[发明专利]一种刚性/柔性结合的连续可调进气道的设计方法

摘要

本发明公开了一种刚性/柔性结合的连续可调进气道的设计方法，确定设计点下对应激波贴口的固定压缩面及可调压缩面角度分配，确定进气道不同工作状态下对喉道高度的要求，设计可调压缩面型面，设计喉道段及扩压段，根据进气道喉道段预期的运动轨迹设计连杆机构，完成进气道的主体结构设计。同时，设计过程中还通过细致的宽速域波系配置，利用压缩面肩部外凸面的膨胀扇进行消波处理，抑制激波/边界层干扰对进气道性能的影响。此外，该设计方法还通过运动仿真确定喉道高度与作动机构水平位移的关系，进而确定工作马赫数与调节机构调节量的对应关系，即确定了进气道的调节规律。

主权项

1.一种刚性/柔性结合的连续可调进气道的设计方法，其特征在于，该设计方法的设计对象为一种可调进气道，包括唇罩(1)、位于唇罩(1)前下方的前体压缩面、连接前体压缩面后端并向后延伸的可调压缩面(4)、连接可调压缩面(4)后端并向后延伸的喉道段(5)、连接喉道段(5)后端并向后延伸的扩压段(6)、位于喉道段(5)背对唇罩(1)一侧的两个摇杆(7、8)、承载摇杆且自前向后延伸的水平作动杆(9)、驱动水平作动杆(9)前后移动的驱动装置；前体压缩面包括位于前部的一级压缩面(2)及自一级压缩面向后延伸的二级压缩面(3)；所述可调压缩面(4)的前端与二级压缩面(3)的后端铰接；所述喉道段(5)的前端与可调压缩面(4)的后端铰接；喉道段(5)与唇罩之间形成喉道(12)；所述扩压段(6)为柔性材料；摇杆的前端铰接于喉道段(5)背对唇罩的一侧，摇杆的后端铰接于水平作动杆(9)上；当水平作动杆向前移动时，摇杆的前端顶住喉道段向唇罩移动使喉道段与唇罩之间的距离变小；当水平作动杆向后移动时，摇杆的前端拉回喉道段使喉道段与唇罩之间的距离变大；该设计方法设计步骤如下：(1)波系配置：(1.1)将进气道的最高工作马赫数定为设计点，在此马赫数下按照激波贴口原则进行波系配置；根据进气道巡航状态的流量需求及工作高度，由流量公式确定设计点的流量捕获面积式中，m为设计点需求的气体流量，ρ₀、u₀分别为自由来流的密度和速度；进而根据进气道长宽比确定唇罩(1)口部高度h₀；(1.2)根据进气道前体长度及总压缩量要求，确定一级斜激波(10)波角β₁；以一级压缩面(2)前缘作为原点，作与水平线夹角为β₁的射线，该射线与唇罩(1)口部高度h₀水平线的交点即为唇罩(1)口部位置；由斜激波波角β与气流偏转角δ有如下关系式：式中，M为斜激波波前马赫数；从而根据一级斜激波(10)波角β₁确定一级压缩面(2)的气流偏转角δ₁；(1.3)为了得到最大的总压恢复系数，按照各斜激波前的法向马赫数相等的原则，即M₀sinβ₁＝M₁sinβ₂确定二级斜激波(11)波角β₂；过唇罩口部作一与水平线夹角为(β₂+δ₁)的射线，与一级压缩面(2)的交点即为二级压缩面(3)起点；根据斜激波波角与气流偏转角的关系式确定二级压缩面(3)的气流偏转角δ₂，则二级压缩面(3)与水平线夹角θ₂＝δ₁+δ₂；(1.4)在设计点将可调压缩面(4)视为固定压缩面进行设计，确定巡航状态下可调压缩面(4)调节至对应位置时与水平线夹角θ₃的大小；具体如下：首先仍然依据各斜激波前的法向马赫数相等原则，确定三级斜激波(13)的波角β₃；过唇罩口部作一与水平线夹角为(β₃+θ₂)的射线，与二级压缩面(3)的交点即为可调压缩面(4)的起点；同理，根据斜激波波角与气流偏转角的关系式确定可调压缩面(4)的气流偏转角δ₃，则设计点下可调压缩面(4)与水平线夹角θ₃＝θ₂+δ₃；(1.5)唇罩(1)型面设计；由于唇罩(1)口部高度h₀已经确定，唇罩(1)内型面设计为过唇罩口部的一条水平线；唇罩(1)外表面与水平线夹角根据进气道阻力及唇罩口部激波不脱体的限定，确定在8°‑10°；(2)喉道(12)高度及可调压缩面(4)型面的确定：(2.1)确定最小喉道高度h_min；进气道巡航