CN101624937B - 变循环发动机模式转换机构中的被动控制式模式转换阀 - Google Patents

Abstract

一种变循环发动机模式转换机构中的被动控制式模式转换阀，它由外机匣环形腔体、铰接凸耳、铰接销轴、弹簧卡、调节片和承力幅板上的凹槽组成，它位于内外涵道分流机匣外环，外涵道入口处。外机匣环形腔体是一个中空的圆柱环形腔体，它位于承力幅板外环与外机匣毗邻相连；铰接凸耳由两块头部呈半圆形、中间有通孔的板材组成，它的底部平面与外机匣环形腔体的前端内壁面相连；铰接销轴是根圆柱形销轴，它穿过铰接凸耳和调节片铰接头上的中心通孔；弹簧卡是头部呈矩形框状、中部呈大半圆形、尾部呈矩形的缠绕式卡簧；调节片是由调节片铰接头、调节片主体和加工在调节片主体上的封严片组成的一个片状件；承力幅板上的凹槽是在承力幅板上加工出的凹槽。

Description

变循环发动机模式转换机构中的被动控制式模式转换阀

(一)技术领域

变循环发动机是正在研制中的高性能航空燃气涡轮发动机。本发明涉及一种变循环发动机模式转换机构中的被动控制式模式转换阀，属于航空航天技术中的发动机技术领域。

(二)背景技术

变循环发动机就是指在同一台发动机上通过发动机一些部件的几何形状、尺寸或位置的改变可以实现不同热力循环的燃气涡轮发动机。变循环发动机是一种具有优秀综合性能的推进系统，本发明所针对的变循环方案是：综合了涡喷发动机循环和涡扇发动机循环优点的变循环方案，可根据飞行条件的不同，通过多个部件的几何调节在较大范围内改变涵道比从而使发动机转换成单涵道涡轮喷气式或双涵道涡轮风扇式两种不同的工作模式。从飞机/发动机设计理念可知，涡喷发动机的超音速性能良好，单位推力大，大马赫数飞行时耗油率相对较低；涡扇发动机则具有良好的亚音速性能，低马赫数飞行时耗油率相对较低，但单位推力较小，所以同传统的涡喷发动机和涡扇发动机相比，变循环发动机能在更宽广的工作范围内具有最优性能。

目前国外已经研制出实现这种变循环方案的验证机，但其实现方式和具体结构形式都是严格保密的。而我国在这方面的研究才刚刚起步，还处于变循环原理的研究阶段。所以目前实现发动机变循环的模式转换机构的较为完善合理的结构形式的设计还未见文献记载。

(三)发明内容

1、目的：

本发明的目的是提供一种变循环发动机模式转换机构中的被动控制式模式转换阀，它与变循环发动机的可调前涵道引射器和可调后涵道引射器等其它模式转换机构的配合调节可以实现发动机在涡轮风扇和涡轮喷气两种循环模式之间的转换，使发动机在更宽广的工作范围内具有最优性能。

2、技术方案：

本发明一种变循环发动机模式转换机构中的被动控制式模式转换阀，它是由：外机匣环形腔体、铰接凸耳、铰接销轴、弹簧卡、调节片和承力幅板上的凹槽组成，并与承力幅板和内外涵道分流机匣配合工作。它位于内外涵道分流机匣外环，外涵道入口处。

所述外机匣环形腔体，见图1，其形状是一个中空的圆柱环形腔体，它位于发动机承力幅板外环与外机匣毗邻相连，它的环形腔体被8个均布的承力幅板分隔成8个子腔体，这些腔体用于容纳发动机在双涵道模式下工作时处于打开状态的模式转换阀调节片；

所述铰接凸耳，见图9，每组由两块头部呈半圆形、中间有通孔的板材组成，它的底部平面与外机匣环形腔体的前端内壁面相连，它共有32组；用于固定铰接销轴，并通过铰接销轴来连接调节片；

