用于引擎机舱的自适应流控制的制作方法

1.本发明总体上涉及采用具有入口长度与引擎风扇直径(l/d)的低比率的入口的飞机风扇喷射推进的领域，更具体地，涉及一种入口流控制系统，所述入口流控制系统在风扇入口的内表面上采用流控制装置阵列，用于减轻由于侧风、高迎角和地面涡流而在低速运行时入口中的流畸变。


背景技术：

2.现代商用飞机主要采用风扇喷射引擎。目前的入口设计成具有高的入口长度比引擎风扇直径(l/d)值。大于0.5l/d是目前的引擎在侧风和其他飞行状况下保持风扇表面所需流剖面的典型情况。将来的入口预计采用低于0.5的l/d。l/d的下限似乎存在于目前的入口设计能力中，该能力基于在低速起飞和着陆状况下减轻入口内流畸变所需的入口长度。然而，小于目前下限的l/d将在空气动力学方面改善任务的所有其他部分(1小时商用飞行剖面的97％任务剖面)。由于较低的l/d，空气动力性能的提高减少了飞机的燃料消耗。目前的入口的设计满足上述低速起飞和着陆要求(典型商用飞机飞行约两分钟)，并且因此在爬升/巡航/下降飞行阶段过度设计。由于阻力和重量的增加，这种“过度设计”会在整个任务的剩余时间内导致燃料消耗的惩罚。
3.目前应用于飞机入口的流控制解决方案提供了具有固定流控制装置配置的非模块化设计。由于分离的流区域是动态的，并且可能在入口内移动的事实，因此任何给定的流控制输入可能会变得更低效(或者可能无效)。因此，现有的流控制解决方案可能会“缺少”分离区域。这样的系统配置要求，为了在不同的飞行状况下继续成功地对抗流分离，增加流控制系统的输出，从而增加输入(例如，对于气动流控制系统，更高的输入质量流速度)。因此，此类系统可能会影响尺寸、重量和功率要求。


技术实现要素：

4.入口流畸变控制系统的示例性实施方式采用多个流控制装置，形成集成在入口内表面中的至少一个阵列。至少一个阵列相对于入口的法向流动轴在方位角范围上延伸，并且具有与入口的突出部分(highlight)以增加的距离间隔开的多个周向行。控制系统可操作地连接到流控制装置，并且适于响应于预定的飞行状况来激活阵列的所选子阵列中的流控制装置。
5.示例性实施方式提供了一种用于低l/d风扇喷射入口中的流控制的方法。在控制器中接收状态信号和质量流信号。响应于状态和质量流信号，来自控制器的控制输出被发送到入口内表面上的阵列中的多个流控制装置中的一个或多个，并且入口中的流畸变减少。
附图说明
6.已经讨论的特征、功能和优点可以在各种实施方式中独立地实现，或者可在其它
实施方式中组合，其进一步细节可以参考以下描述和附图来看到。
7.图1是具有高旁通比涡扇引擎的商用飞机的图示，其中采用了引擎机舱自适应流控制的示例实施方式；
8.图2是引擎机舱入口的图示，展示了在示例实施方式中采用的流控制装置的阵列；
9.图3是在入口的角部段(angular segment)上实施的流控制装置的横向阵列的平面示意图；
10.图4是在各种质量流率和侧风状况下入口中的流畸变模式的表示；
11.图5是无侧风和30节侧风状况下的入口畸变系数曲线图；
12.图6a至图6c是用于在不同质量流率下激活以进行侧风补偿的流控制装置的子阵列的平面示意图；
13.图7a至图7c是对应于图6a至图6c中的子阵列激活的最大入口畸变系数的曲线图；
14.图8a是通过在选定质量流率上激活不同子阵列以进行最大入口畸变校正的曲线图；
15.图8b是在图8a所示的具有30kt侧风状况和施加控制的各种入口质量流率下入口中改进的流畸变模式的表示；
16.图9是用于高迎角或地面涡流场景下的流控制的流控制装置的底部阵列的平面示意图；
17.图10是示例控制系统的框图；
18.图11a至图11d是在入口内表面和压力室之间间隔开的同心圆柱体的表示，用于控制作为流控制装置的流喷口的喷射致动；
19.图11e至图11o是环形穿孔板的表示，其通过入口内表面和压力室之间的导管控制流通信，用于控制作为流控制装置的流喷口的喷射致动；