状态对应为最小喉道高度，设计使得此时喉道(12)的气流马赫数为1.3，因此最小喉道高度为：式中，h₃为设计点下唇罩(1)口部至可调压缩面(4)的竖直距离，由于步骤(1)中已经确定了唇罩(1)口部位置及可调压缩面(4)与水平面夹角θ₃，因此h₃已知；q(λ₃)为设计点下气流经过三级斜激波(13)后的流量函数；q(λ_t)为喉道(12)气流马赫数对应的流量函数；σ_a为气流从三级斜激波(13)波后至喉道(12)的总压恢复系数，取0.95；(2.2)设计可调压缩面(4)型面；在设计点根据可调压缩面(4)与水平线夹角以及最小喉道高度h_min确定可调压缩面(4)型面；对可调压缩面(4)的肩部型线(14)进行倒圆设计，使唇罩激波落在肩部倒圆区(15)，以利用肩部膨胀扇(16)削弱反射激波(17)的强度；倒圆设计使可调压缩面(4)逐渐过渡至高度距离唇罩(1)内型面h_min的位置，满足设计点对最小喉道高度的需求；(2.3)确定最大喉道高度h_max；根据起飞时发动机所需的最大流量，喉道(12)高度要能够保证进去进气道的气流正常通过而不在喉道(12)处发生壅塞，则通过流量公式计算可得：式中，ψ为起飞状态时的最大流量系数；h_∞为自由来流流管的高度；q(λ₀)为自由来流流量函数；σ_b为气流从进气道入口(18)至喉道(12)处的总压恢复系数；q(λ_t)为喉道(12)气流马赫数对应的流量函数；(2.4)确定加速过程中的喉道(12)调节位置：来流马赫数M₀小于1时，喉道(12)位置不做调节；当来流马赫数M₀大于1时，由于一级压缩面(2)、二级压缩面(3)几何型面固定，因此根据一维流斜激波关系式可以推算出一级斜激波(10)波角β₁以及波后气流马赫数M₁、二级斜激波(11)波角β₂以及波后气流马赫数M₂；通过流量公式可得：式中，h₂为由几何关系确定的唇罩(1)口部到第二级压缩面(3)的竖直距离；q(λ₂)‑为二级斜激波波后气流的流量函数；σ_c‑为气流从二级斜激波波后到喉道(12)的总压恢复系数，取值根据经验预估；q(λ_t)为喉道(12)气流马赫数对应的流量函数；(3)设计喉道段(5)及扩压段(6)：(3.1)喉道段(5)的设计；喉道段(5)长度选取为最小喉道高度h_min的3‑4倍；喉道段(5)后部进行倒圆设计，平缓过渡至扩压段(6)；(3.2)扩压段(6)的设计；采用等扩张角规律确定设计点下扩压段(6)的预期型面，扩张角不超过10°；(3.3)确定扩压段(6)材质；(4)设计刚性变形机构：(4.1)将两个摇杆分为前摇杆(7)、后摇杆(8)，前摇杆(7)与喉道段(5)的铰接点在喉道段(5)的最前缘、后摇杆(8)与喉道段(5)的铰接点设定在：喉道段(5)与扩压段(6)连接点及前摇杆(7)与喉道段(5)的铰接点的之间，且靠近喉道段(5)与扩压段(6)连接点；(4.2)设计步骤(1.1)，(2.1)中分别确定了唇罩(1)口部高度h₀以及喉道的最小高度h_min，由几何关系可以得出，前摇杆(7)、后摇杆(8)的最小长度均为h₀‑h_min；将前摇杆(7)的长度l₁选取为最小长度h₀‑h_min的1.5倍；(4.3)后摇杆(8)的长度l₂选取为最小长度h₀‑h_min的1.6倍；(4.4)以前摇杆与喉道段的铰接点为圆心，l₁为半径作圆，该圆与过一级压缩面(2)起点的水平线交点定为前摇杆(7)与水平作动杆(9)的铰接位置；以后摇杆与喉道段的铰接点为圆心，l₂为半径作圆，该圆与过一级压缩面(2)起点的水平线交点定为后摇杆(8)与水平作动杆(9)的铰接位置；(5)布置边界层放气区间：根据斜激波公式以及相应的几何关系，确定不同工作马赫数下的波系结构，进而确定唇罩激波(19)入射点在可调压缩面(4)的变化范围，按照此范围在可调压缩面(4)上开设第一放气缝(20)，使得唇罩激波(19)总是打在边界层放气区域内，同样的，根据反射激波(17)在不同工作状态下的入射位置，在唇罩(1)上开设第二放气缝(21)。