所述铰接销轴，是一根圆柱形销轴，它穿过铰接凸耳和调节片铰接头上的中心通孔，起连接作用，它有32根；

所述弹簧卡，见图4，它是头部呈矩形框状、中部呈大半圆形、尾部呈矩形的缠绕式卡簧；它的头部套在调节片铰接头的方形处，它的中部缠绕在调节片铰接头的圆形处，安装形式详见图5；整个弹簧卡根据发动机所处的不同工作模式，可以随着调节片在外机匣环形腔体内绕铰接销轴作圆周运动，在调节片打开后收到外机匣环形腔体内时弹簧卡的尾部与外机匣环形腔体顶部内壁面接触，此过程中弹簧卡被压缩对调节片产生回复力；它共有32个，它的作用是提供可以使调节片回到平衡位置的回复力，防止调节片打开后贴在外机匣腔体内壁面进入卡死状态而无法完成关闭动作，其结构设计上满足：当调节片处于关闭状态时弹簧卡与外机匣环形腔体内壁脱离接触，当调节片处于平衡位置的中间状态时弹簧卡与外机匣环形腔体内壁刚有接触，而当调节片处于打开状态收到外机匣环形腔体内时弹簧卡被压缩变形。所以，调节片在关闭位置和平衡位置间运动时弹簧卡不产生任何力，而当调节片在打开位置和平衡位置间运动时弹簧卡将对调节片产生向平衡位置运动的回复力。弹簧卡所产生的回复力的大小要根据具体型号合理设计，以使模式转换阀处于打开状态时调节片在气动力和弹簧卡产生的回复力的共同作用下可以位于外机匣环形腔体内，图6、图7、图8所示的分别为模式转换阀调节片处于关闭状态、处于平衡位置的中间状态和打开状态；

所述调节片，见图3，它是由调节片铰接头、调节片主体和加工在调节片主体上的封严片组成的一个片状件(注：在一组4个调节片中与承力幅板相接处的调节片端面上没有封严片，见图10)；它通过铰接销轴穿过调节片铰接头上的通孔而与铰接凸耳连接，所有的调节片主体及封严片处于关闭状态时都位于一个圆环形椎体上，见图11，它共有32件；它的作用是确定发动机的工作模式，当所有调节片打开时外涵道入口被打开，发动机以双涵道涡扇模式工作；当所有调节片关闭时外涵道入口被关闭，发动机以单涵道的涡喷模式工作，封严片在调节片关闭时实现调节片之间的封严；

所述承力幅板上的凹槽，见图9，是在承力幅板上加工出的凹槽，该凹槽顶起外机匣环形腔体，下至内外涵道分流机匣，前起外机匣延伸到外机匣环形腔体中的结束位置，后至外机匣环形腔体尾部，该凹槽的前端与底端是由一个斜面连接，该斜面及内外涵道分流机匣前端的型面与关闭状态的调节片伸进凹槽中的部分的型面完全匹配，如图6所示；每个承力幅板的左右两侧各有一个完全对称的凹槽，一周8个承力幅板共16个凹槽；承力幅板上的凹槽的作用是在模式转换阀关闭时调节片深入到凹槽中那部分的结构型面与凹槽的型面相互匹配，实现模式转换阀关闭时调节片与承力幅板之间的封严，凹槽的形状及范围除要满足与调节片的配合外还要留有足够的空间用于满足调节片在打开和关闭过程中调节片绕铰接销轴转动时端面扫过的扇形运动空间；

此外，外机匣环形腔体的具体位置和大小由调节片的位置和尺寸来确定，而调节片的位置和尺寸的选择要兼顾到使发动机在单函道模式工作时即调节片关闭时能保证通往内涵道的气流流道光滑过度以保证较小的流动损失同时又不会使调节片的长度过大以至于造成结构增重较大，所以具体结构要针对不同型号的发动机的不同内外机匣直径和涵道比根据实际情况的需要来确定各部件的尺寸和个数。

该被动控制式模式转换阀的详细工作原理及过程如下：

该变循环方案中的模式转换阀可以用来确定发动机以涡扇还是涡喷模式来工作，该模式转换阀采用的是被动控制方案，即他的打开和关闭是根据模式转换阀调节片前后压差的变化被动完成的，通过调节片的打开或关闭来控制风扇后气流的流向。发动机在低功率状态下，可调前、后涵道引射器均打开，使得阀门前后处于正压差状态，这样在气体压力作用下，阀门调节片被打开，发动机以双涵道的涡扇模式工作，此时由进气道进入发动机的气流经风扇增压后，在模式转换阀门处被内外涵道分流机匣分成两股，一部分进入外涵道，另一部分通过内涵道进入核心机。当发动机状态提高到大功率状态时，将可调后涵道引射器关闭，同时关小可调前涵道引射器，这样外涵道中的压力会逐渐增加，当超过风扇后压力时，阀门调节片就会在气体反压的作用下被关闭，此时发动机在单涵道的涡喷模式下工作，风扇后的全部气流都被引入核心机中。

