申请/专利权人：北京航天三发高科技有限公司

申请日：2017-06-25

公开（公告）日：2023-05-23

公开（公告）号：CN107120210B

主分类号：F02K1/40

分类号：F02K1/40

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2023.05.23#授权;2018.01.05#实质审查的生效;2017.09.01#公开

摘要：一种超音速喷管，固定连接的入口等直段，亚音速收敛段，初始超音速膨胀段和超音速膨胀段均为中空回转体且回转轴相同；亚音速收敛段的内部流道为连续收缩的圆弧的轴回转曲面，初始超音速膨胀段的内部流道为连续扩张的圆弧的轴回转曲面，超音速膨胀段的内部流道为圆台面；亚音速收敛段圆弧的半径与初始超音速膨胀段圆弧的半径相同，亚音速收敛段和初始超音速膨胀段内部流道连接截面为喉道的截面；超音速膨胀段的内部流道圆台的母线与初始超音速膨胀段内部流道连续扩张圆弧的尾端相切。本发明的超音速喷管在保证气体总压与传统拉瓦尔喷气体总压损失基本相同的情况下，制作难度和成本会大幅降低，可用于超音速喷管量产。

主权项：1.一种超音速喷管，其特征在于，包括依次同轴固定连接的入口等直段1，亚音速收敛段2，初始超音速膨胀段4和超音速膨胀段5；所述入口等直段1，亚音速收敛段2，初始超音速膨胀段4和超音速膨胀段5均为中空回转体，所述入口等直段1，亚音速收敛段2，初始超音速膨胀段4和超音速膨胀段5的回转轴相同；所述亚音速收敛段2的内部流道为连续收缩的圆弧的轴回转曲面，所述初始超音速膨胀段4的内部流道为连续扩张的圆弧的轴回转曲面，所述超音速膨胀段5的内部流道为圆台面；亚音速收敛段2内部流道连续收缩圆弧的半径与初始超音速膨胀段4内部流道连续扩张圆弧的半径相同，所述亚音速收敛段2和初始超音速膨胀段4的内部流道连接截面为喉道3的截面；超音速膨胀段5的内部流道圆台的母线与初始超音速膨胀段4内部流道连续扩张圆弧的尾端相切；所述喷管流道的内部尺寸满足如下条件：喷管的回转轴与X轴重合，Y轴与X轴在喉道3的截面上垂直相交于O点，喷管入口直径为do，喉道3的直径为dackp，Yt为Y轴上喉道3半径，Xb为X轴上O点至喷管出口的距离，p点为超音速膨胀段5的内部流道圆台的母线与初始超音速膨胀段4内部流道连续扩张圆弧的尾端相切的切点，亚音速收敛段2内部流道连续收缩圆弧的半径与初始超音速膨胀段4内部流道连续扩张圆弧的半径相同，均为R，超音速膨胀段5的内部流道圆台面的母线与X轴的夹角为β，喷管出口直径为da；其中，喷管入口直径和喉道3的直径已知，所述p点的横坐标和纵坐标分别为Xp和Yp，所述Xp和Yp满足下式：Xp＝RsinβYp＝R+Yt-Rcosβ喷管出口直径b点的横坐标和纵坐标分别为Xb和Yb，所述Xb和Yb满足下式：Xb＝Xp+0.5da-XptanβYb＝0.5da；亚音速收敛段2内部流道连续收缩圆弧的半径至少为所述喉道3直径的4倍。

