CN114251179A - 一种冲压发动机可调喷油支板结构及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冲压发动机可调喷油支板结构及控制方法，属于航空航天发动机领域，包括沿内流壁面周向阵列设置的多个可调支板单元、环形架和驱动组件；环形架环绕内流壁面外侧；可调支板单元包括支板、第一连接杆、第二连接杆和球状旋转调节件；第二连接杆活动连接于环形架；第一连接杆与第二连接杆活动连接，支板与球状旋转调节件连接；驱动组件驱动环形架前后平移并转化为阵列式多支板的同步旋转运动。本发明可满足目前宽速域大尺度冲压发动机对主流喷注需求，利用支板结构调节实现不同后掠角喷注、直至完全收起，最大程度降低喷油支板结构对内流场带来的影响，同时提供面向实际应用的整体驱动调节和控制方法，以满足工程应用需求。

Description

一种冲压发动机可调喷油支板结构及控制方法
技术领域
本发明属于航空航天发动机领域，更具体地，涉及一种冲压发动机可调喷油支板结构及控制方法。
背景技术
未来水平起降临近空间高超声速飞行器，需具备从零速至高超声速、地面至临近空间甚至近地轨道空间的极宽速域、空域的工作能力，兼顾巡航经济性和加速能力的优良比冲、推重比综合性能，具有结构紧凑、适宜可重复使用等特点。基于涡轮、火箭、冲压等传统发动机的吸气式组合动力发动机是必然需求与发展趋势，其中具备更宽速域、更高马赫数、更高性能工作能力的大尺度冲压发动机是吸气式组合动力发动机的重要支撑，理论上要求具备飞行马赫数2至10以上的工作能力，是未来高性能空天组合动力发动机研制的关键。
吸气式冲压发动机利用大气中空气作为氧化剂，配合燃烧室流道内部燃料喷注，燃烧组织，实现热功转化、产生喷气推进力。燃料喷注、高效掺混扩散以及合理油气空间分布式高效火焰稳定工作、高性能燃烧释热的前提，如何将燃料输送至燃烧室核心主流、并与来流空气掺混作用成为冲压发动机设计需要解决的关键问题之一，本质上就是宽速域工作适应性的燃料喷注方案设计。通常地，冲压发动机燃料喷注主要采用壁面直接喷注、主流插入式结构喷注两种方式，由于近壁面直接喷注存在穿透深度不足、掺混扩散范围受限等瓶颈，工程实用的大尺度冲压发动机主要采用喷油支板等插入式结构，将燃料输送至核心主流进行掺混，如图1所示为典型的大尺度燃烧室流道的支板喷注结构。面向宽速域工作的燃烧内流环境与燃烧组织要求，随着飞行马赫数提高，燃料喷注、燃烧释热区域将逐渐向上移动，以获得与空气来流参数条件、流道扩张规律的最佳匹配工作，这也是高性能工作的内在要求。因此，往往需要多处阵列式喷油支板的组合喷注策略，理论上需要适应的工作马赫数范围越宽，设置的燃料喷注位置也需要相应地增加。
高速冲压发动机燃烧室内部流速高、且变化范围跨度大，覆盖从亚声速-跨声速-超声速的内流速度范围，插入式支板结构与高温高速气流相互作用，必然会导致流体气动损失、结构受热等问题，尤其是面向宽速域设计的沿程多处固定式支板结构将会面临更大气动性能损失、结构热防护等难点问题，需要寻求创新型解决方案。主要问题如下：
1)支板阻力问题。支板结构承担燃料喷注功能的同时，对高速来流产生绕流、阻碍作用，一方面有利于强化油气混合，另一方面也带来气动损失、降低主流做功能力，过高的损失会造成发动机性能显著下降。在超声速气流条件下，支板前缘会诱导产生激波，气动损失、阻力代价显著增加。
2)结构热防护问题。支板结构一般为薄扁、细长结构，暴露高焓气流、高温燃气中，在对流及辐射换热双重作用下其前缘驻点、结构表面的热环境非常恶劣，容易造成热沉结构烧蚀破坏、或者增加对主动冷却的需求，这对于长时间可靠工作、重复使用设计是一个挑战。
因此，从发动机性能、热防护实际，存在对插入后掠角可调、收放式调节的喷油支板结构应用需求，可根据发动机工作模态与内流工作状态、燃油喷注要求进行支板结构调节，以满足燃油喷注掺混与空间分布、减小气动损失为原则；在不需要进行燃料喷注时，可将喷油支板完全收起，避免与高温燃气的直接对流作用，减小气动损失、有利于热防护。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种冲压发动机可调喷油支板结构及控制方法，其目的在于通过驱动组件带动环形架进行直线运动，通过连接杆的运动关系转换，使得支板在一定范围内进行旋转、直至收起，由此解决支板结构承担燃料喷注功能的同时最大程度降低气动损失、兼顾插入式结构热防护的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种冲压发动机可调喷油支板结构，包括沿内流壁面周向设置的可调支板单元、环形架和驱动组件；
