CN117738813A - 一种带有旁路阀门的推力矢量喷管及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有旁路阀门的推力矢量喷管及其设计方法，设计自适应旁路通道的二维基准型线，特别的，将所述旁路通道出口处设计成倒圆，将自适应旁路通道的二维基准型线绕喷管中心轴旋转，形成三维自适应旁路通道。将旁路阀门设计成两端粗中间细的纺锤状，将自适应旁路向喉道处延长，从而构建自适应阀门内部的流道。这样就能保证自适应旁路通道型面与主流道型面很好的贴合。通过上述技术方案，可以减少由于开启矢量时开启旁路阀门的一侧注入的次流冲击另一侧次流出口造成的流动损失，也解决了轴对称旁路式无源气动推力矢量喷管旁路阀门难以布置的难题，从而满足飞行器对于推力矢量、高效低阻飞行和减少流动损失的同时需要。

Description

一种带有旁路阀门的推力矢量喷管及其设计方法

技术领域

本发明设计了一种带有旁路阀门的推力矢量喷管及其设计方法，属于航空发动机的先进推力矢量喷管技术领域。

背景技术

具有推力矢量功能的飞机，可以通过推力产生的直接控制力矩完成姿态控制，获得更好的敏捷性、过失速机动能力以及良好的飞行品质，从而在空战中取得优势。而推力矢量喷管是推力矢量控制的核心部件，决定了飞机和发动机的技术水平，是未来战机的关键技术之一，现有机械矢量喷管包括：机械液压连杆式、折流板式、燃气舵式；结构复杂，其重量约为发动机总重的30％，造价则可达发动机总价值的40％，维护性和可靠性差。因此开发一种结构简单、重量轻、维护性好的推力矢量喷管迫在眉睫。

当下，流体推力矢量喷管逐渐以其结构简单、重量轻和雷达反射面小的的特点成为各国的研究重点和研究热点，在飞机发动机上具有重要的应用前景。常见的喉道偏移式气动推力矢量喷管为双喉道结构，以将旁路阀门布置在等直段最为常见，目前阀门的通常形状为方片型阀门或矩形块状阀门。阀门作动的形式一般为直线舵机带动连杆机构使方片型阀门沿着圆弧轨迹运动，或者是直线舵机带动连杆机构使矩形阀块状阀门沿垂直于喷管轴线的方向直线运动。推力矢量的实现原理是，等直段的旁路阀门开启，次流从旁路流道中经过后在一喉道处施加扰动使得一喉道处气流的速度截面偏斜，进而扰动在二喉道前部扩张收敛段内放大，产生稳定的推力矢量。但是，采用这几种形式的旁路阀门的推力矢量喷管在工作时，尤其在开启矢量状态时，开启旁路阀门的一侧注入的次流会冲击另一侧次流出口造成流动损失，影响喷管的流通能力，且存在轴对称旁路式无源气动推力矢量喷管次流出口处旁路阀门难以布置的难题。所以，依靠在等直段处布置旁路阀门的大多数喉道偏移式气动推力矢量喷管在未来应用中存在明显的弊端。因此，迫切需要提出一种能够准确控制、结构简单、基本不受矢量状态下次流冲击带来流量影响的新型推力矢量喷管。

