專利名稱：沖壓發(fā)動機多模態(tài)可調(diào)喉道噴管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及沖壓發(fā)動機多模態(tài)可調(diào)喉道噴管設計。
背景技術(shù)：
空氣噴氣發(fā)動機分成兩類 一是帶專用空氣壓氣機的渦輪噴氣發(fā)動機，二 是無專用壓氣機的沖壓空氣噴氣發(fā)動機。渦輪噴氣發(fā)動機至今已發(fā)展了四代。 其工作包線可達飛行馬赫數(shù)Ma-2. 0-2. 5，高度H=0-24km。其噴管早已發(fā)展 成喉道可調(diào)，出口截面也可獨立可調(diào)的功能齊備的排氣裝置。這種發(fā)動機的排 氣噴管其結(jié)構(gòu)已非常復雜。與此相應的是噴管的制造成本猛增。據(jù)美國P&W 公司介紹，第四代機的噴管制造成本已占整臺發(fā)動機的三分之一，由此可見一 斑。至于沖壓噴氣發(fā)動機，以往它主要提供給導彈和靼機作為動力，相對來說 工作狀態(tài)單一，通常采用的是不可調(diào)節(jié)的噴管即喉道和出口截面固定的噴管， 結(jié)構(gòu)簡單。
當進一步擴大沖壓發(fā)動機的飛行包線和裝機應用目標時，多模態(tài)可調(diào)收擴 噴管就成了它的必備技術(shù)和必須采用的部件了。在這種背景下，本領(lǐng)域的技術(shù) 人員很自然的會想到借鑒渦輪噴氣發(fā)動機的噴管技術(shù)并移植到?jīng)_壓發(fā)動機上。 可是事情卻沒有這樣簡單。這里首先要遇到當M數(shù)達3. 0-3. 5時沖壓發(fā)動機的 噴管落壓比(也稱膨脹比)高達40-50，而渦輪噴氣發(fā)動機的噴管的落壓比僅 為20左右，相差了一倍。如果照搬渦輪噴氣發(fā)動機的噴管，會有這樣的結(jié)果 或是大幅度犧牲高速時的推力性能，或是進一步增加結(jié)構(gòu)復雜性并加大了質(zhì)量 和成本，這些都是大家不愿看到的。
此外，在多模態(tài)收擴噴管的工作狀態(tài)和主要參數(shù)下，發(fā)動機燃燒室的出口 燃氣溫度高達2000K左右，已經(jīng)遠遠高于目前常用的高溫金屬材料許用極限溫 度，必須對噴管調(diào)節(jié)片采^T效的冷卻措施，以保證噴管調(diào)節(jié)片的正常工作； 另一方面，為了降低發(fā)動機排氣裝置的紅外輻射，提高飛行器的生存能力，也 必須降低噴管調(diào)節(jié)片壁溫，減少噴管壁面的紅外信號。
一般軸對稱噴管調(diào)節(jié)片和密封片的冷卻措施分為內(nèi)冷和外冷兩種方式。內(nèi) 冷方式主要有收斂段對流換熱及收斂段隔熱板+擴張段氣膜冷卻等幾種，外冷 方式主要是從進氣道或機身的輔助進氣門將外界大氣引入噴管環(huán)腔進行對流 冷卻。一般來說，噴管調(diào)節(jié)片壁面的高溫區(qū)出現(xiàn)在擴張段，對于高落壓比的排氣 噴管，為了達到較好的推力性能，其擴張段都比較長。傳統(tǒng)的內(nèi)冷加外冷方案 已不能滿足要求，因為從隔熱板出來的冷卻氣膜隨著冷卻氣流與主流燃氣的湍 流摻混而逐漸衰減，這樣導致擴張段的后段不能進行較好的冷卻。

發(fā)明內(nèi)容
為克服上述問題，本發(fā)明提出了一種多模態(tài)可調(diào)喉道噴管的解決方案，將 擴張調(diào)節(jié)片分成兩段即活動段和固定段，這樣可以降低可調(diào)喉道的操縱力，而 且具有結(jié)構(gòu)重量較輕，尺寸小等特點。另外，通過利用固定段和活動段兩者之 間存在的間隙，可以強化對固定段的冷卻。再者，由于擴張調(diào)節(jié)片的后部為固 定段，整個結(jié)構(gòu)變得更為牢靠，重量也得到了減輕。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種沖壓發(fā)動機多模態(tài)可調(diào)喉道噴管，其
特征在于包括
沿周向設置的多個收斂調(diào)節(jié)片；
沿周向設置的多個擴張調(diào)節(jié)片活動段，其每一個的前端通過一個鉸鏈機構(gòu) 與對應的收斂調(diào)節(jié)片相連；