所述环形架环绕内流壁面外侧设置；
所述可调支板单元包括支板、第一连接杆、第二连接杆和球状旋转调节件；所述球状旋转调节件设置于所述内流壁面的外壁面；所述第二连接杆活动连接于所述环形架；所述第一连接杆的一端活动连接于所述第二连接杆，另一端固定连接于球状旋转调节件；所述支板位于所述内流壁面内侧，并与所述球状旋转调节件连接；
所述驱动组件设置于所述内流壁面并与所述环形架连接，所述驱动组件用于驱动所述环形架并通过所述第二连接杆、第一连接杆和球状旋转调节件将所述环形架沿内流壁面轴向移动转化为所述支板在所述内流壁面内的旋转运动。
优选地，所述第二连接杆的两端分别通过铰链与所述环形架和所述第一连接杆活动连接。
优选地，所述驱动组件包括直线电机动子和定子及电机座；所述定子及电机座固定设置于所述内流壁面外侧；所述直线电机动子安装于所述定子及电机座并固定连接于所述环形架，用于在所述定子及电机座的驱动下带动所述环形架沿所述沿内流壁面轴向直线运动。
优选地，所述支板指向喷射区域的一端设有喷孔，所述支板与所述球状旋转调节件的内部均设有连通的工质运输通道，在所述第一连接杆设有与所述工质运输通道连通的供工质输入的接口，所述接口连接于外部的燃油系统管路。
优选地，所述支板具有尖锐前缘。
优选地，所述球状旋转调节件装配于所述内流壁面外壁面的球形腔内，其内部设有相对运动面，在所述相对运动面的逆向泄流表面上设有两圈环形腔体，在所述环形腔体内分别填充柔性石墨材料形成两级动密封，阻断内流燃气向外部泄露。
优选地，所述可调支板单元设有多个，多个所述可调支板单元沿所述内流壁面周向阵列设置。
优选地，所述内流壁面周向设有壁面凹槽，所述支板在非喷注时可旋转收回至所述壁面凹槽内。
按照本发明的另一方面，提供了一种控制方法，该方法包括以下步骤：
S1，根据飞行器当前燃烧室工作状态，确定燃烧室燃油供给需求；
S2，根据燃油供给需求确定阵列式支板工作要求，包括结构调节要求和供给控制要求；
S3，根据结构调节要求确定支板后掠角度，并通过支板运动模型转化为环形架水平移动架，通过电机驱动水平动作完成调节动作；根据供给控制要求控制油路阀门完成喷注动作。
优选地，构建支板运动模型为：
Figure BDA0003427095560000041
其中β为支板后掠角度，L2为球状旋转调节件中心位置与铰链中心位置的径向距离，L3为第二连接杆长度，L4为第一连接杆长度；
根据发动机内流情况以及燃料所需渗透深度设定所述支板的后掠角度，得到环形架的移动距离S；
驱动组件驱动环形架移动以使支板旋转至指定喷注位置，从而实现对支板角度的控制。
优选地，在对支板角度控制过程中，控制驱动组件实施水平运动并进行闭环控制，通过测定支板实际后掠角和设定值比较，不断调控输入电信号，从而使支板准确达到目标位置。
优选地，所述燃烧室工作状态包括燃烧室工作模态、燃烧室流道内工质流动参数、温度、压力和温度、流道内通过流量，以及各部件表面温度。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提出的冲压发动机可调喷油支板结构，通过驱动组件带动环形架进行直线运动，通过连接杆的运动关系转换，使得支板在一定范围内进行旋转，其末端可伸入核心流区域，且支板可以在非必要时收缩回发动机壁面内。在满足目前宽速域大尺度冲压发动机支板燃料喷注的同时，最大程度降低喷油支板结构对内流场带来的影响，同时避免支板结构热烧蚀破坏。
2、本发明提出的冲压发动机可调喷油支板结构将多个可调支板单元沿内流壁面周向阵列设置，可根据发动机燃烧室构型特征进行灵活设计以满足燃料掺混和空间分布需求。可采用同一套燃油供给系统进行统一驱动控制。
