CN1022124C - 轴线对称可转向排气喷口 - Google Patents

Abstract

一种对推力转向的轴线对称收敛/扩散可调排气喷口配备有一个在收敛和扩散鱼鳞片之间的万向回转接头和在控制的条件下相对于轴线对称的喷口中心线在径向和切向上使扩散鱼鳞片绕枢轴转动，以便将所述喷口扩散段由轴线对称的改变成轴线不对称的致动和联动装置。

Description

本发明涉及可转向的喷口，更具体地涉及燃气涡轮发动机的可转向轴线对称可调排气喷口。

对于军用飞机，不论是空中格斗任务还是复杂的地面攻击任务，都有必要增强飞机的机动性。通常在传统的作法上对空气动力面，如襟翼和副翼等，用来提高飞机的机动性，但是，由于速度和其他工作条件的变化其效果是有限的。近代飞机的设计师们转向致力于可转向的喷口，这种喷口可变换作为飞机动力的燃气涡轮发动机的排气流和推力的方向。设计出的二维喷口使用比较扁平的鱼鳞片来引导发动机推力到俯仰和偏航方向。然而，这些设计增重过大，并要求有一个转换部段将轴线对称气流改变成二维气流，但是仍旧只能提供在一个平面内，俯仰或偏航的推力转向。这种二维喷口的另一缺点是在转换部段内将轴线对称气流转换成二维气流会造成流动损耗。在提供推力转向之外，飞机发动机的设计师们还必须考虑到在执行任务中，喷口的工作条件变化十分大。为了要在飞机的整个工作条件范围内保持高性能，曾设计出一种可调式排气喷口，可以控制喷口喉道的大小，但是对于具有二维和万向接头结构的可转向喷口来说，还需要付出增加复杂性、重量、成本和可靠性方面的代价。

最新的多功能飞机所使用的发动机，例如通用电气公司的F110型发动机，是采用带有轴线对称收敛扩/散喷口以满足各种工作条件的要求。轴线对称收敛/扩散喷口，依气流的顺序，具有一个收敛段，一个 喉道，和一个扩散段。收敛的或第一级的鱼鳞片和扩散的或第二级的鱼鳞片连同相关连的在鱼鳞片之间的密封装置一起限定了它们各自部段的气流通道。

作为特点，同时在喷口喉道处（在收敛喷口的下游端）和喷口出口处（在扩散喷口的下游端）都使用了可调截面的装置。这样就提供了一种维持所要求的出口与喉道截面面积成比率的方法，从而可以有效地控制喷口的工作条件。要将喷口的工况设计得能对发动机提供最佳喉道出口面积比的匹配方案，同时还必须在低亚音速和高超音速飞行条件下提供有效的控制。这种类型的喷口使用了在圆周上设置的鱼鳞片以产生一般为轴线对称的排气流，并应用气动或液压的致动器来提供变化的工作条件。

