一種帶增壓流動(dòng)控制裝置的tbcc用sern結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種帶增壓流動(dòng)控制裝置的TBCC用SERN結(jié)構(gòu)，其包括單斜面膨脹噴管的下壁面、單斜面膨脹管的收縮段和單斜面膨脹管單邊膨脹段；還包括設(shè)置在單斜面膨脹管單邊膨脹段上的帶增壓流動(dòng)裝置；所述的帶增壓流動(dòng)裝置包括U型聯(lián)通管道和設(shè)置在U型聯(lián)通管道上的增壓器，并且，U型聯(lián)通管道的前端口置于斜激波與單斜面膨脹管單邊膨脹段的交點(diǎn)之前，U型聯(lián)通管道的后端口置于斜激波與單斜面膨脹管單邊膨脹段的交點(diǎn)之后。通過對(duì)流經(jīng)聯(lián)通裝置氣流的加壓，使分流區(qū)中較多的氣流量被抽出，然后經(jīng)過前端口以較大的速度噴出，這樣既使得分離區(qū)范圍大大減小、甚至消除，又使得激波位置前移，改變了主流的靜壓分布，改善了過膨脹工作工況。
【專利說明】
一種帶増壓流動(dòng)控制裝置的TBCC用SERN結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種應(yīng)用于高超聲速飛行器的帶流動(dòng)控制的單斜面膨脹噴管結(jié)構(gòu)，具體地說是可實(shí)現(xiàn)噴管過膨脹下推力系數(shù)恢復(fù)及俯仰力矩控制的噴管結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，自人類的身影開始出現(xiàn)在天空之上，對(duì)飛行的要求就日益增加。尤其是步入21世紀(jì)以來，空間載荷的低成本投送、對(duì)超遠(yuǎn)距離目標(biāo)的快速打擊、以及全球范圍的高速運(yùn)輸，種種諸如此類的目標(biāo)都使得人們對(duì)遠(yuǎn)程、高速飛行器的需求日益膨脹，如以渦輪沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)(TBCC)為動(dòng)力的高速飛行器。該種高超聲速飛行器是繼螺旋槳和噴氣式飛機(jī)之后，世界航空史上的出現(xiàn)的第三次革命，也是本世紀(jì)航空航天領(lǐng)域的技術(shù)制高點(diǎn)，開展高超聲速飛行器研究具有前瞻性、戰(zhàn)略性和帶動(dòng)性，將對(duì)軍事、經(jīng)濟(jì)和人類社會(huì)文明產(chǎn)生不可估量的深遠(yuǎn)影響。
[0003]未來超聲速/高超聲速飛行器是一個(gè)推進(jìn)裝置與飛行器機(jī)身高度一體化的系統(tǒng)，在飛行器的一體化設(shè)計(jì)中必須考慮排氣噴管這一重要組成部件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。排氣噴管是發(fā)動(dòng)機(jī)推力的主要產(chǎn)生部件，在飛行馬赫數(shù)6時(shí)，它產(chǎn)生的推力可達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)總推力的70%左右，排氣噴管設(shè)計(jì)的好壞直接影響到整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。由于超聲速/高超聲速飛行器的寬廣飛行包線，為了達(dá)到最好的噴管內(nèi)部性能，要求噴管的落壓比達(dá)到數(shù)百甚至上千，膨脹比達(dá)到幾十。傳統(tǒng)的軸對(duì)稱噴管存在膨脹面的機(jī)械限制和密封機(jī)制等問題，這使得噴管的最大膨脹比無法滿足上述要求。為了解決這一問題，排氣系統(tǒng)常常采用單膨脹斜面噴管(single Expans1n Ramp Nozzle，簡(jiǎn)稱SERN)的形式，SERN特有的優(yōu)勢(shì)在于:飛行器后體的下表面可以作為SERN的外膨脹斜面從而獲得非常高的膨脹比；SERN的下斜板相對(duì)較短，它和飛行器的一體化可大大減小推進(jìn)系統(tǒng)的重量。