因此，本专利发明了一种带有旁路阀门的推力矢量喷管及其设计方法，针对轴对称旁路式无源气动推力矢量喷管，首先建立坐标系，设计自适应旁路通道的二维基准型线，特别的，考虑到旁路阀门的设计，将所述旁路通道出口处设计成倒圆，将自适应旁路通道的二维基准型线绕所述无源气动推力矢量喷管中心轴旋转，形成三维自适应旁路通道。然后根据自适应旁路通道和喷管喉道的三维特征将旁路阀门设计成两端粗中间细的纺锤状，再进行旁路阀门内部流道的设计。需要开启矢量时，舵机带动阀门沿着自身中轴线周向旋转，实现旁路次流流道的打开，实现气流的偏转；关闭矢量时，舵机带动阀门沿着自身中轴线周向旋转，实现旁路次流流道的闭合。这就使得再整个工作过程中，能够保证自适应旁路通道型面与主流道型面始终过渡的连续光滑。通过上述技术方案，可以减少由于开启矢量时开启旁路阀门的一侧注入的次流冲击另一侧次流出口造成的流动损失，也解决了轴对称旁路式无源气动推力矢量喷管旁路阀门难以布置的难题，从而满足飞行器对于推力矢量、高效低阻飞行和减少流动损失的同时需要。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利发明了一种带有旁路阀门的推力矢量喷管及其设计方法，以轴对称旁路式无源气动推力矢量喷管为基础，首先建立坐标系，设计自适应旁路通道的二维基准型线，特别的，考虑到旁路阀门的设计，将所述旁路通道出口处设计成倒圆，将自适应旁路通道的二维基准型线绕所述无源气动推力矢量喷管中心轴旋转，形成三维自适应旁路通道。然后根据自适应旁路通道和喷管喉道的三维特征将旁路阀门设计成两头粗中间细的纺锤状，再进行旁路阀门内部流道的设计。这样就能保证自适应旁路通道型面与主流道型面始终过渡的连续光滑。通过上述技术方案，可以减少由于开启矢量时开启旁路阀门的一侧注入的次流冲击另一侧次流出口造成的流动损失，也解决了轴对称旁路式无源气动推力矢量喷管旁路阀门难以布置的难题，从而满足飞行器对于推力矢量、高效低阻飞行和减少流动损失的同时需要。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种带有旁路阀门的推力矢量喷管，包括依次串接的喷管等直段壁面、第一喷管收敛段壁面、喷管扩张段壁面，第二喷管收敛段壁面；所述喷管等直段壁面一侧为喷管进口截面，所述喷管扩张段壁面一侧为喷管出口截面，所述第一喷管收敛段壁面和所述喷管扩张段壁面之间为喷管喉道截面，所述喷管等直段壁面与所述第一喷管收敛段壁面之间有三维自适应旁路通道；

所述三维自适应旁路通道一侧设有次流入口，所述三维自适应旁路通道出口转动连接旁路阀门，所述旁路阀门上开设有旁路阀门次流通道，旁路阀门次流通道的出口为次流出口；

所述旁路阀门通过安装在阀门转动轴承座上的轴承实现转动，阀门转动轴承座设于推力矢量喷管的壁面；

所述旁路阀门呈两端粗中间细的纺锤状。

一种带有旁路阀门的推力矢量喷管的设计方法，包括以下步骤：

S1)：建立坐标系，以推力矢量喷管轴向为x轴，垂直于推力矢量喷管轴向且位于水平面的为y轴，竖直方向垂直于推力矢量喷管轴向的为z轴；

构造自适应旁路通道的二维基准型线，将自适应旁路通道的二维基准型线向推力矢量喷管的两侧分别旋转相同角度，即获得三维自适应旁路通道，所述三维自适应旁路通道的流道截面为扇环状特殊四边形；

S2)：用两个与基准平面平行且与基准平面距离相等的平面将推力矢量喷管截为三段，在两个截断面处构造旁路阀门转动通道的端面圆C₁和C₂，在基准平面上构造旁路阀门转动通道的中间截面圆C₃，其中基准平面指的是xz平面；

S3)：以S2)中端面圆C₁和C₂的圆心分别构造同心圆C₄和C₅，以S2)中中间截面圆C₃的圆心构造同心圆C₆，过同心圆C₁、C₂、C₃生成旁路阀门转动通道，过同心圆C₄、C₅、C₆生成旁路阀门；

S4)：以S1)中所述坐标系为基础，首先构造旁路阀门次流通道的二维基准型线，将旁路阀门次流通道的二维基准型线向推力矢量喷管的两侧旋转相同角度，将得到的旋转体与S3)中所述旁路阀门相减，生成旁路阀门次流通道；

