本發(fā)明涉及tbcc發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道設(shè)計領(lǐng)域，具體為一種單自由度無級可調(diào)tbcc進(jìn)氣道流道控制方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、為滿足高超聲速飛行器可常規(guī)機(jī)場水平起降、寬速域和大空域的需求，渦輪基組合循環(huán)（turbine-based?combined?cycle,tbcc）發(fā)動機(jī)是目前較為可行的技術(shù)方案。它具有渦輪發(fā)動機(jī)和沖壓發(fā)動機(jī)各自的優(yōu)點(diǎn)，滿足高超聲速飛行器的需求。其中，tbcc進(jìn)氣道是tbcc發(fā)動機(jī)的重要組成部件，其主要任務(wù)是對來流減速增壓、向發(fā)動機(jī)提供高品質(zhì)流場，同時進(jìn)行流道調(diào)節(jié)以滿足渦輪和沖壓發(fā)動機(jī)單獨(dú)工作以及二者平穩(wěn)過渡期間的性能需求。為了保證tbcc發(fā)動機(jī)寬速域工作的特性，tbcc進(jìn)氣道應(yīng)具有流道調(diào)節(jié)功能，但受限于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)復(fù)雜性使得進(jìn)氣道可調(diào)部件較少，進(jìn)而使得進(jìn)氣道總體氣動性能較差。

2、為了便于設(shè)計流道調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，目前多采用二元構(gòu)型設(shè)計組合進(jìn)氣道。受作動機(jī)構(gòu)同步復(fù)雜性以及安全性影響，單自由度流道調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是目前組合進(jìn)氣道設(shè)計的主流方式。然而，這在一定程度上限制了組合進(jìn)氣道可調(diào)部件的數(shù)量，最終使得進(jìn)氣道不得不犧牲總體性能以滿足寬速域工作需求。比如，袁化成團(tuán)隊設(shè)計了單自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用以控制第二級激波和喉道截面；譚慧俊團(tuán)隊開發(fā)了二元組合進(jìn)氣道調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了進(jìn)氣道控制，但可調(diào)部件與袁化成團(tuán)隊基本一致；就公開文獻(xiàn)沈陽空氣動力研究院、沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所以及中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院設(shè)計的進(jìn)氣道構(gòu)型基本都是通過單自由度作動機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)最后一道激波和喉道高度，而且進(jìn)氣道性能相對于定幾何進(jìn)氣道大幅下降，如沖壓模態(tài)總壓恢復(fù)系數(shù)基本下降0.05以上。

3、綜上所述，采用傳統(tǒng)方法設(shè)計的組合進(jìn)氣道難以平衡可調(diào)部件數(shù)量與進(jìn)氣道性能之間的矛盾。為了進(jìn)一步提升tbcc進(jìn)氣道與發(fā)動機(jī)的適配性，需要巧妙設(shè)計可調(diào)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多種可調(diào)部件的單自由度控制，以提升進(jìn)氣道氣動性能。本發(fā)明提供了一種單自由度無級可調(diào)tbcc進(jìn)氣道流道控制機(jī)構(gòu)設(shè)計方法，可有效解決傳統(tǒng)設(shè)計方法的不足，有利于進(jìn)一步提升進(jìn)氣道總體氣動性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種單自由度無級可調(diào)tbcc進(jìn)氣道流道控制方法，以便實(shí)現(xiàn)對不同馬赫數(shù)的來流進(jìn)行處理，高效率地向發(fā)動機(jī)提供高品質(zhì)流場。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明的第一個目的是提供一種單自由度無級可調(diào)tbcc進(jìn)氣道流道控制方法，其為：沿來流方向包括依次相連的第一級固定激波斜板1、第二級旋轉(zhuǎn)激波斜板2、第三級伸縮激波斜板3，設(shè)定：進(jìn)氣道前部第一級固定激波斜板1與前體交點(diǎn)為原點(diǎn)，沿進(jìn)氣道的來流方向?yàn)閤正方向，y方向垂直于進(jìn)氣道的來流方向，建立坐標(biāo)系；

4、可調(diào)節(jié)圓弧板11鉸接在第三級伸縮激波斜板3后方；可調(diào)節(jié)唇罩4設(shè)置在可調(diào)節(jié)圓弧板11上方，?第一級固定激波斜板1、第二級旋轉(zhuǎn)激波斜板2、第三級伸縮激波斜板3、可調(diào)節(jié)圓弧板11的上表面和可調(diào)節(jié)唇罩4的下表面之間構(gòu)成進(jìn)氣道型面；

