CN114109646B - 一种卡环式两级可调排气系统、发动机及飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卡环式两级可调排气系统、发动机及飞行器，涉及超音速飞行器技术领域，其中，卡环式两级可调排气系统包括作动环，作动环上设置有一级调节结构和二级调节结构，一级调节结构和二级调节结构均用于限位调节导流片和密封片；导流片、密封片与喷管筒体形成燃气通道；一级调节结构包括第一连杆、支梁、弹性件、卡环、第一挡板和爆炸螺栓，一级调节结构能将排气系统限位于第一面积状态；二级调节结构包括多个第二挡板和第二连杆，二级调节结构能将排气系统限位于第二面积状态；本发明通过一级调节机构和二级调节结构可以对排气系统的出口面积进行两级调节，不仅结构轻便可靠、控制简单，且环境适应性高，能够有效提高发动机推重比。

Description

一种卡环式两级可调排气系统、发动机及飞行器

技术领域

本发明涉及超音速飞行器技术领域，更具体地，涉及一种卡环式两级可调排气系统、发动机及飞行器。

背景技术

现代超音速飞行器技术的迅猛发展，现有的飞行器发动机存在诸多不足。

现有的飞行器发动机的可调排气系统一般包括喷管组件、液压系统、作动系统、控制系统，虽然能实现喷管面积调节，但是系统组成十分复杂。其中喷管组件由喷管调节片、密封片、喷管作动环等组成；液压系统主要是作动筒、滑油箱及配套管路，飞行器需要提供不低于15MPa的滑油通过作动筒驱动喷管作动环实现喷管面积的调节；作动系统是连接作动筒与喷管的机械结构；控制系统包含加力燃油量、作动筒滑油量、驱动电信号、喷口面积的复杂算法及相关参数的测量传感器。这种可调排气系统适用于几千大牛推力级涡轮发动机，当推力量级降低至1000daN推力以下，这种可调排气系统重量、控制系统、成本难以满足要求，在这种条件下，也由采用电力作动系统代替液压系统实现喷口面积的调节，但也存在电力作动系统对环境温度要求苛刻、可靠性等问题。

因此在越来越严格的性能要求下，迫切需要简化其作动结构及控制系统，提高小型超音速涡轮发动机的总体性能。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决上述技术问题，本发明提供了一种卡环式两级可调排气系统、发动机及飞行器。

本发明采用的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供一种卡环式两级可调排气系统，包括作动环，所述作动环上设置有一级调节结构和二级调节结构，所述一级调节结构和所述二级调节结构均用于限位调节导流片和密封片；所述导流片、密封片与喷管筒体形成燃气通道；所述一级调节结构包括第一连杆、支梁、弹性件、卡环、多个第一挡板和两个爆炸螺栓，所述支梁的一端与所述作动环垂直固定连接，所述支梁的另一端通过弹性件与所述第一连杆连接，所述第一连杆与所述卡环固定连接；多个所述第一挡板的一端分别与所述卡环固定连接，所述卡环包括两个半环，两个半环共同组成环状的所述卡环，两个所述半环分别通过所述第一连杆与所述作动环铰接，两个所述半环分别通过两个爆炸螺栓与所述导流片固定，所述一级调节结构能将所述排气系统限位于第一面积状态；所述二级调节结构包括多个第二挡板和第二连杆，多个所述第二挡板的一端分别与所述作动环固定连接，所述二级调节结构能将所述排气系统限位于第二面积状态；在所述第一面积状态时，所述弹性件处于拉伸状态，并且所述第一挡板与所述导流片贴合；在所述第二面积状态时，所述弹性件处于收缩状态，并且所述第二挡板与所述导流片贴合；所述第一面积状态和所述第二面积状态均为所述排气系统开口的不同面积的状态，其中，所述第二面积状态的开口面积大于所述第二面积状态。

