专利名称：冲压发动机多模态可调喉道喷管的制作方法
技术领域：
本发明涉及冲压发动机多模态可调喉道喷管设计。
背景技术：
空气喷气发动机分成两类 一是带专用空气压气机的涡轮喷气发动机，二 是无专用压气机的冲压空气喷气发动机。涡轮喷气发动机至今已发展了四代。 其工作包线可达飞行马赫数Ma-2. 0-2. 5，高度H=0-24km。其喷管早已发展 成喉道可调，出口截面也可独立可调的功能齐备的排气装置。这种发动机的排 气喷管其结构已非常复杂。与此相应的是喷管的制造成本猛增。据美国P&W 公司介绍，第四代机的喷管制造成本已占整台发动机的三分之一，由此可见一 斑。至于冲压喷气发动机，以往它主要提供给导弹和靼机作为动力，相对来说 工作状态单一，通常采用的是不可调节的喷管即喉道和出口截面固定的喷管， 结构简单。
当进一步扩大沖压发动机的飞行包线和装机应用目标时，多模态可调收扩 喷管就成了它的必备技术和必须采用的部件了。在这种背景下，本领域的技术 人员很自然的会想到借鉴涡轮喷气发动机的喷管技术并移植到冲压发动机上。 可是事情却没有这样简单。这里首先要遇到当M数达3. 0-3. 5时冲压发动机的 喷管落压比(也称膨胀比)高达40-50，而涡轮喷气发动机的喷管的落压比仅 为20左右，相差了一倍。如果照搬涡轮喷气发动机的喷管，会有这样的结果 或是大幅度牺牲高速时的推力性能，或是进一步增加结构复杂性并加大了质量 和成本，这些都是大家不愿看到的。
此外，在多模态收扩喷管的工作状态和主要参数下，发动机燃烧室的出口 燃气温度高达2000K左右，已经远远高于目前常用的高温金属材料许用极限温 度，必须对喷管调节片采^T效的冷却措施，以保证喷管调节片的正常工作； 另一方面，为了降低发动机排气装置的红外辐射，提高飞行器的生存能力，也 必须降低喷管调节片壁温，减少喷管壁面的红外信号。
一般轴对称喷管调节片和密封片的冷却措施分为内冷和外冷两种方式。内 冷方式主要有收敛段对流换热及收敛段隔热板+扩张段气膜冷却等几种，外冷 方式主要是从进气道或机身的辅助进气门将外界大气引入喷管环腔进行对流 冷却。一般来说，喷管调节片壁面的高温区出现在扩张段，对于高落压比的排气 喷管，为了达到较好的推力性能，其扩张段都比较长。传统的内冷加外冷方案 已不能满足要求，因为从隔热板出来的冷却气膜随着冷却气流与主流燃气的湍 流掺混而逐渐衰减，这样导致扩张段的后段不能进行较好的冷却。
发明内容
为克服上述问题，本发明提出了一种多模态可调喉道喷管的解决方案，将 扩张调节片分成两段即活动段和固定段，这样可以降低可调喉道的操纵力，而 且具有结构重量较轻，尺寸小等特点。另外，通过利用固定段和活动段两者之 间存在的间隙，可以强化对固定段的冷却。再者，由于扩张调节片的后部为固 定段，整个结构变得更为牢靠，重量也得到了减轻。
根据本发明的一个方面，提供了一种冲压发动机多模态可调喉道喷管，其
特征在于包括
沿周向设置的多个收敛调节片；
沿周向设置的多个扩张调节片活动段，其每一个的前端通过一个铰链机构 与对应的收敛调节片相连；
沿周向设置的多个固定段，所述扩张调节片活动段的后端与对应的固定段 以相对滑动的方式与所述固定段相接。
图1示意地显示了根据本发明的一个实施例的沖压发动机多模态可调喉道 喷管的构造。
图2示意地显示了根据本发明的一个实施例的冲压发动机多模态可调喉道 喷管的辅助运动链，即调节片及其之间的密封片的设置。
图3A-3C示意地显示了根据本发明的一个实施例的冲压发动机多模态可调 喉道喷管的扩张固定段的结构。
图4示意地显示了根据本发明的一个实施例的冲压发动机多模态可调喉道 喷管的喷管冷却流路图。
具体实施例方式
如图1所示，根据本发明的一个实施例的冲压发动机多模态可调喉道喷管 包括
一个带移动副和滚动副的调节环2;
沿周向设置的多个(例如9个)收敛调节片5,每个收敛调节片5的两端各有一个双铰链机构4、 6;
沿周向设置的多个扩张调节片14，其每一个的前端通过铰链机构6与对应 的收敛调节片5相连；