因此非常必要，同时也是本发明的一个目的，即提供一种能很容易地适于现有的喷口设计或结构的轴线对称喷口的转向系统。

本发明的另一个目的是提供一种同时在俯仰和偏航方向上都具有推力转向能力的轴线对称可调截面积排气喷口。

本发明还有一个目的是提供一种轴线对称可调截面积排气喷口，这种排气喷口具有多方向推力转向能力，并且操作简单，重量轾和制造成本低。

这些目的以及其他的特点和优点，将在下面结合附图予以描遴，使其更加清晰。

简单地说，根据本发明的一个方面，用于具有多个扩散鱼鳞片的轴线对称收敛/扩散喷口的推力转向装置包括有一个在轴线不对称条件下使鱼鳞片万向地绕枢轴转动的装置。

本发明一个更加具体的实施例中提供一种使扩散鱼段鳞片相对于未转向的喷口中心线在径向和切向绕枢轴转动的装置。

本发明一个更加具体的实施例中提供一种使扩散鱼段鳞片相对于未转向的喷口中心线在径向和切向绕枢轴转动的装置。

本发明一个更加具体的实施例提供一种包括在俯仰和偏航方向的推 力转向装置的轴线对称收敛/扩散喷口，这个喷口包括由球形接头连接在一起，具有配置在圆周上介于鱼鳞片之间的密封装置的多个收敛段和扩散段鱼鳞片，以形成一个具有可改变截面积的喉道和出口可转向喷口，该喷口还容许具有一个喉道/出口截面积比的匹配方案，这匹配方案可能使发动机的工作状态最佳化。推力转向装置包括在第一级鱼鳞片和第二级鱼鳞片之间的球形接头和一个能协调地使第二级鱼鳞片绕枢轴转动的致动装置。位于第一级和第二级鱼鳞片之间的球形接头和一个第二致动装置提供了一个以不同角度使每个第二级鱼鳞片万向地绕枢轴转动的装置，从而对第二级鱼鳞片提供一个相对于第一级鱼鳞片的沿圆锥形表面的运动。本发明的一个更加具体的实施例提供一个致动装置使第二级鱼鳞片以预定的或在有计划的条件下，绕枢轴转动从而在俯仰和偏航的方向引导排气流，而同时保持气流的完整性并尽量减少转向的损失和泄漏。

在本发明另一个实施例中，使第二级鱼鳞片绕枢轴转动的第二致动装置包括一个围绕着第二级鱼鳞片的致动环和连接第二级鱼鳞片的后端至致动环上的一些连接杆以及由球形轴承或球形接头形成的连接装置。致动环是由至少三个，均匀间隔分布，绕在发动机圆周上的，最好是液压的直性致动器所控制的，并利用在发动机壳体和致动器前端之间及在致动器后端和致动环之间的球形接头将致动环连接在发动机壳体上。对排气流或推力的导向是这样进行的，通过以不等地伸展或收缩线性致动器，从而使致动环平移和倾斜至一个相对于发动机中心线所要求的位置，致动环又使使一个扩散段鱼鳞片通过在两个相互垂直的平面内的一组角度的旋转或绕枢轴转动，从而为排气流在可控制的条件下提供相对于发动机中心线成一角度的气流通道。通过一个凸轮和滚子机构使收敛段鱼鳞片绕枢轴转动以控制喷口的喉道面积是一项已知技术，同样情况使扩散段鱼鳞片绕枢轴转动以控制喷口出口的面积以及控制在鱼鳞片之 间密封装置的装置，以形成一个连续的圆周喷口表面，也都是已知技术。这些设计和方法发表在Arthur    Mc    Cardle，Jr的名称为“可调截面面积排气喷口”，Wilbert    B.Freid的名称为“可调截面面积喷口系统”和Edward    W.Ryan.等的名称为“排气喷口鱼鳞片密封装置”的美国专利第4，176，792号，4，245，787号和4，128，208号上，这些专利都转让给同一个受让人，在这里作为对比文件。

根据后面的附图描述了一个最佳实施例，当然，各种各样的改进形式和可替换的其他结构，在不离开本发明真正的精神和范围的条件下都是允许的。

图1是根据本发明的带有推力转向装置的燃气涡轮发动机轴线对称可调排气喷口的透视图。

图2是图1所示喷口的局部切除剖视图。

图3是喷口外壳和装在外面的安装附件和致动器安装位置的从前往后观察的截面图。

图4是第二级鱼鳞片致动和支承系统的示意图。

图5是根据本发明的一个实施例，从一个通过扩散鱼鳞片中部如在（12点钟）的平面所得到的典型的转向角度下的排气喷口截面图。

图6是根据本发明的一个实施例，从一个通过扩散鱼鳞片中部如在（12∶30点钟）的平面所得到的另一个典型的转向角度下的排气喷口截面图。

图7是图1中的喷口从后往前观察的示图，显示偏转或转向角度为0°时间的排气喷口。

图8是图1中的喷口从后往前观察的示图，显示偏转或转向角度在典型的负角度时的排气喷口。

图9是可用于本发明的万向接头的截面图。

参照图1和图2本发明所显示的是一台燃气涡轮发动机的排气部分 10，该部分依气流顺序，包括一个带有后燃烧室衬套12的固定截面面积的管道11，和一个具有收敛扩散型轴线对称喷口14的可调截面面积下游端部段13。虽然如图所示，喷口是属于收敛一扩散型的，其中下游端部段13包括一个收敛段和一个扩散段，下面将予以讨论，但本发明并不打算局限于这一结构。

