一种中心线曲率连续的S弯D形偏转矢量喷管及方法技术

本发明专利技术一种中心线曲率连续的S弯D形偏转矢量喷管及方法，属于飞行器技术领域；包括喷管等直段和S弯段，两者之间光滑连接；所述喷管S弯段的出口端依次连接有D形偏转段和D形出口段，其中喷管等直段、S弯段、D形偏转段的中心线曲率连续，且三段的曲面光滑均达到一阶连续；所述D形偏转段包括偏转预留段和滑动段，所述滑动段通过偏转预留段安装于喷管S弯段的出口端，能够沿其中心线滑动伸缩，实现喷管矢量偏转角的变化；滑动段的出口与D形出口段的入口连接。本发明专利技术通过对S弯喷管采用D形滑动罩的设计，使S弯喷管具备大角度矢量作动的能力，在大角度矢量作动时不存在矢量落后的问题。角度矢量作动时不存在矢量落后的问题。角度矢量作动时不存在矢量落后的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种中心线曲率连续的S弯D形偏转矢量喷管及方法


[0001]本专利技术属于飞行器
，具体涉及一种中心线曲率连续的S弯D形偏转矢量喷管及方法。

技术介绍

[0002]随着海上作战对舰载机短距/垂直起降提出的紧迫需求，矢量推力喷管作为一种航空发动机的喷管类型，有助于提高战机的垂直/短距起降和机动性能力。矢量喷管主要可分为气动矢量喷管和机械矢量喷管，其中气动矢量喷管最大偏转角度有限，矢量推力偏转角难以达到90
°
。机械矢量喷管可分为二元矢量、轴对称矢量、三轴承矢量以及D形矢量等喷管方案。二元矢量、轴对称矢量喷管偏转角度有限，同样不能达到垂直偏转的效果。三轴承矢量喷管常规模式下无法提供侧向力/扭矩操纵。D形喷管可以将气流矢量角偏转达到90
°
，但研究表明国外设计的D形喷管的矢量偏转角度可能会落后于模型偏转角约20
°
。
[0003]S弯喷管具有光滑弯曲的出口通道形状，其布局较为紧凑，同时可对发动机出口至喷管出口的偏距进行调节。由于弯曲管道可以有效遮挡发动机内部涡轮叶片、支板、混合器等强散射/高温部件，因此具备良好的雷达、红外隐身性能。使S弯喷管具备推力矢量性能已有一定的研究，现有技术中有通过对出口折流板的机械调节实现一定程度的推力矢量能力，但折流板在偏转后与喷管壁面形成曲率不连续的尖角从而导致气动性能下降，同时由于折流板设计的偏转角度有限，难以实现气流偏转角度达到90
°
的矢量角度。因此目前仍缺少喷管结构中心线曲率连续、且的S弯矢量喷管设计方法。