20.图12是形成流控制装置阵列的流喷口的单独控制的表示；
21.图13是作为流控制装置的歧管流流喷口的控制的表示；
22.图14是形成流控制装置阵列的单个合成喷口的控制的表示；
23.图15是作为流控制装置阵列的单个展开式涡流生成器的控制的表示；以及
24.图16是用于低l/d风扇喷射入口中的流控制的方法的流程图。
具体实施方式
25.本文所描述的实施方式提供集成在入口的内表面的一个或多个方位角径向流控制装置阵列。基于全飞行包线上的流分离域确定流控制阵列的总方位角
‑
径向覆盖，并且可以在特定实现的流状态下激活阵列的子集或控制配置。
26.参考附图，图1描绘了采用具有超短机舱14的高旁通比涡扇引擎12的大型商用飞机10，其中采用如本文所描述的实施方式。虽然本文所描述的实施方式涉及商用飞机，但本公开适用于任何低l/d应用或具有不对称流畸变的其它入口。如图2所见，多个流控制装置16集成在超短机舱14的入口20的内表面18中，形成一个或多个阵列(后面将更详细地描述)，从入口的突出部分21(或边缘)轴向向后延伸。入口20具有法向流动轴(normal flow axis)15。如本文所定义，“流控制装置”可包括气动喷口、流体振荡器、稳定喷口、非稳定脉冲喷口、基于非气动的流控制系统和零净质量流装置，诸如电子合成喷口或识别系统的组
合。在替代实施方案中，可展开涡流生成器的阵列或其他机械装置(销等)可代替流体喷口的孔。这些装置可以被收起，与入口的内表面齐平，然后以阵列内的模式展开，以实现所需的流动方式。这样的机械装置也可以以变化的频率周期性地展开和收起。可操作地连接到流控制装置16的控制系统(随后将更详细地描述)适于响应由预定飞行状况或入口20内的测量流参数指示的入口流状态来激活或调制所选子阵列中的流控制装置。
27.图3在平面布置图中示出了位于入口20的内表面18上的左右流控制装置阵列22a、22b。右阵列22a在基于右侧风(本文中相对于附图定义为从右向左流动)的示例流分离域确定的方位角范围23a(相对于用于示例实施方式的法向流动轴15在40
°
和150
°
之间)上延伸，而左阵列22b在基于左侧风(本文中相对于附图定义为从左向右流动)的流分离域确定的方位角范围23b(用于示例实施方式在40
°
和150
°
之间)上延伸。每个阵列22a、22b采用从入口的突出部分(highlight)21以增加的第一、第二、第三和第四轴向距离26a、26b、26c、26d间隔开的多个周向行24a、24b、24c、24d。描述左阵列22b，周向行24a和24b具有在阵列的全方位角范围上延伸的流控制装置的第一布置。行24c具有以270
°
为中心减少的方位角范围，并且在260
°
和280
°
之间延伸，而行24d具有进一步减少的方位角范围(所示示例中为270
°
处的单喷口)。对于示例实施方式，每行在范围内的每10
°
方位角处具有流控制装置16。尽管在用于示例实施方式的附图中示出为圆形孔，但是流控制装置16可具有开槽孔或替代的几何配置。
28.图3所示的实施方式提供了用于响应相对于法向流动轴15的左右侧风流的矢量分量的左和右阵列。图4示出了在质量流率(定义为无量纲化为质量流率除以入口的最大质量流率)为图401；图402；和图403的具有0kt的侧风的左侧风分量入口中的流畸变的可视化。该图示出在0kt侧风情况下流入入口的非常小的畸变。然而，当流率图404；图405；和图406时，具有30kt的侧风分量存在显著畸变。
29.出于定量描述本文中的流畸变的目的，入口畸变系数idc定义为其中，是平均压力，p
min
是第i个环上的最小压力(在恒定半径的周向环上测量)。定义为idc
max
的最大畸变对应于最大idc，并产生入口看到的最大周向畸变。图5提供了在所描述的实施方式中没有激活流控制装置16的基线状况的0kt状况(迹线502)和30kt状况(迹线504)的idc