参看图2，依气流顺序喷口14包括一个收敛段34，一个喉道和一个扩散段48。收敛段34包括多个收敛的或第一级鱼鳞片50，设置在围绕发动机中心线8的圆周上，鱼鳞片之间设置有相互搭接的第一密封装置51，密封装置密封地接合在圆周上靠近的第一级鱼鳞片50径向朝内的表面上。第一级鱼鳞片50是由第一枢轴或脚架接头52以其前端用枢轴连接到外壳11上。扩散的或称第二级鱼鳞片54是在其前端53用一个第一万向或球形接头，一般在喷口14的轴向与喉道40相重合的位置以枢轴连接在第一级鱼鳞片50的后端。第二级鱼鳞片54一般设置在围绕发动机中心线8的圆周上，鱼鳞片之间设置有相互搭接的扩散的或第二密封装置55，密封装置密封地接合在靠近第二级鱼鳞片54的圆周上径向朝内的表面上。关于这第二密封装置的理解以及其如何进行工作，可参看

美国专利第5039041号，这是由William    C.Lippmeier发明的题目为“轴线对称转向喷口鱼鳞片密封装置”的专利，这件专利与本申请在美国同时提出申请，并转让给同一受让人。喉道40有一个与其相关联的喉道截面面积，通常以A8表示，喷口出口44一般在第二级鱼鳞片54的末端，它也有一个与其相关联的出口截面面积，通常以A9表示。关于安装这些鱼鳞片和密封装置方法的更详细说明可参看在前面引述的一些专利。

多个滚子62配置在一个第一环形结构66内，这环形结构又由若干个第一致动器70推动作向前和向后的移动，这种致动器在这最佳实施例中一共有四个。可调喉道面积A8是通过凸轮滚子62作用于在第一级鳞鳞片 50的背部加工出的凸轮表面60进行控制的。在工作过程中，喷口内排出气体的高压力将第一级鱼鳞片50和第二级鱼鳞片54径向地向外推出，从而保持凸轮60与凸轮滚子62相接触。第一致动器70是用一个带枢轴接头74的支架76以枢轴连接在发动机壳体11上。第一致动器70有一个致动杆73，致动杆又通过一个球形接头68连接在第一环形件66上。

多个第二致动器90，在这最佳实施例中为三个，是以与第一致动器70同样的方式，但是安装在壳体11的圆周上不同位置。第二致动环86是用一个球形接头96在一第二致动杆93的后端连接到第二致动器90上的。这就使得第二致动环86围绕着中心线8轴向地进行定位和倾斜，以控制它的位置。致动环86控制着第二级鱼鳞片54的定位或枢轴转动。第二级鱼鳞片54是由一个球形接头56以枢轴连接到第一鱼鳞片50上，并由控制臂58a和58b如图1所示以多自由度方式予以控制转动，使控制臂58a和58b可操纵地将第二致动环86之连接到接头82连接到第二级鱼鳞片54上。臂58用义杆销接头82连接到第二环86上，又用球形接头84连接到第二级鱼鳞片54的后端。构架92为第二级鱼鳞片54提供一个固定架，并作为两端接头的支架。由此，臂58a和58b以其前端用枢轴连接在第二致动环86上，并在其后端以万向地连接在第二级鱼鳞片54的后端，从而使第二环86的位移转换为第二级鱼鳞片54的多自由度枢轴变化或沿轨道运动，而每个鱼鳞片以不同的角度作枢轴转动。将第二环作平移即可开启和关闭喷口出口44，从而提供对喷口排气面积A9的控制。外鱼鳞片64连接在臂58上，为喷口的外部提供一个流线型和平滑的气动外形。

