CN114414197A - 一种预弯曲柔性壁板的可变马赫数喷管 - Google Patents

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Abstract

本发明属于风洞设备技术领域，具体涉及一种预弯曲柔性壁板的可变马赫数喷管。该可变马赫数喷管的框架为上下对称的方形框体；在框架内腔、水平对称面的上下两侧固定安装有上下对称的柔性壁板；柔性壁板为弯曲的矩形平板，在可变马赫数喷管的马赫数最小时，柔性壁板处于最小成型型面A状态，弯曲量最小；在可变马赫数喷管的马赫数最大时，柔性壁板处于最大成型型面C状态，弯曲量最大；柔性壁板的初始型面B具有预弯曲，预弯曲量大于最小成型型面的弯曲量，小于最大成型型面的弯曲量。该可变马赫数喷管解决了跨超声速风洞柔壁喷管受限于材料强度限制，长度不宜过长的问题。具有结构紧凑、长度短、成本低，适用性好的优点，适于工程推广应用。

Description

一种预弯曲柔性壁板的可变马赫数喷管
技术领域
本发明属于风洞设备技术领域，具体涉及一种预弯曲柔性壁板的可变马赫数喷管。
背景技术
为实现高效、精确地控制风洞内气流速度和流场均匀性，需要对跨超声速风洞柔壁喷管型面进行精确调节。现有技术中，柔壁喷管的柔性壁板的初始型面往往都是平板结构，通过在背气流面布置的驱动缸输出位移，带动柔性壁板成型出所需型面。这种平板方式的优点是加工制作简单，建造成本低。
但是平板式柔性壁板通过弯曲方式成型时，弯曲曲率直接关系到结构弯曲应力，受限于材料强度，往往需要较长的喷管长度才能实现较低的柔性壁板弯曲应力。而增加喷管段长度，会导致整体重量增加，极大增大风洞建造成本。对于大型风洞，建造成本问题尤为突出。
当前，亟需发展一种预弯曲柔性壁板的可变马赫数喷管。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种预弯曲柔性壁板的可变马赫数喷管。
本发明的预弯曲柔性壁板的可变马赫数喷管，其特点是，所述的可变马赫数喷管包括框架、驱动缸、柔性壁板、销轴Ⅰ、销轴Ⅱ、铰链座Ⅰ、铰链座Ⅱ和固定支座；
所述的框架为上下对称的方形框体，框架的下部固定在地面安装基础上；在框架内腔、水平对称面的上下两侧固定安装有上下对称的柔性壁板；柔性壁板为弯曲的矩形平板，在可变马赫数喷管的马赫数最小时，柔性壁板处于最小成型型面A状态，弯曲量最小；在可变马赫数喷管的马赫数最大时，柔性壁板处于最大成型型面C状态，弯曲量最大；柔性壁板的初始型面B具有预弯曲，预弯曲量大于最小成型型面A的弯曲量，小于最大成型型面C的弯曲量；
初始型面B通过以下步骤获得：
S10.将初始型面B分为曲线段和直线段两个部段，上游为曲线段，下游为直线段；
S20.对马赫数1.3的气动曲线进行二阶求导，除入口与出口两个端点外，找到二阶导数为零的点S，点S为初始型面B的曲线段与直线段的分界点；
S30.确定直线段的长度为马赫数1.3的气动曲线上的点S到出口端点的曲线段的曲线长度；
S40.确定曲线段为马赫数1.3工况下的气动曲线上的点S到入口端点的曲线段；
S50.将步骤S40的曲线段通过转动和平移后拼接至S30的直线段的前端，获得的超声速气动曲线型面为初始型面B；
框架内腔的上壁面和下壁面分别设置有上下对称的若干纵向梁与横向梁；上方的柔性壁板通过阵列排列的驱动缸固定在上壁面的纵向梁与横向梁上，下方的柔性壁板通过对称的阵列排列的驱动缸固定在下壁面的纵向梁与横向梁上；框架对应于喷管出口位置设置有固定支座，用于固定柔性壁板的出口；
框架内腔的上壁面和下壁面与驱动缸连接的位置设置有铰链座Ⅰ，通过销轴Ⅰ连接驱动缸的一端；柔性壁板背气流面设置有铰链座Ⅱ，通过销轴Ⅱ连接驱动缸的另一端。
进一步地，所述的驱动缸的数量为N，2<N<1000。
进一步地，所述的驱动缸为电机驱动，驱动缸内部通过减速机和丝杠螺母实现传动。
