一種串聯(lián)式組合動力進(jìn)氣道平動式模態(tài)轉(zhuǎn)換裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種串聯(lián)式組合動力進(jìn)氣道平動式模態(tài)轉(zhuǎn)換裝置，模態(tài)轉(zhuǎn)換裝置為一組合式閥門結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)、外閥門；內(nèi)、外閥門為內(nèi)徑或者外徑不相等的環(huán)狀體，兩閥門上設(shè)有一可以相互契合的面，并且內(nèi)、外閥門中至少有一個(gè)可前后移動的固定在發(fā)動機(jī)通道入口段，可移動的閥門上連接一驅(qū)動裝置，使該可移動閥門移動在進(jìn)氣道內(nèi)能夠在與另一閥門契合的位置和設(shè)定的開度位置之間移動；設(shè)計(jì)思路是通過平動代替轉(zhuǎn)動的方式實(shí)現(xiàn)串聯(lián)組合動力進(jìn)氣道模態(tài)轉(zhuǎn)換過程閥門的開啟與關(guān)閉，采用平動的方式可簡化模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門的運(yùn)動規(guī)律及其控制機(jī)構(gòu)；隨著模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門的移動，模態(tài)轉(zhuǎn)換過程進(jìn)入沖壓發(fā)動機(jī)通道的流量逐漸增大，進(jìn)入渦輪發(fā)動機(jī)通道的流量逐漸減少。
【專利說明】
一種串聯(lián)式組合動力進(jìn)氣道平動式模態(tài)轉(zhuǎn)換裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及一種串聯(lián)式組合動力進(jìn)氣道平動式模態(tài)轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)，屬于組合動力進(jìn)氣道模型設(shè)計(jì)研究領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]國家提出空天一體化的戰(zhàn)略，意味著未來空中優(yōu)勢的爭奪將逐漸轉(zhuǎn)變成空天優(yōu)勢的爭奪?？仗祜w行器以其獨(dú)有的作戰(zhàn)優(yōu)勢，正受到世界各強(qiáng)國的廣泛關(guān)注。組合動力推進(jìn)系統(tǒng)綜合了不同推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)勢，可滿足未來空天飛行器的寬飛行包線的需求。目前常見的組合動力推進(jìn)系統(tǒng)主要有火箭基組合循環(huán)(RBCC)和渦輪基組合循環(huán)(TBCC)。其中渦輪基組合循環(huán)推進(jìn)系統(tǒng)具有可重復(fù)使用、成本低、安全性高等特點(diǎn)，是未來空天飛行器推進(jìn)系統(tǒng)重要的選擇之一。
[0003]TBCC推進(jìn)系統(tǒng)的按照布局方式可以分為串聯(lián)式和并聯(lián)式。其中串聯(lián)形式采用渦輪發(fā)動機(jī)在前，沖壓發(fā)動機(jī)在后的布局，具有發(fā)動機(jī)基線小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)。組合循環(huán)發(fā)動機(jī)工作過程中必然要經(jīng)歷由渦輪發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)向沖壓發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)(或沖壓發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)向渦輪發(fā)動機(jī)工作狀態(tài))轉(zhuǎn)換的模態(tài)轉(zhuǎn)換過程。在發(fā)動機(jī)模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，進(jìn)氣道需要同時(shí)向渦輪發(fā)動機(jī)通道和沖壓發(fā)動機(jī)通道提供所需氣流，配合發(fā)動機(jī)完成動力模式的轉(zhuǎn)換，且在此模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中需要滿足組合發(fā)動機(jī)的流量和推力保持平穩(wěn)過渡等要求，是TBCC發(fā)動機(jī)研制成敗的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0004]日本是世界上開展TBCC發(fā)動機(jī)研制工作較早的國家之一。