一种型面可折叠和展开的风洞固块喷管装置的制作方法

本发明涉及高速风洞气动结构领域，尤其是风洞的一种新型固块喷管装置，具体为一种型面可折叠和展开的风洞固块喷管装置。基于结构的改进，本发明能实现高速风洞最高工作马赫数范围的有效拓展，具有较好的应用前景。

背景技术：

高速风洞在气动设计上由诸多部段组成，其中的一个重要部段是喷管段，在喷管段之前是收缩段，之后是试验段。在高速风洞中，喷管段所对应的结构便是喷管装置，高速风洞使用的多是固块喷管装置。

固块喷管装置主要由喷管和其他组件构成，其核心在于喷管，通过喷管的喉道面积和型面曲线外形两个特征对风洞流场施加影响，帮助风洞建立设计马赫数下的目标工作流场。不过，由于固块喷管装置的喷管已经固定，其喉道面积和型面曲线外形也已固定，因此，一副固块喷管装置只能帮助风洞建立某一段范围内的工作马赫数流场，而高速风洞一般都设计加工若干副具有不同特征的固块喷管装置，以保障风洞在设计工作马赫数范围内正常运转。

近年来，随着航空航天工业的快速发展，与该工业体系配套的某些高速风洞需要进行配套的升级改造，以拓展其最高工作马赫数范围，一种经济有效的方法就是研制新的固块喷管装置。不过，由于风洞已经建设成型，喷管段的空间位置已经固定，留给喷管装置的设计空间余量不足，按传统方法设计喷管装置，很难实现风洞的最高工作马赫数范围的充分拓展。原因在于：满足要求的喷管装置除了需要喷管具有较小的喉道面积外，还需要具有曲线变化平缓的型面，而后者需要对喷管进行加长才能实现，而按照传统方法设计的喷管装置，喷管的轴向长度即为喷管段的长度，不能轴向加长，如此，当喷管的喉道面积因设计原因进行缩小后，喷管的型面曲线外形将会呈现剧烈变化，导致风洞所建立的工作流场不均匀、不可用，喷管装置也不能投入应用。因此，需要按照新的方法研制一副能够充分拓展风洞最高工作马赫数范围的固块喷管装置。该固块喷管装置在研制过程将会面临以下技术难题：首要的难题就是需要突破传统方法，设计一副加长的喷管，解决传统方法下设计的喷管因型面曲线变化剧烈，导致风洞所建立的工作流场不均匀、不可用的难题；其次的难题是加长的喷管，其轴向长度必然超出风洞的喷管段长度，也超出了喷管装置的箱体长度，一副具有加长喷管的固块喷管装置如何在空间位置固定的条件下进行安装，成为新的难题；最后的难题是新喷管装置即便完成安装，也必须保证新喷管和风洞其他部段结构具有稳定的流线型接触，避免使用过程中因型面接触不好所造成的气流干扰。

综上，迫切需要一种新的结构或装置，以解决上述问题。

技术实现要素：

本申请的发明目的在于：针对在对高速风洞进行改造，以拓展其最高工作马赫数范围的过程中，需要研制喷管加长的固块喷管装置，而受风洞留给喷管装置的空间位置固定的影响，新喷管装置往往会因喷管过长而不能安装，或难以保证新喷管的型面和风洞其他部段结构具有稳定的流线型接触的问题，提供一种型面可折叠和展开的风洞固块喷管装置。基于本发明中基于固块喷管装置的结构改进，使得新喷管在有限空间内能够安装到风洞洞体结构上，形成满足气动设计要求的加长喷管型面，并保证新喷管型面和风洞其他部段结构具有稳定的流线型接触，共同实现风洞最高工作马赫数范围的有效拓展。本发明构思巧妙，设计合理，具有较强的适应性和较高的应用价值，对于高速风洞的改进具有极其重要的意义。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种型面可折叠和展开的风洞固块喷管装置，包括箱体、喷管组件、车架、为车架提供动力的动力驱动组件，所述箱体设置在车架上，所述车架设置在动力驱动组件上且动力驱动组件通过车架能带动箱体移动；