此外，SERN相對(duì)于傳統(tǒng)噴管更容易實(shí)現(xiàn)推力矢量控制和反向推力，用以提高飛行器的機(jī)動(dòng)性= SERN還可以減小噪聲、降低紅外目標(biāo)特性，提高飛行器的生存能力。由于SERN的設(shè)計(jì)馬赫數(shù)和設(shè)計(jì)膨脹比都很高，而工作范圍又非常寬廣，在低的飛行馬赫數(shù)和低的落壓比下(跨聲速階段)，噴管內(nèi)流將會(huì)處于過膨脹狀態(tài)，噴管的性能顯著惡化，推力系數(shù)大幅降低。如何提高低落壓比條件下大膨脹比SERN的性能成為了一個(gè)亟待解決的問題。國內(nèi)外針對(duì)這一問題開展了大量研究，提出了許多解決方案，其中絕大多數(shù)方案需要復(fù)雜的機(jī)械控制系統(tǒng)，但機(jī)械系統(tǒng)會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，使噴管在高溫環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)部件增多，加重冷卻系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，提高設(shè)計(jì)成本，并會(huì)增大雷達(dá)反射面積，降低飛行器的隱身性能。
[0004]鑒于上述缺陷，本發(fā)明創(chuàng)作者經(jīng)過長時(shí)間的研究和實(shí)踐終于獲得了本創(chuàng)作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服高超聲速飛行器在跨聲速階段出現(xiàn)的技術(shù)不足，實(shí)現(xiàn)全包線范圍內(nèi)高超聲速用單斜面膨脹噴管(SERN)的高性能工作，本發(fā)明提供了一種帶增壓流動(dòng)控制裝置的單斜面膨脹噴管結(jié)構(gòu);該結(jié)構(gòu)在保持高超聲速飛行器高度飛/發(fā)一體化優(yōu)勢(shì)的前提下，融合了主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)，在不明顯增加所需控制能量的前提下，采用簡(jiǎn)單的管道及增壓裝置實(shí)現(xiàn)過膨脹狀態(tài)時(shí)斜激波位置的控制，進(jìn)而改善噴管在單斜面上的壓力分布以及推力性能以及俯仰性能，從而可實(shí)現(xiàn)高速聲速飛行器排氣系統(tǒng)的高氣動(dòng)性能。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種帶增壓流動(dòng)控制裝置的TBCC用SERN結(jié)構(gòu)，其包括單斜面膨脹噴管的下壁面、單斜面膨脹噴管的收縮段和單斜面膨脹噴管單邊膨脹段;還包括設(shè)置在單斜面膨脹噴管單邊膨脹段上的帶增壓流動(dòng)裝置；
[0007]所述的帶增壓流動(dòng)裝置包括U型聯(lián)通管道和設(shè)置在U型聯(lián)通管道上的增壓器，并且，U型聯(lián)通管道的前端口置于斜激波與單斜面膨脹噴管單邊膨脹段的交點(diǎn)之前，U型聯(lián)通管道的后端口置于斜激波與單斜面膨脹噴管單邊膨脹段的交點(diǎn)之后。
[0008]進(jìn)一步地，所述的U型聯(lián)通管道的位置設(shè)置使激波與單邊膨脹段的交點(diǎn)處于U型聯(lián)通通道位置中心處。
[0009]進(jìn)一步地，所述的增壓器的壓比為1.02-1.05，通過對(duì)流經(jīng)聯(lián)通裝置氣流的加壓，使分流區(qū)中較多的氣流量被抽出，然后經(jīng)過前端口以較大的速度噴出。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明主要是基于流動(dòng)控制技術(shù)、針對(duì)改善吸氣式高超聲速推進(jìn)系統(tǒng)本身的跨聲速推力性能而提出；旨在消除該處的附面層分離、改善流場(chǎng)品質(zhì)，采用提出的增壓流動(dòng)控制裝置使得附面層附近流動(dòng)發(fā)生改變。