作为一种优选的技术方案，所述作动环通过连接柱与安装边固定连接，所述安装边用于与发动机排气口连接。

作为一种优选的技术方案，所述排气系统还包括控制器，所述控制器通过导线与所述爆炸螺栓电连接。

作为一种优选的技术方案，多个所述第一挡板在第一面积状态下均与所述导流片无角度贴合设置。

作为一种优选的技术方案，所述第一挡板设置为导流片数量的一半，与所述第二挡板相间交叉布置，所述多个第一挡板在第一面积状态下均与所述导流片无角度贴合设置。

作为一种优选的技术方案，多个所述第二挡板在第二面积状态下均与所述导流片无角度贴合设置。

作为一种优选的技术方案，所述第二挡板设置为导流片数量的一半，与所述第一挡板相间交叉布置，所述多个第二挡板在第二面积状态下均与所述导流片无角度贴合设置。

作为一种优选的技术方案，所述弹性件为弹簧，所述弹簧的一端与所述支梁固定连接，所述弹簧的另一端与所述第一连杆固定连接。

根据本发明的另一个方面，提供一种发动机，包括上述的卡环式两级可调排气系统。

根据本发明的再一个方面，提供一种飞行器，包括上述发动机，所述发动机用于驱动所述飞行器。

本发明的有益效果如下：

1.在本发明中，一级调节结构利用第一挡板实现对排气系统出口位于第一面积状态的精确限位，当卡环解约束后利用弹性件将卡环向两侧拉开，避免卡环与受气动力扩张的导流片、密封片造成干涉。具体而言，在排气系统出口位于第一面积状态时，由于爆炸螺栓对卡环的约束，与卡环相连的具有一定角度的第一挡板与导流片贴合精确限位；弹性件通过支梁与第一连杆连接，在第一面积状态时弹性件处于拉伸状态，当爆炸螺栓炸开，卡环解约束之后，弹性件收缩产生拉力，将两个半环向两侧拉开，避免卡环与受气动力扩张的导流片、密封片造成干涉。

2.本发明一种卡环式两级可调排气系统，本发明通过一级调节机构和二级调节结构可以对排气系统的出口面积进行两级的点位式调节，不仅结构轻便且可靠、控制简单，而且环境适应性高，能够有效的提高发动机推重比。

3.本发明中提供的发动机不仅可以十分便捷地实现实现对排气系统出口面积的调节，并且可以通过气动力实现第一面积状态和第二面积之间的导流片扩张运动，通过带角度的第一挡板和第二挡板实现对大小出口面积状态下的精确限位。

此外，本发明的作动机构轻便、控制方式简单，结合气动力实现对排气系统出口面积的精确控制，可以提高发动机的推重比性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，本说明书附图中的各个部件的比例关系不代表实际选材设计时的比例关系，其仅仅为结构或者位置的示意图，其中：

图1是本发明一种实施方式中的两级可调排气的结构示意图；

图2是本发明一种实施方式中的两级可调排气的结构示意图，其中，排气出口处于第一面积状态；

图3是本发明一种实施方式中的两级可调排气的左视图，其中，排气出口处于第二面积状态；

图4是本发明一种实施方式中的两级可调排气的正视图，其中，排气出口处于第二面积状态；

附图中标号说明：

1-安装边；2-连接柱；3-作动环；4-支梁；5-弹性件；6-第一连杆；7-卡环；8-导流片；9-密封片；10-第一挡板；11-爆炸螺栓；12-电缆；13-控制器；14-第二挡板；15-第二连杆；16-喷管筒体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

