一种并联式组合动力进气道的调节机构及设计方法技术

本发明专利技术公开了一种并联式组合动力进气道的调节机构及设计方法，涉及组合动力进气道设计研究领域。其中的进气道内型面能够根据不同来流状态主动进行调节，可以实现TBCC推进系统在宽速域内工作，以满足各种状态。所述进气道内依次设置有一级压缩面、二级压缩面以及分流板，所述一级压缩面固定设置在进气道内，所述二级压缩面与一级压缩面铰接，所述分流板铰接于后方的涡轮通道的通道口处；通过调节机构带动二级压缩面以及分流板同步转动，从而同步调节二级压缩面角度以及分流板角度。实现了TBCC推进系统在宽速域内工作，并能够满足各种状态的目的。并且，可以通过参数化的设计出二级压缩面、分流板及机构整体的优化方案。分流板及机构整体的优化方案。分流板及机构整体的优化方案。

【技术实现步骤摘要】
一种并联式组合动力进气道的调节机构及设计方法


[0001]本专利技术涉及组合动力进气道设计研究领域，具体涉及一种用于TBCC推进系统的变几何进气道及其设计方法。

技术介绍

[0002]随着航天技术的不断发展，单一类型的动力形式在满足天地往返运输系统快速、廉价、自由往返空间和高超声速飞行器多任务飞行需求方面存在的差距越来越明显。于是，通过热力循环、结构布局等有机融合而形成的新型宽包线多模态动力装置开始成为世界各强国的研究热点。目前常见的组合动力类型有：火箭基组合发动机（RBCC）、涡轮基组合发动机（TBCC）、空气涡轮火箭组合发动机（ATR）。其中，涡轮基组合发动机（TBCC发动机）是将涡轮发动机与冲压发动机有机结合形成的组合动力系统，克服了涡轮发动机和冲压发动机单独工作时的工况限制，通过模态切换一般可实现0~30 km、Ma 0~7工作。
[0003]TBCC推进系统在运行时，需要经历地面起飞、涡轮发动机工作、模态转换和冲压发动机工作等阶段，对应不同的工作状态需要进气道能够根据不同飞行高度、飞行速度和发动机工作情况，提供足够且满足燃烧室压力速度要求的气流。根据不同的TBCC推进系统状态来控制进气道内型面是实现流量匹配的主要方式，因此，研究与TBCC推进系统相匹配变几何进气道是十分必要的。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对以上问题，提出了一种并联式组合动力进气道的调节机构及设计方法，其中的进气道内型面能够根据不同来流状态主动进行调节，可以实现TBCC推进系统在宽速域内工作，以满足各种状态。
[0005]本专利技术的技术方案为：所述进气道内依次设置有一级压缩面1、二级压缩面2以及分流板4，所述一级压缩面1固定设置在进气道内，所述二级压缩面2与一级压缩面1铰接，所述分流板4铰接于后方的涡轮通道的通道口处；通过调节机构带动二级压缩面2以及分流板4同步转动，从而同步调节二级压缩面角度以及分流板角度。
[0006]所述调节机构包括直线动力源6、直线作动杆7以及二级压缩面连杆3、分流板连杆5，所述直线动力源6设置在进气道内，所述直线作动杆7连接在直线动力源6上，并在直线动力源6的带动下做直线往复运动；所述二级压缩面连杆3及分流板连杆5同时与直线作动杆7铰接，所述二级压缩面连杆3还与二级压缩面2铰接，所述分流板连杆5还与分流板4铰接。
[0007]进一步的，所述直线作动杆7竖直设置。
[0008]作为一种实施例来说，所述直线动力源6包括垂直于直线作动杆7设置的电机以及连接在电机和直线作动杆7之间的曲柄滑块机构，通过曲柄滑块机构将电机的输出的旋转运动转化为直线作动杆7的直线往复运动。
[0009]按以下步骤进行设计：S1、给定三组不同的来流马赫数对应的二级压缩面角度及分流板角度；S2、建立几何约束；一、二级压缩面与其连杆运动过程水平投影X1始终不变，X1即二级压缩面与一级压缩面的铰接点至直线作动杆的轴心的距离；二、分流板与其连杆运动过程水平投影X2始终不变，X2即分流板与涡轮通道的通道口的铰接点至直线作动杆的轴心的距离；三、对于左右两套曲柄滑块机构电机连杆上的铰链移动距离始终相等，即二级压缩面与直线作动杆的铰接点的移动距离，等于分流板与直线作动杆的铰接点的移动距离；据上述几何约束结合角度参数建立如下关系式：其中，H1为二级压缩面与一级压缩面的铰接点至直线动力源的垂距，H2为分流板与一级压缩面的铰接点至直线动力源的垂距；三组不同的来流马赫数的情况下，二级压缩面与水平面的夹角分别为、、，分流板与水平面的夹角分别为、、，二级压缩面连杆与水平面的夹角分别为、、，分流板连杆与水平面的夹角分别为、、；S3、处理方程组；由于二级压缩面和分流板转动铰链位置确定，因此X、H1、H2、、、、、、为确定的几何条件，据此对方程组进行消元处理可得：式中分别对应、、，因此，该方程组共有3个约束方程，L1、L2、R1、R2、X15个变量；求解该方程，预选R1、R2，考虑到运动机构运动过程中不能出现卡死的情况，即、、、、、不能大于或等于90