max
的图。
30.如图6a至图6c所示，完成左阵列22b内的子阵列中的流控制装置16的选择性激活，以减轻由相对于图4和图5所述的左侧风分量产生的流畸变。对于附图中所示的示例，图6a中所示的第一子阵列28a的激活导致如图7a中所示为迹线701的整个质量流范围上的idc
max
的修改。类似地，图6b中所示的第二子阵列28b的激活导致如图7b中所示为迹线702的idc
max
的修改，而图6c中所示的第三子阵列28c的激活导致如图7c中所示为迹线703的idc
max
的修改。在一个示例控制场景中，取决于质量流范围在激活的子阵列之间进行切换；第一子阵列28a在质量流率介于0和0.48之间时激活，第二子阵列28b在质量流率介于0.48和0.82之间时激活，第三子阵列28c在质量流率介于0.82和1之间时激活。这导致如图8所示的idc
max
的修改，其中迹线段801与激活第一子阵列28a的0到0.48的流范围上的idc
max
修改有关，迹线
段802与激活第二子阵列28b的0.48到0.82的流范围上的idc
max
修改有关，并且迹线段803与激活第三子阵列28c的0.82到1.0的流范围上的idc
max
有关。整个流范围上idc
max
的总体减少被优化。由此产生的流畸变的减少如图8b所示。在其它实施方式中(或在所示实施方式的替代操作中)，子阵列中的流控制装置的各种组合和子阵列的单个或组合激活可被采用用于基于侧风速率和入口质量流率的变化状况来调整流校正。
31.用于右侧风分量的阵列22a的操作与所描述的用于左侧风分量的阵列22b的操作相似。
32.在替代实施方案中，单独地或除了用于侧风畸变校正的流控制装置阵列22a、22b之外，可以在入口内表面底部上的方位角范围23c中采用一个或多个流控制装置阵列22c，例如，如图9所示作为示例，130
°
至230
°
以适应控制由于高迎角(飞机俯仰)场景或地面涡流场景引起的流畸变，其中流分离基本上发生在入口的内表面底部或底部表面和入口的一侧或梁侧。阵列22c的操作可与为阵列22b公开的操作相类比，并且可与阵列22a或阵列22b的操作相结合。
33.尽管本文针对侧风、迎角和地面涡流的具体飞行状况进行了描述，但该实施方式提供了基于自由流速率的广义飞行状况(包括构成瞬时飞行状态的流速度、相对于引擎的流动角、引擎入口质量流率和海拔高度)的流控制能力。
34.如图10所示，控制系统1002采用从一个或多个状况传感器1008接收状况输入1006的控制器1004。状况传感器1008可以是压力传感器或诸如用于边界层分离或入口20中的内部湍流的光学或超声检测器的其它传感系统。侧风方向和速度(或迎角)可由各种飞机机载系统或作为控制器1004接收的状态信号1009的外部输入提供。一个或多个质量流传感器1010还向控制器1004提供入口质量流输入1012。入口质量流输入1012可替代地从外部输入导出，诸如推力杆位置或风扇速度。响应于由状态信号1009、状况传感器1008和质量流传感器1010确定的入口状态，控制器1004向一个或多个激活装置1014提供控制信号1013，激活装置1014被配置为激活先前描述的阵列中的单独或子阵列中的流控制装置16。如随后更详细地描述的，控制信号也可为流控制装置16提供或调制喷射流率或涡流生成器展开频率。控制器可基于状态信号1009和入口质量流输入1012以开环操作，或者可利用来自状态传感器1008和质量流传感器1010的反馈来提供闭环控制。
35.在开环实施方式中，控制器1004不对流场的状况作出反应。取而代之的是，其只作用于预先计划的时间表，基于当时测量的飞行状况，诸如当前引擎入口质量流率、飞行速度、侧风速度以及方向和海拔高度，以特定的致动强度和位置为目标。
