CN115559814B - 一种边界层吸入式进气道及内流控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种边界层吸入式BLI进气道及其内流控制装置。该边界层吸入式BLI进气道包括机体平面以及进气道主体，其中在进气道下壁面第一个S弯起始位置设有内流控制装置。该内流控制装置为一种新型的双通道连续式射流激励器，通过电机驱动转子偏心转动引起激励器腔体容积变化，进而在上、下游两个通道形成正、负压差，上游通道吹气产生射流注入动量，同时下游通道吸气带走部分低能流，从而起到改善下游流场品质的作用，实现对边界层吸入式BLI进气道的主动流动控制。与传统的射流激励器相比，该内流控制装置射流连续性好、控制精准且采用双通道设计无需外接气源。

Description

一种边界层吸入式进气道及内流控制装置
技术领域
本发明属于飞行器进气道结构技术领域，涉及亚声速的主动流动控制。
背景技术
近年来航空领域飞机和发动机的设计逐渐精细化，传统气动布局和发动机构架下的系统性能已趋于极限。设计人员开始考虑在发动机和飞机集成方面获得收益，希望通过更紧凑的机身/推进系统集成方案进一步降低阻力和耗油率，在这样的背景下，边界层吸入式(Boundary Layer Ingestion,BLI)推进系统逐渐进入研究者的视野。BLI是指大量机身或机翼边界层进入进气道(厚度可能达到进气道入口高度的30％)，流经风扇，成为发动机的工质，参与做功产生推力。在航空飞行器上,BLI推进系统常采用埋入式发动机，并在机翼或机身后部安装进气道，以尽量吸除较厚的边界层。BLI推进系统比常规推进系统具有进一步降低发动机需用功率，降低发动机耗油率，减小飞机阻力，提高发动机推进效率等潜力。而BLI进气道由于位于机体尾部，吸入了大量的机体边界层，管道内低能流较多，存在较大程度的流动分离，因此该类型进气道对流动分离的控制需求较高。
流动控制技术的研究可以追溯到上世纪初普朗特边界层理论的提出。根据能耗和控制回路模式，流动控制技术可以分为主动控制和被动控制。目前，被动流动控制技术已广泛应用于工程实践中，如涡流发生器、机翼上的翼刀。被动流动控制通过被动控制装置改变流动环境。被动控制装置通常是固定的。这种流动控制方法是预先确定的。因此，存在无法根据工作过程中流场的实际情况进行调整，无法达到最佳控制效果的缺陷。主动流动控制是通过在流场中直接应用适当的扰动模式并与内部流动模式耦合来控制流动。与被动控制相比，主动流动控制有三个优点：一是实现复杂动态系统的精确相位控制；其次，只有临界点的能量输入才能通过控制临界点的流动影响整个流场，从而起到“四两牵千斤”的作用；第三，通过主动控制装置将扰动直接与主流耦合，克服了传统控制装置可靠性低、工况适应性差、附加损耗大等缺点。
当前的主动流动控制技术主要包括：吹/吸气、零质量射流、等离子体、磁流体动力(MHD)和微机电系统(MEMS)。主动流动控制技术在流动分离控制、边界层转捩控制、激波边界层干扰控制等方面具有重要的实际应用价值。在主动流动控制系统中，射流激励器作为控制器是主动流量控制技术发展的核心问题之一。激励器的设计水平和工作性能将直接决定主动流动控制技术的应用方向和效果，有效的主动流动控制技术对于保证高速飞机的飞行安全非常重要，对提高飞机的机动性和推进效率具有重要意义。因此，有必要对射流激励器进行研究。
而目前常见的射流激励器，像火花放电等离子体激励器通过放电形成高压，产生射流的方式，可靠性低，且放电附属系统复杂，射流连续性差；像活塞式射流激励器通过活塞上下运动，实现容积变化，产生射流的连续性差；像压电陶瓷作动器，通过薄片振动的方式改变容积的幅度又较小，产生射流的效果较差。因而急需一种可靠的主动流动控制方法。