第二致动环支承件100用托架102固定在壳体11上，在此实施例中是一个其内装有能滑动的支杆103的空心管。支杆103用球形接头106万向地连接在第二致动环86上，从而为第二致动环86提供了径向定位和支承。这些致动器和支承件在圆周上的分布位置显示在图3中，以便为描述本发明提供一个参考坐标。图3是一幅从前面向后观察的示意图， 为便于参考，第二致动器位于12点钟的位置而支承件100位于6点钟的位置。图4概略地显示这三个第二致动器是如何以协调的方式移动它们各自的杆93来控制致动环86以便绕着其轴线8使该环倾斜，从而实现推力的转向，同时以向前或向后平移该环来调节排气面积A9。支杆以及这系统的其余部分限制了用于推力转向系统的倾斜程度。在设计时，有选择地对该系统留有充分的活动余地或“超越界限”就可以根据要求增大或减小倾斜的程度。图5描绘第二致动环86如何进行倾斜从而使第二级鳞鳞片54绕枢轴转动以产生推力的转向。同时也描绘了用第一致动环66，凸轮面60和凸轮滚子62来驱动第一级鳞片50绕枢轴转动以改变喉道面积。图5的下半部份显示支杆103是如何连接在第二致动环86上，藉以对该环提供径向支承并使该环能利用球形接头106形成倾斜状态。杆限位器104a和104b防止杆从支承件100中脱出。球形接头106容许环承受到的轨道运动的绕枢轴转动或旋转量的大小是有限制的。这种转动量的大小完全由设计人员并依据喷口的强度与性能和转向要求所决定。

有效的转向可以在这个范围内达到，其中第二级鱼鳞片54对一个给定的A8的调定位置，在径向上要求大约以正负13度（±13°）的绕枢轴转动和在切向上以大约正负6度（±6°）的绕枢轴转动。径向是相对于未转向的喷口中心线8量取的，而切向是相对于径向量取的，如图7中R和和T所表示。根据调整A8和A9的调定值的要求，在径向绕枢轴转动的要求大约为正50度到负13度（±50°，-13°）范围。因此，接头并不一定需要完全万向的，并且可以装上限位器以便在一给定的方向上对绕枢轴转动的量进行合理的限制。在致动系统和连接机构中其他接头所要求的轨道摆动或转动的范围是可以计算出来的。一个典型的万向接头，例如图2中的球形接头84，详细地显示于图9中，其中有一个圈环222和一个被截头的圆球220。臂58的后端上有开孔，从而形成叉头225和227以连接第二级鱼鳞片54来控制臂58。螺栓230穿过叉头225 和227的开孔和球220的孔，整个组件由螺帽250和垫圈251夹紧在一起。在工作过程中这种类型的万向接头对第二级鱼鳞片，密封装置，和与其相连的致动和连接元件提供有限的三自由度的转动。U形铰链或枢轴接头，如图2中所例举的脚架接头52提供一个绕铰链或枢轴中心线一个自由度的转动。

图6更详细地显示了第一致动环66相对的位置和安排以及其与第二致动环86的相对关系。图中也显示了第一密封装置51和第二密封装置55以及密封装置接头75，并于这些需参考图1。密封装置接头75包括一个在第一密封装置51后端的一个叉头78，在其叉缝中夹有一个安装在第二密封装置55前端的枢轴79，从而把第二密封装置夹持在第一密封装置的后端和叉头之间，该叉头又限制着第二密封装置相对于第一密封装置在径向和圆周方向上的活动。

在工作过程中，推力的转向是在相对于喷口中心线8以不对称的方式绕枢轴转动扩散喷口鱼鳞片54来完成的。绕枢轴转动是同时沿着相对于中心线的径向和围绕着中心线对圆周的切向进行的。绕枢轴转动所以不对称是因为绕枢轴转动的鱼鳞片中至少有两个是以不同角度转动的。虽然有可能这些转动角度中有几个是同样大小的，但是它们的正负号不同，例如±3°。

在本发明的各种不同的元件中，一个特点是万向或球形接头，其中一个例子显示在图9中。这种类型的接头容许围绕三个座标轴可以万向地绕枢轴转动或旋转。参看图9，可以看到三个轴，通常以x，y和z表示，其交点或原点是在球220的中心。可以容易地看出，其转动的程度受到很大的限制，但是在实用状态下，有效地进行推力转向并不需要很大转动。