S5)：在S2)中所述的旁路阀门上设计转轴，转轴驱动连接于外部驱动源；

S6)：在旁路阀门两侧、推力矢量喷管的壁面设计轴承座，用于安装轴承实现旁路阀门的转动。优选的，步骤S1)中单侧旋转的圆心角θ取值范围为12.5°～22.5°。

优选的，步骤S2中，定义旁路阀门转动通道的端面圆直径基准尺寸为Φ，则端面圆C₁和C₂的直径Φ₁取值为Φ₁＝Φ。

优选的，所述的旁路阀门转动通道的中间截面圆C₃直径Φ₂取值为Φ₂＝(0.5～0.6)*Φ₁。

优选的，旁路阀门的同心圆C₄和C₅的直径Φ₃取值为Φ₃＝(0.95～0.98)*Φ₁，旁路阀门的同心圆C₆的直径Φ₄取值为Φ₄＝(0.5～0.6)*Φ₃。

优选的，旁路阀门次流通道的二维基准型线单侧旋转圆心角α取值范围为α＝(0.75～0.85)*θ。

优选的，定义旁路阀门宽为D，定义旁路阀门宽D与旁路阀门两端直径Φ₄的比值为Z，Z取值为2.5～3.5。

优选的，定义三维自适应旁路通道高度为H_bypass，定义旁路阀门次流通道高度为H_valve，则满足H_valve＝H_bypass。

优选的，将所述旁路阀门设置于轴对称双喉道气动推力矢量喷管、轴对称流体推力矢量喷管以及带次流通道的轴对称流体推力矢量喷管中。

有益效果：一种带有旁路阀门的推力矢量喷管及其设计方法，相对于现有技术，具有以下优点：

(1)相比常规的气动推力矢量喷管将旁路阀门布置在等直段的方案，本方案将旁路阀门布置在旁路出口处，配合喷管喉道处的倒圆，能使整个流道过渡更加光滑，在实现高效矢量偏转的同时，能够减少由于开启矢量时开启旁路阀门的一侧注入的次流冲击另一侧次流出口造成的流动损失，具有极其简单的结构；

(2)本方案设计的旁路阀门结构，能够有效解决阀门转动时与旁路流道型面不匹配的问题；从而能灵活控制旁路阀门的开度，降低推力矢量角对阀门作动的敏感程度，实现矢量角的线性控制；

(3)本方案在保留原有轴对称旁路式无源气动推力矢量喷管的基本结构基础上，仅通过改变旁路通道和旁路阀门的结构设计，能够获得更优的推力性能和矢量性能；

附图说明

图1为一种带有旁路阀门的推力矢量喷管及其设计方法结构示意图(右视图)；

图2为一种带有旁路阀门的推力矢量喷管及其设计方法结构示意图(侧视图)；

图3为一种带有旁路阀门的推力矢量喷管及其设计方法旁路阀门结构示意图(侧视图)；

图4为一种带有旁路阀门的推力矢量喷管及其设计方法阀门位置示意图(上下旁路阀门均打开)；

图5为一种带有旁路阀门的推力矢量喷管及其设计方法阀门位置示意图(上下旁路阀门均关闭)；

图6为一种带有旁路阀门的推力矢量喷管及其设计方法阀门位置示意图(上侧旁路阀门打开，下侧旁路阀门关闭)；

图7为一种带有旁路阀门的推力矢量喷管及其设计方法阀门位置示意图(上下阀门开度50％)

图8为旁路阀门安装通道与旁路阀门尺寸位置示意图；

图9为整体结构示意图；

图10为阀门转动轴承座位置示意图；

图11为一种带有旁路阀门的推力矢量喷管及其设计方法所提供的矢量偏转示意图；

图中包括：1、喷管进口截面，2、喷管等直段壁面，3、次流入口，4、第一喷管收敛段壁面，5、旁路阀门，6、次流出口，7、三维自适应旁路通道，8、喷管喉道截面，9、喷管扩张段壁面，10、喷管收敛段壁面，11、喷管出口截面，12、阀门转动轴承座。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作更进一步地说明。

图1-图10为本发明所述一种带有旁路阀门的推力矢量喷管的设计方法，以轴对称旁路式无源气动推力矢量喷管为基础，首先建立坐标系，设计自适应旁路通道的二维基准型线，特别的，考虑到旁路阀门的设计，将所述旁路通道出口处设计成倒圆，将自适应旁路通道的二维基准型线绕所述无源气动推力矢量喷管中心轴旋转，形成三维自适应旁路通道。然后根据自适应旁路通道和喷管喉道的三维特征将旁路阀门设计成两头粗中间细的纺锤状，再进行旁路阀门内部流道的设计。这样就能保证自适应旁路通道型面与主流道型面始终过渡的连续光滑。通过上述技术方案，可以减少由于开启矢量时开启旁路阀门的一侧注入的次流冲击另一侧次流出口造成的流动损失，也解决了轴对称旁路式无源气动推力矢量喷管旁路阀门难以布置的难题，从而满足飞行器对于推力矢量、高效低阻飞行和减少流动损失的同时需要。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种带有旁路阀门的推力矢量喷管，主体气动型面为轴对称旁路式无源气动推力矢量喷管型面，主要结构包含喷管等直段壁面、收敛段壁面、扩张段壁面、旁路阀门以及位于一喉道处的次流出口。其典型流道截面为喷管入口截面、喷管喉道截面以及喷管出口截面。其中，喷管喉道截面在收敛段壁面和扩张段壁面的交界处，出口截面位于扩张段壁面的尾端。