发明内容
发明目的：本发明提供一种边界层吸入式进气道及其内流控制装置，为了抑制BLI进气道内由于吸入大量机体边界层以及本身S弯结构产生的大量低能流，提高进气道性能。
为实现以上目的，本发明边界层吸入式进气道采用以下技术方案：
一种边界层吸入式进气道，包括：内壁面、覆盖于内壁面的唇罩、位于内壁面内部的内流控制装置；所述内壁面与唇罩之间形成内通道；
内流控制装置包括内部为收容腔的缸体、位于收容腔内的转子、齿轮、偏心轴、位于缸体外的用于驱动偏心轴转动的驱动器；所述转子具有三个面，转子横截面为具有三条边的类三角形，相邻两个面相接处形成尖角，收容腔内壁与每个面之间形成工作腔，共具有三个工作腔；所述尖角与收容腔内壁之间始终留有缝隙；所述转子中心设有与转子旋转轴线同轴的内齿腔，该内齿腔的圆形内壁形成内齿，所述齿轮位于内齿腔内并与内齿啮合；所述圆形内壁的直径大于齿轮的外径；所述偏心轴自后向前穿过转子且与转子相对转动；所述偏心轴与转子旋转轴线偏心设置；齿轮固定于缸体内壁上且齿轮不转动；齿轮与偏心轴同轴设置；
所述内流控制装置还包括连通内通道与收容腔的激励器上游通道与激励器下游通道；所述激励器上游通道相比激励器下游通道更靠近进气道进口；当偏心轴带动转子围绕偏心轴在收容腔内做偏心旋转运动时，所述三个工作腔的容积状态在变大与变小之间不断转换；所述转子的转动方向设置为使激励器上游通道连通的工作腔容积逐渐减小，并在激励器上游通道与内通道连通的出口处形成正压差而产生向内通道内喷射的射流；同时，与激励器下游通道连通的工作腔容积逐渐增大，并在激励器下游通道与内通道连通的出口处形成负压差而将内通道内的气流吸入。
进一步的，所述激励器上游通道喷出的气流为自激励器下游通道向收容腔内吸入的气流。
进一步的，所述转子的三个面为形状及尺寸相同的弧面，收容腔的横截面为椭圆形，且收容腔与激励器上游通道、激励器下游通道相对的内壁中间位置向内形成凹陷，使转子的尖角经过该凹陷位置时尖角与内壁之间保持预设的间隙。
进一步的，所述进气道内通道为S弯形，激励器上游通道与内通道连通的出口位于内壁面第一个弯曲段的起始位置。
进一步的，转子的运动方式为绕缸体中心O的公转加上绕转子质心O′的自转，其中公转转速ωR与自转转速ωr满足ωR:ωr＝3:1的关系。
而基于相同的技术构思，本发明还提供了一种应用于飞行器进气道的内流控制装置的技术方案，包括：内部为收容腔的缸体、位于收容腔内的转子、齿轮、偏心轴、位于缸体外的用于驱动偏心轴转动的驱动器；所述转子具有三个面，转子横截面为具有三条边的类三角形，相邻两个面相接处形成尖角，收容腔内壁与每个面之间形成工作腔，共具有三个工作腔；所述尖角与收容腔内壁之间始终留有缝隙；所述转子中心设有与转子旋转轴线同轴的内齿腔，该内齿腔的圆形内壁形成内齿，所述齿轮位于内齿腔内并与内齿啮合；所述圆形内壁的直径大于齿轮的外径；所述偏心轴自后向前穿过转子且与转子相对转动；所述偏心轴与转子旋转轴线偏心设置；齿轮固定于缸体内壁上且齿轮不转动；齿轮与偏心轴同轴设置；
所述缸体上还设有将收容腔与缸体外部连通的激励器上游通道与激励器下游通道；当偏心轴带动转子围绕偏心轴在收容腔内做偏心旋转运动时，所述三个工作腔的容积状态在变大与变小之间不断转换；所述转子的转动方向设置为使激励器上游通道连通的工作腔容积逐渐减小，并在激励器上游通道与缸体外部连通的出口处形成正压差而产生向外喷射的射流；同时，与激励器下游通道连通的工作腔容积逐渐增大，并在激励器下游通道与缸体外部连通的出口处形成负压差而将缸体外部的气流吸入。
