一种可用于宽温域环境的柔壁喷管及其控制方法与流程

本发明涉及风洞喷管控制领域，具体讲是一种可用于宽温域环境的柔壁喷管及其控制方法。

背景技术：

1、在现有技术中，全柔板型面调节装置一般支点数量与驱动点数量一样；半柔板型面调节装置的喉道及喉道上游区域为固块，下游采用柔性板结构，支点数量与驱动点数量也是一样。

2、在跨超声速风洞中，型面调节装置的作用是通过改变喉道的截面积，从而改变气流马赫数，全柔壁喷管具有马赫数调节范围宽的优点，又有流场品质好的特点，缺点是柔板长度较长，驱动点数量多，控制系统复杂；半柔板型面调节装置的喉道前收缩部分为刚性块，因此曲率可以比较大，缩短了整个喷管段的长度，缺点是喉块和上游的刚性部件热容远大于柔板部分的热容，导致宽温域风洞升降温时喉块与柔板温度分布不均匀，进而导致热应力过大；另一个缺点是喉道上游的可调收缩板与喉块之间搭接会产生一个搭接缝，该搭接缝会影响到气流的流场。

技术实现思路

1、因此，为了解决上述不足，本发明在此提供一种可用于宽温域环境的柔壁喷管及其控制方法，通过本发明能够提高宽温域风洞流场品质、试验效率和运行安全性。

2、一方面，本发明提供了一种可用于宽温域环境的柔壁喷管，包括喷管框架和安装于喷管框架内侧的柔板，还包括驱动件、可调收缩框架和喉块框架；

3、所述柔板从入口至出口至少依次包括可调收缩部、喉道部和下游部，

4、所述可调收缩框架至少通过一个第一连杆安装于所述可调收缩部的背部，该可调收缩框架至少通过一个驱动件与所述喷管框架连接；

5、所述喉块框架至少通过一个第一连杆安装于所述喉道部的背部，该喉块框架至少通过一个驱动件与所述喷管框架连接，所述喉块框架的一端与所述可调收缩框架转动铰连接；

6、所述下游部至少通过一个驱动件与所述喷管框架连接。

7、可选的，所述可调收缩框架的入口端通过转动铰接的方式或通过第二连杆与所述喷管框架连接，所述第二连杆与喷管框架和可调收缩框架采用转动铰接的方式连接；所述入口端为远离所述喉块框架的一端。

8、可选的，所述第一连杆通过球铰的方式与所述柔板的背部连接。

9、可选的，所述驱动件设置有保温层。

10、可选的，所述驱动件包括为驱动缸，该驱动缸包括缸体和伸缩部，所述缸体转动铰接于喷管框架，所述伸缩部连接于执行件，所述执行件为下游部或可调收缩框架或喉块框架；

11、所述保温层包括固定保温层和活动保温层，其中固定保温层固定于所述缸体的外部，所述活动保温层固定于所述伸缩部的外部，所述活动保温层与所述固定保温层滑动连接。

12、可选的，所述可用于宽温域环境的柔壁喷管还包括安装于相邻支撑点之间的柔板测量组件，所述支撑点是驱动件与柔板背部的连接点、或驱动件与可调收缩框架的连接点、或驱动件与喉块框架的连接点；