°
，此时需满足：在此范围内预选X1，确定L1范围：S4、将预设的几何参数X、H1、H2、、、、、、输入方程组中，得到L1、L2、R1、R2、X1、；S5、若出现多组结果，以二级压缩面连杆和分流板连杆对二级压缩面与分流板的
传动力更大为标准选取参数，二级压缩面所受垂直于型面的力为；分流板所受垂直于型面的力为，F为直线作动杆所提供的竖直向上的作用力；通过上述的标准选取参数对并联式组合动力进气道的调节机构进行加工。
[0010]本专利技术中二级压缩面通过与一级压缩面铰链实现转动，可调节转动角度为0
°
~5
°
，分流板通过与涡轮通道铰链实现转动，可调节转动角度为0
°
~11
°
，即运动约束条件为二级压缩面0
°
时分流板角度为0
°
；二级压缩面5
°
时分流板角度为11
°
。考虑到调节中间过程应当保证进气道内型面与设计过程一致，加入中间过程约束条件，二级压缩面角度为2
°
时，分流板角度为5
°
。
[0011]为了实现调节过程按照角度约束精确变化以及调节机构自由度尽可能少，采用了电机推动曲柄滑块机构来带动二级压缩面与分流板的转动。当直线作动杆向下移动时，二级压缩面连杆和分流板连杆会由于铰链带动向下转动，并分别带动二级压缩面与分流板向下转动，实现单自由度控制两组曲柄滑块机构。
[0012]为了设计这一运动机构，需要确定电机位置，铰链布置位置和连杆长度这5个重要参数。设计过程为提取该机构主要运动部件并简化，并对重要的几何尺寸参数化，通过变化过程的几何关系以及给定的几何约束，求解确定上述5项参数，从而确定单变量控制两组曲柄滑块的运动机构。
[0013]本专利技术提出了通过单一电机驱动来调节二级压缩面与分流板按需求转动来实现联调运动，使得进气道内型面能够根据不同来流状态主动进行调节，实现了TBCC推进系统在宽速域内工作，并能够满足各种状态的目的。并且，可以通过参数化的设计出二级压缩面、分流板及机构整体的优化方案。
附图说明
[0014]图1是本专利技术并联式组合动力进气道来流马赫数为3.0时的型面，对应二级压缩面角度0
°
，分流板角度0
°
；图2是本专利技术并联式组合动力进气道来流马赫数为2.0时的型面，对应二级压缩面角度2
°
，分流板角度5
°
；图3是本专利技术并联式组合动力进气道来流马赫数为1.5时的型面，对应二级压缩面角度5
°
，分流板角度11
°
；图4是本专利技术三种型面对应的运动机构简图及设计运动机构所需的重要几何参数。
[0015]图中图标的含义分别为：1
‑
一级压缩面、2
‑
二级压缩面、3
‑
二级压缩面连杆、4...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种并联式组合动力进气道的调节机构，其特征在于，所述进气道内依次设置有一级压缩面（1）、二级压缩面（2）以及分流板（4），所述一级压缩面（1）固定设置在进气道内，所述二级压缩面（2）与一级压缩面（1）铰接，所述分流板（4）铰接于后方的涡轮通道的通道口处；通过调节机构带动二级压缩面（2）以及分流板（4）同步转动，从而同步调节二级压缩面角度以及分流板角度。2.根据权利要求1所述的一种并联式组合动力进气道的调节机构，其特征在于，所述调节机构包括直线动力源（6）、直线作动杆（7）以及二级压缩面连杆（3）、分流板连杆（5），所述直线动力源（6）设置在进气道内，所述直线作动杆（7）连接在直线动力源（6）上，并在直线动力源（6）的带动下做直线往复运动；所述二级压缩面连杆（3）及分流板连杆（5）同时与直线作动杆（7）铰接，所述二级压缩面连杆（3）还与二级压缩面（2）铰接，所述分流板连杆（5）还与分流板（4）铰接。3.根据权利要求2所述的一种并联式组合动力进气道的调节机构，其特征在于，所述直线作动杆（7）竖直设置。4.根据权利要求2所述的一种并联式组合动力进气道的调节机构，其特征在于，所述直线动力源（6）包括垂直于直线作动杆（7）设置的电机以及连接在电机和直线作动杆（7）之间的曲柄滑块机构，通过曲柄滑块机构将电机的输出的旋转运动转化为直线作动杆（7）的直线往复运动。5.一种权利要求2所述的并联式组合动力进气道的调节机构的设计方法，其特征在于，按以下步骤进行设计：S1、给定三组不同的来流马赫数对应的二级压缩面角度及分流板角度；S2、建立几何约束；一、二级压缩面与其连杆运动过程水平投影X1始终不变，X1即二级压缩面与一...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘君，许凌锋，袁化成，李铮，周珂玉，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：