沿周向設置的多個固定段，所述擴張調(diào)節(jié)片活動段的后端與對應的固定段 以相對滑動的方式與所述固定段相接。


圖1示意地顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的沖壓發(fā)動機多模態(tài)可調(diào)喉道 噴管的構(gòu)造。
圖2示意地顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的沖壓發(fā)動機多模態(tài)可調(diào)喉道 噴管的輔助運動鏈，即調(diào)節(jié)片及其之間的密封片的設置。
圖3A-3C示意地顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的沖壓發(fā)動機多模態(tài)可調(diào) 喉道噴管的擴張固定段的結(jié)構(gòu)。
圖4示意地顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的沖壓發(fā)動機多模態(tài)可調(diào)喉道 噴管的噴管冷卻流路圖。
具體實施例方式
如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的沖壓發(fā)動機多模態(tài)可調(diào)喉道噴管 包括
一個帶移動副和滾動副的調(diào)節(jié)環(huán)2;
沿周向設置的多個(例如9個)收斂調(diào)節(jié)片5,每個收斂調(diào)節(jié)片5的兩端各有一個雙鉸鏈機構(gòu)4、 6;
沿周向設置的多個擴張調(diào)節(jié)片14，其每一個的前端通過鉸鏈機構(gòu)6與對應 的收斂調(diào)節(jié)片5相連；
沿周向設置的多個固定段12，所述擴張調(diào)節(jié)片14的后端通過滑動銷10 與對應的固定段12相接。
在收斂調(diào)節(jié)片5的背部設計有隆起的背脊7,背脊7做成圓孤凸輪一樣的 型面。當調(diào)節(jié)環(huán)2向下游作軸向運動時，借助滾子3在型面上的滾動，帶動收 斂調(diào)節(jié)片5作向內(nèi)轉(zhuǎn)動；而當調(diào)節(jié)環(huán)2向上游作軸向運動時，喉道內(nèi)的氣體壓 力使收斂調(diào)節(jié)片5作向外轉(zhuǎn)動。由于整個運動鏈只有一個自由度并由一根主動 桿1操作，故運動機構(gòu)是穩(wěn)定的。主動桿l也是本發(fā)明的可調(diào)噴管的主要承力 系統(tǒng)，可調(diào)噴管的功能主要靠它實施。
本實施例的擴張段包括活動段8和固定段12兩部分。
A、 活動段
如圖1所示，活動段8的前部通過鉸鏈機構(gòu)6與收斂調(diào)節(jié)片5相連，活動 段8的后部則借助滑動銷10插在固定段12前端加強片11上的長槽19內(nèi)，因 此當收斂調(diào)節(jié)片5做角向運動改變喉道面積時，擴張調(diào)節(jié)片的活動段8的前端 也跟隨著做角向運動。
活動段8由于沿軸向中間部分接觸燃氣，因此壁溫較高，故在擴張調(diào)節(jié)片 外14部脊背上設計一個矩形截面的冷卻通道9。
除了主運動鏈外，還不足以保證整個機構(gòu)的可靠運動，其中每兩個相鄰的 擴張調(diào)節(jié)片14之間必須設置密封片15,如圖2所示。密封片15與相鄰調(diào)節(jié)片 14之間靠輔助運動鏈協(xié)調(diào)它們之間的運動。
參見圖2。該輔助運動鏈全由連桿16、圓柱銷和鉸鏈組成，每個調(diào)節(jié)片14 和密封片上15均放置了一個圓柱銷，銷軸座上設置連桿16，兩根連桿16之間 均由鉸鏈連接。因此當眾多調(diào)節(jié)片14和密封片15做圓周方向的相對角位移時， 本運動鏈可以確保它們之間都有一個確定的角向分布，而不至于落入無規(guī)律的 亂動。當密封片15相對于調(diào)節(jié)片14做拉開或關(guān)閉運動時，連桿15則繞各自 的銷軸做角向旋轉(zhuǎn)，其相位角是相等的。
B固定段
