[發(fā)明專利]一種剛性/柔性結(jié)合的連續(xù)可調(diào)進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710664785.6
• 申請日: 2017-08-07
• 公開（公告）號: CN107341323B
• 公開（公告）日: 2019-05-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫姝;王晨曦;譚慧俊;凌棫;黃河峽;張悅
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 張弛

1.一種剛性/柔性結(jié)合的連續(xù)可調(diào)進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，該設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)對象為一種可調(diào)進(jìn)氣道，包括唇罩(1)、位于唇罩(1)前下方的前體壓縮面、連接前體壓縮面后端并向后延伸的可調(diào)壓縮面(4)、連接可調(diào)壓縮面(4)后端并向后延伸的喉道段(5)、連接喉道段(5)后端并向后延伸的擴(kuò)壓段(6)、位于喉道段(5)背對唇罩(1)一側(cè)的兩個(gè)搖桿(7、8)、承載搖桿且自前向后延伸的水平作動桿(9)、驅(qū)動水平作動桿(9)前后移動的驅(qū)動裝置；前體壓縮面包括位于前部的一級壓縮面(2)及自一級壓縮面向后延伸的二級壓縮面(3)；所述可調(diào)壓縮面(4)的前端與二級壓縮面(3)的后端鉸接；所述喉道段(5)的前端與可調(diào)壓縮面(4)的后端鉸接；喉道段(5)與唇罩之間形成喉道(12)；所述擴(kuò)壓段(6)為柔性材料；搖桿的前端鉸接于喉道段(5)背對唇罩的一側(cè)，搖桿的后端鉸接于水平作動桿(9)上；當(dāng)水平作動桿向前移動時(shí)，搖桿的前端頂住喉道段向唇罩移動使喉道段與唇罩之間的距離變??；當(dāng)水平作動桿向后移動時(shí)，搖桿的前端拉回喉道段使喉道段與唇罩之間的距離變大；

該設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)步驟如下：

(1)波系配置：

(1.1)將進(jìn)氣道的最高工作馬赫數(shù)定為設(shè)計(jì)點(diǎn)，在此馬赫數(shù)下按照激波貼口原則進(jìn)行波系配置；根據(jù)進(jìn)氣道巡航狀態(tài)的流量需求及工作高度，由流量公式確定設(shè)計(jì)點(diǎn)的流量捕獲面積

式中，m為設(shè)計(jì)點(diǎn)需求的氣體流量，ρ₀、u₀分別為自由來流的密度和速度；進(jìn)而根據(jù)進(jìn)氣道長寬比確定唇罩(1)口部高度h₀；

(1.2)根據(jù)進(jìn)氣道前體長度及總壓縮量要求，確定一級斜激波(10)波角β₁；以一級壓縮面(2)前緣作為原點(diǎn)，作與水平線夾角為β₁的射線，該射線與唇罩(1)口部高度h₀水平線的交點(diǎn)即為唇罩(1)口部位置；由斜激波波角β與氣流偏轉(zhuǎn)角δ有如下關(guān)系式：

式中，M為斜激波波前馬赫數(shù)；從而根據(jù)一級斜激波(10)波角β₁確定一級壓縮面(2)的氣流偏轉(zhuǎn)角δ₁；

(1.3)為了得到最大的總壓恢復(fù)系數(shù)，按照各斜激波前的法向馬赫數(shù)相等的原則，即

M₀sinβ₁＝M₁sinβ₂

確定二級斜激波(11)波角β₂；過唇罩口部作一與水平線夾角為(β₂+δ₁)的射線，與一級壓縮面(2)的交點(diǎn)即為二級壓縮面(3)起點(diǎn)；根據(jù)斜激波波角與氣流偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系式確定二級壓縮面(3)的氣流偏轉(zhuǎn)角δ₂，則二級壓縮面(3)與水平線夾角θ₂＝δ₁+δ₂；