本发明的预弯曲柔性壁板的可变马赫数喷管通过柔性壁板预弯曲，降低了柔性壁板的初始型面到最大成型型面或者最小成型型面的弯曲量，有效降低了柔性壁板弯曲成型应力，缩短了喷管段的总长度。减少了驱动缸的运行行程，降低了驱动缸的总长尺寸和空间安装要求。同时，柔性壁板在初始型面下工作时，驱动缸无需运动，减少了驱动缸的使用频次，提高了系统安全性，增加了使用寿命。
本发明的预弯曲柔性壁板的可变马赫数喷管解决了跨超声速风洞柔壁喷管的柔性壁板受限于材料强度限制，长度不宜过长的问题，降低了柔性壁板的最大弯曲应力和加工难度，具有结构紧凑、长度短、成本低，适用性好的优点，适于工程推广应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，以下描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。
图1为本发明的预弯曲柔性壁板的可变马赫数喷管的结构示意图；
图2为本发明的预弯曲柔性壁板的可变马赫数喷管中的销轴Ⅰ的局部放大图；
图3为本发明的预弯曲柔性壁板的可变马赫数喷管中的销轴Ⅱ的局部放大图；
图4为本发明的预弯曲柔性壁板的可变马赫数喷管中的固定支座的局部放大图。
图中，1.框架；2.驱动缸；3.柔性壁板；4.销轴Ⅰ；5.销轴Ⅱ；6.铰链座Ⅰ；7.铰链座Ⅱ；8.固定支座。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
如图1~图4所示，本发明的预弯曲柔性壁板的可变马赫数喷管包括框架1、驱动缸2、柔性壁板3、销轴Ⅰ4、销轴Ⅱ5、铰链座Ⅰ6、铰链座Ⅱ7和固定支座8；
所述的框架1为上下对称的方形框体，框架1的下部固定在地面安装基础上；在框架1内腔、水平对称面的上下两侧固定安装有上下对称的柔性壁板3；柔性壁板3为弯曲的矩形平板，在可变马赫数喷管的马赫数最小时，柔性壁板3处于最小成型型面A状态，弯曲量最小；在可变马赫数喷管的马赫数最大时，柔性壁板3处于最大成型型面C状态，弯曲量最大；柔性壁板3的初始型面B具有预弯曲，预弯曲量大于最小成型型面A的弯曲量，小于最大成型型面C的弯曲量；
初始型面B通过以下步骤获得：
S10.将初始型面B分为曲线段和直线段两个部段，上游为曲线段，下游为直线段；
S20.对马赫数1.3的气动曲线进行二阶求导，除入口与出口两个端点外，找到二阶导数为零的点S，点S为初始型面B的曲线段与直线段的分界点；
S30.确定直线段的长度为马赫数1.3的气动曲线上的点S到出口端点的曲线段的曲线长度；
S40.确定曲线段为马赫数1.3工况下的气动曲线上的点S到入口端点的曲线段；
S50.将步骤S40的曲线段通过转动和平移后拼接至S30的直线段的前端，获得的超声速气动曲线型面为初始型面B；
框架1内腔的上壁面和下壁面分别设置有上下对称的若干纵向梁与横向梁；上方的柔性壁板3通过阵列排列的驱动缸2固定在上壁面的纵向梁与横向梁上，下方的柔性壁板3通过对称的阵列排列的驱动缸2固定在下壁面的纵向梁与横向梁上；框架1对应于喷管出口位置设置有固定支座8，用于固定柔性壁板3的出口；
框架1内腔的上壁面和下壁面与驱动缸2连接的位置设置有铰链座Ⅰ6，通过销轴Ⅰ4连接驱动缸2的一端；柔性壁板3背气流面设置有铰链座Ⅱ7，通过销轴Ⅱ5连接驱动缸2的另一端。
进一步地，所述的驱动缸2的数量为N，2<N<1000。
进一步地，所述的驱动缸2为电机驱动，驱动缸2内部通过减速机和丝杠螺母实现传动。
实施例1
本实施例中的框架1采用304L不锈钢焊接制备而成。
驱动缸2为电机驱动，内部通过减速机和丝杠螺母实现传动。驱动缸2单侧数量为7，总计14个。
柔性壁板3为S03不锈钢锻件机加而成。柔性壁板3最大弯曲应力不大于300MPa。
通过合理选取驱动缸2的行程及输出推力，实现了马赫数1.0至马赫数1.3范围的型面变化。与平板方案相比，本实施例中的喷管段总长度缩短了30%，实现了某大型跨声速风洞的技术指标。