进一步的，所述转子的三个面为形状及尺寸相同的弧面，收容腔的横截面为椭圆形，且收容腔与激励器上游通道、激励器下游通道相对的内壁中间位置向内形成凹陷，使转子的尖角经过该凹陷位置时尖角与内壁之间保持预设的间隙。
进一步的，转子的运动方式为绕缸体中心O的公转加上绕转子质心O′的自转，其中公转转速ωR与自转转速ωr满足ωR:ωr＝3:1的关系。
有益效果：与传统的流动控制装置相比，本发明提供的内流控制装置为一种新型的双通道连续式射流激励器，通过电机驱动转子偏心转动引起激励器腔体容积连续变化，形成压差，进而产生射流的方式，具有转速高、射流连续性好、容积变化幅度大、控制精准高效、双通道控制无需外接气源等优点。该装置结构小巧，适应狭小空间；仅需通过调节电机输出转速即可控制射流频率及速度，无需复杂的外接控制系统；下游通道吸走的低能流经激励器后动能增加，再从上游通道射出为流场注入动量，控制效率大大提高；转子将缸体分成三个工作腔，转子每转动一圈，产生三次射流，并且工作腔容积变化幅度大，产生射流的频率快，射流连续性好。因此，该内流控制装置在抑制BLI进气道内流动分离，提升进气道性能方面有着巨大优势。
附图说明
图1是本发明的边界层吸入式BLI进气道及其内流控制装置。
图2是本发明的内流控制激励器示意简图。
图3是本发明的内流控制激励器前侧组装示意图。
图4是本发明的内流控制激励器后侧组装示意图。
图5是本发明的内流控制激励器的内部齿轮齿圈示意图。
图6是本发明的内流控制激励器的工作过程示意简图。
图7是施加控制后BLI进气道下壁面分离区减小情况。
图8是施加控制后BLI进气道AIP截面下壁面形状因子一个工作周期内变化规律。
图9是施加控制后BLI进气道AIP截面总压恢复系数随时间的变化规律。
图中：1.机体平面；2.进气道唇口；3.进口等直段；4.进气道下壁面；5.进气道上壁面；6.出口等直段；7.射流激励器；8.转子；9.缸体；10.激励器上游通道；11.激励器下游通道；12.齿圈；13.齿轮；14.偏心轴；15.联轴器；16.电机；17.端盖；18.固定螺母。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步地说明。
请结合图1和图2所示，本发明提出了一种边界层吸入式BLI进气道及其内流控制装置，包括机体平面1，边界层吸入式BLI进气道以及内流控制装置7。边界层吸入式BLI进气道包括进气道唇口2、进口等直段3、进气道下壁面4、进气道上壁面5、出口等直段6。
所述边界层吸入式BLI进气道包括进气道唇口2、进口等直段3、进气道下壁面4、进气道上壁面5以及出口等直段6。所述进气道唇口2位于进口等直段3外侧，并与进口等直段3和机体平面1共同形成进气道内流进气通道。所述内流控制装置7为一种新型的双通道连续式射流激励器，设置在机体平面1下方，激励器上游通道出口设置在进气道下壁面第一个S弯起始位置。
请再结合图3和图4，所述内流控制装置包括转子8、缸体9、激励器上游通道10、激励器下游通道11、齿圈12、齿轮13、偏心轴14、联轴器15、电机16、端盖17以及固定螺母18。所述齿圈12固定在转子8上，随着转子一起运动。所述齿轮13通过固定螺母18固定在端盖17上，并不转动。所述偏心轴14的主轴颈中心线与缸体中心线重合，偏心轴颈中心线与转子中心线重合，主轴颈通过联轴器15与电机16相连，并在电机16的驱动下转动。偏心轴颈与转子之间保持相对转动，在偏心力矩的作用下，推动转子转动，并在齿轮齿圈的限制下完成特定的运动轨迹。所述转子8具有三个面，转子横截面为具有三条边的类三角形，相邻两个面相接处形成尖角。可结合图5及图6所示，转子8的三个面为形状及尺寸相同的弧面，收容腔的横截面为椭圆形，且收容腔与激励器上游通道10、激励器下游通道11相对的内壁中间位置向内形成凹陷，使转子8的尖角经过该凹陷位置时尖角与内壁之间保持预设的间隙。