沿周向设置的多个固定段12，所述扩张调节片14的后端通过滑动销10 与对应的固定段12相接。
在收敛调节片5的背部设计有隆起的背脊7,背脊7做成圆孤凸轮一样的 型面。当调节环2向下游作轴向运动时，借助滚子3在型面上的滚动，带动收 敛调节片5作向内转动；而当调节环2向上游作轴向运动时，喉道内的气体压 力使收敛调节片5作向外转动。由于整个运动链只有一个自由度并由一根主动 杆1操作，故运动机构是稳定的。主动杆l也是本发明的可调喷管的主要承力 系统，可调喷管的功能主要靠它实施。
本实施例的扩张段包括活动段8和固定段12两部分。
A、 活动段
如图1所示，活动段8的前部通过铰链机构6与收敛调节片5相连，活动 段8的后部则借助滑动销10插在固定段12前端加强片11上的长槽19内，因 此当收敛调节片5做角向运动改变喉道面积时，扩张调节片的活动段8的前端 也跟随着做角向运动。
活动段8由于沿轴向中间部分接触燃气，因此壁温较高，故在扩张调节片 外14部脊背上设计一个矩形截面的冷却通道9。
除了主运动链外，还不足以保证整个机构的可靠运动，其中每两个相邻的 扩张调节片14之间必须设置密封片15,如图2所示。密封片15与相邻调节片 14之间靠辅助运动链协调它们之间的运动。
参见图2。该辅助运动链全由连杆16、圆柱销和铰链组成，每个调节片14 和密封片上15均放置了一个圆柱销，销轴座上设置连杆16，两根连杆16之间 均由铰链连接。因此当众多调节片14和密封片15做圆周方向的相对角位移时， 本运动链可以确保它们之间都有一个确定的角向分布，而不至于落入无规律的 乱动。当密封片15相对于调节片14做拉开或关闭运动时，连杆15则绕各自 的销轴做角向旋转，其相位角是相等的。
B固定段
根据本发明的一个实施例，扩张段的固定段12是个断面为直角三角形的 盒形结构，参见图l和图3A-3C，其前部是个环形空腔20，沿周向采用多根(如 12根)支板17与喷管内外壁相连，故结构牢靠，从而使整个可调喉道喷管的 结构更加牢靠。
根据一个实施例，在固定段12的前部内壁18上设计有多块(如9块)加 强片12并在每个加强片上开有长槽19,以确保扩张调节片14的后端的滑销10在长槽19中自由滑动。
根据一个实施例，固定段12直接与喷管的外罩13做成一体，故结构比较 简单，可靠。
根据本发明的一个实施例所釆用的冷却方案如图4所示。采用了内冷与外 冷相结合的冷却方式。内冷结构为收敛段隔热板加扩张段气膜冷却，内冷冷却 气流al来自发动机的进气道，外部冷却气流a2来自进气道或辅助进气门。在 收敛段的调节片5和密封片(图中未示出)上各铆接一块隔热板2吣根据一个 具体实施例，隔热板24与收敛调节片5之间的通道25的高度大于发动机机匣 21与燃烧室隔热屏22之间的通道23高度。这样，从通道23流出的冷却气流 al基本上完全流入通道25中。冷却气流al可以冷却收敛调节片5和密封片， 在其流出通道25后，在喷管喉道26附近形成一道强的冷却气膜，可以有效冷 却扩张调节片14和密封片15 (图2)。才艮据本发明的一个实施例，在扩张调节 片14外部脊背上^L置有冷却通道9 (如矩形截面的冷却通道9)，以强化对扩 张调节片14的冷却。
由于扩张段设计成活动段8和固定段12且两者之间存在间隙27，外冷气流 a2可以从间隙27流入喷管内部，这样可以更好的冷却扩张调节片的固定段l2， 从而克服现有技术扩张段的后段得不到较好冷却的缺点。按照一种实施例，外 冷却气流a2的流量约占发动机总进气量的1% ~ 3%。
外冷却空气a2进入由调节片和喷管外罩13构成的喷管环腔20内，不但可 冷却调节片外壁面，而且可冷却喷管腔内的运动构件和液压作动系统。
权利要求
1、冲压发动机多模态可调喉道喷管，其特征在于包括沿周向设置的多个收敛调节片(5)；沿周向设置的多个扩张调节片活动段(8)，其每一个的前端通过一个铰链机构(6)与对应的收敛调节片(5)相连；沿周向设置的多个固定段(12)，所述扩张调节片活动段(8)的后端与相对于对应的所述固定段(12)以可滑动的方式与所述固定段(12)相接。