通過對(duì)流經(jīng)聯(lián)通裝置氣流的加壓，使分流區(qū)中較多的氣流量被抽出，然后經(jīng)過前端口以較大的速度噴出，這樣既使得分離區(qū)范圍大大減小、甚至消除，又使得激波位置前移，改變了主流的靜壓分布，改善了過膨脹工作工況。在高超聲速飛行器工作在其他工況下時(shí)，關(guān)閉增壓裝置即可，此時(shí)聯(lián)通通道前后端口之間的壓差很小，不會(huì)出現(xiàn)由后端口至前端口的局部倒流，也不會(huì)對(duì)噴管的工作特性產(chǎn)生影響。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明的具有增壓流動(dòng)控制裝置的TBCC用SERN結(jié)構(gòu)及高速飛行器整體構(gòu)圖；
[0012]圖2為本發(fā)明的具有增壓流動(dòng)控制裝置的TBCC用SERN結(jié)構(gòu)的局部放大圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明上述的和另外的技術(shù)特征和優(yōu)點(diǎn)作更詳細(xì)的說明。
[0014]請(qǐng)參閱圖1所示，其為本發(fā)明的具有增壓流動(dòng)控制裝置的TBCC用SERN結(jié)構(gòu)及高速飛行器整體構(gòu)圖，其包括單斜面膨脹噴管的下壁面4、單斜面膨脹噴管的收縮段6和單斜面膨脹噴管單邊膨脹段5;還包括設(shè)置在單斜面膨脹噴管單邊膨脹段5上的帶增壓流動(dòng)裝置。
[0015]本實(shí)施例中的帶增壓流動(dòng)裝置包括U型聯(lián)通管道7和設(shè)置在U型聯(lián)通管道7上的增壓器8，并且，U型聯(lián)通管道7的前端口置于斜激波與單斜面膨脹噴管單邊膨脹段5的交點(diǎn)之前，U型聯(lián)通管道7的后端口置于斜激波與單斜面膨脹噴管單邊膨脹段5的交點(diǎn)之后。
[0016]較佳的，U型聯(lián)通管道7的位置設(shè)置使激波與單邊膨脹段的交點(diǎn)處于U型聯(lián)通通道位置中心處。
[0017]本實(shí)施例的增壓裝置，其為壓比約為1.02-1.05的壓縮設(shè)備，通過對(duì)流經(jīng)聯(lián)通裝置氣流的加壓，使分流區(qū)中較多的氣流量被抽出，然后經(jīng)過前端口以較大的速度噴出。
[0018]請(qǐng)結(jié)合圖1所示，在本發(fā)明實(shí)施例中，單斜面膨脹噴管的收縮段6和單斜面膨脹噴管單邊膨脹段在高超聲速飛行器蒙皮I下部;高超聲速飛行器進(jìn)氣道2在高超聲速飛行器蒙皮I下部;超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)3設(shè)置在單斜面膨脹噴管的下壁面4和高超聲速飛行器蒙皮I之間。
[0019]在本實(shí)施例中，啟動(dòng)帶增壓的流動(dòng)控制裝置的增壓器8，可以改善流場(chǎng)品質(zhì)、提升噴管氣動(dòng)性能，部分氣流經(jīng)過U型聯(lián)通通道7的后端口從前端口流出(請(qǐng)結(jié)合圖2所示箭頭方向)，進(jìn)而部分減小了激波后分離區(qū)的大小，減弱分離激波的強(qiáng)度，并且從U型聯(lián)通通道7噴出的高壓高速氣流將改變斜激波的位置，使其與單斜面膨脹噴管單邊膨脹段5的交點(diǎn)前移。
[0020]請(qǐng)結(jié)合圖2所示，氣流經(jīng)過U型聯(lián)通通道7的后端口從前端口流出時(shí)，單斜面膨脹噴管主流的靜壓有所提升，弱化了過膨脹工作的不利影響，從而提升單斜面噴管的氣動(dòng)性能、削弱了俯仰力矩的影響。還可以通過調(diào)控增壓器8的增壓比，來實(shí)現(xiàn)單斜面膨脹噴管不同深度過膨脹狀態(tài)下的流場(chǎng)改善。另外，如果高超聲速飛行器脫離跨聲速工況，一般而言單斜面膨脹噴管也脫離了嚴(yán)重過膨脹工況，那么此時(shí)關(guān)閉增壓器8即可，由于聯(lián)通通道7的前后端口壓差較小，該裝置的存在并不會(huì)對(duì)單斜面膨脹噴管產(chǎn)生明顯的影響。
[0021]本發(fā)明實(shí)施例的工作原理如下:
