基于静子和转子结构的进气道试验出口脉动反压产生装置

1.本发明涉及进气道试验技术领域，具体涉及一种基于静子和转子进气道试验出口脉动反压产生装置。


背景技术：

2.超燃冲压发动机主要由进气道，隔离段，燃烧室和尾喷管组成，由于隔离段出口直接与燃烧室相连，而燃烧室内通常会出现非稳定的燃烧，导致隔离段出口背压出现脉动，其脉动频率范围在100hz～500hz之间，而直接开展进气道，隔离段与燃烧室一体化不仅试验成本高，安全性差，而且脉动规律难以控制，因此需要在进气道试验中开发一套简单可靠的出口脉动反压产生装置。
3.目前的已经实现的进气道试验出口脉动反压产生方法主要有三种，第一种是在进气道出口通过步进电机控制节流装置，从而实现周期性反压，但其脉动频率较低，通常100hz以下，无法满足高频脉动反压的需求。
4.第二种是通过旋转不同形状的杆件来实现，目前常用的椭圆杆件的最宽频率范围为12hz～124hz，依旧无法覆盖真实的进气道出口脉动反压的频率范围。
5.第三种是在进气道出口的下游设置节流叶片，通过单个叶片周期性堵塞出口气流实现脉动反压。熊冰在其博士论文《隔离段内激波串受迫振荡特性研究》详细描述了这一脉动反压产生装置，其试验所能达到的频率范围为15hz～300hz，图1为装置示意图。虽然能实现高频脉动，但是此方案的依旧存在以下缺点，首先由于叶片要遮挡整个进气道出口，单个叶片大小与进气道出口大小相当，因此整个脉动反压产生装置的体积较大，如果在风洞开展进气道试验可能会因堵塞度太大而导致风洞不起动。第二点是由于每次节流是单个叶片堵塞进气道出口气流，因此叶片受力不均匀，会在高频条件下出现振动问题。