3、功效及优点：

通过对该机构进行的运动学仿真计算证明：在本发明中设计出的模式转换阀与其它模式转换机构的配合调节可以使发动机很好的完成工作模式的转换，即完成变循环。由于该模式转换阀采用被动控制方案，并采用搭接式的封严形式，使得整个机构结构简单，零件数目少，重量轻，封严效果好，可靠性高。

(四)附图说明

图1为模式转换阀在发动机中所处的位置及结构形式的二维图；

图2为模式转换阀相关结构的三维模型图，其中弹簧卡省略，而且为便于观察各部件结构形式该图中只保留了外机匣环形腔体的前端壁，而去掉了其上端壁和后端壁；

图3为加工有封严片的调节片，其中图3-1为斜侧俯视图，图3-2为斜侧仰视图；

图4为弹簧卡的结构形式，其中图4-1为斜侧俯视图，图4-2为斜侧仰视图；

图5为铰接凸耳、铰接销轴、弹簧卡和调节片之间的安装形式，其中图5-1为斜侧俯视图，图5-2为斜侧仰视图；

图6为处于关闭状态的模式转换阀调节片；

图7为处于中间平衡状态的模式转换阀调节片；

图8为处于打开状态的模式转换阀调节片。

图9为承力幅板上的凹槽的近距离放大图，为便于观察而去掉了调节片和外机匣环形腔体的上端壁和后端壁，仅保留了前端壁及其上的铰接凸耳和铰接销轴。

图10为介于两个承力幅板之间的一组调节片的结构及它们在关闭状态时的相互关系图，其中图10-1为俯视图，图10-2为仰视图；

图11为所有调节片在关闭状态时的相互关系，从图中可以看出此时所有调节片内外环面分别位于椎角相同的两个圆锥面上。

图中符号说明如下：

1.承力幅板  2.外机匣  3.外机匣环形腔体  4.铰接凸耳  5.铰接销轴  6.弹簧卡  7.调节片  8.承力幅板上的凹槽  9.内外涵道分流机匣  10.内涵道  11.外涵道  12.调节片铰接头  13.调节片主体  14.封严片

(五)具体实施方式

本发明一种变循环发动机模式转换机构中的被动控制式模式转换阀，其具体实施方式如下：

如图1所示，为模式转换阀在发动机中所处的位置及结构形式的二维图。该阀由：外机匣环形腔体3、铰接凸耳4、铰接销轴5、弹簧卡6、调节片7和承力幅板上的凹槽8组成，并与承力幅板1和内外涵道分流机匣9配合工作。它位于内外涵道分流机匣9外环，外涵道11入口处。

所述外机匣环形腔体3，见图1，其形状是一个中空的圆柱环形腔体，它位于发动机承力幅板1外环与外机匣2毗邻相连，它的环形腔体被8个均布的承力幅板1分隔成8个子腔体，这些腔体用于容纳发动机在双涵道模式下工作时处于打开状态的模式转换阀调节片7；

所述铰接凸耳4，见图9，每组由两块头部呈半圆形、中间有通孔的板材组成，它的底部平面与外机匣环形腔体3的前端内壁面相连，它共有32组；用于固定铰接销轴5，并通过铰接销轴5来连接调节片7；