36.在闭环实施方式中，控制器1004响应入口中流场的“状况”。质量流传感器1010和状况传感器1008向控制器1004提供连续监测，使得控制器连续地向激活装置1014提供更新的控制信号1013。流控制系统仅在控制器1004已确定发生了流分离(或基于状况预期存在)时激活。
37.对于上面的组合，在开环配置中，控制器1004将基于状态信号1009以目标是预期的流分离区域的流动控制装置16的强度致动预定的阵列或子阵列，然后转换为用于闭环配置的质量流传感器1010和状态传感器1008的连续监测。闭环配置中的阵列或子阵列可实时确定，并且可包括实时响应于状态传感器1008的多个或单个流动控制装置16，这取决于随后描述的激活装置的配置。
38.在图11a和图11b的分解图示中所示的示例实施方式中，流动控制装置16是控制喷口，并且激活装置1014是，在入口的内表面18和压力室1104之间隔开的一个或多个同心圆柱体1102或圆柱体段(为了清楚起见，部件的壁厚度被夸大)。压力室1104连接到排气系统1105或其他压力源。同心圆柱体具有孔阵列1106a
‑
1106d，其可从图11c中所示的“闭合”位置旋转为对准周向行24a
‑
24d中的控制喷口，从而使得子阵列28a、28b或28c向压力室1104打开以获得图11d中所示的喷口流动。激活装置1014是与同心圆柱体1102啮合以将圆柱体从闭合位置旋转到对准位置的电机。虽然在图11a至图11d中示出了具有与对应行中的流动控制装置一一对应的单个孔，但是每个同心圆柱体可在装置的10
°
间隔内以多个步骤旋转，其中阶梯阵列具有孔或空白闭合，以适应该行中流控制装置的具体子集的不同方位角范围，从而获得先前描述的子阵列28a、28b和28c。在替代实施方式中，单个滑动或可旋转门可为流控制装置16提供闭合和打开状况。
39.在图11e至图11o所示的类似示例实施方式中，流控制装置16是控制喷口，并且激活装置1014是一个或多个穿孔环形板1110或板段，其基本上垂直于法向流动轴15，位于入口内表面18和外表面19之间，具有从环形板1110的接口1114延伸至入口内表面18上的流控制装置16的导管1112。板的第二接口1116与压力室1118连通。如先前的实施方式，压力室1118连接到排气系统或其他压力源。环形板1110具有如图11f所示的孔径阵列1120a
‑
1120d，可从如图11e和图11n和图11o所示的“闭合”位置旋转为与周向行24a
‑
24d中的控制喷口对准，以将各种子阵列向压力室1118打开，以获得如图11f和图11g所示的喷射流动，如图11h和图11i、图11j和图11k以及图11l和图11m所示的全子阵列打开部分子阵列。激活装置1014是与环形板1110啮合以围绕法向流动轴15将板从闭合位置旋转到多个对准位置的电机。虽然在图11a至图11d中示出了具有与对应行中的流控制装置一一对应的单个孔，但是环形板1110可在装置的10
°
间隔内以多个步骤旋转，其中阶梯阵列具有孔或空白闭合，以适应该行中流控制装置的具体子集的不同方位角范围，从而获得多个子阵列。
40.在图12中示意性地表示的另一示例实施方式中，电子或液压控制阀1202提供激活装置，以将相应的一个流控制装置16连接到压力源1203，诸如排气系统。控制器1004使用用于流控制装置的预定阵列或子阵列的控制信号1013激活一个或多个选择的阀1202。如图13所示，与单个流控制装置的控制相反，歧管阀1302可连接在压力源和一个或多个歧管1304之间，与流控制装置16的阵列或子阵列28a、28b流体连通。
41.如关于图11a至图13所描述的实施方式也可应用为基于气动的流控制系统，其采用抽吸代替吹气，即喷射，或抽吸和吹气的组合。
42.如图14所示，合成喷口1402可被用作入口20内表面18上的阵列位置处的流控制装置，并且可以由控制器1004直接激活以提供入口中的流动修改。动力连接1404和水平控制1406(例如脉宽调制(pwm)喷射调制)可由控制器1004通过中继器1408或其他适当的控制元件直接控制，以激活控制器1004可控制的合成喷口中的每一个以产生所选子阵列28a、28b、28c。