技术实现要素：

6.为解决上述问题，本发明提供了一种基于静子和转子结构的进气道试验出口脉动反压产生装置，目的是为了在实现高频脉动激励的同时，减小脉动反压产生装置的体积并使得叶片受力均匀，为进气道风洞相关试验提供新方法。
7.技术方案：为达到上述目的，本发明可采用如下技术方案：
8.一种基于静子和转子结构的进气道试验出口脉动反压产生装置，包括进气道出口段、静子、转子以及驱动转子旋转的驱动机构；静子安装于进气道出口段末端，所述静子包括向进气道出口段内延伸的导流锥及位于进气道出口段末端的出气端，该出气端包括若干开口以及导流锥面，每个开口的面积与形状均相同且均匀的围绕静子中轴线设置；所述转子与静子同轴安装，转子设有若干叶片，每个叶片的形状及尺寸均相同且均匀的围绕转子中轴线设置；在转子旋转过程中，转子与静子的相对位置周期性改变。
9.进一步的，所述进气道出口段为扩张段，出口为圆形。
10.进一步的，所述静子带有半锥角为15
°
～25
°
的导流锥，面向气流的出气端存在导
流锥面，锥面之间的夹角为50～60
°
，背向气流的叶片端为平面且与进气道出口端面平行。
11.进一步的，静子叶片数量大于2且等角度圆周分布，叶片中心存在圆柱形盲孔。
12.进一步的，所述转子的开口数量大于2且等角度圆周分布，转子的中心存在螺纹孔。
13.进一步的，静子和转子的中心轴线重合，静子与转子的中心均设有中心圆环，转子的中心圆环外径小于静子的中心圆环外径，减小转子与静子之间间距，脉动反压的振幅增加；增大转子叶片的外径或宽度，脉动反压的振幅增加。
14.进一步的，所述的驱动机构为航模无刷电机，转子叶片中心与航模无刷电机的驱动轴之间通过螺纹连接后并且在前后安装螺母锁紧，电机的旋转速度通过调节给定的电压值控制，旋转方向通过调整接线方式来改变，改变叶片旋转速度实现脉动反压频率的调节。
15.进一步的，所述进气道出口段与进气道的隔离段连接。
16.进一步的，所述静子的开口形状为扇形。
17.进一步的，所述转子的叶片为长方体，且相邻两叶片之间呈三角形的夹角。
18.与现有技术中采用的节流叶片相比，本发明主要优点有：
19.(1)本发明的脉动反压产生装置直接安装在进气道出口下游，与进气道一体化程度更高，脉动反压产生装置的体积明显减小，减小了在风洞中的堵塞度，更有利于在风洞中开展进气道相关试验；
20.(2)叶片受力更加均匀，在旋转过程中脉动反压产生装置更为平稳；
21.(3)脉动反压产生结构更为简单，静子和转子结构更换更为方便；
22.(4)试验成本更低。
附图说明
23.图1是现有技术中一种脉动反压产生装置(节流叶片结构)示意图；
24.图2是本发明基于静子和转子结构的脉动反压产生装置结构示意图；
25.图3是本发明静子和转子结构示意图；
26.图4是本发明静子导流锥半锥角及出气端导流锥面角的角度示意图；
27.图5是风洞试验条件下叶片转速为680rpm，在管道内一处测得的压力脉动及频谱分析结果示意图；
28.图6是风洞试验条件下叶片转速为4170rpm，在管道内一处测得的压力脉动及频谱分析结果示意图。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
30.参考图2至图3所示，为本发明基于静子和转子结构的进气道试验出口脉动反压产生装置，包括进气道出口段1、静子2、转子3以及驱动转子旋转的驱动机构4；静子2安装于进气道出口段1末端，所述静子2包括向进气道出口段1内延伸的导流锥21及位于进气道出口段1末端的出气端22。该出气端22包括若干开口23，每个开口23的面积与形状均相同且均匀的围绕静子2中轴线设置。在本实施方式中，转子叶片31为8片，静子2的开口23也为8个，并且呈等角度圆周分布。静子2的后端面与转子叶片31的前端面均为平面且平行于进气道出
口端面。静子的开口23形状为扇形。转子的叶片31为长方体，且相邻两叶片31之间呈三角形的夹角。
31.所述转子与静子同轴安装，转子设有若干叶片31，每个叶片31的形状及尺寸均相同且均匀的围绕转子3中轴线设置。驱动机构采用的航模无刷电机，转子叶片31中心与航模无刷电机4的驱动轴之间通过螺纹连接后并且在前后安装螺母锁紧，电机的旋转速度通过给定的电压值控制，旋转方向通过调整接线方式来改变，改变叶片31旋转速度可实现脉动反压频率的调节。经风洞试验测试，本实例中能够产生的脉动反压频率范围为90.2hz～556.1hz，完全覆盖了真实燃烧条件下的出口脉动反压的频率范围。
32.本实例中静子的导流锥半锥角为15度，面向气流的出气端存在导流锥面，锥面之间的夹角为58.5
°