本发明常见的具体实现形式为轴对称双喉道气动推力矢量喷管，气动推力矢量喷管使用形式为旁路阀门在旁路通道出口处布置，用于产生俯仰方向的推力矢量。旁路阀门阀门形状为中间细两端粗的纺锤状，通过直线舵机的作动实现阀门绕自身中轴线的旋转，进而控制矢量的开闭。当所有的阀门均关闭时，喷管内流道上下对称，此时流过一喉道的气流未收到非均匀、非对称扰动，进而不产生推力矢量。当一侧阀门打开时，气流在收敛段附近收到非对称的扰动，产生稳定的推力矢量，其推力矢量的角度可以由阀门的开度决定。

一种带有旁路阀门的推力矢量喷管的设计方法，包括以下步骤：

S1)：建立坐标系，以推力矢量喷管轴向为x轴，垂直于推力矢量喷管轴向且位于水平面的为y轴，竖直方向垂直于推力矢量喷管轴向的为z轴；

构造自适应旁路通道的二维基准型线，将自适应旁路通道的二维基准型线向推力矢量喷管的两侧旋转相同角度，即获得三维自适应旁路通道；如图9所示，为推力矢量喷管的截面图，三维自适应旁路通道的截面即为自适应旁路通道的二维基准型线，将自适应旁路通道的二维基准型线向推力矢量喷管的两侧分别旋转相同角度，即获得三维自适应旁路通道，所述三维自适应旁路通道的流道截面为扇环状特殊四边形。

S2)：用两个与基准平面平行且与基准平面距离相等的平面将推力矢量喷管截为三段，在两个截断面处构造旁路阀门转动通道的端面圆C₁和C₂，在基准平面上构造旁路阀门转动通道的中间截面圆C₃，其中基准平面指的是xz平面，以该平面为基准平面，用两个与之平行且距离相等的平面进行截取，在两个截断面处构造旁路阀门转动通道的端面圆，同时在基准平面上构造旁路阀门转动通道的中间截面圆，过端面圆、中间截面圆即得到了旁路阀门转动通道；

S3)：以S2)中端面圆C₁和C₂的圆心分别构造同心圆C₄和C₅，以S2)中中间截面圆C₃的圆心构造同心圆C₆，过同心圆C₄、C₅、C₆生成旁路阀门；

S4)：以S1)中所述坐标系为基础，首先构造旁路阀门次流通道的二维基准型线，将旁路阀门次流通道的二维基准型线向推力矢量喷管的两侧旋转相同角度，将得到的旋转体与S3)中所述旁路阀门相减，生成旁路阀门次流通道；

S5)：在S2)中所述的旁路阀门上设计转轴，转轴驱动连接于外部驱动源；

S6)：在旁路阀门两侧、推力矢量喷管的壁面设计轴承座12，用于安装轴承实现旁路阀门的转动。

优选地，考虑到进行推力矢量调节时，不希望矢量状态下次流对另一侧壁面的冲击导致喷管流量、流通性能产生影响，因此，旁路阀门的型面与喷管喉道处的型面过渡圆滑，旁路阀门的优选位置在喷管一喉道处。

进一步地，旁路通道旋转单侧圆心角θ取值范围为12.5°～22.5°。

进一步地，旁路阀门与喷管壁面贴合型面需要仔细设计，既要保证整个流道型面过渡圆滑，也要保证旁路阀门与阀门转动通道的紧密贴合，减小安装间隙，因此，旁路阀门转动通道端面圆C₁和C₂的直径Φ₁取值为Φ₁＝Φ，旁路阀门转动通道中间截面圆C₃直径Φ₂取值为Φ₂＝(0.5～0.6)*Φ₁。

进一步地，旁路阀门的端面圆C₄和C₅直径Φ₃取值为Φ₃＝(0.95～0.98)*Φ₁，旁路阀门的中间圆形截面圆C₆直径Φ₄取值为Φ₄＝(0.5～0.6)*Φ₃。

进一步地，旁路阀门次流通道的二维基准型线旋转圆心角α取值为α＝(0.75～0.85)*θ。

进一步地，旁路阀门宽D与阀门两端最大直径Φ₄的比值为宽高比Z取值为2.5～3.5。

进一步地，旁路通道高度为H_bypass与阀门通道高度为H_valve之间满足H_valve＝H_bypass。

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 (10)

1.一种带有旁路阀门的推力矢量喷管，其特征在于，包括依次串接的喷管等直段壁面(2)、第一喷管收敛段壁面(4)、喷管扩张段壁面(9)，第二喷管收敛段壁面(10)；所述喷管等直段壁面(2)一侧为喷管进口截面(1)，所述喷管扩张段壁面(10)一侧为喷管出口截面(11)，所述第一喷管收敛段壁面(4)和所述喷管扩张段壁面(9)之间为喷管喉道截面(8)，所述喷管等直段壁面(2)与所述第一喷管收敛段壁面(4)之间有三维自适应旁路通道(7)；