1989年日本提出高超聲速運(yùn)輸機(jī)(Hypersonic Transport HST)計(jì)劃。試驗(yàn)機(jī)型HYPR90-C發(fā)動機(jī)由雙軸不帶加力的變循環(huán)渦扇發(fā)動機(jī)和亞燃沖壓發(fā)動機(jī)串聯(lián)組成。發(fā)動機(jī)可調(diào)部分包括:模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門、前/后可變面積放氣門、高壓壓氣機(jī)可調(diào)靜子葉片、低壓渦輪可調(diào)導(dǎo)向器和可變面積尾噴管。在起飛狀態(tài)時(shí)，關(guān)小低壓渦輪導(dǎo)向器以加大涵道比，降低排氣噪音；高速飛行時(shí)，則加大核心機(jī)空氣流量，提高單位推力。使用進(jìn)氣道內(nèi)的分流板選擇渦扇工作模式、沖壓工作模式或渦扇-沖壓同時(shí)工作模式。渦扇發(fā)動機(jī)從起飛直到工作到飛行速度為Ma=3.0 ;Ma=2.5?3.0時(shí)，渦扇和沖壓發(fā)動機(jī)工作轉(zhuǎn)接;Ma=3.0?5.0時(shí)沖壓發(fā)動機(jī)工作，渦扇發(fā)動機(jī)關(guān)閉。由于模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門處于環(huán)形截面上，若要實(shí)現(xiàn)沖壓發(fā)動機(jī)流道的開啟和關(guān)閉，則模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門在運(yùn)動過程中需要改變面積，其運(yùn)動規(guī)律類似于收斂噴管喉道的擴(kuò)大/縮小過程。
[0005]由于串聯(lián)式組合動力模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門的運(yùn)動規(guī)律及其控制機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，因此若能采用平動的方式實(shí)現(xiàn)模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門的關(guān)閉與開啟，則可以簡化運(yùn)動規(guī)律及其控制機(jī)構(gòu)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是針對上述【背景技術(shù)】的不足，提供一種簡化模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門運(yùn)動規(guī)律及其控制機(jī)構(gòu)的平動式模態(tài)轉(zhuǎn)換裝置。
[0007]串聯(lián)TBCC進(jìn)氣道主要由超聲速外壓段、亞聲速擴(kuò)壓段和渦輪和沖壓發(fā)動機(jī)分流段三部分組成。其中超聲速外壓段和亞聲速擴(kuò)壓段為組合動力進(jìn)氣道前半部分，該部分為渦輪和沖壓發(fā)動機(jī)提供合適的進(jìn)氣條件，渦輪和沖壓發(fā)動機(jī)分流段將氣流分成內(nèi)外兩股，引導(dǎo)氣流進(jìn)入渦輪以及沖壓發(fā)動機(jī)。因此渦輪發(fā)動機(jī)入口通道形狀呈圓形，沖壓發(fā)動機(jī)入口通道形狀呈環(huán)形。在模態(tài)轉(zhuǎn)換開始前，氣流全部流入渦輪發(fā)動機(jī)通道。模態(tài)轉(zhuǎn)換過程位于沖壓發(fā)動機(jī)通道內(nèi)的模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門逐漸開啟，引導(dǎo)氣流進(jìn)入沖壓發(fā)動機(jī)通道。
[0008]所述模態(tài)轉(zhuǎn)換裝置為一組合式閥門結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)閥門、外閥門；所述內(nèi)、外閥門為內(nèi)徑或者外徑不相等的環(huán)狀體，兩閥門上設(shè)有一可以相互契合的面，并且內(nèi)、外閥門中至少有一個(gè)可前后移動的固定在發(fā)動機(jī)入口通道中，可移動的閥門上連接一驅(qū)動裝置，使該可移動閥門在進(jìn)氣道內(nèi)能夠在與另一閥門契合的位置和設(shè)定的開度位置之間移動。
[0009]其中，內(nèi)閥門固定設(shè)置在渦輪發(fā)動機(jī)入口通道的外壁面，外閥門可前后移動的固定在沖壓發(fā)動機(jī)的內(nèi)表面;所述外閥門的外側(cè)面設(shè)有凸起，沖壓發(fā)動機(jī)內(nèi)表面對應(yīng)位置設(shè)有凹槽與外閥門外側(cè)面的凸起相匹配。