技术实现思路

[0004]要解决的技术问题：
[0005]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提供一种中心线曲率连续的S弯D形偏转矢量喷管，通过引入高阶幂函数控制S弯段的中心线变化规律，与偏转段的圆弧形中心线进行曲率匹配从而达到中心线的一阶连续。使喷管S弯末段与偏转段连接处的上侧型面光滑连续，降低因型面曲率不连续产生的气动损失，以达到良好的矢量喷管气动性能。同时采用多段滑动罩使矢量偏转角能够达到90
°
，解决大角度偏转时矢量角落后的问题。
[0006]本专利技术的技术方案是：一种中心线曲率连续的S弯D形偏转矢量喷管,包括喷管等直段和S弯段，两者之间光滑连接；所述喷管S弯段的出口端依次连接有D形偏转段和D形出口段，其中喷管等直段、S弯段、D形偏转段的中心线曲率连续，且三段的曲面光滑均达到一阶连续；
[0007]所述D形偏转段包括偏转预留段和滑动段，所述滑动段通过偏转预留段安装于喷管S弯段的出口端，能够沿其中心线滑动伸缩，实现喷管矢量偏转角的变化；滑动段的出口与D形出口段的入口连接。
[0008]本专利技术的进一步技术方案是：所述喷管S弯段的入口为等直段出口，出口为D形控制截面，作为D形偏转段的入口，该段的喷管面积沿工质流动方向逐渐收敛，中心线呈幂函
数的变化规律向上偏转，发动机工质在该段速度升高同时沿中心线向上偏转，其偏转角度与预留偏转段角度相等。
[0009]本专利技术的进一步技术方案是：所述偏转预留段由S弯段出口的D形控制截面绕其底部线段为轴旋转θ角度获得。
[0010]本专利技术的进一步技术方案是：所述滑动段包括多段D形滑动罩，D形滑动罩的径向截面为D形，其型面通过绕其底部线段为轴旋转θ角度获得；
[0011]所述多段D形滑动罩的底部依次同轴铰接于偏转预留段的底部，能够绕铰接轴滑动回收至偏转预留段，或滑动展开为90度球面。
[0012]本专利技术的进一步技术方案是：所述D形偏转段的截面形状呈带倒圆的“D”形，即将主体的半圆形两侧曲率间断的尖角采用与之曲率连续的圆弧进行连接，倒圆弧与半圆弧相切，倒圆弧也与半圆线段相切。
[0013]本专利技术的进一步技术方案是：所述偏转预留段的预留角度θ在10
°
～60
°
之间。
[0014]本专利技术的进一步技术方案是：所述喷管D形出口段的径向截面为D型，从入口到出口的截面面积呈收敛变化；或者其截面先增大后减小，形成收扩矢量喷管。
[0015]本专利技术的进一步技术方案是：所述S弯D形偏转矢量喷管的D形控制截面的倒圆半径r与半圆弧半径R满足r≤0.5R，当r＝0.5R时该截面为圆形。
[0016]本专利技术的进一步技术方案是：所述喷管等直段为指定长度且等径的圆柱形通道，其入口为发动机涡轮出口，其直径与发动机涡轮出口直径一致，其出口为S弯段入口，喷管等直段能够绕涡轮出口端面旋转，发动机工质在该段沿轴向移动。
[0017]一种中心线曲率连续的S弯D形偏转矢量喷管的设计方法，具体步骤如下：
[0018]步骤一：确定所述喷管进口截面、D形控制截面和出口截面的面积；
[0019]步骤二：确定D形控制截面的半圆
‑
倒圆半径比A
r
；
[0020]步骤三：计算D形控制截面的半圆半径R和倒圆半径r；
[0021]根据步骤一与步骤二确定了D形控制截面的面积S与半径比A
r
，通过数值积分并迭代获得半圆半径R和倒圆半径r；
[0022]步骤四：计算D形控制截面的弧长及曲率分布；
[0023]所述D形控制截面为轴对称结构，对称两侧均包括直线段、倒角圆弧段、半圆弧段；根据勾股定理及弧长公式可得到如下表达式
[0024][0025]式中，R为半圆弧段的曲率半径，r为倒角圆弧段的曲率半径，a0、a1、a2分别为直线段、倒角圆弧段、半圆弧段的长度，α为过倒角圆弧段上端点的半径线段与直线段之间的夹角，β为倒角圆弧段的圆心角；
[0026]得到D形控制截面的曲率k(s)表达式
[0027][0028]步骤五：计算S弯段沿程各横截面的曲率、面积；
[0029]对于喷管共j0个等距中间截面的第j个截面而言，该截面面积及曲率分布分别表达为
[0030]A
j
＝A
in
+c1(j)[A
out
‑
A
in
][0031]k
j
(s)＝k
in
(s)+c2(j)[k
out
(s)
‑
k
in
(s)][0032]式中，A
in
、A
out
分别为进出口面积，k
in
(s)、k
out
(s)分别为进出口截面处各点曲率变化规律。c
i
(j)为曲线边界条件的控制规律；
[0033]步骤六：计算S弯段中心线控制规律；
[0034][0035]步骤七：计算偏转预留段、滑动罩的参数；
[0036]所述偏转预留段由S弯段出口的D形控制截面绕其底部线段为轴旋转θ角度获得，每段所述滑动罩的几何形状通过绕其底部线段为轴旋转θ角度获得，但每段滑动罩的角度之和受到最大旋转角度的约束。
[0037]有益效本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种中心线曲率连续的S弯D形偏转矢量喷管,包括喷管等直段和S弯段，两者之间光滑连接；其特征在于：所述喷管S弯段的出口端依次连接有D形偏转段和D形出口段，其中喷管等直段、S弯段、D形偏转段的中心线曲率连续，且三段的曲面光滑均达到一阶连续；所述D形偏转段包括偏转预留段和滑动段，所述滑动段通过偏转预留段安装于喷管S弯段的出口端，能够沿其中心线滑动伸缩，实现喷管矢量偏转角的变化；滑动段的出口与D形出口段的入口连接。2.根据权利要求1所述中心线曲率连续的S弯D形偏转矢量喷管，其特征在于：所述喷管S弯段的入口为等直段出口，出口为D形控制截面，作为D形偏转段的入口，该段的喷管面积沿工质流动方向逐渐收敛，中心线呈幂函数的变化规律向上偏转，发动机工质在该段速度升高同时沿中心线向上偏转，其偏转角度与预留偏转段角度相等。3.根据权利要求2所述中心线曲率连续的S弯D形偏转矢量喷管，其特征在于：所述偏转预留段由S弯段出口的D形控制截面绕其底部线段为轴旋转θ角度获得。4.根据权利要求3所述中心线曲率连续的S弯D形偏转矢量喷管，其特征在于：所述偏转预留段的预留角度θ在10
°
～60
°
之间。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述中心线曲率连续的S弯D形偏转矢量喷管，其特征在于：所述滑动段包括多段D形滑动罩，D形滑动罩的径向截面为D形，其型面通过绕其底部线段为轴旋转θ角度获得；所述多段D形滑动罩的底部依次同轴铰接于偏转预留段的底部，能够绕铰接轴滑动回收至偏转预留段，或滑动展开为90度球面。6.根据权利要求1所述中心线曲率连续的S弯D形偏转矢量喷管，其特征在于：所述D形偏转段的截面形状呈带倒圆的“D”形，即将主体的半圆形两侧曲率间断的尖角采用与之曲率连续的圆弧进行连接，倒圆弧与半圆弧相切，倒圆弧也与半圆线段相切。7.根据权利要求1所述中心线曲率连续的S弯D形偏转矢量喷管，其特征在于：所述喷管D形出口段的径向截面为D型，从入口到出口的截面面积呈收敛变化；或者其截面先增大后减小，形成收扩矢量喷管。8.根据权利要求1所述中心线曲率连续的S弯D形偏转矢量喷管，其特征在于：所述S弯D形偏转矢量喷管的D形控制截面的倒圆半径r与半圆弧半径R满足r≤0.5R，当r＝0.5R时该截面为圆形。9.根据权利要求1所述中心线曲率连续的S弯D形偏转矢量喷管，其特征在于：所述喷管等直段为指定长度且等径的圆柱形通道...

【专利技术属性】
技术研发人员：王旭飞，杨青真，贺榆波，白进，张赛乐，向惠敏，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：