所述喷管组件为一组，所述喷管组件对称设置在箱体的上下两侧；

所述喷管组件包括喷管固定块、与喷管固定块相配合的喷管活动块、旋转轴、旋转驱动组件，所述喷管固定块设置在箱体内部，所述旋转轴与箱体相连且旋转轴能相对箱体转动，所述喷管活动块通过旋转轴与箱体相连且喷管活动块能相对箱体的侧壁转动以实现喷管组件的折叠和展开，所述旋转驱动组件通过旋转轴与喷管活动块相连且旋转驱动组件能带动喷管活动块相对箱体转动。

所述喷管固定块固定设置在箱体内。

所述喷管活动块与喷管固定块平滑连接。

所述旋转驱动组件包括减速箱、手轮，所述减速箱与旋转轴通过齿轮相啮合，所述手轮与减速箱相连且手轮依次通过减速箱、旋转轴能带动喷管活动块相对箱体转动。

所述喷管活动块上设置有对位销孔且喷管活动块通过定位销、对位销孔能与风洞其他部段结构相连以保证喷管活动块的稳定连接。

还包括悬空平台、爬梯中的一个或多个，所述悬空平台设置在箱体上且悬空平台能为作业人员站立提供支撑，所述爬梯设置在箱体上且作业人员通过爬梯能相对箱体进行上下爬动。

所述箱体呈中空长方体状且箱体的前后端分别设置有开口。

所述箱体由上壁面、左壁面、下壁面、右壁面构成中空长方体开口结构。

所述动力驱动组件包括驱动电机、驱动轮，所述驱动电机与驱动轮相连且驱动电机能带动驱动轮转动，所述驱动轮与车架相连且驱动轮能带动车架移动。

所述驱动轮为轨道轮或麦克拉姆轮中的一种或多种。

针对前述问题，本发明提供一种型面可折叠和展开的风洞固块喷管装置。其包括箱体、喷管组件、车架、动力驱动组件，箱体设置在车架上，车架设置在动力驱动组件上。本发明中，动力驱动组件带动车架运动，车架为箱体提供支撑并带动箱体根据需要进行移动。同时，喷管组件为一组，喷管组件对称设置在箱体的上下两侧。

本发明中，喷管组件包括喷管固定块、喷管活动块、旋转轴、旋转驱动组件，喷管固定块设置在箱体内部，旋转轴与箱体相连，喷管活动块通过旋转轴与箱体相连，旋转驱动组件通过旋转轴与喷管活动块相连。该结构中，旋转轴起到连接及动力传递的作用，旋转驱动组件则用于为喷管活动块的转动提供动力。其工作时，旋转驱动组件带动旋转轴转动，旋转轴带动与其固定连接的喷管活动块，并使得喷管活动块能相对箱体的侧壁转动，以实现喷管组件的折叠和展开（即通过喷管活动块展开到箱体外，或将喷管活动块折叠到箱体内，即可使喷管装置在固定条件下无干扰运行）。

本发明中，旋转驱动组件包括减速箱、手轮，减速箱与旋转轴通过齿轮相啮合，手轮与减速箱相连。该结构中，操作人员转动手轮，手轮带动减速箱转动，并将动力传递给旋转轴，进而实现喷管活动块相对箱体的转动。该结构中，通过手轮、减速箱之间的相互配合，能够为旋转轴提供稳定、可靠的动力，保证喷管活动块的精确运动。同时，本发明的喷管活动块上设置有对位销孔；喷管活动块通过对位销孔、与对位销孔相配合的定位销能与风洞其他部段结构相连以保证喷管活动块的稳定连接。该结构中，喷管固定块与喷管活动块平滑连接，进而保证喷管的型面与风洞其他部段结构具有流线型接触。

进一步，本发明的风洞固块喷管装置还包括悬空平台、爬梯。其中，悬空平台设置在箱体上并用于为作业人员站立提供支撑，爬梯设置在箱体上，作业人员通过爬梯能到达悬空平台，进行相应的作业。