13、所述柔板测量组件包括：

14、应变传感器，安装于柔板的受控部的背气流面，所述受控部是可调收缩部或喉道部或下游部；

15、温度补偿块，安装于所述受控部的背气流面；

16、温度补偿传感器，安装于所述受控部的背气流面；以及

17、处理器，分别与所述应变传感器、温度补偿块和温度补偿传感器连接，用于信号的分析和处理，并控制所述驱动件工作。

18、另一方面，本发明提供了可用于宽温域环境的柔壁喷管控制方法，其特征在于：对所述可用于宽温域环境的柔壁喷管进行控制，该控制方法包括如下步骤：

19、测量柔板的参数，所述参数包括应力、弯矩和集中应力分布；

20、根据所述参数推算出柔板的变形情况，

21、根据推算结果与目标型面之间的偏差，对各驱动点伸长量进行修正，并控制对应驱动件进行伸缩调整。

22、可选的，测量柔板的参数方法是：

23、处理器根据应变传感器的温度数据和温度补偿块反馈的温度数据，确定应变传感器的修正系数，利用修正系数修正应变传感器的应变值；

24、根据柔板材料的弹性模量和应变值，计算出柔板的应力值，并根据应变传感器应变测量结果，采用线性插值方法，计算出柔板的应力、弯矩、集中力分布。

25、可选的，根据所述参数推算出柔板的变形情况的方法是：

26、利用应变测点数据进行线性插值，得到应变分布曲线；

27、然后根据欧拉梁弯曲的几何方程，通过柔板厚度和曲率计算出应变和弯矩分布；

28、对第一段曲线的曲率与弯矩之间关系进行微分，得到转角、弧长、弯矩三者的积分关系；

29、再根据已知的第一段柔板的边界条件，求解出积分方程的常数项，进而得到柔板变形曲线的椭圆积分表达式；

30、对于之后的第 i段，其边界条件为前一段尾端的转角和位移。因此，可以将第 i段考虑成旋转一定角度的悬臂梁来计算，旋转角度为前一段自由端的转角，然后利用前述方法求解其变形，当完成所有段变形求解后即可得到完整的变形曲线，其中 i是柔板的段数。

31、本发明具有如下优点：

32、本发明能够提高宽温域风洞流场品质、试验效率和运行安全性，所述可用于宽温域环境的柔壁喷管采用全柔板形式，避免了可调收缩板与喉块的搭接，有利于提高气流流场品质；采用第一连杆连接柔板与可调收缩框架以及喉块框架，降低了迎气流面部件的热容，降低了柔板与可调收缩框架以及喉块框架之间的温差；柔板与可调收缩框架以及喉块框架之间连接的小连杆采用两端球铰的方式，柔板在各方向上自由度不受约束，降低了柔板、可调收缩框架、喉块框架的热应力。

33、所述可用于宽温域环境的柔壁喷管采用全柔板、可调收缩框架和喉块框架这种组合的方式，在保证了柔板支撑点数量较多的前提下，驱动点数量尽量少，并配合所述控制方法，降低了系统的复杂程度和控制系统难度，从而提高了系统的运行安全性。

技术特征：

1.一种可用于宽温域环境的柔壁喷管，包括喷管框架和安装于喷管框架内侧的柔板，其特征在于：还包括驱动件、可调收缩框架和喉块框架；

2.根据权利要求1所述一种可用于宽温域环境的柔壁喷管，其特征在于：所述可调收缩框架的入口端通过转动铰接的方式或通过第二连杆与所述喷管框架连接，所述第二连杆与喷管框架和可调收缩框架采用转动铰接的方式连接；所述入口端为远离所述喉块框架的一端。

3.根据权利要求1所述一种可用于宽温域环境的柔壁喷管，其特征在于：所述第一连杆通过球铰的方式与所述柔板的背部连接。

4.根据权利要求1所述一种可用于宽温域环境的柔壁喷管，其特征在于：所述驱动件设置有保温层。

5.根据权利要求4所述一种可用于宽温域环境的柔壁喷管，其特征在于：所述驱动件包括为驱动缸，该驱动缸包括缸体和伸缩部，所述缸体转动铰接于喷管框架，所述伸缩部连接于执行件，所述执行件为下游部或可调收缩框架或喉块框架；

6.根据权利要求1-5任一权利要求所述一种可用于宽温域环境的柔壁喷管，其特征在于：还包括安装于相邻支撑点之间的柔板测量组件，所述支撑点是驱动件与柔板背部的连接点、或驱动件与可调收缩框架的连接点、或驱动件与喉块框架的连接点；

7.一种可用于宽温域环境的柔壁喷管控制方法，其特征在于：对如权利要求6所述可用于宽温域环境的柔壁喷管进行控制，该控制方法包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述一种可用于宽温域环境的柔壁喷管控制方法，其特征在于：测量柔板的参数方法是：

技术总结
本发明属于风洞喷管控制领域，公开了一种可用于宽温域环境的柔壁喷管及其控制方法，所述柔壁喷管包括喷管框架和安装于喷管框架内侧的柔板，还包括驱动件、可调收缩框架和喉块框架；柔板从入口至出口至少依次包括可调收缩部、喉道部和下游部，所述可调收缩框架至少通过一个第一连杆安装于所述可调收缩部的背部，该可调收缩框架至少通过一个驱动件与所述喷管框架连接；所述喉块框架至少通过一个第一连杆安装于所述喉道部的背部，该喉块框架至少通过一个驱动件与所述喷管框架连接，所述喉块框架的一端与所述可调收缩框架转动铰连接；所述下游部至少通过一个驱动件与所述喷管框架连接；本发明能够提高宽温域风洞流场品质、试验效率和运行安全性。

技术研发人员：尉成果,宋远佳,聂徐庆,赖欢,廖达雄,陈万华
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22