5、第一級固定激波斜板1的兩端位置固定，第二級旋轉(zhuǎn)激波斜板2和第一級固定激波斜板1的連接點(diǎn)a位置固定，第二級旋轉(zhuǎn)激波斜板2和第三級伸縮激波斜板3的連接點(diǎn)b繞點(diǎn)a旋轉(zhuǎn)，b點(diǎn)活動搭接在曲型滑塊12的上表面，點(diǎn)b的位置由曲型滑塊12左右移動時上表面的型面輪廓線決定，

6、點(diǎn)c為可調(diào)節(jié)圓弧板11和第三級伸縮激波斜板3的連接點(diǎn)，第三級伸縮激波斜板3的bc為直線段，

7、還包括控制裝置，控制裝置包括曲型滑塊12、驅(qū)動曲型滑塊12左右移動的左右調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)?；

8、本控制方法為單自由度調(diào)節(jié)，即只需要控制左右調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的位移一個自由度即可同時改變b點(diǎn)和c點(diǎn)的位置，從而調(diào)節(jié)進(jìn)氣道的外壓縮型面，通過調(diào)整b點(diǎn)和c點(diǎn)的位置保證bc和可調(diào)節(jié)圓弧板11在點(diǎn)c相切。

9、作為優(yōu)選方式，所述控制裝置包括曲型滑塊12、滑塊5、直桿10，左右調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為伸縮螺桿9；

10、曲型滑塊12沿x正方向的一側(cè)連接伸縮螺桿9，曲型滑塊12上方和可調(diào)節(jié)圓弧板11之間設(shè)有直桿10，直桿10的頂部鉸接在可調(diào)節(jié)圓弧板11的底部，直桿10的底部在曲型滑塊12上活動設(shè)置，滑槽13位于可調(diào)節(jié)圓弧板11上，滑槽13的形狀和弧度和可調(diào)節(jié)圓弧板11的弧度一致；滑塊5在滑槽13內(nèi)滑動連接；

11、通過轉(zhuǎn)動伸縮螺桿9控制曲型滑塊12前后移動，從而控制直桿10上下移動、及第二級旋轉(zhuǎn)激波斜板2與第三級伸縮激波斜板3的交點(diǎn)b沿曲型滑塊12的上表面移動。

12、作為優(yōu)選方式，y方向限位塊14穿套在直桿10外部，用于限制直桿10只在y方向上運(yùn)動。

13、作為優(yōu)選方式，可調(diào)節(jié)圓弧板11包括可收縮于可調(diào)節(jié)圓弧板11下方、且收縮時左邊界與第三級伸縮激波斜板3平齊的可調(diào)圓弧段15。

14、作為優(yōu)選方式，直桿10的上下位置由曲型滑塊12的型面決定；直桿10高度提高后帶動可調(diào)節(jié)圓弧板11向上，并且使得滑塊5在滑槽13內(nèi)沿滑槽往x負(fù)方向運(yùn)動，第三級伸縮激波斜板3和可調(diào)節(jié)圓弧板11之間在y方向產(chǎn)生間隙，滑槽13位于可調(diào)節(jié)圓弧板11的可調(diào)圓弧段15上，滑塊5插接在可調(diào)圓弧段15的滑槽13內(nèi)，滑塊5向左滑動帶動可調(diào)圓弧段15往左側(cè)運(yùn)動補(bǔ)償可調(diào)節(jié)圓弧板11和第三級伸縮激波斜板3之間的間隙，從而保證bc和可調(diào)節(jié)圓弧板11相切。

15、作為優(yōu)選方式，分流板6的一端搭接在可調(diào)節(jié)圓弧板11上，封閉渦輪通道；或者繞分流板軸心16旋轉(zhuǎn)到上壁面從而封閉沖壓通道。

16、作為優(yōu)選方式，?直桿下端與曲型滑塊12的交點(diǎn)為i點(diǎn)；曲型滑塊12的型面由公式擬合。

17、作為優(yōu)選方式，由來流馬赫數(shù)、飛行高度、捕獲流量得到捕獲面積a0，再結(jié)合進(jìn)氣道寬高比即可得到捕獲截面寬度和高度即唇口點(diǎn)y坐標(biāo)；進(jìn)一步由設(shè)計點(diǎn)最佳波系配置關(guān)系確定各級激波的角度，進(jìn)而根據(jù)捕獲截面高度和各級激波角度并通過幾何關(guān)系確定第一級固定激波斜板1的長度l1和第二級旋轉(zhuǎn)激波斜板2的長度l2；所述第一級固定激波斜板1的傾角θ1由激波關(guān)系式確定，第一級固定激波斜板1與第二級旋轉(zhuǎn)激波斜板2相交于固定點(diǎn)a，坐標(biāo)表達(dá)式為：