所述三维自适应旁路通道(7)一侧设有次流入口(3)，所述三维自适应旁路通道(7)出口转动连接旁路阀门(5)，所述旁路阀门(5)上开设有旁路阀门次流通道，旁路阀门次流通道的出口为次流出口(6)；

所述旁路阀门(5)通过安装在阀门转动轴承座(12)上的轴承实现转动，阀门转动轴承座(12)设于推力矢量喷管的壁面；

所述旁路阀门(5)呈两端粗中间细的纺锤状。

2.一种带有旁路阀门的推力矢量喷管的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1)：建立坐标系，以推力矢量喷管轴向为x轴，垂直于推力矢量喷管轴向且位于水平面的为y轴，竖直方向垂直于推力矢量喷管轴向的为z轴；

构造自适应旁路通道的二维基准型线，将自适应旁路通道的二维基准型线向推力矢量喷管的两侧分别旋转相同角度，即获得三维自适应旁路通道，所述三维自适应旁路通道的流道截面为扇环状特殊四边形；

S2)：用两个与基准平面平行且与基准平面距离相等的平面将推力矢量喷管截为三段，在两个截断面处构造旁路阀门转动通道的端面圆C₁和C₂，在基准平面上构造旁路阀门转动通道的中间截面圆C₃，其中基准平面指的是xz平面；

S3)：以S2)中端面圆C₁和C₂的圆心分别构造同心圆C₄和C₅，以S2)中中间截面圆C₃的圆心构造同心圆C₆，过同心圆C₁、C₂、C₃生成旁路阀门转动通道，过同心圆C₄、C₅、C₆生成旁路阀门；

S4)：以S1)中所述坐标系为基础，首先构造旁路阀门次流通道的二维基准型线，将旁路阀门次流通道的二维基准型线向推力矢量喷管的两侧旋转相同角度，将得到的旋转体与S3)中所述旁路阀门相减，生成旁路阀门次流通道；

S5)：在S2)中所述的旁路阀门上设计转轴，转轴驱动连接于外部驱动源；

S6)：在旁路阀门两侧、推力矢量喷管的壁面设计轴承座，用于安装轴承实现旁路阀门的转动。

3.如权利要求2所述的一种带有旁路阀门的推力矢量喷管的设计方法，其特征在于：步骤S1)中单侧旋转的圆心角θ取值范围为12.5°～22.5°。

4.如权利要求2所述的一种带有旁路阀门的推力矢量喷管的设计方法，其特征在于：步骤S2中，定义旁路阀门转动通道的端面圆直径基准尺寸为Φ，则端面圆C₁和C₂的直径Φ₁取值为Φ₁＝Φ。

5.如权利要求4所述的一种带有旁路阀门的推力矢量喷管的设计方法，其特征在于：所述的旁路阀门转动通道的中间截面圆C₃直径Φ₂取值为Φ₂＝(0.5～0.6)*Φ₁。

6.如权利要求4所述的一种带有旁路阀门的推力矢量喷管的设计方法，其特征在于：旁路阀门的同心圆C₄和C₅的直径Φ₃取值为Φ₃＝(0.95～0.98)*Φ₁，旁路阀门的同心圆C₆的直径Φ₄取值为Φ₄＝(0.5～0.6)*Φ₃。

7.如权利要求2所述一种带有旁路阀门的推力矢量喷管的设计方法，其特征在于：旁路阀门次流通道的二维基准型线单侧旋转圆心角α取值范围为α＝(0.75～0.85)*θ。

8.如权利要求2所述的一种带有旁路阀门的推力矢量喷管的设计方法，其特征在于：定义旁路阀门宽为D，定义旁路阀门宽D与旁路阀门两端直径Φ₄的比值为Z，Z取值为2.5～3.5。

9.如权利要求2所述的一种带有旁路阀门的推力矢量喷管的设计方法，其特征在于：定义三维自适应旁路通道高度为H_bypass，定义旁路阀门次流通道高度为H_valve，则满足H_valve＝H_bypass。

10.如权利要求2-9任意一项所述的一种带有旁路阀门的推力矢量喷管的设计方法，其特征在于，将所述旁路阀门设置于轴对称双喉道气动推力矢量喷管、轴对称流体推力矢量喷管以及带次流通道的轴对称流体推力矢量喷管中。