对绕枢轴转动的扩散鱼鳞片54的致动是由三个带有各自不同大小伸长或者回缩量的杆93的第二致动器90来完成的，从而促使第二致动环86 成为倾斜的。这一动作又促使十二个扩散鱼鳞片中至少有两个以不对称方式绕枢轴转动，将轴线对称的扩散段改变成一个不对称的气流通道。在最佳实施例中，如图7和8所示，图7中从1F至12F的扩散鱼鳞片的轴线对称位置在它们全都以不对称的方式向下倾斜时，就变成如图8中的相对位置，其中鱼鳞片1F径向向内朝着中心线8倾斜而鱼鳞片7F则是远离中心线8向外倾斜。这个动作使喷口的扩散段改变它的轴线对称截面为一个不对称的截面，如图5和6中所示的那样，当轴线对称的喷口扩散段改变成为一个不对称的部段。喷口扩散段的不对称性可以绕着对称的中心线8在一很大的角度范围内进行调整，但是我认为±13°是最适当的范围。不对称的程度可以以中心线8与喷口扩散段的扩散段中心线8D之间形成的夹角来确定。将第二致动环环绕球形表面转动或者使其倾斜以致其轴线沿锥形表面运动则扩散段中心线也沿锥形表面运动并且作枢轴转动，这样就可以在某一预定的转向角度V范围内绕着发动机中心线8以完全地或360°地进行推力转向。

Claims (17)

1、一个可转向的轴线对称的收敛/扩散喷口，包括：

一个固定的喷口外壳，

一个喷口收敛段，

一个喉道，和

一个喷口扩散段，依气流顺序限定了一个气流通道，其中上述喷口扩散段包括多个扩散鱼鳞片，其特征在于：还包括一个用于将所述喷口扩散段的气流通道从轴线对称改变成不对称的扩散鱼鳞片控制装置。

2、如权利要求1所述的可转向轴线对称的收敛/扩散喷口，其特征在于上述扩散鱼鳞片控制装置包括一个使上述扩散鱼鳞片万向地绕枢轴转动的装置。

3、如权利要求2所述的可转向的轴线对称收敛/扩散喷口，其特征在于使上述扩散鱼鳞片至喷口相应收敛段的万向接头。

4、如权利要求1所述的可转向的轴线对称收敛/扩散喷口，其特征在于使上述扩散鳞片万向地绕枢轴转动的装置包括一个使上述多个扩散鱼鳞片万向地绕枢轴转动的致动装置。

5、如权利要求4所述的可转向的轴线对称收敛/扩散喷口，其特征在于所述致动装置包括一个致动环，径向间隔开地配置在喷口喉道的外面，和一个扩散鱼鳞片联动装置，该联动装置又包括可操纵地连接上述致动环至相应扩散鱼鳞片的后端的多个致动臂。

6、如权利要求5所述的可转向的轴线对称收敛/扩散喷口，其特征在于上述致动臂以一个枢轴接头可操纵地接至上述致动环上，又以一个万向接头可操纵地连接至相应扩散鱼鳞片的后端。

7、如权利要求6所述的可转向的轴线对称收敛/扩散喷口，其特征在于所述枢轴接头是一个U形脚架式铰链接头，而所述万向接头是一个球形接头。

8、如权利要求5所述的可转向的轴线对称收敛/扩散喷口，其特征在于上述致动装置还包括一个使上述致动环倾斜的装置。

9、如权利要求8所述的可转向的轴线对称收敛/扩散喷口，其特征在于上述致动装置还包括一个用于轴向平移上述致动环的装置。

10、如权利要求8所述的可转向的轴线对称收敛/扩散喷口，其特征在于上述使致动环倾斜的装置和轴向平移致动环的装置都包括多个固定在喷口外壳并可操纵地连接到上述致动环上的线性致动器。

11、如权利要求10所述的可转向的轴线对称收敛/扩散喷口，其特征在于上述线性致动器是用一个万向接头可操动地连接在上述致动环上。

12、如权利要求10所述的可转向的轴线对称收敛/扩散喷口，其特征在于上述万向接头是一个球形接头。

13、如权利要求12所述的可转向的轴线对称收敛/扩散喷口，其特征在于上述轴向平移的致动环的装置包括三个线性致动器。

14、如权利要求13所述的可转向的轴线对称收敛/扩散喷口，其特征在于上述连接线性致动器至致动环的接头是在所述环的圆周上均匀隔开的。

15、如权利要求13所述的可转向的轴线对称收敛/扩散喷口，其特征在于上述线性致动器是可独立控制的。

16、如权利要求1所述的可转向的轴线对称收敛/扩散喷口，其特征在于上述喉道是一个可调截面面积的喉道。

17、如权利要求1所述的可转向的轴线对称收敛/扩散喷口，其特征在于上述扩散鱼鳞片控制装置包括一个使上述扩散鱼鳞片在相对于未转向的喷口中心线的径向和切向上绕枢轴转动的装置。

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