18、，

19、所述第二級旋轉(zhuǎn)激波斜板2：受到外力控制圍繞a點(diǎn)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，傾角θ2隨來流馬赫數(shù)變動，具體調(diào)節(jié)規(guī)律由設(shè)計人員根據(jù)不同來流馬赫數(shù)下的氣動性能確定，θ2為第二級旋轉(zhuǎn)激波斜板的水平角；第二級旋轉(zhuǎn)激波斜板2與第三級伸縮激波斜板3相交于點(diǎn)b，點(diǎn)b的坐標(biāo)隨第二級旋轉(zhuǎn)激波斜板變動的，具體表達(dá)式為：

20、；

21、根據(jù)幾何關(guān)系，第二級旋轉(zhuǎn)激波斜板2的傾角θ2根據(jù)第三級伸縮激波斜板3長度與圓弧板半徑r和圓弧板右端點(diǎn)y坐標(biāo)h確定，所述θ2的關(guān)系式如下：

22、??（1）

23、其中，θ3為第三級伸縮激波斜板3的水平角；

24、所述第三級伸縮激波斜板3：受到外力后通過可調(diào)節(jié)圓弧板11右端點(diǎn)y坐標(biāo)h和點(diǎn)b坐標(biāo)調(diào)節(jié)長度l3和傾角θ3來確定第三級伸縮激波斜板3的角度和長度，θ3為第三級伸縮激波斜板3的水平角，由幾何關(guān)系建立長度l3與傾角θ3隨長度l1和l2、傾角θ1和θ2、可調(diào)節(jié)圓弧板11半徑r和可調(diào)節(jié)圓弧板11右端點(diǎn)y坐標(biāo)h的關(guān)系如下：

25、

26、進(jìn)一步根據(jù)h由式（2）得到θ3，進(jìn)一步根據(jù)式（3）確定長度l3。

27、作為優(yōu)選方式，在不同來流馬赫數(shù)下，以最符合工況的型面布置，確定θ1，θ2，θ3，l1,l2,l3,h的值，以及a、b、c、i點(diǎn)的坐標(biāo)；

28、通過多次試驗(yàn)確定b、i點(diǎn)的坐標(biāo)，將坐標(biāo)通過插值擬合成型線?，確定曲型滑塊12的形狀；

29、曲型滑塊12的形狀擬合過程如下：

30、a點(diǎn)坐標(biāo)，b點(diǎn)坐標(biāo)，i點(diǎn)坐標(biāo)，θ1，θ2，θ3，l1,l2,l3,h由下面公式推導(dǎo)所確定：

31、???????????（1.1）

32、；

33、由上述公式可得如下關(guān)系式：

34、;

35、亦可得出a、b、c三點(diǎn)的坐標(biāo)：

36、

37、設(shè) i點(diǎn)與x軸的距離為δh，與y軸的距離為 l，故 i點(diǎn)的坐標(biāo)可表示為： i（l，δh）；

38、當(dāng)右側(cè)曲型滑塊移動時會導(dǎo)致 b點(diǎn)變動，因此 θ 2也會隨之變化；在不同的馬赫數(shù)下曲型滑塊的橫向移動距離為δ x， b點(diǎn)的坐標(biāo)記為；將不同工況下的b、i點(diǎn)坐標(biāo)擬合得到型線，然后根據(jù)型線制作出曲型滑塊；

39、其中，l1為第一級固定激波斜板1長度；l2為第二級旋轉(zhuǎn)激波斜板2長度；l3為第三級伸縮激波斜板3長度；θ1為一級固定激波斜板1與x軸的夾角；θ2為第二級旋轉(zhuǎn)激波斜板2的水平角；θ3為第三級伸縮激波斜板3的水平角;α1為與第三級伸縮激波斜板3相垂直的輔助線與過c點(diǎn)的水平線的夾角；α2為弦長k與過c點(diǎn)的水平線的夾角；w為a點(diǎn)與y軸的距離；m為a點(diǎn)與x軸的距離；e為b點(diǎn)與y軸的距離減去w；n為b點(diǎn)與x軸的距離減去m；p為c點(diǎn)與y軸的距離減去w和e；q為c點(diǎn)與x軸的距離減去m和n；k為圓弧板的弦長；g為過c點(diǎn)的水平線與圓弧板右端點(diǎn)的距離；h為圓弧板右端點(diǎn)與x軸的距離；r為圓弧的半徑；δh為i點(diǎn)的縱坐標(biāo)， l為i點(diǎn)的橫坐標(biāo)；