43.图15示意性地示出了具有展开式涡流生成器阵列或诸如销(pin)1502的其它机械装置的替代实施方式，其由充当激活装置的螺线管操作器1504或类似部件响应于控制信号1013而伸出和缩回。销1502可以以变化的频率周期性地展开和收起，以获得所需的流修改。
44.如图16所示，所公开的实施方式提供了用于低l/d风扇喷口入口中的流控制的方
法1600。控制器接收状态信号和入口质量流信号(步骤1602)。响应于状态和入口质量流信号，控制器向入口内表面上的阵列中的多个流控制装置中的一个或多个提供控制输出，用于减少入口中的流动畸变(步骤1604)。控制器从一个或多个状况传感器接收状况信号(步骤1606)。响应于入口质量流信号或状况信号，控制器调制流控制装置以形成子阵列，以优化入口中的流畸变的减少(步骤1608)。对于各种公开的实施方式，调制流控制装置的步骤可通过以下方法来完成：选择性地将同心圆柱体与孔阵列对准以将流控制装置的相应子阵列连接到压力源，选择性地打开压力源和一个或多个流控制装置之间的阀门以形成子阵列，选择性地打开压力源和连接到多个流控制装置的子阵列的一个或多个歧管之间的阀门，选择性地激活合成装置以形成子阵列，或者选择性展开和收起展开式涡流生成器以形成子阵列。
45.现在已经按照专利法规的要求详细描述了各种实施方式，本领域技术人员将认识到对本文公开的具体实施方式的修改和替代。此类修改在所附权利要求的范围和意图之内。在说明书和权利要求书中，术语“包括”，“合并”，“合并(incorporates)”或“合并(incorporating)”，“包括(include)”，“包括(includes)”或“包括(including)”，“具有(has)”，“具有(have)”或“具有(having)”，以及“包含(contain)”，“包含(contains)”或“包含(containing)”旨在为公开陈述，并且可能存在附加或等效的元件。在说明书和权利要求书中使用的术语“基本上”是指所述的特征、参数或值不需要精确地实现，而是偏差或变化，包括例如公差、测量误差、测量精度限制和对于本领域技术人员已知的其他因素，可能以不排除该特性旨在提供的效果的量出现。如本文所使用的，术语“右”、“左”、“前”和“后”、“上”和“下”以及“顺时针”和“逆时针”被采用以描述相对于附图的相对定位和运动，并且除了所公开的具体实施方式之外，示例实施方式，取决于实际实施方式的方向，可用诸如“第一”和“第二”、“顶部”和“底部”或“左”和“右”的适当描述符代替或颠倒。
46.项1.一种入口流畸变控制系统，包括：多个流控制装置，集成在入口的内表面中，形成至少一个阵列，至少一个阵列相对于入口的法向流动轴在方位角范围上延伸，并且具有与入口的突出部分以增加的轴向距离间隔开的多个周向行；以及控制系统，能够操作地连接到多个流控制装置，控制系统适于响应于由预定的飞行状况或入口内测量的流参数指示的入口流状态来激活至少一个阵列的所选子阵列中的流控制装置。
47.项2.根据项1所述的入口流畸变控制系统，其中，至少一个阵列包括右阵列和左阵列，右阵列具有基于右侧风流分离域确定的方位角范围，左阵列具有基于左侧风流分离域确定的方位角范围。
48.项3.根据项1或2所述的入口流畸变控制系统，其中，至少一个阵列包括一阵列，所述一阵列在入口的内表面的底部的方位角范围上延伸，以适应由于高迎角或地面涡流引起的流畸变的控制。
49.项4.根据项2或3所述的入口流畸变控制系统，其中，左阵列和右阵列各包括与入口的突出部分以增加的第一轴向距离、第二轴向距离、第三轴向距离和第四轴向距离间隔开的多个周向行。