如图2所示，在本实施方式对内流控制装置所设置的具体尺寸中，激励器上游通道10与激励器下游通道11之间的水平距离为10mm，激励器上、下游通道的长度均为20mm、宽均为2mm。激励器上、下游通道的延伸方向与来流方向的夹角均为30°。转子偏心距O O‘为3.5mm，且转子的任何一个尖角与缸体壁面之间留有0.2mm的缝隙。转子的运动方式为绕缸体中心O的公转加上绕转子质心O′的自转，其中公转转速与自转转速比必须满足ωR:ωr＝3:1的关系。
如图5所示，所述齿圈12的齿数为42，齿轮13的齿数为28，模数均为0.5，其齿数比为3：2，只有在该齿数比下转子的公转转速和自转转速之比满足3：1。
再结合图6，射流激励器在电机的驱动下，转子偏心转动，随着转子顺时针转动，与激励器上游通道连通的工作腔容积逐渐减小，并在上游通道出口处形成正压差，产生射流为流场注入动量；与激励器下游通道连通的工作腔容积逐渐增大，并在下游通道出口处形成负压差，将气流吸入带走下游部分低能流，同时吸入的气流经激励器加速后动能增加，再从上游通道射出。即激励器上游通道喷出的气流为自激励器下游通道向收容腔内吸入的气流，使得对内通道的吹气无需外接气源。
应用验证实施例：
为进一步说明本实施例技术方案的有益效果，采用数值仿真方法对上述技术方案的效果进行验证。图7为施加控制后BLI进气道下壁面分离区减小情况，选取的仿真参数如下：来流马赫数为0.6，进口边界层厚度为40mm，约为进口高度的30％，AIP截面的马赫数为0.426，转子公转转速为6000r/min，自转转速为2000r/min。图7中(a)为激励器不工作状态下进气道的流场结构，A区内产生较大程度的流动分离，此时进气道性能较差；图7中(b)为激励器工作状态下进气道的流场结构，B区内分离点和再附点均向中间移动，分离区长度显著减小。图8为施加控制后BLI进气道AIP截面下壁面形状因子一个工作周期内变化规律，相比于基准状态(图中虚线)，施加激励器控制后AIP截面下壁面的形状因子有明显减小，能够减小0.19到0.35。图9为施加控制后BLI进气道AIP截面总压恢复系数随时间变化规律，相比于基准状态，总压恢复系数提高，总压损失系数大幅降低，最大降幅达40％。以上结果说明，通过内流控制装置作用，进气道内流动分离情况明显减小，AIP截面下壁面形状因子减小，总压损失系数大幅下降，进气道性能提高，本发明装置达到了预期目标，是切实可行的，有一定的应用前景。
另外，本发明的具体实现方法和途径有很多，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方式之一。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。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种边界层吸入式进气道，其特征在于，包括：内壁面、覆盖于内壁面的唇罩、位于内壁面内部的内流控制装置；所述内壁面与唇罩之间形成内通道；