40、其次，得到b、i兩點(diǎn)坐標(biāo)后通過拉格朗日插值進(jìn)而確定曲型滑塊型線。

41、本發(fā)明的第二個目的是提供一種單自由度無級可調(diào)tbcc進(jìn)氣道流道控制裝置，使用在上述控制方法中，沿來流方向包括依次相連的第一級固定激波斜板1、第二級旋轉(zhuǎn)激波斜板2、第三級伸縮激波斜板3，設(shè)定：進(jìn)氣道前部第一級固定激波斜板1與前體交點(diǎn)為原點(diǎn)，以進(jìn)氣道從第一級固定激波斜板1指向第二級旋轉(zhuǎn)激波斜板2的方向?yàn)閤正方向，遠(yuǎn)離進(jìn)氣道的法向?yàn)閥軸，建立坐標(biāo)系；

42、可調(diào)節(jié)圓弧板11鉸接在第三級伸縮激波斜板3后方；可調(diào)節(jié)唇罩4設(shè)置在可調(diào)節(jié)圓弧板11上方，?第一級固定激波斜板1、第二級旋轉(zhuǎn)激波斜板2、第三級伸縮激波斜板3、可調(diào)節(jié)圓弧板11、可調(diào)節(jié)唇罩4一起圍成整個進(jìn)氣道流道；

43、第一級固定激波斜板1的兩端位置固定，第二級旋轉(zhuǎn)激波斜板2和第一級固定激波斜板1的連接點(diǎn)a位置固定，第二級旋轉(zhuǎn)激波斜板2和第三級伸縮激波斜板3的連接點(diǎn)b繞點(diǎn)a旋轉(zhuǎn)，b點(diǎn)活動搭接在曲型滑塊12的上表面，點(diǎn)b的位置由曲型滑塊12左右移動時上表面的型面輪廓線決定，

44、點(diǎn)c為可調(diào)節(jié)圓弧板11和第三級伸縮激波斜板3的連接點(diǎn)，第三級伸縮激波斜板3的bc為直線段，

45、還包括控制裝置；所述控制裝置包括曲型滑塊12、滑塊5、直桿10，驅(qū)動曲型滑塊12左右移動的伸縮螺桿9?；曲型滑塊12沿x正方向的一側(cè)連接伸縮螺桿9，曲型滑塊12上方和可調(diào)節(jié)圓弧板11之間設(shè)有直桿10，直桿10的頂部鉸接在可調(diào)節(jié)圓弧板11的底部，直桿10的底部在曲型滑塊12上活動設(shè)置，可調(diào)節(jié)圓弧板11包括可收縮于可調(diào)節(jié)圓弧板11下方、且左邊界與c點(diǎn)平齊的可調(diào)圓弧段15；滑槽13位于可調(diào)節(jié)圓弧板11的可調(diào)圓弧段15上，滑塊5插接在可調(diào)圓弧段15的滑槽13內(nèi)，?滑槽13的形狀和弧度和可調(diào)節(jié)圓弧板11的弧度一致；滑塊5在滑槽13內(nèi)滑動連接；

46、本控制裝置為單自由度調(diào)節(jié)，即只需要控制伸縮螺桿9的位移一個自由度即可同時改變b點(diǎn)和c點(diǎn)的位置，從而調(diào)節(jié)進(jìn)氣道的外壓縮型面，通過調(diào)整b點(diǎn)和c點(diǎn)的位置保證bc和可調(diào)節(jié)圓弧板11在點(diǎn)c相切。

47、利用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下有益技術(shù)效果：

48、通過本發(fā)明的單自由度無級可調(diào)tbcc進(jìn)氣道流道控制方法，不僅可以實(shí)現(xiàn)對來流的控制，以便于高效率地向渦輪發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)或沖壓發(fā)動機(jī)的燃燒室提供一定壓力、溫度、速度和流量的空氣，填補(bǔ)了tbcc進(jìn)氣道領(lǐng)域的部分空白，而且可以僅通過控制一個自由度就實(shí)現(xiàn)對兩級激波斜板和喉道的控制，為往后的更多設(shè)計提供參考。