现有的飞行器发动机的可调排气系统一般包括喷管组件、液压系统、作动系统、控制系统，虽然能实现喷管面积调节，但是系统组成十分复杂。其中喷管组件由喷管调节片、密封片、喷管作动环等组成；液压系统主要是作动筒、滑油箱及配套管路，飞行器需要提供不低于15MPa的滑油通过作动筒驱动喷管作动环实现喷管面积的调节；作动系统是连接作动筒与喷管的机械结构；控制系统包含加力燃油量、作动筒滑油量、驱动电信号、喷口面积的复杂算法及相关参数的测量传感器。这种可调排气系统适用于几千大牛推力级涡轮发动机，当推力量级降低至1000daN推力以下时，发动机本体尺寸、结构及重量更加轻便紧凑，此时这种可调排气系统重量、控制系统、成本相对于小型超音速发动机难以满足重量轻便、控制简单等要求。在这种条件下，也有采用电力作动系统代替液压系统实现喷口面积的调节，但电机多要求150℃以下的工作温度，相对于超音速发动机工作环境其要求较为苛刻，并且电机装置于发动机本体上之后，易产生电磁兼容性等可靠性问题。

实施例1

如图1至图4所示，本发明提供了一种卡环式两级可调排气系统，包括：作动环3，所述作动环3上设置有一级调节结构和二级调节结构用于对导流片8、密封片9进行限位调节；所述导流片8、密封片9与喷管筒体16形成燃气通道；所述一级调节结构包括第一连杆6、支梁4、弹性件5、卡环7、多个第一挡板10和两个爆炸螺栓11，所述支梁4的一端与所述作动环3垂直固定连接，所述支梁4的另一端通过弹性件5与所述第一连杆6连接，所述第一连杆6与所述卡环7固定连接；多个所述第一挡板10的一端分别与所述卡环7固定连接，所述卡环7包括两个半环，两个半环共同组成环状的所述卡环7，两个所述半环分别通过所述第一连杆6与所述作动环3铰接，两个所述半环分别通过两个爆炸螺栓11与所述导流片8固定，所述一级调节结构能将所述排气系统的喷管出口限位控制在第一面积状态；所述二级调节结构包括多个第二挡板14和第二连杆15，多个所述第二挡板14的一端分别通过所述第二连杆15与所述作动环3固定连接，所述二级调节结构能将所述排气系统的喷管出口限位控制在第二面积状态；

在所述第一面积状态时，弹性件5为拉伸状态，当卡环7解除爆炸螺栓约束后，弹性件5收紧并连带将卡环7向两侧弹开，避免与受气动力扩张的导流片8、密封片9造成干涉。

在所述第二面积状态时，当喷管导流片8、密封片9受到气动力扩张至第二面积状态时，第二挡板14与导流片8贴合实现精确限制。

所述第一面积状态和所述第二面积状态均为所述排气系统开口的不同面积的状态，其中，所述第二面积状态的开口面积大于所述第一面积状态。

所述作动环3通过连接柱2与安装边1固定连接，所述安装边1用于与发动机排气入口连接。

所述卡环式两级可调排气系统还包括控制器13，所述控制器13通过导线12与所述爆炸螺栓11电连接。

本实施例中，卡环式两级可调排气系统的第一面积状态的约束及解约束的工作原理/工作过程为：卡环7为两个半环，在排气系统出口位于第一面积状态下，利用两个爆炸螺栓11对导流片8进行约束，当控制器13通过电缆12向爆炸螺栓11传输电信号之后，两个爆炸螺栓11同时炸开，两个半环解除对导流片8的约束，导流片8在气动力作用下张开，从而实现对排气系统出口第一面积状态的解约束。

本实施例中，卡环式两级可调排气系统的第二面积状态的工作原理/工作过程为：二级调节结构包含第二连杆15和第二挡板14，第二挡板14通过第二连杆15与作动环3固定连接，当导流片8由于气动力的作用向外扩张时，具有一定角度的第二挡板14在排气系统出口位于第二面积状态位置处固定，与导流片8进行贴合精确限位。