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，擴張段的固定段12是個斷面為直角三角形的 盒形結(jié)構(gòu)，參見圖l和圖3A-3C，其前部是個環(huán)形空腔20，沿周向采用多根(如 12根)支板17與噴管內(nèi)外壁相連，故結(jié)構(gòu)牢靠，從而使整個可調(diào)喉道噴管的 結(jié)構(gòu)更加牢靠。
根據(jù)一個實施例，在固定段12的前部內(nèi)壁18上設計有多塊(如9塊)加 強片12并在每個加強片上開有長槽19,以確保擴張調(diào)節(jié)片14的后端的滑銷10在長槽19中自由滑動。
根據(jù)一個實施例，固定段12直接與噴管的外罩13做成一體，故結(jié)構(gòu)比較 簡單，可靠。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例所釆用的冷卻方案如圖4所示。采用了內(nèi)冷與外 冷相結(jié)合的冷卻方式。內(nèi)冷結(jié)構(gòu)為收斂段隔熱板加擴張段氣膜冷卻，內(nèi)冷冷卻 氣流al來自發(fā)動機的進氣道，外部冷卻氣流a2來自進氣道或輔助進氣門。在 收斂段的調(diào)節(jié)片5和密封片(圖中未示出)上各鉚接一塊隔熱板2吣根據(jù)一個 具體實施例，隔熱板24與收斂調(diào)節(jié)片5之間的通道25的高度大于發(fā)動機機匣 21與燃燒室隔熱屏22之間的通道23高度。這樣，從通道23流出的冷卻氣流 al基本上完全流入通道25中。冷卻氣流al可以冷卻收斂調(diào)節(jié)片5和密封片， 在其流出通道25后，在噴管喉道26附近形成一道強的冷卻氣膜，可以有效冷 卻擴張調(diào)節(jié)片14和密封片15 (圖2)。才艮據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在擴張調(diào)節(jié) 片14外部脊背上^L置有冷卻通道9 (如矩形截面的冷卻通道9)，以強化對擴 張調(diào)節(jié)片14的冷卻。
由于擴張段設計成活動段8和固定段12且兩者之間存在間隙27，外冷氣流 a2可以從間隙27流入噴管內(nèi)部，這樣可以更好的冷卻擴張調(diào)節(jié)片的固定段l2， 從而克服現(xiàn)有技術(shù)擴張段的后段得不到較好冷卻的缺點。按照一種實施例，外 冷卻氣流a2的流量約占發(fā)動機總進氣量的1% ~ 3%。
外冷卻空氣a2進入由調(diào)節(jié)片和噴管外罩13構(gòu)成的噴管環(huán)腔20內(nèi)，不但可 冷卻調(diào)節(jié)片外壁面，而且可冷卻噴管腔內(nèi)的運動構(gòu)件和液壓作動系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1、沖壓發(fā)動機多模態(tài)可調(diào)喉道噴管，其特征在于包括沿周向設置的多個收斂調(diào)節(jié)片(5)；沿周向設置的多個擴張調(diào)節(jié)片活動段(8)，其每一個的前端通過一個鉸鏈機構(gòu)(6)與對應的收斂調(diào)節(jié)片(5)相連；沿周向設置的多個固定段(12)，所述擴張調(diào)節(jié)片活動段(8)的后端與相對于對應的所述固定段(12)以可滑動的方式與所述固定段(12)相接。
2、 如權(quán)利要求l所述的沖壓發(fā)動機多模態(tài)可調(diào)喉道噴管，其特征在于所述多個固定段(12)通過沿周向設置的多根支板(17)與所述可調(diào)喉道 噴管的外壁(13)相連，從而使所述可調(diào)喉道噴管的結(jié)構(gòu)更加牢靠。
3、 如權(quán)利要求l所述的沖壓發(fā)動機多模態(tài)可調(diào)喉道噴管，其特征在于在每個所述固定段(12)的前部內(nèi)壁(18)上設有加強片(11)，在每個所述加強片(11)上開有長槽(19)，與所述活動擴張調(diào)節(jié)片活動 段(8)的后端相連的一個滑銷(10)可在所述長槽(19)中自由滑動，從而 使所述擴張調(diào)節(jié)片活動段(8)的后端以相對于對應的所述固定段(12)以可 滑動的方式與所述固定段(12)相接。
