由于结构复杂、可靠性差、利用率低，遭到放弃。(2)压缩面转动方案。协和号客机、F15和Su27战斗机等都采用了双转动板调节，该方案通过压缩面、扩张段斜板两个部件协同调节进气道的几何形状，提高进气道的低马赫数起动能力。美国FAP计划采用的四连杆机构调节，与双转动板方案相比，其气动型面连续、适用的马赫数范围较宽，但密封性较差。(3)唇罩平移、转动方案。这种方案将飞行器下表面围城进气道内压段、喉道和燃烧室的壳体设计为一整体，对飞行器整体设计影响较大，在实际应用中难以实现。(4)新型调节技术，包括柔性可调进气道技术和记忆合金调节方案，该方案在航空方面有很强的潜力，但在工程应用中也存在耐高温性能差、响应速度慢等问题。而定几何条件下的其它起动措施，均是希望能够实现低马赫数下进气道自动溢流，也就是通常所说的放气或泄流。通过把一部分低能量的流体排出内通道，降低边界层厚度，使得近壁面速度分布更加饱满，增加边界层抵抗逆压力梯度的能力，抑制流动分离；此外，放气还可以提高进气道抗反压能力，使得进气道能够在低马赫数下顺利起动。但是用放气的方法来控制附面层，进而提高高超声速进气道的工作性能，是要付出一定代价的。因为放走的空气通常并没有返回进气道，这使得进气道损失了一部分捕获流量，而进气道的捕获流量直接影响着推进系统产生的推力大小。研究表明，采用放气后，推进系统产生的总推力、摩擦阻力有所下降，推进系统的静推力也随着放气量的增大而减小。此外，低能的附面层被排出到进气道外界也会产生放气阻力，在巡航状态下，这种阻力是进气道阻力的主要组成部分。
为了解决这一矛盾，可以采用可调放气获得低马赫数下较好的起动性能；在巡航状态下，活门关闭，使推进系统获得较大的推力。这样在扩宽进气道工作范围的同时又可以保证推进系统的性能不下降。但高超声速飞行器的空间十分有限，工作环境恶劣，对转动机构的形状、运行范围等几何约束较强，而且绝大多数情况下电机轴和叶片轴无法直接传动，常用的传动机构在此情况会出现许多问题：四连杆机构会出现死点导致运动出现双解，传动可靠性较差；由于放气腔一般置于进气道两侧，空间极其有限，无法布置一个完整的齿轮，即使可以布置，由于空间小，齿轮的齿数较少，很难实现微型叶片的无极转动；由于驱动装置内不可避免会有高温流体泄露出来，带传动在高温环境下的传动稳定性也受到限制。
因此，需要一种新的技术方案以解决上述技术问题。
发明内容
为为解决上述问题，本发明提供了一种连续可调的进气道放气装置，能够对进气道的放气槽进行连续可调的、可靠的驱动控制，具有一定的通用性。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种连续可调的进气道放气装置，包括进气道前体、前体外表面形成的压缩面；所述进气道前体内设有内腔，进气道前体内还设有位于压缩面内侧的若干放气槽，所述放气槽的两侧与进气道外界连通；放气槽与压缩面之间设有贯穿压缩面的开口，且该开口连通放气槽；
还包括驱动模块，所述驱动模块包括位于内腔中的电机、位于放气槽内的叶片、与叶片连接并带动叶片转动的输出轴、与电机轴连接的转动杆、与转动杆及输出轴连接的滑动杆，所述滑动杆内设有滑槽，转动杆的一端设有销轴穿过滑槽，转动杆的另一端垂直连接电机轴并通过电机轴的转动而转动；滑动杆的一端与输出轴铰接；电机轴的转动方向与输出轴的转动方向相反；叶片通过转动打开或关闭放气槽。
进一步的，还包括进气道唇罩，输出轴沿进气道进气流动方向延伸，输出轴向进气道唇罩方向倾斜。
进一步的，滑动杆长度大于转动杆长度。
进一步的，所述输出轴由两个轴承支撑且依次穿过三个放气槽，输出轴上依次固定有三片大小递减的叶片，越靠近电机的叶片越大。
进一步的，所述叶片的最大转动角度为90°，当叶片处于最大转动角度时，放气槽的开口最大。
有益效果：本发明的放气装置的驱动模块构造简单、放气量连续可调且避开了死点的干扰；该放弃装置结构小巧，适应狭小空间；灵活性强，仅需改变运动副的长度即可进行不同角度范围的调节，且对转动方向无特殊要求；由于电机的转动角度可知，进而可知叶片的转动角度而无需额外的传感器监控其转动角度。本进气道放弃装置实现了受限空间异轴之间扭矩的有效传递，能够应用于高超声速流动控制并能够改善高超声速进气道性能。
附图说明
图1是本发明连续可调的进气道放气装置的结构示意图。
图2是本发明中驱动模块的立体图。
图3是驱动模块中输出轴转动过程示意图。
图4是通过数值仿真得到的进气道入口流场结构图。
图5是通过风洞试验得到的压缩面动态压力变化曲线图。