本实施例卡环式两级可调排气系统从第一面积状态切换为第二面积状态的工作原理/工作过程为：一级调节结构利用第一挡板10实现对排气系统出口位于第一面积状态的精确限位，当卡环7解约束后利用弹性件5将卡环7向两侧拉开，避免卡环7与受气动力扩张的导流片8、密封片9造成干涉。具体而言，在排气系统出口位于第一面积状态时，由于爆炸螺栓11对卡环7的约束，与卡环7相连的具有一定角度的第一挡板10与导流片8贴合精确限位；弹性件5通过支梁4与第一连杆6连接，在第一面积状态时弹性件5处于拉伸状态，当爆炸螺栓11炸开，卡环7解约束之后，弹性件5收缩产生拉力，将两个半环向两侧拉开，避免卡环7与受气动力扩张的导流片8、密封片9造成干涉。

需要说明的是，本发明中控制器13通过电缆12控制爆炸螺栓11的起爆为本领域常用的技术方案，例如爆炸螺栓11可以采用开槽式、剪切销式、钢球式爆炸螺栓和无污染爆炸螺栓等。爆炸螺栓11的优点是承载能力大、结构简单、工作可靠、使用方便。另外地，在布置爆炸螺栓11时，需要注意螺栓爆炸后的残骸不应伤及周围的结构和设备。

此外，可以理解的是，本发明中，爆炸螺栓11可以替换为一般的卡环约束装置，如剪切销，剪切销为一种可靠外力机械拉断的连接装置，当第一面积状态下卡环7所受气动力达到剪切销设计拉断力值后，剪切销拉断使得卡环7解约束，即爆炸螺栓11可以由其他可解约束结构替换。

实施例2

如图1及图4所示，

本实施例在实施例1的基础之上，多个所述第一挡板10在第一面积状态下均与所述导流片8无角度贴合设置。

多个第一挡板10具有与第一面积状态下导流片8多点位精确贴合限位的优势，导流片8与密封片9之间由于气动力作用，每片均有向外扩张的趋势，若只限制单片导流片8，易造成导流片8与密封片9的应力变形，而多点位精确贴合限位可将受力进行分散控制，有益于一级调节装置的稳定性以及可靠性。

进一步地，可以将所述第一挡板10的数量设置为导流片数量的一半，与所述第二挡板14相间交叉布置，所述多个第一挡板10在第一面积状态下均与所述导流片8无角度贴合设置。

实施例3

如图1至图4所示，

本实施例在实施例1的基础之上，多个所述第二挡板14在第二面积状态下均与所述导流片8无角度贴合设置。

多个所述第二挡板具有与第二面积状态下导流片8多点位精确贴合限位的优势，当导流片8从第一面积状态扩张到第二面积状态扩张时，导流片和密封片具有运动惯性以及气动力的持续作用，若只限制单片导流片，易造成导流片与密封片的应力变形，而多点位精确贴合限位可将受力进行分散控制，有益于调节装置的稳定性以及可靠性。

进一步地，可以将所述第二挡板14的数量设置为导流片数量的一半，与所述第一挡板10相间交叉布置，所述多个第二挡板14在第二面积状态下均与所述导流片8无角度贴合设置。

实施例4

如图1及图4所示，

本实施例在实施例1的基础之上，所述弹性件5可以设置为弹簧，所述弹簧的一端与所述支梁4固定连接，所述弹簧的另一端与所述第一连杆6固定连接。

弹性件5可以选用弹簧，弹簧不仅结构简单，而且造价低廉，提供的弹性力也极为稳定，可以为本系统提供持续的弹性力，工作可靠。

实施例5

本实施例提供一种发动机，包括上述实施例中任一项所述的卡环式两级可调排气系统，具有上述技术方案中的卡环式两级可调排气系统的发动机，不仅可以十分便捷地实现对排气系统出口面积的调节，并且可以通过气动力实现第一面积状态和第二面积之间的导流片扩张运动，通过带角度的第一挡板10和第二挡板14实现对大小出口面积状态下的精确限位。