3、本发明中可调支板单元结构设计针对流动阻力和热防护进行了针对性设计。在支板旋转可调(可形成大后掠角)的基础上，支板设计为具有尖锐前缘以减少气流阻力。在与壁面衔接处设计球状旋转调节件，并在内部形成一体化油路，保证结构密封和热防护的需求。
4、本发明为结构动密封和热防护进行了考虑。燃烧室内流道与外部之间由于可调支板单元形成的潜在联通，存在高温高压燃气泄漏风险。因此在结构的相对运动面上进行结构动密封和热防护。在潜在逆向泄流的表面上，设置动密封腔隔断设计。而支板在收缩回凹槽状态时，依然面临高温高压燃气的环境，此时本发明提出利用机载常温的惰性气体(例如氮气)，低压供应，通过支板喷孔渗出，在壁面凹槽内形成低温保护气膜，保证长时间工作的热防护需求。
5、本发明具备宽适应性的可调控制方法，阵列式可调支板单元可根据发动机燃烧室内流速度、温度以及燃料喷注需求等情况进行支板后掠角的适应性调节。在不需要喷油的工作阶段还可以将所有支板完全收起状态，避免高速气流的阻碍损失、结构烧蚀。相应地，在燃烧室壁面上设置一个与支板尺寸匹配的狭长凹槽结构，当支板完全收起时可将整个支板结构容纳其中，由于凹槽宽度尺寸较小，对燃烧室内流场结构影响可忽略不计。
附图说明
图1是现有技术中大尺度燃烧室流道的支板喷注结构；
图2是本发明冲压发动机可调喷油支板结构的结构示意图；
图3是本发明冲压发动机可调喷油支板结构的结构侧视图；
图4是本发明冲压发动机可调喷油支板结构的结构侧视图；
图5是本发明实施例中可调支板单元的结构示意图；
图6是本发明实施例中支板的结构示意图；
图7是本发明实施例中支板展开和收缩状态下的结构示意图；
图8是本发明实施例中控制方法流程图；
图9是本发明实施例中油路控制系统示意图；
图10是本发明实施例中单组可调支板运动模型示意图；
图11是本发明实施例中支板后掠角度变量闭环控制图。
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-直线电机动子；2-定子及电机座；3-铰链；4-环形架；5-支板；6-内流壁面；7-壁面凹槽；8-第一连接杆；9-第二连接杆；10-球状旋转调节件。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1-6所示，本发明提出一种冲压发动机可调喷油支板结构，包括燃烧室的内流壁面6、壁面凹槽7、支板5、第一连接杆8、第二连接杆9、铰链3、球状旋转调节件10、环形架4、直线电机动子1和定子及电机座2。其中，所述第一连接杆8和所述第二连接杆9之间，所述第二连接杆9和所述环形架4之间通过铰链3活动链接；所述第一连接杆8和所述支板5通过所述球状旋转调节件10相接并相对固定。所述直线电机动子1与所述环形架4固定连接，所述定子及电机座2固定放置于所述内流壁面6上；支板5的结构根据燃烧室来流进行针对性设计，兼顾热防护以及气动损失等因素。
所述支板5、第一连接杆8、第二连接杆9和球状旋转调节件10组成可调支板单元，多个可调支板单元周向阵列式布局，所述可调支板单元的数量可根据具体发动机燃烧室构型、尺度大小进行灵活设计和配置，以满足燃料喷注掺混、空间分布为目标。
进一步地，向喷油支板结构输入电信号，通过结构调节控制和供给控制，完成环形架运动，通过第一连接杆8和第二连接杆9的运动转换，使得支板5可在范围内伸向指定区域并进行工质喷注。在非喷注时可收回至所述壁面凹槽7内，并进行惰性气体喷注形成热防护。
进一步地，在电机控制的基础上，与发动机综合控制系统相连接。根据现有的发动机工作参数和燃烧室工作模态、需求，确定合适的喷注工质及其喷注流量等燃烧室燃油供给需求，确定阵列式可调支板单元工作要求，通过电机输出控制，将支板运动到指定位置完成喷注动作，可实现核心流燃料喷注或者边界层燃料喷注等不同的喷注方式，以满足发动机不同的工作需求。
下面通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案，图2为一种典型的轴对称圆形燃烧室扩张流道，目前广泛应用于各种冲压发动机部件中。本发明提供了如图2-4所示的一种冲压发动机可调喷油支板结构用于发动机流道内工质喷注。在本实施例中根据该流道几何特征进行设计，主要包括直线电机动子1、定子及电机座2、铰链3、环形架4、支板5、内流壁面6、壁面凹槽7、第一连接杆8、第二连接杆9和球状旋转调节件10。