[0010]進(jìn)一步的，所述內(nèi)閥門上各處內(nèi)徑相等，外徑沿軸向的兩邊向中間逐漸變大，截面形成大致為頂角向外的三角形;所述外閥門上各處外徑相等，內(nèi)徑沿軸向的兩邊向中間逐漸變大，截面形成大致為頂角向內(nèi)的三角形;所述外閥門外側(cè)面的凸起為矩形體角塊，在其外側(cè)面均勻設(shè)有四個(gè)。
[0011]本實(shí)用新型提出了新的模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門設(shè)計(jì)思路及其平動的運(yùn)動方式。采用該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)平動的方式完成模態(tài)轉(zhuǎn)換過程，簡化了模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門的運(yùn)動規(guī)律及其控制機(jī)構(gòu)，同時(shí)也能滿足模態(tài)轉(zhuǎn)換過程渦輪發(fā)動機(jī)流量降低，沖壓發(fā)動機(jī)流量增大的要求。
[0012]模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門采用分段式設(shè)計(jì)，分為內(nèi)外兩部分，其中內(nèi)側(cè)部分固定在渦輪發(fā)動機(jī)通道外壁面，外側(cè)部分通過四個(gè)角塊固定在沖壓發(fā)動機(jī)通道內(nèi)壁面且該部分可通過角塊進(jìn)行移動，實(shí)現(xiàn)沖壓發(fā)動機(jī)通道的開啟和關(guān)閉。
[0013]采用該裝置能實(shí)現(xiàn)用平動代替轉(zhuǎn)動的方式進(jìn)行串聯(lián)式TBCC進(jìn)氣道模態(tài)轉(zhuǎn)換，簡化了模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門的運(yùn)動規(guī)律及其控制機(jī)構(gòu)。
【附圖說明】
[0014]圖1是本實(shí)用新型串聯(lián)式組合動力進(jìn)氣道平動式模態(tài)轉(zhuǎn)換裝置的剖視圖；
[0015]圖2是本實(shí)用新型中外閥門的整體示意圖；
[0016]圖3是串聯(lián)式組合動力進(jìn)氣道平動式模態(tài)轉(zhuǎn)換裝置模態(tài)轉(zhuǎn)換過程三個(gè)典型位置圖；
[0017]圖4是串聯(lián)式組合動力進(jìn)氣道平動式模態(tài)轉(zhuǎn)換裝置模態(tài)轉(zhuǎn)換過程流量系數(shù)變化規(guī)律；
[0018]圖中橫縱坐標(biāo)及圖標(biāo)的含義分別為:
[0019]Dl:進(jìn)氣道出口截面直徑；
[0020]D2:渦輪發(fā)動機(jī)通道截面直徑；
[0021 ]hi:模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門內(nèi)側(cè)部分三角形高度；
[0022]LI:模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門內(nèi)側(cè)部分三角形半長度；
[0023]h2:模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門外側(cè)部分三角形高度；
[0024]L2:模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門外側(cè)部分三角形半長度；
[0025]φ:流量系數(shù)；
[0026]L:沖壓通道開度；
[0027]1-內(nèi)閥門、2-外閥門、3-進(jìn)氣道出口、4-渦輪發(fā)動機(jī)通道、5-沖壓發(fā)動機(jī)通道、6-矩形體角塊、7-凹槽。
【具體實(shí)施方式】
[0028]本實(shí)用新型提供一種串聯(lián)式組合動力進(jìn)氣道平動式模態(tài)轉(zhuǎn)換裝置，為使本實(shí)用新型的目的，技術(shù)方案及效果更加清楚，明確，以及參照附圖并舉實(shí)例對本實(shí)用新型進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0029]采用平動的方式實(shí)現(xiàn)模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門的關(guān)閉與開啟，可以簡化模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門的運(yùn)動規(guī)律及其控制機(jī)構(gòu)，目前未見國內(nèi)外關(guān)于串聯(lián)式TBCC進(jìn)氣道平動式模態(tài)轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)研究的相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表。