此外，本发明的作动机构轻便、控制方式简单，结合气动力实现对排气系统出口面积的精确控制，可以提高发动机的推重比性能。

实施例6

本实施例提供一种飞行器，包括实施例5中的发动机，所述发动机用于驱动飞行器，本发明的发动机应用于飞行器上，不仅可以提高排气系统对于环境温度的适应性，而且可以提高排气系统的调节出口面积的可靠性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种卡环式两级可调排气系统，其特征在于，包括：

作动环(3)，所述作动环(3)上设置有一级调节结构和二级调节结构，所述一级调节结构和所述二级调节结构均用于限位调节导流片(8)和密封片(9)；所述导流片(8)、密封片(9)与喷管筒体(16)形成燃气通道；

所述一级调节结构包括第一连杆(6)、支梁(4)、弹性件(5)、卡环(7)、多个第一挡板(10)和两个爆炸螺栓(11)，所述支梁(4)的一端与所述作动环(3)垂直固定连接，所述支梁(4)的另一端通过弹性件(5)与所述第一连杆(6)连接，所述第一连杆(6)与所述卡环(7)固定连接；多个所述第一挡板(10)的一端分别与所述卡环(7)固定连接，所述卡环(7)包括两个半环，两个半环共同组成环状的所述卡环(7)，两个所述半环分别通过所述第一连杆(6)与所述作动环(3)铰接，两个所述半环分别通过两个爆炸螺栓(11)与所述导流片(8)固定，所述一级调节结构能将所述排气系统限位于第一面积状态；

所述二级调节结构包括多个第二挡板(14)和第二连杆(15)，多个所述第二挡板(14)的一端分别通过所述第二连杆(15)与所述作动环(3)固定连接，所述二级调节结构能将所述排气系统限位于第二面积状态；

在所述第一面积状态时，所述弹性件(5)处于拉伸状态，并且所述第一挡板(10)与所述导流片(8)贴合；

在所述第二面积状态时，所述弹性件(5)处于收缩状态，并且所述第二挡板(14)与所述导流片(8)贴合；

所述第一面积状态和所述第二面积状态均为所述排气系统开口的不同面积的状态，其中，所述第二面积状态的开口面积大于所述第一面积状态。

2.根据权利要求1所述的一种卡环式两级可调排气系统，其特征在于，所述作动环(3)通过连接柱(2)与安装边(1)固定连接，所述安装边(1)用于与发动机排气入口连接。

3.根据权利要求1所述的一种卡环式两级可调排气系统，其特征在于，所述排气系统还包括控制器(13)，所述控制器(13)通过导线(12)与所述爆炸螺栓(11)电连接。

4.根据权利要求1所述的一种卡环式两级可调排气系统，其特征在于，多个所述第一挡板(10)在第一面积状态下均与所述导流片(8)无角度贴合设置。

5.根据权利要求4所述的一种卡环式两级可调排气系统，其特征在于，所述第一挡板(10)设置为导流片数量的一半，与所述第二挡板( 14) 交叉相间布置，所述多个第一挡板(10)在第一面积状态下均与所述导流片(8)无角度贴合设置。

6.根据权利要求1所述的一种卡环式两级可调排气系统，其特征在于，多个所述第二挡板(14)在第二面积状态下与所述导流片(8)无角度贴合设置。

7.根据权利要求6所述的一种卡环式两级可调排气系统，其特征在于，所述第二挡板(14)设置为导流片数量的一半，与所述第一挡板( 10) 交叉相间布置，所述多个第二挡板(14)在第二面积状态下均与所述导流片(8)无角度贴合设置。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种卡环式两级可调排气系统，其特征在于，所述弹性件(5)为弹簧，所述弹簧的一端与所述支梁(4)固定连接，所述弹簧的另一端与所述第一连杆(6)固定连接。

9.一种发动机，其特征在于，包括权利要求1-8中任一项所述的卡环式两级可调排气系统。

10.一种飞行器，其特征在于，包括权利要求9中的所述发动机，所述发动机用于驱动所述飞行器。

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