全文数据：一种超音速喷管技术领域[0001]本发明涉及喷管，具体涉及一种超音速喷管。背景技术[0002]随着发动机的日趋成熟，超音速发动机的应用日趋广泛，在此基础上，用于飞机尤其是无人机的超音速发动机以及发动机地面试验时，均涉及到超音速喷管的使用，而真正意义上的超音速喷管，其内部流道需满足拉瓦尔喷管的流道几何参数要求，而传统意义上的拉瓦尔喷管，其流道曲面变化复杂，加工难度极高，从而导致成本大幅增加，无法实现量产，现有技术中，为了降低成本，实现超音速喷管的量产，将超音速喷管的内部流道由拉瓦尔喷管曲面简化为依次固定连接的内部流道为收敛圆台面的收敛段，内部流道为圆柱面的等直段和内部流道为扩张圆台面的扩张段，这虽然降低了成本，直线收敛段、扩张段的设置导致气体的总压大幅损失，不具备经济性和环保性。发明内容[0003]本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供一种超音速喷管。[0004]本发明的技术解决方案是：一种超音速喷管，包括依次同轴固定连接的入口等直段，亚音速收敛段，初始超音速膨胀段和超音速膨胀段；[0005]所述入口等直段，亚音速收敛段，初始超音速膨胀段和超音速膨胀段均为中空回转体，所述入口等直段，亚音速收敛段，初始超音速膨胀段和超音速膨胀段的回转轴相同；[0006]所述亚音速收敛段的内部流道为连续收缩的圆弧的轴回转曲面，所述初始超音速膨胀段的内部流道为连续扩张的圆弧的轴回转曲面，所述超音速膨胀段的内部流道为圆台面；[0007]亚音速收敛段内部流道连续收缩圆弧的半径与初始超音速膨胀段内部流道连续扩张圆弧的半径相同，所述亚音速收敛段和初始超音速膨胀段的内部流道连接截面为喉道的截面;超音速膨胀段的内部流道圆台的母线与初始超音速膨胀段内部流道连续扩张圆弧的尾端相切。[0008]亚音速气体经喷管入口，即入口等直段入口进入，通过亚音速收敛段加速至喉道达到音速后，经初始超音速膨胀段和超音速膨胀段膨胀后达到超音速。[0009]进一步的，所述喷管流道的内部尺寸满足如下条件：[0010]喷管的回转轴与x轴重合，Y轴与X轴在喉道界面上垂直相交于0点，喷管入口直径为do，喉道的直径为dackp，代为¥轴上喉道半径，Xb*x轴上〇点至喷管出口的距离，？点为超音速膨胀段的内部流道圆台的母线与初始超音速膨胀段内部流道连续扩张圆弧的尾端相切的切点，亚音速收敛段内部流道连续收缩圆弧的半径与初始超音速膨胀段内部流道连续扩张圆弧的半径相同，均为R，超音速膨胀段的内部流道圆台面的母线与x轴的夹角为I喷管出口直径为da;其中，喷管入口直径和喉道的直径已知，[0011]所述p点的横坐标和纵坐标分别为Xp和Yp，所述Xp和Yp满足下式：[0012]Xp=Rsinf3[0013]Yp=R+Yt-Rcos0[0014]喷管出口直径b点的横坐标和纵坐标分别为XjPYb，所述Xb和Yb满足下式：[0015]Xb=Xp+0.5da-XptanP[0016]Yb=0.5da[0017]进一步的，亚音速收敛段内部流道连续收缩圆弧的半径至少为所述喉道直径的4倍。[0018]进一步的，超音速膨胀段的内部流道圆台面的母线与超音速膨胀段的回转轴的角度大于等于6°，小于等于8°。[0019]本发明与现有技术相比的优点在于：[0020]本发明的超音速喷管通过合理简化拉瓦尔喷管型面，即亚声速收敛段采用连续收缩的圆弧轴对称曲面，初始膨胀和超声速段型面采用圆弧加直线的轴对称曲面的简化方法，达到气流从声速面开始形成泉流膨胀再发展到设计点马赫数，当气流通过泉流区完成初步膨胀，继续保持其膨胀角不变的条件下进一步使气流膨胀到设计点马赫数，在保证气体总压与传统拉瓦尔喷气体总压损失基本相同的情况下，制作难度和成本会大幅降低，可用于超音速喷管量产。附图说明[0021]图1为本发明的超音速喷管的结构示意图。[0022]图2为本发明的超音速喷管内部流道几何型面示意图。具体实施方式[0023]如图1_2所示，一种超音速喷管，包括依次同轴固定连接的入口等直段i，亚音速收敛段2，初始超音速膨胀段4和超音速膨胀段5;所述入口等直段丨，亚音速收敛段2，初始超音速膨胀段4和超音速膨胀段5均为中空回转体，所述入口等直段丨，亚音速收敛段2，初始超音速膨胀段4和超音速膨胀段5的回转轴相同；所述亚音速收敛段2的内部流道为连续收缩的圆弧的轴回转曲面，所述初始超音速膨胀段4的内部流道为连续扩张的圆弧的轴回转曲面，所述超^速膨胀段5的内部流道为圆台面;亚音速收敛段2内部流道连续收缩圆弧的半径与初始超首速膨胀段4内部流道连续扩张圆弧的半径相同，所述亚音速收敛段2和初始超音速膨胀^4的内部流道连接截面为喉道3的截面;超音速膨胀段5的内部流道圆台的母线与初始超音速膨胀段4内部流道连续扩张圆弧的尾端相切。100241优选的，所述喷管流道的内部尺寸满足如下条件：[0025]喷管的回转轴与X轴重合，Y轴与X轴在喉道界面3上垂直相交于〇点，喷管入口直径，do，喉道3的直径为dackp，Yt为Y轴上喉道3半径，Xb*X轴上0点至喷管出口的距离，p点为超音速膨胀段5的内部流道圆台的母线与初始超音速膨胀段4内部流道连续扩张圆弧白勺'尾端相切的切点，亚音速收敛段2内部流道连续收缩圆弧的半径与初始超音速膨胀段4内部流道连续扩张圆弧的半径相同，均为R，超音速膨胀段5的内部流道圆台面的母线与x轴的0，喷管出口直径为da;其中，喷管入口直径和喉道3的直径己知，扪灭角力[0026]所述P点的横坐标和纵坐标分别为Xp和Yp，所述Xp和Yp满足下式：[0027]Xp=RsinP[0028]Yp=R+Yt—RcosP[0029]喷管出口直径b点的横坐标和纵坐标分别为x^Yb，所述xb_pYlJ|足下式：[0030]Xb=Xp+0.5da-XptanP[0031]Yb=0.5da[0032]优选的，亚音速收敛段2内部流道连续收缩圆弧的半径至少为所述喉道3直径的4倍。[0033]优选的，超音速膨胀段5的内部流道圆台面的母线与超音速膨胀段5的回转轴的角度大于等于6°，小于等于8°。[0034]本发明的超音速喷管的工作过程如下：亚音速气体经喷管入口，即入□等直段入口进入，通过亚音速收敛段加速至喉道达到音速后，经初始超音速膨胀段初始膨胀，当气流通过泉流区完成初步膨胀，继续保持其膨胀角不变的条件下进一步使气流膨胀到设计点马赫数，由喷管出口即超音速膨胀段出口喷出。^[0035]本发明说明书中未详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