(1.4)在設(shè)計(jì)點(diǎn)將可調(diào)壓縮面(4)視為固定壓縮面進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定巡航狀態(tài)下可調(diào)壓縮面(4)調(diào)節(jié)至對應(yīng)位置時(shí)與水平線夾角θ₃的大小；具體如下：首先仍然依據(jù)各斜激波前的法向馬赫數(shù)相等原則，確定三級斜激波(13)的波角β₃；過唇罩口部作一與水平線夾角為(β₃+θ₂)的射線，與二級壓縮面(3)的交點(diǎn)即為可調(diào)壓縮面(4)的起點(diǎn)；同理，根據(jù)斜激波波角與氣流偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系式確定可調(diào)壓縮面(4)的氣流偏轉(zhuǎn)角δ₃，則設(shè)計(jì)點(diǎn)下可調(diào)壓縮面(4)與水平線夾角θ₃＝θ₂+δ₃；

(1.5)唇罩(1)型面設(shè)計(jì)；由于唇罩(1)口部高度h₀已經(jīng)確定，唇罩(1)內(nèi)型面設(shè)計(jì)為過唇罩口部的一條水平線；唇罩(1)外表面與水平線夾角根據(jù)進(jìn)氣道阻力及唇罩口部激波不脫體的限定，確定在8°-10°；(2)喉道(12)高度及可調(diào)壓縮面(4)型面的確定：

(2.1)確定最小喉道高度h_min；進(jìn)氣道巡航狀態(tài)對應(yīng)為最小喉道高度，設(shè)計(jì)使得此時(shí)喉道(12)的氣流馬赫數(shù)為1.3，因此最小喉道高度為：

式中，h₃為設(shè)計(jì)點(diǎn)下唇罩(1)口部至可調(diào)壓縮面(4)的豎直距離，由于步驟(1)中已經(jīng)確定了唇罩(1)口部位置及可調(diào)壓縮面(4)與水平面夾角θ₃，因此h₃已知；

q(λ₃)為設(shè)計(jì)點(diǎn)下氣流經(jīng)過三級斜激波(13)后的流量函數(shù)；

q(λ_t)為喉道(12)氣流馬赫數(shù)對應(yīng)的流量函數(shù)；

σ_a為氣流從三級斜激波(13)波后至喉道(12)的總壓恢復(fù)系數(shù)，取0.95；

(2.2)設(shè)計(jì)可調(diào)壓縮面(4)型面；在設(shè)計(jì)點(diǎn)根據(jù)可調(diào)壓縮面(4)與水平線夾角以及最小喉道高度h_min確定可調(diào)壓縮面(4)型面；對可調(diào)壓縮面(4)的肩部型線(14)進(jìn)行倒圓設(shè)計(jì)，使唇罩激波落在肩部倒圓區(qū)(15)，以利用肩部膨脹扇(16)削弱反射激波(17)的強(qiáng)度；倒圓設(shè)計(jì)使可調(diào)壓縮面(4)逐漸過渡至高度距離唇罩(1)內(nèi)型面h_min的位置，滿足設(shè)計(jì)點(diǎn)對最小喉道高度的需求；

(2.3)確定最大喉道高度h_max；根據(jù)起飛時(shí)發(fā)動機(jī)所需的最大流量，喉道(12)高度要能夠保證進(jìn)去進(jìn)氣道的氣流正常通過而不在喉道(12)處發(fā)生壅塞，則通過流量公式計(jì)算可得：

式中，ψ為起飛狀態(tài)時(shí)的最大流量系數(shù)；

h_∞為自由來流流管的高度；

q(λ₀)為自由來流流量函數(shù)；

σ_b為氣流從進(jìn)氣道入口(18)至喉道(12)處的總壓恢復(fù)系數(shù)；

q(λ_t)為喉道(12)氣流馬赫數(shù)對應(yīng)的流量函數(shù)；

(2.4)確定加速過程中的喉道(12)調(diào)節(jié)位置：來流馬赫數(shù)M₀小于1時(shí)，喉道(12)位置不做調(diào)節(jié)；當(dāng)來流馬赫數(shù)M₀大于1時(shí)，由于一級壓縮面(2)、二級壓縮面(3)幾何型面固定，因此根據(jù)一維流斜激波關(guān)系式可以推算出一級斜激波(10)波角β₁以及波后氣流馬赫數(shù)M₁、二級斜激波(11)波角β₂以及波后氣流馬赫數(shù)M₂；通過流量公式可得：