内流控制装置包括内部为收容腔的缸体、位于收容腔内的转子、齿轮、偏心轴、位于缸体外的用于驱动偏心轴转动的驱动器；所述转子具有三个面，转子横截面为具有三条边的类三角形，相邻两个面相接处形成尖角，收容腔内壁与每个面之间形成工作腔，共具有三个工作腔；所述尖角与收容腔内壁之间始终留有缝隙；所述转子中心设有与转子旋转轴线同轴的内齿腔，该内齿腔的圆形内壁形成内齿，所述齿轮位于内齿腔内并与内齿啮合；所述圆形内壁的直径大于齿轮的外径；所述偏心轴自后向前穿过转子且与转子相对转动；所述偏心轴与转子旋转轴线偏心设置；齿轮固定于缸体内壁上且齿轮不转动；齿轮与偏心轴同轴设置；
所述内流控制装置还包括连通内通道与收容腔的激励器上游通道与激励器下游通道；所述激励器上游通道相比激励器下游通道更靠近进气道进口；当偏心轴带动转子围绕偏心轴在收容腔内做偏心旋转运动时，所述三个工作腔的容积状态在变大与变小之间不断转换；所述转子的转动方向设置为使激励器上游通道连通的工作腔容积逐渐减小，并在激励器上游通道与内通道连通的出口处形成正压差而产生向内通道内喷射的射流；同时，与激励器下游通道连通的工作腔容积逐渐增大，并在激励器下游通道与内通道连通的出口处形成负压差而将内通道内的气流吸入。
2.根据权利要求1所述的边界层吸入式进气道，其特征在于，所述激励器上游通道喷出的气流为自激励器下游通道向收容腔内吸入的气流。
3.根据权利要求1或2所述的边界层吸入式进气道，其特征在于，所述转子的三个面为形状及尺寸相同的弧面，收容腔的横截面为椭圆形，且收容腔与激励器上游通道、激励器下游通道相对的内壁中间位置向内形成凹陷，使转子的尖角经过该凹陷位置时尖角与内壁之间保持预设的间隙。
4.根据权利要求1所述的边界层吸入式进气道，其特征在于，所述进气道内通道为S弯形，激励器上游通道与内通道连通的出口位于内壁面第一个弯曲段的起始位置。
5.根据权利要求1所述的边界层吸入式进气道，其特征在于，转子的运动方式为绕缸体中心O的公转加上绕转子质心O′的自转，其中公转转速ωR与自转转速ωr满足ωR:ωr＝3:1的关系。
6.一种应用于飞行器进气道的内流控制装置，其特征在于，包括：内部为收容腔的缸体、位于收容腔内的转子、齿轮、偏心轴、位于缸体外的用于驱动偏心轴转动的驱动器；所述转子具有三个面，转子横截面为具有三条边的类三角形，相邻两个面相接处形成尖角，收容腔内壁与每个面之间形成工作腔，共具有三个工作腔；所述尖角与收容腔内壁之间始终留有缝隙；所述转子中心设有与转子旋转轴线同轴的内齿腔，该内齿腔的圆形内壁形成内齿，所述齿轮位于内齿腔内并与内齿啮合；所述圆形内壁的直径大于齿轮的外径；所述偏心轴自后向前穿过转子且与转子相对转动；所述偏心轴与转子旋转轴线偏心设置；齿轮固定于缸体内壁上且齿轮不转动；齿轮与偏心轴同轴设置；
所述缸体上还设有将收容腔与缸体外部连通的激励器上游通道与激励器下游通道；当偏心轴带动转子围绕偏心轴在收容腔内做偏心旋转运动时，所述三个工作腔的容积状态在变大与变小之间不断转换；所述转子的转动方向设置为使激励器上游通道连通的工作腔容积逐渐减小，并在激励器上游通道与缸体外部连通的出口处形成正压差而产生向外喷射的射流；同时，与激励器下游通道连通的工作腔容积逐渐增大，并在激励器下游通道与缸体外部连通的出口处形成负压差而将缸体外部的气流吸入。
7.根据权利要求6所述的内流控制装置，其特征在于，所述转子的三个面为形状及尺寸相同的弧面，收容腔的横截面为椭圆形，且收容腔与激励器上游通道、激励器下游通道相对的内壁中间位置向内形成凹陷，使转子的尖角经过该凹陷位置时尖角与内壁之间保持预设的间隙。
8.根据权利要求6或7所述的内流控制装置，其特征在于，转子的运动方式为绕缸体中心O的公转加上绕转子质心O′的自转，其中公转转速ωR与自转转速ωr满足ωR:ωr＝3:1的关系。
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