2、 如权利要求l所述的冲压发动机多模态可调喉道喷管，其特征在于所述多个固定段(12)通过沿周向设置的多根支板(17)与所述可调喉道 喷管的外壁(13)相连，从而使所述可调喉道喷管的结构更加牢靠。
3、 如权利要求l所述的冲压发动机多模态可调喉道喷管，其特征在于在每个所述固定段(12)的前部内壁(18)上设有加强片(11)，在每个所述加强片(11)上开有长槽(19)，与所述活动扩张调节片活动 段(8)的后端相连的一个滑销(10)可在所述长槽(19)中自由滑动，从而 使所述扩张调节片活动段(8)的后端以相对于对应的所述固定段(12)以可 滑动的方式与所述固定段(12)相接。
4、 如权利要求l所述的冲压发动机多模态可调喉道喷管，其特征在于 在所述活动段(8 )和所述固定段(12 )之间设有一个间隙(27 ),使来自发动机进气道或辅助进气门的外冷气流(a2)可以从所述间隙(27)流入所述 可调喉道喷管内部，从而可以更好地冷却所述固定段(12)。
5、 如权利要求4所述的冲压发动机多模态可调喉道喷管，其特征在于所述外冷却气流(a2 )流入由所述活动段(8 )和所述固定段(12 )与所 述喷管的外罩U3)构成的喷管环腔(20)内，不但可以冷却所述活动段(8) 和所述固定段(12)的外壁面而且可冷却所述喷管环腔(20)内的运动构件和 液压作动系统。
6、 如权利要求4所述的冲压发动机多模态可调喉道喷管，其特征在于在所述活动段(8 )的扩张调节片(14 )外部脊背上设置有冷却通道(9 )， 所述外冷气流U2)的一部分可流入所述冷却通道(9)，以强化对扩张调节片 (14)的冷却。
7、 如权利要求5所述的冲压发动机多模态可调喉道喷管，其特征在于所述固定段(12 )直接与所述外罩(13 )做成一体，所述固定段(12 )与 所述外罩(13)构成断面为直角三角形的盒形结构，该盒形结构的前部构成一 个环形空腔(20)。
8、 如权利要求1 - 7中任何一项所述的冲压发动机多模态可调喉道喷管， 其特征在于进一步包括一个调节环(2);设置在收敛调节片(5)的背部上的背脊(7),所述背脊(7)具有圓弧凸 轮状的型面。当所述调节环(2)作轴向运动时，所述调节环(2)通过一个滚子(3) 作用在所述型面上，从而带动所述多个收敛调节片(5)作可调喉道喷管的喉 道(26)缩小或张开的运动。
9、 如权利要求8所述的冲压发动机多模态可调喉道喷管，其特征在于进一 步包括所述活动段(8 )包括扩张调节片(14 )和设置在所述扩张调节片(l4 )之 间的扩张密封片(15);在每个收敛调节片(5)和每个所述收敛密封片上设置的隔热板(24),从 而在所述隔热板(24)与所述收敛调节片(5)和收敛密封片之间形成内冷冷却 通道(25),该内冷冷却通道(25)用于接收来自发动机的进气道的内冷冷却气 流(al)。
10、 如权利要求9所述的冲压发动机多模态可调喉道喷管，其特征在于 所述内冷冷却气流(al)在流出所述内冷冷却通道(25)后可在所述喉道(26)附近形成一道强的冷却气膜，从而有效地冷却所述活动段(8 )的所述扩 张调节片(14)和所述扩张密封片(15)。
全文摘要
本发明提出了一种多模态可调喉道喷管的解决方案，将扩张调节片分成两段即活动段和固定段，这样可以降低可调喉道的操纵力，而且具有结构重量较轻，尺寸小等特点。另外，通过利用固定段和活动段两者之间存在的间隙，可以强化对固定段的冷却。再者，由于扩张调节片的后部为固定段，整个结构变得更为牢靠，重量也得到了减轻。使发动机推重比具有较大的提升空间。
文档编号F02K1/11GK101576025SQ200910086389
公开日2009年11月11日 申请日期2009年6月11日 优先权日2009年6月11日
发明者季鹤鸣, 明 岳, 刚 杜, 杰 谭, 捷 金, 马梦颖 申请人:北京航空航天大学