权利要求：1.一种超音速喷管，其特征在于，包括依次同轴固定连接的入口等直段（1，亚音速收敛段2，初始超音速膨胀段⑷和超音速膨胀段5;所述入口等直段（1，亚音速收敛段2，初始超音速膨胀段4和超音速膨胀段5均为中空回转体，所述入口等直段（1，亚音速收敛段2，初始超音速膨胀段⑷和超音速膨胀段⑸的回转轴相同；所述亚音速收敛段2的内部流道为连续收缩的圆弧的轴回转曲面，所述初始超音速膨胀段⑷的内部流道为连续扩张的圆弧的轴回转曲面，所述超音速膨胀段⑸的内部流道为圆台面；亚音速收敛段2内部流道连续收缩圆弧的半径与初始超音速膨胀段4内部流道连续扩张圆弧的半径相同，所述亚音速收敛段⑵和初始超音速膨胀段⑷的内部流道连接截面为喉道⑶的截面;超音速膨胀段⑸的内部流道圆台的母线与初始超音速膨胀段4内部流道连续扩张圆弧的尾端相切。2.根据权利要求1所述的喷管，其特征在于:所述喷管流道的内部尺寸满足如下条件：喷管的回转轴与X轴重合，Y轴与X轴在喉道界面3上垂直相交于0点，喷管入口直径为do,喉道⑶的直径为dackp，Yt为Y轴上喉道⑶半径，Xb为X轴上0点至喷管出口的距离，p点为超音速膨胀段5的内部流道圆台的母线与初始超音速膨胀段4内部流道连续扩张圆弧的尾端相切的切点，亚音速收敛段2内部流道连续收缩圆弧的半径与初始超音速膨胀段⑷内部流道连续扩张圆弧的半径相同，均为R，超音速膨胀段⑸的内部流道圆台面的母线与X轴的夹角为0，喷管出口直径为da;其中，喷管入口直径和喉道⑶的直径己知，所述P点的横坐标和纵坐标分别为Xp和Yp，所述Xp和Yp满足下式：Xp=Rsin旦Yp二R+Yt-RcosP喷管出口直径b点的横坐标和纵坐标分别为Xb和Yb，所述Xb和Yb满足下式：Xb=Xp+0.5da-XptanPYb二0.5da3.根据权利要求1所述的喷管，其特征在于：亚音速收敛段2内部流道连续收缩圆弧的半径至少为所述喉道3直径的4倍。4.根据权利要求1所述的喷管，其特征在于:超音速膨胀段5的内部流道圆台面的母线与超音速膨胀段5的回转轴的角度大于等于6°，小于等于8。。

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