进一步，本发明中，箱体呈中空长方体状且箱体的前后端分别设置有开口，即箱体为由上壁面、左壁面、下壁面、右壁面构成中空的长方体开口结构。

本发明中，喷管固定块与喷管活动块构成单侧喷管组件（即喷管活动块和喷管固定块是喷管单个型面结构的两个组成部分），两个单侧喷管组件对称设置构成喷管主体（即两个对称型面结构组成全副喷管）。

喷管装置更换作业的安装过程中，喷管活动块处于折叠状态，通过动力驱动组件把喷管装置推入轨道平台的安装位置，将喷管装置和风洞其他部段进行外部结构连接。然后，进行喷管活动块的连接工作，需要把喷管活动块展开到工作位置。作业人员对手轮进行旋转，施加力矩并通过减速箱传递到旋转轴上，喷管活动块被驱动并向箱体外展开。当喷管活动块旋转到达预定工作位置后，把销钉打入风洞收缩段结构和对位销孔内，进而实现喷管活动块的准确定位和稳固连接（避免重力和风洞吹风时产生的气动力破坏）。

喷管装置更换作业的移出活动中，需要把处于工作位置的喷管活动块折叠到箱体内。作业人员先要拔出对位销孔内的销钉，再对手轮施加操作，反向旋转手轮，施加力矩并通过减速箱传递到旋转轴上，喷管活动块被驱动向箱体内部折叠；先使下方的喷管活动块折叠到极限位置，然后使上方的喷管活动块折叠到大约自然下垂位置，以避免重力产生的力矩对上方的喷管活动块旋转轴形成破坏；然后，对喷管装置和风洞其他部段的外部结构连接进行脱开操作；最后，通过动力驱动组件把喷管装置推出轨道平台的安装位置。

本发明中，喷管活动块具有折叠和展开功能；当喷管活动块折叠到箱体内部后，喷管装置可以在固定空间条件下无干扰运行；喷管装置与风洞其他部段结构连接以后，喷管活动块可以展开，并通过对位销孔和销钉稳固连接，从而实现在有限的空间体积条件下对喷管装置的更换作业。

本发明中，动力驱动组件包括驱动电机、驱动轮，驱动电机与驱动轮相连且驱动电机能带动驱动轮转动，驱动轮与车架相连且驱动轮能带动车架移动。该结构中，动力驱动组件用于为喷管装置提供行走功能，并具有转动±90°的功能，便于整个喷管装置在横向和竖向分布的轨道中改变运行方向，实现喷管装置的更换。

综上所述，本发明由于采用了上述方案，具有如下优点：

（1）本发明的一种型面可折叠和展开的风洞固块喷管装置，设计清晰、便于操作，结构牢固，使用寿命长；

（2）本发明的一种型面可折叠和展开的风洞固块喷管装置，喷管活动块的设计延长了整副喷管的长度，在气动设计上确保了喷管具有变化平缓的型面曲线外形，解决了原本面临的喷管型面曲线变化剧烈而导致流场不均匀、不可用的难题，新喷管装置可以帮助风洞建立均匀可用的流场；

（3）本发明的风洞固块喷管装置中的喷管活动块具有折叠和展开功能，折叠功能保证了固块喷管装置可以形成常规的外部尺寸，在固定空间条件下实现无干扰的安装或移出作业，展开功能保证了喷管活动块展开到工作位置时，可以形成满足气动设计要求的新喷管型面，帮助风洞实现最高工作马赫数范围的拓展；

（4）本发明的风洞固块喷管装置中的喷管活动块具有定位功能，通过销钉与对位销孔能实现准确定位和安全连接，避免了重力和风洞吹风时产生的气动力对喷管活动块的破坏；

（5）本发明的风洞固块喷管装置中，喷管活动块和喷管固定块与风洞其他部段结构之间贴合紧密，整副喷管型面与风洞其他部段结构配合所形成的流线型光顺，且喷管活动块和喷管固定块之间型面过渡流畅，对流经的气流干扰小，有助于风洞建立合格流场；

