CN1026146C - 可调节面积的推力换向叶片叶栅 - Google Patents

Abstract

若干个叶栅叶片齐步转动为了有选择地导引气流从叶栅中通过，一流量调节片(36)其转动方向与叶栅叶片(28，29，30)相反，为了维持一恒定的综合气流面积。

Description

本发明关于一种可调节面积的推力换向叶片叶栅。

本发明是在美国空军授予合同并在政府资助下进行的，美国政府对本发明有一定的权利。

注意力集中在未决的共同转让的美国专利申请“用于调节面积的连杆，推力换向叶片叶栅”，申请人为J·华德，R·斯科特和B·赛尔，以及“带有下垂控制叶片可调面积的推力换向叶片叶栅”申请人为B·赛尔，R·斯科特和A·罗彻，他们同时提出申请并且公开了有关的主题。

若干可转动叶片组成的叶栅用于可选择地分流穿过叶栅的气流是在飞机或其它类似应用中为了取得所要求的推力方向的一种公知技术（方法）。此种系统在某种机动飞行时可提供额外的升力或能与来自涡轮发动机之类的正常推力方向相反，为了在飞机着陆时或其它时候对飞机进行减速。

在对R·E珂辛所颁发的美国专利3100377中示出了一种可变位置的叶片叶栅。在涡轮发动机的出口备有若干可单独转动的叶片来导引发动机的排气即可沿着飞机主轴向后导向，也可向下导向，当飞机在垂直或短距离起飞或滑行机动时，该力垂直于飞机主轴以提供附加向上升力，这些叶片横越这二个位置之间的转动范围，所以，在这二种飞行方式的过渡中提供了若干中间的推力向量。

在向E·D安德逊颁发的美国专利3335960示出了一涡轮发动机出口配置有若干可动叶片，为了减小推力，通过叶片扰流发动机的燃气流来提供推力换向和推力控制。而在先有技术中已知，使用此种可变位置的叶片叶栅，与对准叶片的作动角都按照各自的程序或其它控制信号来提供所要求的综合推力向量和/或燃气出口流动面积。

特别是对于叶片叶栅，其特点在于希望对涡轮发动机或类似的排气流提供推力换向，并且还希望通过叶栅，使综合排气流面积近乎保持不变，为了避免在涡动发动机的操作过程中导致不稳定。这对该领域的专业技术人员完全能理解，在涡轮发动机工作过程中，当发动机排气喷管面积的骤增或骤减分别会导致发动机转子的超速和压缩机叶片的失速。

由若干叶片组成的叶片栅协调一致转动来调正推力方向，可以理解垂直于来自换向叶栅的气流所测得的喷管出口面积应该是叶片角的正弦函数，这样，当叶栅叶片位于与叶栅平面成45°角时，其叶栅出口面积大约为垂直位置（即相对于叶栅平面成90°角）时叶片流通面积的70%。

在实际应用中，气流面积能发生约30%的变动其中可变叶片叶栅从涡轮发动机的排气喷管中的推力逆向和推力机动中用于泄出排气流。

在此类应用中，希望叶栅面垂直飞机主轴线，并使单个叶片齐步转动使排气流导向后方，获得一向前推力的飞行方式。如果排气流横向导出，则就可获得大的横向推力而不是轴向推力，若气流从前方导出，则获得一后推力或逆向推力，对于那些熟悉需要推力换向和应用的人都能理解，二种推力向量之间过渡的时间可能在1～2秒内，尤其在飞机着 陆或高速躲避机动飞行时。

正如任何飞机应用情况一样，该领域的设计师总是把减轻重量和筒化结构要求作为优先考虑的目标，当向各个叶片提供灵活定位的多个作动筒装置，它们的重量是比较重且操作起来复杂。我们所需要的是一简单的单作动筒，可变位置的叶片叶栅，该叶栅既能引导气流通过又同时能保持一不变的综合气流面积。

本发明的目的是提供一种改进的排放可换向气流的叶片叶栅，利用它可减轻重量简化结构，同时在相应变推力方向过程中，在整个叶片转动范围内可获得一不变的综合气流面积。

根据本发明，一推力向量排气叶栅片备有若干翼展方向平行的转动叶片，为了有选择地引导气流诸如涡轮发动机的排气流齐步转动，叶栅叶片可在若干气流导向位置之间转动，包括第一位置即向前推力位置，此时叶片偏转引导排气向后排放，第二位置即横向推力位置，此时叶片方向垂直于叶栅结构的总平面，为了把排气直接从叶栅排出，第三位置即向后推力位置，此时，叶片偏转引导排气向前排放。

当叶片转过引导气流或推力换向的转动范围内，本发明要进一步提供避免叶栅综合气流面积有实质改变的装置，按照本发明，一流量调节片邻近叶栅的一末端叶片，气流调节片绕着平行叶栅片枢轴的轴而转动，而且其转动方向与叶栅片的第一、第二、第三位置的转动方向相反。