Claims (3)

1.一种预弯曲柔性壁板的可变马赫数喷管，其特征在于，所述的可变马赫数喷管包括框架（1）、驱动缸（2）、柔性壁板（3）、销轴Ⅰ（4）、销轴Ⅱ（5）、铰链座Ⅰ（6）、铰链座Ⅱ（7）和固定支座（8）；
所述的框架（1）为上下对称的方形框体，框架（1）的下部固定在地面安装基础上；在框架（1）内腔、水平对称面的上下两侧固定安装有上下对称的柔性壁板（3）；柔性壁板（3）为弯曲的矩形平板，在可变马赫数喷管的马赫数最小时，柔性壁板（3）处于最小成型型面A状态，弯曲量最小；在可变马赫数喷管的马赫数最大时，柔性壁板（3）处于最大成型型面C状态，弯曲量最大；柔性壁板（3）的初始型面B具有预弯曲，预弯曲量大于最小成型型面A的弯曲量，小于最大成型型面C的弯曲量；
初始型面B通过以下步骤获得：
S10.将初始型面B分为曲线段和直线段两个部段，上游为曲线段，下游为直线段；
S20.对马赫数1.3的气动曲线进行二阶求导，除入口与出口两个端点外，找到二阶导数为零的点S，点S为初始型面B的曲线段与直线段的分界点；
S30.确定直线段的长度为马赫数1.3的气动曲线上的点S到出口端点的曲线段的曲线长度；
S40.确定曲线段为马赫数1.3工况下的气动曲线上的点S到入口端点的曲线段；
S50.将步骤S40的曲线段通过转动和平移后拼接至S30的直线段的前端，获得的超声速气动曲线型面为初始型面B；
框架（1）内腔的上壁面和下壁面分别设置有上下对称的若干纵向梁与横向梁；上方的柔性壁板（3）通过阵列排列的驱动缸（2）固定在上壁面的纵向梁与横向梁上，下方的柔性壁板（3）通过对称的阵列排列的驱动缸（2）固定在下壁面的纵向梁与横向梁上；框架（1）对应于喷管出口位置设置有固定支座（8），用于固定柔性壁板（3）的出口；
框架（1）内腔的上壁面和下壁面与驱动缸（2）连接的位置设置有铰链座Ⅰ（6），通过销轴Ⅰ（4）连接驱动缸（2）的一端；柔性壁板（3）背气流面设置有铰链座Ⅱ（7），通过销轴Ⅱ（5）连接驱动缸（2）的另一端。
2.根据权利要求1所述的预弯曲柔性壁板的可变马赫数喷管，其特征在于，所述的驱动缸（2）的数量为N，2<N<1000。
3.根据权利要求1所述的预弯曲柔性壁板的可变马赫数喷管，其特征在于，所述的驱动缸（2）为电机驱动，驱动缸（2）内部通过减速机和丝杠螺母实现传动。
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徐兵兵: ""二维连续曲率超声速喷管的Eward方法设计研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士) 工程科技Ⅱ辑》, no. 06, 15 June 2016 (2016-06-15), pages 031 - 3 *

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