50.项5.根据项4所述的入口流畸变控制系统，其中，对于右阵列和左阵列中的每一个，多个周向行中的第一个包括在右阵列和左阵列中的每一个的方位角范围上延伸的流控制装置，多个周向行中的第二个包括在右阵列和左阵列中的每一个的缩小的方位角范围上
延伸的流控制装置，并且多个周向行中的第三个包括在右阵列和左阵列中的每一个的进一步缩小的方位角范围上延伸的流控制装置。
51.项6.根据项5所述的入口流畸变控制系统，其中，所述控制系统包括：控制器，控制器接收用于侧风或迎角的状态信号或状况输入；质量流输入到控制器；以及一个或多个激活装置，响应于质量流输入和状态信号或状况输入从控制器接收输出信号，一个或多个激活装置被配置为激活所选子阵列中的一个中的流控制装置。
52.项7.根据项6所述的入口流畸变控制系统，其中，一个或多个激活装置包括：一个或多个同心圆柱体，一个或多个同心圆柱体在入口的内表面和压力室之间间隔开，一个或多个同心圆柱体具有孔阵列，孔阵列能够从闭合位置旋转成与一个或多个控制喷口行对准；以及，压力源，压力源连接到压力室。
53.项8.根据项7所述的入口流畸变控制系统，其中，压力源是排气系统。
54.项9.根据项7或8所述的入口流畸变控制系统，其中，一个或多个同心圆柱体包括多个同心圆柱体，每个同心圆柱体与一个或多个控制喷口行中的相应一个对准，以向压力室打开所选子阵列中的一个。
55.项10.根据项6
‑
9中任一个所述的入口流畸变控制系统，其中，一个或多个激活装置包括一个或多个阀，每个阀连接多个流控制装置中的相应的流控制装置。
56.项11.根据项10所述的入口流畸变控制系统，进一步包括至少一个歧管，至少一个歧管将一个或多个阀中的一个阀连接到多个流控制装置中的至少一个阵列的所选子阵列。
57.项12.根据项6
‑
11中任一个所述的入口流畸变控制系统，其中，所述多个流控制装置各包括合成喷口，并且进一步包括：动力连接到各个合成喷口；以及，水平控制器，通过中继器连接到每个合成喷口，能够控制以产生至少一个阵列的所选子阵列。
58.项13.根据项6
‑
12中任一个所述的入口流畸变控制系统，其中，多个流控制装置各包括展开式涡流生成器，并且其中，一个或多个激活装置各包括螺线管操作器。
59.项14：一种喷射引擎，包括：入口，具有法向流动轴和从突出部分延伸的内表面；多个流控制装置，形成集成在内表面的至少一个阵列，所述至少一个阵列相对于法向流动轴在方位角范围上延伸，并且具有与入口的突出部分以增加的轴向距离间隔开的多个周向行；以及控制系统，能够操作地连接到多个流控制装置，控制系统适于响应于预定的飞行状况或入口入口流场来激活至少一个阵列的所选子阵列中的流控制装置。
60.项15.一种用于喷口入口中的流控制的方法，所述方法包括：在控制器中接收状态信号和质量流信号；响应于状态信号和质量流信号，将来自控制器的控制输出提供给入口内表面上的阵列中的多个流控制装置中的一个或多个；以及减少入口中的流畸变。
61.项16.根据项15所述的方法，进一步包括：在控制器中从一个或多个状况传感器接收状况信号；其中，减少流畸变的步骤包括调制多个流控制装置以形成响应于质量流信号或状况信号的子阵列，以优化入口中的流畸变的减少。
62.项17.根据项16所述的方法，其中，调制多个流控制装置的步骤包括选择性地将同心圆柱体与孔阵列对准，以将多个流控制装置的相应子阵列连接到压力源。
63.项18.根据项16或17所述的方法，其中，调制多个流控制装置的步骤包括：选择地打开压力源和多个流控制装置中的一个或多个之间的阀以形成子阵列，或者压力源和连接到多个流控制装置的子阵列的一个或多个歧管。
64.项19.根据项16至18中任一个所述的方法，其中，多个流控制装置包括合成装置，并且调制多个流控制装置的步骤包括选择性地激活合成装置以形成子阵列。
65.项19.根据项16
‑
19中任一个所述的方法，其中，多个流控制装置包括展开式涡流生成器，并且调制多个流控制装置的步骤包括选择性地展开和收起展开式涡流生成器以形成子阵列。