[0022]當(dāng)高超聲速飛行器工作在跨聲速工況時(shí)，單斜面膨脹噴管的落壓比僅為8-15，遠(yuǎn)小于噴管的設(shè)計(jì)落壓比(約300左右)，而處在嚴(yán)重的過膨脹工況，由單斜面膨脹噴管下壁面唇口發(fā)出的一道較強(qiáng)的斜激波與噴管的單邊膨脹段相交，導(dǎo)致附面層的分離、流場(chǎng)的惡化，此時(shí)噴管除了存在較為明顯的推力損失外，還有不可忽略的俯仰力矩出現(xiàn)。
[0023]本發(fā)明旨在消除該處的附面層分離、改善流場(chǎng)品質(zhì)，采用提出的增壓流動(dòng)控制裝置使得附面層附近流動(dòng)發(fā)生改變。
[0024]由于氣流進(jìn)過激波后靜壓提升，附面層分離區(qū)中的氣流為高壓低速氣流，在壓差力的作用下，附面層中的部分氣流進(jìn)入聯(lián)通通道后端口從前端口噴出，影響斜激波以及分離激波的形態(tài)，從而改變附面層的分離狀態(tài)。然而，單純的依靠激波對(duì)氣流的增壓來調(diào)控激波形態(tài)的效果并不突出
[0025]因此在本實(shí)施例在U型聯(lián)通通道中增加了增壓裝置，該裝置為壓比約為1.02-1.05的壓縮設(shè)備，通過對(duì)流經(jīng)聯(lián)通裝置氣流的加壓，使分流區(qū)中較多的氣流量被抽出，然后經(jīng)過前端口以較大的速度噴出，這樣既使得分離區(qū)范圍大大減小(如圖2所示)、甚至消除，又使得激波位置前移，改變了主流的靜壓分布，改善了過膨脹工作工況。在高超聲速飛行器工作在其他工況下時(shí)，關(guān)閉增壓裝置即可，此時(shí)聯(lián)通通道前后端口之間的壓差很小，不會(huì)出現(xiàn)由后端口至前端口的局部倒流，也不會(huì)對(duì)噴管的工作特性產(chǎn)生影響。
[0026]上述詳細(xì)說明是針對(duì)本發(fā)明其中之一可行實(shí)施例的具體說明，該實(shí)施例并非用以限制本發(fā)明的專利范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實(shí)施或變更，均應(yīng)包含于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種帶增壓流動(dòng)控制裝置的TBCC用SERN結(jié)構(gòu)，其特征在于，其包括單斜面膨脹噴管的下壁面、單斜面膨脹管的收縮段和單斜面膨脹管單邊膨脹段;還包括設(shè)置在單斜面膨脹管單邊膨脹段上的帶增壓流動(dòng)裝置； 所述的帶增壓流動(dòng)裝置包括U型聯(lián)通管道和設(shè)置在U型聯(lián)通管道上的增壓器，并且，U型聯(lián)通管道的前端口置于斜激波與單斜面膨脹管單邊膨脹段的交點(diǎn)之前，U型聯(lián)通管道的后端口置于斜激波與單斜面膨脹管單邊膨脹段的交點(diǎn)之后。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶增壓流動(dòng)控制裝置的TBCC用SERN結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的U型聯(lián)通管道的位置設(shè)置使激波與單邊膨脹段的交點(diǎn)處于U型聯(lián)通通道位置中心處。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的帶增壓流動(dòng)控制裝置的TBCC用SERN結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的增壓器的壓比為1.02-1.05，通過對(duì)流經(jīng)聯(lián)通裝置氣流的加壓，使分流區(qū)中較多的氣流量被抽出，然后經(jīng)過前端口以較大的速度噴出。
【文檔編號(hào)】F02K1/28GK106014683SQ201610378297
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月30日
【發(fā)明人】史經(jīng)緯, 周莉, 張明陽, 王占學(xué), 孫嘯林, 程穩(wěn)
【申請(qǐng)人】西北工業(yè)大學(xué)