4、 如權(quán)利要求l所述的沖壓發(fā)動機多模態(tài)可調(diào)喉道噴管，其特征在于 在所述活動段(8 )和所述固定段(12 )之間設有一個間隙(27 ),使來自發(fā)動機進氣道或輔助進氣門的外冷氣流(a2)可以從所述間隙(27)流入所述 可調(diào)喉道噴管內(nèi)部，從而可以更好地冷卻所述固定段(12)。
5、 如權(quán)利要求4所述的沖壓發(fā)動機多模態(tài)可調(diào)喉道噴管，其特征在于所述外冷卻氣流(a2 )流入由所述活動段(8 )和所述固定段(12 )與所 述噴管的外罩U3)構(gòu)成的噴管環(huán)腔(20)內(nèi)，不但可以冷卻所述活動段(8) 和所述固定段(12)的外壁面而且可冷卻所述噴管環(huán)腔(20)內(nèi)的運動構(gòu)件和 液壓作動系統(tǒng)。
6、 如權(quán)利要求4所述的沖壓發(fā)動機多模態(tài)可調(diào)喉道噴管，其特征在于在所述活動段(8 )的擴張調(diào)節(jié)片(14 )外部脊背上設置有冷卻通道(9 )， 所述外冷氣流U2)的一部分可流入所述冷卻通道(9)，以強化對擴張調(diào)節(jié)片 (14)的冷卻。
7、 如權(quán)利要求5所述的沖壓發(fā)動機多模態(tài)可調(diào)喉道噴管，其特征在于所述固定段(12 )直接與所述外罩(13 )做成一體，所述固定段(12 )與 所述外罩(13)構(gòu)成斷面為直角三角形的盒形結(jié)構(gòu)，該盒形結(jié)構(gòu)的前部構(gòu)成一 個環(huán)形空腔(20)。
8、 如權(quán)利要求1 - 7中任何一項所述的沖壓發(fā)動機多模態(tài)可調(diào)喉道噴管， 其特征在于進一步包括一個調(diào)節(jié)環(huán)(2);設置在收斂調(diào)節(jié)片(5)的背部上的背脊(7),所述背脊(7)具有圓弧凸 輪狀的型面。當所述調(diào)節(jié)環(huán)(2)作軸向運動時，所述調(diào)節(jié)環(huán)(2)通過一個滾子(3) 作用在所述型面上，從而帶動所述多個收斂調(diào)節(jié)片(5)作可調(diào)喉道噴管的喉 道(26)縮小或張開的運動。
9、 如權(quán)利要求8所述的沖壓發(fā)動機多模態(tài)可調(diào)喉道噴管，其特征在于進一 步包括所述活動段(8 )包括擴張調(diào)節(jié)片(14 )和設置在所述擴張調(diào)節(jié)片(l4 )之 間的擴張密封片(15);在每個收斂調(diào)節(jié)片(5)和每個所述收斂密封片上設置的隔熱板(24),從 而在所述隔熱板(24)與所述收斂調(diào)節(jié)片(5)和收斂密封片之間形成內(nèi)冷冷卻 通道(25),該內(nèi)冷冷卻通道(25)用于接收來自發(fā)動機的進氣道的內(nèi)冷冷卻氣 流(al)。
10、 如權(quán)利要求9所述的沖壓發(fā)動機多模態(tài)可調(diào)喉道噴管，其特征在于 所述內(nèi)冷冷卻氣流(al)在流出所述內(nèi)冷冷卻通道(25)后可在所述喉道(26)附近形成一道強的冷卻氣膜，從而有效地冷卻所述活動段(8 )的所述擴 張調(diào)節(jié)片(14)和所述擴張密封片(15)。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種多模態(tài)可調(diào)喉道噴管的解決方案，將擴張調(diào)節(jié)片分成兩段即活動段和固定段，這樣可以降低可調(diào)喉道的操縱力，而且具有結(jié)構(gòu)重量較輕，尺寸小等特點。另外，通過利用固定段和活動段兩者之間存在的間隙，可以強化對固定段的冷卻。再者，由于擴張調(diào)節(jié)片的后部為固定段，整個結(jié)構(gòu)變得更為牢靠，重量也得到了減輕。使發(fā)動機推重比具有較大的提升空間。
文檔編號F02K1/11GK101576025SQ200910086389
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月11日
發(fā)明者季鶴鳴, 明 岳, 剛 杜, 杰 譚, 捷 金, 馬夢穎 申請人:北京航空航天大學