本實(shí)用新型針對串聯(lián)式組合動力進(jìn)氣道平動式模態(tài)轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)思路。為實(shí)現(xiàn)模態(tài)轉(zhuǎn)換過程沖壓發(fā)動機(jī)通道逐漸開啟，設(shè)計(jì)了模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門，該閥門能通過平動的方式完成沖壓發(fā)動機(jī)通道的開啟和關(guān)閉，簡化了模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門的運(yùn)動規(guī)律及控制機(jī)構(gòu)。
[0030]本實(shí)用新型串聯(lián)式組合動力進(jìn)氣道平動式模態(tài)轉(zhuǎn)換裝置整體示意圖如圖1所示，該裝置用于串聯(lián)式TBCC進(jìn)氣道出口 3，其中，所述串聯(lián)式TBCC進(jìn)氣道包括超聲速外壓段、亞聲速擴(kuò)壓段和渦輪以及沖壓發(fā)動機(jī)，所述渦輪發(fā)動機(jī)入口通道呈圓形，沖壓發(fā)動機(jī)入口通道形狀呈環(huán)形，設(shè)置在渦輪發(fā)動機(jī)通道的外部;所述模態(tài)轉(zhuǎn)換裝置為一組合式閥門結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)閥門1、外閥門2;所述內(nèi)、外閥門為內(nèi)徑或者外徑不相等的環(huán)狀體，其中，內(nèi)閥門I固定設(shè)置在渦輪發(fā)動機(jī)通道4的外壁面，外閥門2設(shè)置在沖壓發(fā)動機(jī)通道5的內(nèi)表面;所述外閥門2的外側(cè)面設(shè)有凸起，凸起為矩形體角塊6，在其外側(cè)面均勻設(shè)有四個(gè)，沖壓發(fā)動機(jī)通道5內(nèi)表面對應(yīng)位置設(shè)有凹槽7與外閥門2外?面的凸起6相匹配;所述外閥門2位于內(nèi)閥門I下游位置。
[0031 ]其中，外閥門的整體示意圖如圖2所述，內(nèi)閥門上各處內(nèi)徑相等，外徑沿軸向的兩邊向中間逐漸變大，截面形成大致為頂角向外的三角形;所述外閥門上各處外徑相等，內(nèi)徑沿軸向兩邊向中間逐漸變大，截面形成大致為頂角向內(nèi)的三角形。
[0032]本實(shí)用新型的工作原理如下:首先介紹模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門的設(shè)計(jì)過程，圖1為該模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門對稱面圖。模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門分為內(nèi)外兩部分，其中內(nèi)側(cè)部分閥門不可動，外側(cè)部分閥門可動，這兩部分閥門橫截面均為等腰三角形，三角形的形狀由L^h1和L2、h2確定?？蓜硬糠珠y門的移動距離為U+L2，可動部分閥門整體模型如圖2所示。內(nèi)、外閥門為內(nèi)徑或者外徑不相等的環(huán)狀體，兩閥門上設(shè)有一可以相互契合的面，并且內(nèi)、外閥門中至少有一個(gè)可前后移動的固定在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道中，可移動的閥門上連接一驅(qū)動裝置，使該可移動閥門移動在進(jìn)氣道內(nèi)能夠在與另一閥門契合的位置和設(shè)定的開度位置之間移動?？蓜硬糠珠y門通過四個(gè)角塊固定在沖壓通道表面，同時(shí)也是通過這四個(gè)角塊實(shí)現(xiàn)外側(cè)閥門向上游或向下游的平動。模態(tài)轉(zhuǎn)換起始時(shí)刻，可動部分閥門位于最上游位置此時(shí)沖壓發(fā)動機(jī)通道處于關(guān)閉狀態(tài)，此后可動部分閥門向下游平移沖壓通道流通面積逐漸增大，當(dāng)移動距離等于1^時(shí)，沖壓發(fā)動機(jī)通道流通面積達(dá)到最大值，此后可動部分閥門繼續(xù)向下游移動，沖壓發(fā)動機(jī)通道流通面積保持不變。圖1所示的位置即為可動部分閥門移動距離為L1的狀態(tài)。模態(tài)轉(zhuǎn)換過程可動部分的三個(gè)典型位置如圖3所示，分別為關(guān)閉狀態(tài)、沖壓發(fā)動機(jī)通道流通面積恰好達(dá)到最大狀態(tài)和完全開啟狀態(tài)。