如图5和图6所示，在所述第一连接杆8处设有燃油输入的接口，所述球状旋转调节件10和支板5内部设计为一体化的燃油通道用于燃油运输，燃油从支板5上所设的喷孔喷出。本发明中，也可将燃油更换为其他气体工质。作为本发明的优选实施例，所述支板本体外形具备尖锐前缘以减少气流阻力。
如图5中的局部放大图所示，本发明中所述球状旋转调节件10内部存在相对运动面，在潜在逆向泄流表面上设置两圈环形腔体，其中填充柔性石墨材料形成两级动密封，保证工质不外泄。
更进一步的说明，由支板5、第一连接杆8、第二连接杆9和球状旋转调节件10构成的可调支板单元与环形架4通过铰链3互动连接形成完整的可调支板喷油结构，其运动原理如图7所示，由直线电机动子1带动所述环形架4进行直线运动，通过所述第一连接杆8和所述第二连接杆9的运动关系转换，使得所述支板5在一定范围内进行旋转，所述支板5末端可伸入核心流区域。图7中分别表明了完全展开和完全收缩时的状态。根据发动机燃烧室结构和燃料喷注需求确定多个可调支板单元的阵列式布置方式，与环形架4相连接。所有可调支板单元进行同步控制驱动，由同一套燃油系统统一供给。
本发明的实施例还提出一种控制方法，包括以下步骤：
S1，根据飞行器当前燃烧室工作状态，确定燃烧室燃油供给需求；
S2，根据燃油供给需求确定阵列式支板工作要求，包括结构调节要求和供给控制要求；
S3，根据结构调节要求确定支板后掠角度，并通过支板运动模型转化为环形架水平移动架，通过电机驱动水平动作完成调节动作；根据供给控制要求控制油路阀门完成喷注动作。
构建支板运动模型
Figure BDA0003427095560000091
其中β为支板后掠角度，L2为环形架与球状旋转调节件中心位置的径向距离，L3为第二连接杆长度，L4为第一连接杆长度；
根据发动机内流情况以及燃料所需渗透深度设定所述支板的后掠角度，得到环形架的移动距离S；
驱动组件驱动环形架移动以使支板旋转至指定喷注位置，从而实现对支板角度的控制。
下面通过具体实施例来进一步阐述其控制方法，整个结构控制将纳入发动机的综合控制系统，综合控制系统将根据发动机燃烧室目前的工作模态和工作状态需求，确定燃烧燃油供给需求，从而确定阵列式支板结构的工作要求。由此来确定结构调节和油路供给的控制要求，如图8所示，下面对控制方法进行详细阐述：
供给控制要求：所述可调支板单元内部存在完整燃油通道，将与其外部的燃油系统管路进行连接。如图9所示，多个可调支板单元将通过软管与燃油储箱以及发动机内置气体储箱形成通路，进行统一的供给调节。在通路上装有电控阀门，通过电信号控制通路开关。在支板如图7所示到达指定喷注位置时，可接通燃油阀门，并关闭气通路阀门，进行喷油掺混操作，所喷燃油为常温或低温，本身就可提供冷却作用。当支板处于非喷注状态时，接通气路阀门，并关闭油路阀门，利用少量飞行器本身携带的气体如氮气或二氧化碳，进行喷注冷却，形成热防护。
结构调节要求：本发明中喷注位置Loc由参数β，L1控制，其中β为支板后掠角度，L1为支板长度。由于支板长度固定，其后掠角度根据系统中发动机内流情况以及燃料所需渗透深度决定。并根据所构建的支板运动模型，将后掠角度β和环形架移动距离S建立联系。
其中所述支板运动模型由几何参数构建，包括：支板旋转角度α、电机水平运动距离S、连接杆长度、支板长度L1等参数，构建其运动关系。具体如图10所示，球状旋转调节件中心位置与铰链中心位置的径向距离L2，第一连接杆长度L4，第二连接杆长度L3，所得模型如式(1)和(2)，
Figure BDA0003427095560000101
Loc＝F1(β,L1)＝F2(S,L1) (2)
建立联系后，由后掠角度调节要求，根据当前的后掠角确定其调节量Δβ，由上述模型转化为环形架移动距离ΔS，控制电机实施水平运动并进行闭环控制，闭环控制原理如图11所示。使用PID控制，考虑整个机构运动传递以及组件安装等带来的误差，调整确定PID控制参数，通过测定支板实际后掠角和设定值比较，不断调控输入电信号，从而使支板准确达到目标位置。
本领域的技术人员容易理解，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)