所述铰接销轴5，是一根圆柱形销轴，它穿过铰接凸耳4和调节片铰接头12上的中心通孔，起连接作用，它有32根；

所述弹簧卡6，见图4，它是头部呈矩形框状、中部呈大半圆形、尾部呈矩形的缠绕式卡簧；它的头部套在调节片铰接头12的方形处，它的中部缠绕在调节片铰接头12的圆形处，安装形式详见图5；整个弹簧卡根据发动机所处的不同工作模式，可以随着调节片7在外机匣环形腔体3内绕铰接销轴5作圆周运动，在调节片7打开后收到外机匣环形腔体3内时弹簧卡6的尾部与外机匣环形腔体3顶部内壁面接触，此过程中弹簧卡6被压缩对调节片7产生回复力；它共有32个，它的作用是提供可以使调节片7回到平衡位置的回复力，防止调节片7打开后贴在外机匣环形腔体3内壁面进入卡死状态而无法完成关闭动作，其结构设计上满足：当调节片7处于关闭状态时弹簧卡6与外机匣环形腔体3内壁脱离接触，当调节片7处于平衡位置的中间状态时弹簧卡6与外机匣环形腔体3内壁刚有接触，而当调节片7处于打开状态收到外机匣环形腔体3内时弹簧卡6被压缩变形。所以，调节片7在关闭位置和平衡位置间运动时弹簧卡6不产生任何力，而当调节片7在打开位置和平衡位置间运动时弹簧卡6将对调节片7产生向平衡位置运动的回复力。弹簧卡6所产生的回复力的大小要根据具体型号合理设计，以使模式转换阀处于打开状态时调节片7在气动力和弹簧卡6产生的回复力的共同作用下可以位于外机匣环形腔体3内，图6、图7、图8所示的分别为模式转换阀调节片7处于关闭状态、处于平衡位置的中间状态和打开状态；

所述调节片7，见图3，它是由调节片铰接头12、调节片主体13和加工在调节片主体上的封严片14组成的一个片状件(注：在一组4个调节片中与承力幅板1相接处的调节片7端面上没有封严片14，见图10)；它通过铰接销轴5穿过调节片铰接头12上的通孔而与铰接凸耳4连接，所有的调节片主体13及封严片14处于关闭状态时都位于一个圆环形椎体上，见图11，它共有32件；它的作用是确定发动机的工作模式，当所有调节片7打开时外涵道11入口被打开，发动机以双涵道涡扇模式工作；当所有调节片7关闭时外涵道11入口被关闭，发动机以单涵道的涡喷模式工作，封严片14在调节片7关闭时实现调节片7之间的封严；

所述承力幅板上的凹槽8，见图9，是在承力幅板1上加工出的凹槽，该凹槽顶起外机匣环形腔体3，下至内外涵道分流机匣9，前起外机匣2延伸到外机匣环形腔体3中的结束位置，后至外机匣环形腔体3尾部，该凹槽的前端与底端是由一个斜面连接，该斜面及内外涵道分流机匣9前端的型面与关闭状态的调节片7伸进凹槽中的部分的型面完全匹配，如图6所示；每个承力幅板1的左右两侧各有一个完全对称的凹槽，一周8个承力幅板1共16个凹槽；承力幅板上的凹槽8的作用是在模式转换阀关闭时调节片7深入到凹槽中那部分的结构型面与凹槽的型面相互匹配，实现模式转换阀关闭时调节片7与承力幅板1之间的封严，凹槽的形状及范围除要满足与调节片7的配合外还要留有足够的空间用于满足调节片7在打开和关闭过程中调节片7绕铰接销轴5转动时端面扫过的扇形运动空间；

此外，外机匣环形腔体3的具体位置和大小由调节片7的位置和尺寸来确定，而调节片7的位置和尺寸的选择要兼顾到使发动机在单函道模式工作时即调节片7关闭时能保证通往内涵道10的气流流道光滑过度以保证较小的流动损失同时又不会使调节片7的长度过大以至于造成结构增重较大，所以具体结构要针对不同型号的发动机的不同内外机匣直径和涵道比根据实际情况的需要来确定各部件的尺寸和个数。

该被动控制式模式转换阀的详细工作原理及过程如下：

该变循环方案中的模式转换阀可以用来确定发动机以涡扇还是涡喷模式来工作，该模式转换阀采用的是被动控制方案，即他的打开和关闭是根据模式转换阀调节片7前后压差的变化被动完成的，通过调节片7的打开或关闭来控制风扇后气流的流向。发动机在低功率状态下，可调前、后涵道引射器均打开，使得阀门前后处于正压差状态，这样在气体压力作用下，阀门调节片7被打开，发动机以双涵道的涡扇模式工作，此时由进气道进入发动机的气流经风扇增压后，在模式转换阀门处被内外涵道分流机匣9分成两股，一部分进入外涵道11，另一部分通过内涵道10进入核心机。当发动机状态提高到大功率状态时，将可调后涵道引射器关闭，同时关小可调前涵道引射器，这样外涵道11中的压力会逐渐增加，当超过风扇后压力时，阀门调节片7就会在气体反压的作用下被关闭，此时发动机在单涵道的涡喷模式下工作，风扇后的全部气流都被引入核心机中。