[0033]根據(jù)上述模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行數(shù)值仿真驗(yàn)證，圖4給出了模態(tài)轉(zhuǎn)換過程隨著外側(cè)可動閥門向下游平動，進(jìn)氣道出口、渦輪通道及沖壓通道的流量變化規(guī)律，如圖所示隨著模態(tài)轉(zhuǎn)換閥門向下游平動，進(jìn)入沖壓發(fā)動機(jī)通道的流量逐漸增大，進(jìn)入渦輪發(fā)動機(jī)通道的流量逐漸減少，當(dāng)可動閥門移動距離達(dá)到Li時(shí)，禍輪/沖壓發(fā)動機(jī)通道的流量基本保持不變是因?yàn)闆_壓發(fā)動機(jī)通道的流通面積達(dá)到最大值且不隨可動閥門的移動而改變。
[0034]上述工作原理的說明僅為本實(shí)用新型的一個(gè)特例，證明了采用平動方式設(shè)計(jì)的模態(tài)轉(zhuǎn)換裝置的可行性。因此凡是按照本實(shí)用新型提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本實(shí)用新型保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種串聯(lián)式組合動力進(jìn)氣道平動式模態(tài)轉(zhuǎn)換裝置，該裝置用于串聯(lián)式TBCC進(jìn)氣道出口，其中，所述串聯(lián)式TBCC進(jìn)氣道包括超聲速外壓段、亞聲速擴(kuò)壓段和渦輪及沖壓發(fā)動機(jī)入口通道，所述渦輪發(fā)動機(jī)入口通道呈圓形，沖壓發(fā)動機(jī)入口通道形狀呈環(huán)形，設(shè)置在渦輪發(fā)動機(jī)通道的外部;其特征在于，所述模態(tài)轉(zhuǎn)換裝置為一組合式閥門結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)閥門、外閥門；所述內(nèi)、外閥門為內(nèi)徑或者外徑不相等的環(huán)狀體，兩閥門上設(shè)有一可以相互契合的面，并且內(nèi)、外閥門中至少有一個(gè)可前后移動的固定在發(fā)動機(jī)入口通道中，可移動的閥門上連接一驅(qū)動裝置，使該可移動閥門在進(jìn)氣道內(nèi)能夠在與另一閥門契合的位置和設(shè)定的開度位置之間移動。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種串聯(lián)式組合動力進(jìn)氣道平動式模態(tài)轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，其中，內(nèi)閥門固定設(shè)置在渦輪發(fā)動機(jī)入口通道的外壁面，外閥門可前后移動的固定在沖壓發(fā)動機(jī)入口通道的內(nèi)表面。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種串聯(lián)式組合動力進(jìn)氣道平動式模態(tài)轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述外閥門的外側(cè)面設(shè)有凸起，沖壓發(fā)動機(jī)通道內(nèi)表面對應(yīng)位置設(shè)有凹槽與外閥門外側(cè)面的凸起相匹配，且所述凹槽的寬度大于外凸起的寬度。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的一種串聯(lián)式組合動力進(jìn)氣道平動式模態(tài)轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述內(nèi)閥門上各處內(nèi)徑相等，外徑沿軸向兩邊向中間逐漸變大，截面形成大致為頂角向外的三角形;所述外閥門上各處外徑相等，內(nèi)徑沿軸向的兩邊向中間逐漸變大，截面形成大致為頂角向內(nèi)的三角形。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種串聯(lián)式組合動力進(jìn)氣道平動式模態(tài)轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述外閥門外側(cè)面的凸起為矩形體角塊，在其外側(cè)面均勻設(shè)有四個(gè)。
【文檔編號】F02C7/04GK205525005SQ201620032545
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年1月14日
【發(fā)明人】袁化成, 劉君, 王云飛, 李蔚霆, 張錦昇
【申請人】南京航空航天大學(xué)