，背向气流的叶片端为平面且与进气道出口端面平行，静子和转子的中心轴线重合，静子与转子的中心均设有中心圆环，转子的中心圆环外径小于静子的中心圆环外径，当前叶片布置方式使得转子叶片31旋转过程中受力更加均匀并且单个叶片31的大小明显减小。
33.在转子叶片旋转过程中，当静子的开口23被转子叶片31遮挡的面积最大时，对出口气流堵塞度最高，脉动压力达到峰值，当静子的开口23被转子叶片31遮挡的面积最小时，对出口气流堵塞度最低，脉动压力达到谷值。
34.在本实例中所述航模无刷电机4为朗宇系列v2216-kv800无刷电机，其外径仅有27.5mm，大大减小了脉动反压产生装置的体积。
35.在本实例中，减小转子叶片31与静子开口23之间间距，脉动反压的振幅增加；增大转子叶片31的外径或宽度，脉动反压的振幅增加。
36.图4和图5给出了航模电机转速为680rpm以及4170rpm时风洞试验条件下进气道通道内一处测得的脉动压力及其对应的频谱特性图。首先观察脉动压力变化可以看出每个周期内压力变化基本一致，因此便于开展进气道基础性试验研究。另外根据叶片数量，可以换算得到两个转速下对应的频率分别为90.7hz和556.0hz，与试验测得的90.2hz和556.1hz非常接近，即调节转子转速可以得到预期的出口脉动频率。
37.本发明的具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于静子和转子结构的进气道试验出口脉动反压产生装置，其特征在于，包括进气道出口段(1)、静子(2)、转子(3)以及驱动转子旋转的驱动机构(4)；静子(2)安装于进气道出口段末端，所述静子包括向进气道出口段内延伸的导流锥(21)及位于进气道出口段末端的出气端(22)，该出气端包括若干开口(23)以及导流锥面(24)，每个开口的面积与形状均相同且均匀的围绕静子中轴线设置；所述转子与静子同轴安装，转子设有若干叶片(31)，每个叶片的形状及尺寸均相同且均匀的围绕转子中轴线设置；在转子旋转过程中，转子与静子的相对位置周期性改变。2.根据权利要求1所述的进气道试验出口脉动反压产生装置，其特征在于：所述进气道出口段为扩张段，出口为圆形。3.根据权利要求1所述的进气道试验出口脉动反压产生装置，其特征在于：所述静子(2)带有半锥角为15
°
～25
°
的导流锥(21)，面向气流的出气端存在导流锥面(24)，锥面之间的夹角为50～60
°
，背向气流的叶片端为平面且与进气道出口端面平行。4.根据权利要求3所述的进气道试验出口脉动反压产生装置，其特征在于：静子叶片数量大于2且等角度圆周分布，叶片中心存在圆柱形盲孔。5.根据权利要求1所述的进气道试验出口脉动反压产生装置，其特征在于：所述转子(3)的开口数量大于2且等角度圆周分布，转子的中心存在螺纹孔。6.根据权利要求5所述的进气道试验出口脉动反压产生装置，其特征在于：静子和转子的中心轴线重合，静子与转子的中心均设有中心圆环，转子的中心圆环外径小于静子的中心圆环外径，减小转子与静子之间间距，脉动反压的振幅增加；增大转子叶片的外径或宽度，脉动反压的振幅增加。7.根据权利要求1所述的进气道试验出口脉动反压产生装置，其特征在于：所述的驱动机构(4)为航模无刷电机，转子叶片中心与航模无刷电机的驱动轴之间通过螺纹连接后并且在前后安装螺母锁紧，电机的旋转速度通过调节给定的电压值控制，旋转方向通过调整接线方式来改变，改变叶片旋转速度实现脉动反压频率的调节。8.根据权利要求1所述的进气道试验出口脉动反压产生装置，其特征在于：所述进气道出口段与进气道的隔离段连接。9.根据权利要求1所述的进气道试验出口脉动反压产生装置，其特征在于：所述静子的开口形状为扇形。10.根据权利要求1所述的进气道试验出口脉动反压产生装置，其特征在于：所述转子的叶片为长方体，且相邻两叶片之间呈三角形的夹角。

技术总结
本发明公开了一种基于静子和转子结构的进气道试验出口脉动反压产生装置，包括进气道出口段、带有导流锥和叶片的静子、带有叶片的转子、驱动机构。其中转子叶片在驱动机构的驱动下旋转，转子与静子的相对位置的周期性改变可实现周期性节流，从而产生周期性的脉动反压。与现有技术中采用的节流叶片方法相比，在实现更宽频率范围的同时，脉动反压产生装置直接安装在进气道出口下游，与进气道一体化程度更高，脉动反压产生装置的体积明显减小，减小了在风洞中的堵塞度，更有利于在风洞中开展进气道相关试验；叶片受力更加均匀，在旋转过程中脉动反压产生装置更为平稳；脉动反压产生结构更为简单，静子和转子结构更换更为方便；降低了试验成本。低了试验成本。低了试验成本。


技术研发人员：何小明 于航 谭慧俊 张悦 张豪 李鑫 李方波
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/4