式中，h₂為由幾何關(guān)系確定的唇罩(1)口部到第二級壓縮面(3)的豎直距離；

q(λ₂)-為二級斜激波波后氣流的流量函數(shù)；

σ_c-為氣流從二級斜激波波后到喉道(12)的總壓恢復(fù)系數(shù)，取值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)估；

q(λ_t)為喉道(12)氣流馬赫數(shù)對應(yīng)的流量函數(shù)；

(3)設(shè)計(jì)喉道段(5)及擴(kuò)壓段(6)：

(3.1)喉道段(5)的設(shè)計(jì)；喉道段(5)長度選取為最小喉道高度h_min的3-4倍；喉道段(5)后部進(jìn)行倒圓設(shè)計(jì)，平緩過渡至擴(kuò)壓段(6)；

(3.2)擴(kuò)壓段(6)的設(shè)計(jì)；采用等擴(kuò)張角規(guī)律確定設(shè)計(jì)點(diǎn)下擴(kuò)壓段(6)的預(yù)期型面，擴(kuò)張角不超過10°；

(3.3)確定擴(kuò)壓段(6)材質(zhì)；

(4)設(shè)計(jì)剛性變形機(jī)構(gòu)：

(4.1)將兩個(gè)搖桿分為前搖桿(7)、后搖桿(8)，前搖桿(7)與喉道段(5)的鉸接點(diǎn)在喉道段(5)的最前緣、后搖桿(8)與喉道段(5)的鉸接點(diǎn)設(shè)定在：喉道段(5)與擴(kuò)壓段(6)連接點(diǎn)及前搖桿(7)與喉道段(5)的鉸接點(diǎn)的之間，且靠近喉道段(5)與擴(kuò)壓段(6)連接點(diǎn)；

(4.2)設(shè)計(jì)步驟(1.1)，(2.1)中分別確定了唇罩(1)口部高度h₀以及喉道的最小高度h_min，由幾何關(guān)系可以得出，前搖桿(7)、后搖桿(8)的最小長度均為h₀-h_min；將前搖桿(7)的長度l₁選取為最小長度h₀-h_min的1.5倍；

(4.3)后搖桿(8)的長度l₂選取為最小長度h₀-h_min的1.6倍；

(4.4)以前搖桿與喉道段的鉸接點(diǎn)為圓心，l₁為半徑作圓，該圓與過一級壓縮面(2)起點(diǎn)的水平線交點(diǎn)定為前搖桿(7)與水平作動桿(9)的鉸接位置；以后搖桿與喉道段的鉸接點(diǎn)為圓心，l₂為半徑作圓，該圓與過一級壓縮面(2)起點(diǎn)的水平線交點(diǎn)定為后搖桿(8)與水平作動桿(9)的鉸接位置；

(5)布置邊界層放氣區(qū)間：根據(jù)斜激波公式以及相應(yīng)的幾何關(guān)系，確定不同工作馬赫數(shù)下的波系結(jié)構(gòu)，進(jìn)而確定唇罩激波(19)入射點(diǎn)在可調(diào)壓縮面(4)的變化范圍，按照此范圍在可調(diào)壓縮面(4)上開設(shè)第一放氣縫(20)，使得唇罩激波(19)總是打在邊界層放氣區(qū)域內(nèi)，同樣的，根據(jù)反射激波(17)在不同工作狀態(tài)下的入射位置，在唇罩(1)上開設(shè)第二放氣縫(21)。