1.一种冲压发动机可调喷油支板结构，其特征在于，包括沿内流壁面(6)周向设置的可调支板单元、环形架(4)和驱动组件；
所述环形架(4)环绕内流壁面(6)外侧设置；
所述可调支板单元包括支板(5)、第一连接杆(8)、第二连接杆(9)和球状旋转调节件(10)；所述球状旋转调节件(10)设置于所述内流壁面(6)的外壁面；所述第二连接杆(9)活动连接于所述环形架(4)；所述第一连接杆(8)的一端活动连接于所述第二连接杆(9)，另一端固定连接于球状旋转调节件(10)；所述支板(5)位于所述内流壁面(6)内侧，并与所述球状旋转调节件(10)连接；
所述驱动组件设置于所述内流壁面(6)并与所述环形架(4)连接，所述驱动组件用于驱动所述环形架(4)并通过所述第二连接杆(9)、第一连接杆(8)和球状旋转调节件(10)将所述环形架(4)沿内流壁面(6)轴向移动转化为所述支板(5)在所述内流壁面内的旋转运动。
2.根据权利要求1所述的一种冲压发动机可调喷油支板结构，其特征在于，所述第二连接杆(9)的两端分别通过铰链(3)与所述环形架(4)和所述第一连接杆(8)活动连接。
3.根据权利要求1所述的一种冲压发动机可调喷油支板结构，其特征在于，所述驱动组件包括直线电机动子(1)和定子及电机座(2)；所述定子及电机座(2)固定设置于所述内流壁面(6)外侧；所述直线电机动子(1)安装于所述定子及电机座(2)并固定连接于所述环形架(4)，用于在所述定子及电机座(2)的驱动下带动所述环形架(4)沿所述沿内流壁面(6)轴向直线运动。
4.根据权利要求1所述的一种冲压发动机可调喷油支板结构，其特征在于，所述支板(5)指向喷射区域的一端设有喷孔，所述支板(5)与所述球状旋转调节件(10)的内部均设有连通的工质运输通道，在所述第一连接杆(8)设有与所述工质运输通道连通的供工质输入的接口，所述接口连接于外部的燃油系统管路。
5.根据权利要求1所述的一种冲压发动机可调喷油支板结构，其特征在于，所述球状旋转调节件(10)装配于所述内流壁面(6)外壁面的球形腔内，其内部设有相对运动面，在所述相对运动面的逆向泄流表面上设有两圈环形腔体，在所述环形腔体内分别填充柔性石墨材料形成两级动密封，阻断内流燃气向外部泄漏。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种冲压发动机可调喷油支板结构，其特征在于，所述可调支板单元设有多个，多个所述可调支板单元沿所述内流壁面(6)周向阵列设置。
7.根据权利要求6所述的一种冲压发动机可调喷油支板结构，其特征在于，所述内流壁面(6)周向设有壁面凹槽(7)，所述支板(5)在非喷注时可旋转收回至所述壁面凹槽(7)内。
8.一种基于权利要求7所述的冲压发动机可调喷油支板结构的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1，根据飞行器当前燃烧室工作状态，确定燃烧室燃油供给需求；
S2，根据燃油供给需求确定阵列式支板工作要求，包括结构调节要求和供给控制要求；
S3，根据结构调节要求确定支板后掠角度，并通过支板运动模型转化为环形架水平移动架，通过电机驱动水平动作完成调节动作；根据供给控制要求控制油路阀门完成喷注动作。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，构建支板运动模型为：
Figure FDA0003427095550000021
其中β为支板后掠角度，L2为球状旋转调节件中心位置与铰链中心位置的径向距离，L3为第二连接杆长度，L4为第一连接杆长度；
根据发动机内流情况以及燃料所需渗透深度设定所述支板的后掠角度，得到环形架的移动距离S；
驱动组件驱动环形架移动以使支板旋转至指定喷注位置，从而实现对支板角度的控制。
10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述燃烧室工作状态包括燃烧室工作模态、燃烧室流道内工质流动参数、温度、压力和温度、流道内通过流量，以及各部件表面温度。
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