Claims (6)

1.一种变循环发动机模式转换机构中的被动控制式模式转换阀，其特征在于：该阀由外机匣环形腔体、铰接凸耳、铰接销轴、弹簧卡、调节片和承力幅板上的凹槽组成，并与承力幅板和内外涵道分流机匣配合工作；它位于内外涵道分流机匣外环，外涵道入口处；

所述外机匣环形腔体，是一个中空的圆柱环形腔体，它位于发动机承力幅板外环与外机匣相连，它的环形腔体被8个均布的承力幅板分隔成8个子腔体，这些腔体用于容纳发动机在双涵道模式下工作时处于打开状态的模式转换阀调节片；

所述铰接凸耳，每组由两块头部呈半圆形、中间有通孔的板材组成，它的底部平面与外机匣环形腔体的前端内壁面相连；用于固定铰接销轴，并通过铰接销轴来连接调节片；

所述铰接销轴，是一根圆柱形销轴，它穿过铰接凸耳和调节片铰接头上的中心通孔，起连接作用；

所述弹簧卡，它是头部呈矩形框状、中部呈大半圆形、尾部呈矩形的缠绕式卡簧；它的头部套在调节片铰接头的方形处，它的中部缠绕在调节片铰接头的圆形处，整个弹簧卡根据发动机所处的不同工作模式，可以随着调节片在外机匣环形腔体内绕铰接销轴作圆周运动，在调节片打开后收到外机匣环形腔体内时弹簧卡的尾部与外机匣环形腔体顶部内壁面接触，此过程中弹簧卡被压缩对调节片产生回复力；它的作用是提供可以使调节片回到平衡位置的回复力，防止调节片打开后贴在外机匣腔体内壁面进入卡死状态而无法完成关闭动作；

所述调节片，它是由调节片铰接头、调节片主体和加工在调节片主体上的封严片组成的一个片状件；它通过铰接销轴穿过调节片铰接头上的通孔而与铰接凸耳连接，所有的调节片主体及封严片处于关闭状态时都位于一个圆环形椎体上；它的作用是确定发动机的工作模式，当所有调节片打开时外涵道入口被打开，发动机以双涵道涡扇模式工作；当所有调节片关闭时外涵道入口被关闭，发动机以单涵道的涡喷模式工作，封严片在调节片关闭时实现调节片之间的封严；

所述承力幅板上的凹槽，是在承力幅板上加工出的凹槽，该凹槽顶起外机匣环形腔体，下至内外涵道分流机匣，前起外机匣延伸到外机匣环形腔体中的结束位置，后至外机匣环形腔体尾部，该凹槽的前端与底端是由一个斜面连接，该斜面及内外涵道分流机匣前端的型面与关闭状态的调节片伸进凹槽中的部分的型面完全匹配，每个承力幅板的左右两侧各有一个完全对称的凹槽；承力幅板上的凹槽的作用是在模式转换阀关闭时调节片深入到凹槽中那部分的结构型面与凹槽的型面相互匹配，实现模式转换阀关闭时调节片与承力幅板之间的封严，凹槽的形状及范围除要满足与调节片的配合外还要留有足够的空间用于满足调节片在打开和关闭过程中调节片绕铰接销轴转动时端面扫过的扇形运动空间。

2.根据权利要求1所述的变循环发动机模式转换机构中的被动控制式模式转换阀，其特征在于：该铰接凸耳设置有32组。

3.根据权利要求1所述的变循环发动机模式转换机构中的被动控制式模式转换阀，其特征在于：该铰接销轴设置有32根。

4.根据权利要求1所述的变循环发动机模式转换机构中的被动控制式模式转换阀，其特征在于：该弹簧卡设置有32个。

5.根据权利要求1所述的变循环发动机模式转换机构中的被动控制式模式转换阀，其特征在于：该调节片设置有32件。

6.根据权利要求1所述的变循环发动机模式转换机构中的被动控制式模式转换阀，其特征在于：所述承力幅板上的凹槽，是一周8个承力幅板共有16个凹槽。

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