（6）本发明的一种型面可折叠和展开的风洞固块喷管装置，对风洞的改动较小，能够显著提供现有风洞的性能，降低相应的风洞改造成本，具有极高的应用价值。

附图说明

图1为高速风洞的相关部段气动轮廓示意图。

图2为原喷管装置的局部示意图。

图3为本发明中喷管装置的局部示意图。

图4 为本发明中喷管装置的整体结构示意图。

图中标记：1、箱体，2、喷管固定块，3、旋转轴，4、喷管活动块，5、对位销孔，6、减速箱，7、手轮，8、悬空平台，9、爬梯，10、车架，11、动力驱动组件。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

高速风洞的喷管段等组成部段的气动轮廓示意图如图1所示。在该图中，风洞各部段的空间位置已经固定，喷管段的位置对应于固块喷管装置的安装位置。原固块喷管装置局部示意图如图2所示。该装置是高速风洞在建设时期设计的原装固块喷管装置结构，其固块喷管和风洞其他部段结构具有原配的流线型面曲线接触，型面曲线变化平缓，能够为风洞建立设计马赫数范围内的合格工作流场。在安装方式上，原固块喷管装置可以直接进入喷管段位置，和风洞的其他部段结构快速连接，也可以和其他部段结构直接脱开，移出喷管段位置。

本发明的固块喷管装置的局部示意图和整体结构示意图分别如图3、图4所示。所发明的风洞固块喷管装置包括箱体、喷管组件、车架、动力驱动组件、悬空平台、爬梯，喷管固定块与喷管活动块相配合且两者平滑连接。由图3可知，本发明的核心部件为喷管活动块，喷管活动块通过旋转轴连接在箱体结构上，可以展开到箱体之外或折叠到箱体之内。该固定块可以展开并固定在收缩段结构上，形成新的流畅的气动型面外形。喷管活动块的设计延长了整副喷管的长度，使新喷管的型面曲线变得平缓，解决了在喷管装置研制过程中原本面临的喷管型面曲线变化剧烈而导致流场不均匀、不可用的难题。图3还显示，喷管的喉道面积相比图2进行了缩小，喉道轴向位置也进行了移动（即上端喷管固定块的最下端相对图2更靠近其中轴线；同理，下端喷管固定块的最上端相对图2更靠近其中轴线），使喉道后的喷管长度获得增加，有利于喉道之后的气流均匀膨胀。

本发明的固块喷管装置的工作原理是：喷管是保证风洞试验段获得设计马赫数的均匀气流的重要部件，其作用就在于使气流等熵加速膨胀，在收缩段将气流从低亚声速均匀加速到声速后，气流从喷管喉部开始加速膨胀，至喷管出口达到所要求的马赫数。面积比保证了所要求达到的马赫数，而喷管的曲线形状保证了气流的均匀度。因此，在对建设成型的高速风洞进行最高工作马赫数范围拓展过程中，需要设计一副具有喉道面积小、型面曲线变化平缓的喷管装置，新设计的喷管进行了轴向加长，获得了变化平缓的型面曲线以及准确的喉道面积，从空气动力学上实现了高速风洞拓展最高工作马赫数范围的目的。

本发明的固块喷管装置，主要的创新点在于喷管活动块的设计。该活动块的设计，既满足了喷管型面必须延长的设计要求，又成功解决了加长的喷管如何进行安装的难题，使在空间位置固定的条件下成功实现了新固块喷管装置的研制。另外，所设计的喷管活动块展开到工作位置时，通过销钉把活动块稳定地固定在喷管段结构上，既可以与收缩段结构形成流线型接触，也可以形成新的流畅的型面曲线，帮助高速风洞成功建立目标工作流场。本装置还可以把喷管活动块折叠到箱体内部，形成和原固块喷管装置相同的外部尺寸，顺利实现安装或移出活动。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。