具体实施方式
请结合图1及图2所示，本发明提出一种连续可调的进气道放气装置，包括进气道前体14、前体外表面形成的压缩面11、进气道唇罩12、驱动模块。所述进气道前体内设有内腔20，进气道前体内还设有位于压缩面内侧的若干放气槽21，所述放气槽21的两侧与进气道外界连通。放气槽21与压缩面11之间设有贯穿压缩面的开口22，且该开口22连通放气槽21。
所述驱动模块包括位于内腔中的电机7、位于放气槽21内的叶片8、9、10、与叶片连接并带动叶片转动的输出轴1、与电机轴6连接的转动杆3、与转动杆3及输出轴1连接的滑动杆2。所述滑动杆2内设有滑槽23，转动杆的一端设有销轴24穿过滑槽23并在滑槽23的范围内移动。转动杆3的另一端垂直连接电机轴6并通过电机轴6的转动而转动。滑动杆2的一端与输出轴1铰接。电机轴6的转动方向与输出轴1的转动方向相反。叶片通过转动打开或关闭放气槽21。输出轴1沿进气道进气流动方向延伸，输出轴1向进气道唇罩12方向倾斜。在本实施方式中，鉴于进气道压缩面前高后低，驱动机构倾斜放置。电机轴6通过联轴器5与一个连接轴4同轴连接。连接轴4与电机轴6由联轴器(5)柔性连接，在力矩有效传递的同时保证了运动稳定性。所述输出轴1与连接轴4平行，滑动杆2与电机轴6空间垂直，转动杆3与连接轴4空间垂直。所述输出轴1由两个轴承支撑且依次穿过三个放气槽21，输出轴上依次固定有三片大小递减的叶片，越靠近电机7的叶片越大。所述滑动杆2长度大于转动杆3长度，以保证电机轴转动角度大于叶片轴转动角度。
请再结合图1及图3，所述叶片随着输出轴1的最大转动角度为90°，当叶片处于最大转动角度时，放气槽21的开口最大。如图1所示，为叶片在0°的时候，即此时叶片相对放气槽21处于关闭状态。随着输出轴1的转动，叶片转动而打开放气槽21。
为了进一步说明本实施例技术方案的有益效果，采用数值仿真方法及风洞试验方法对上述技术方案的效果进行验证。图4为通过数值仿真得到的进气道入口流场结构图，选取的仿真参数如下：来流马赫数为5.74，攻角为0°。图4中(a)为叶片关闭时的流场结构，A区内产生流动分离，此时进气道不起动；图4中(b)为叶片打开后的流场结构，B区内边界层紧贴壁面，此时进气道正常起动。图5为通过风洞实验得到的进气道压缩面动态压力变化曲线图。初始时进气道不起动，压力较高(C区)，电机转动叶片逐渐打开(E区)，进气道转为正常起动(D区)。以上结果说明，通过该模块的驱动，有效提高了进气道的起动性能，本发明装置达到了预期目标，是切实可行的。
另外，本发明的具体实现方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
另外，本发明的具体实现方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种连续可调的进气道放气装置，包括进气道前体(14)、前体外表面形成的压缩面(11)；其特征在于：所述进气道前体内设有内腔(20)，进气道前体内还设有位于压缩面内侧的若干放气槽(21)，所述放气槽的两侧与进气道外界连通；放气槽与压缩面之间设有贯穿压缩面的开口(22)，且该开口(22)连通放气槽；
还包括驱动模块，所述驱动模块包括位于内腔中的电机(7)、位于放气槽内的叶片、与叶片连接并带动叶片转动的输出轴(1)、与电机轴(6)连接的转动杆(3)、与转动杆(3)及输出轴(1)连接的滑动杆(2)，所述滑动杆内设有滑槽，转动杆的一端设有销轴穿过滑槽，转动杆的另一端垂直连接电机轴并通过电机轴的转动而转动；滑动杆的一端与输出轴铰接；电机轴的转动方向与输出轴的转动方向相反；叶片通过转动打开或关闭放气槽。
2.根据权利要求1所述的进气道放气装置，其特征在于：还包括进气道唇罩(12)，输出轴(1)沿进气道进气流动方向延伸，输出轴向进气道唇罩(12)方向倾斜。
3.根据权利要求2所述的进气道放气装置，其特征在于：滑动杆(2)长度大于转动杆(3)长度。
4.根据权利要求1所述的进气道放气装置，其特征在于：所述输出轴(1)由两个轴承支撑且依次穿过三个放气槽(21)，输出轴上依次固定有三片大小递减的叶片，越靠近电机(7)的叶片越大。
5.根据权利要求4所述的进气道放气装置，其特征在于：所述叶片的最大转动角度为90°，当叶片处于最大转动角度时，放气槽(21)的开口最大。
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