在工作过程中，当叶栅片在第一，第三位置时，流量调节片与叶栅叶片在翼弦方向对准，从而排气从叶栅内齐步地如所要求的向前或向后排出，当叶栅片移到第二或垂直位置时，则流量调节片以相反方向转动，结果形成一阻挡方向，其中流量调节片在翼弦方向垂直于邻近的叶栅叶片，从而挡住了一部分气流而使综合叶栅气流面保持不变。

本发明还有一实施例，包括用来反转流量调节片方向的装置，当叶栅片从一个偏转推力方向位置转到另一个重叠收起位置或与紧挨的邻近叶片相接触，此重叠收起的叶片提供了一封闭的气流屏障用于空气动力或气流的阻挡目的。

流量调节片当它们转到第一偏转位置和重叠收起位置之间所限定的转动范围内，现在它与叶栅叶片齐步转动，与邻近一端叶片获得一重叠的方向。流量调节片的这种反转又称为“下垂运动”。可提供一收起的不变面积的叶片叶栅，而在各种应用中，此叶栅所提供有选择的推力换向是有效的而且是效率高的。

本发明还有一实施例为叶片叶栅提供有第一和第二流量调节片，各流量调节互相配合转动，相对于推力换向转动范围的叶栅叶片方向刚好相反，结合叶栅叶片转过可收起的转动范围。通过提供双向流动的调节片，本发明允许在叶栅的装置和尺寸上有更大的灵活性以及在推力换向时，维持一不变的推力中心线。

按照本发明，叶栅叶片另一个特点是藉助单一直线作动筒确定单个叶片方向的连杆，此连杆，由于避免了先有技术中共有的多个作动筒而可减轻重量和简化结构，这是飞机和其他应用中所希望的特点。

更具体地说，根据本发明提供了一由直线作动筒驱动的一协调连杆用来对叶栅片进行上面所说的齐步定位，一固定在协调连杆上的凸轮环来驱动一第二连杆，用来对流量调节片或对响应协调连杆直线运动的叶片给予适当的下垂运动，从而在叶栅转动范围内保证流量调节片或叶片的各点恰如其分定向。

按照本发明，通过对下述说明书，权利要求书和附图的介绍，叶栅装置这些目的和优点就会很明显。

图1a和图1b表示一包括变向叶片栅的涡轮发动机的轴向剖视图。

图2a、图2b和图2c表示根据本发明在变向运动范围内工作的叶片叶栅的示意图。

图3a、3b、3c和3d表示根据本发明包括一驱动连杆的可收起变向叶片叶栅的剖面图。

图4a、4b和4c表示一带有连杆的可收起的换向叶片叶栅。

图5表示一根据本发明具有双向流量调节片的换向叶片叶栅的剖视图。

图6表示一根据本发明用于流量调节装置和简单齐步的叶栅装置的换向叶片叶栅，它们排气流动面积变化的坐标图。

图1表示一通过涡轮发动机（未示出）中心线12所取的排气喷管10的剖视图。喷管是由2“D”形组成，有一对中间隔开一定距离的侧壁14以及 在侧壁之间延伸可动的上挡板组件16和下挡板组件18，此类喷管都典型地从涡轮发动机向后排出排气20以提供推动飞机或类似飞行器的向前推力。

偶而，为了机动飞行或飞机着落时减速的目的，还希望提供反向推力或其它方向推力。图1a和图1b所示的喷管可提供如图1b所示可变换推力的能力，其中挡板组件16，18的前挡板22，24绕枢轴转动相对于图1a的轴向排气流量通路变为一阻挡关系。

如图1b所示横向分流的排气20通过反向叶片叶栅26，流出喷管10，下文还要进行更详细地叙述，反向叶片叶栅26包含若干可动叶片用于有选择地引导排气流20，按照本发明，虽然在颁发给伍德沃德的美国专利4641782中没有叶片叶栅26，但图1a和图1b所示的这类喷管已公开，而且已详细地介绍。

根据本发明，图2a和图2b表示一单独的叶片叶栅26，排气20能从图1a和图1b所示的轴向气流通路分出而流入上图所示的叶片栅26中，叶片栅26包括若干个叶片28，29，30，每个叶片绕着对应轴线31，32，33转动，而轴线沿叶片28，29，30翼展方向延伸，图2a表示叶片28，29，30在第一向前推力位置，其中叶片28，29，30向后偏转而分流排气20而产生相反方向推力或向前推力，一静止结构34通过许多部件中的任一个诸如叶片翼展端的轴承围绕和支撑叶栅26，这是大家共知的技术，此处不再作进一步的讨论。

根据本发明，叶栅26备有一流量调节片36安置在邻近叶栅端叶片之一30，并绕着翼展方向延伸的轴线37转动，此轴线平行于叶片28，29，30对应的轴线31，32，33，如图2a以及随后的图2b图2c所示，叶栅叶片28，29，30绕着它们相应的枢轴31，32，33齐步以38方向转动，为了有选择地如图2b所示横向导引排气20或如图2c所示向前导引排气以及它们之间的各种其它方向，为了参照目的，以后如图2b所示的横向排气称为“第二位置”，其中叶栅叶片28，29，30的方向一般垂直于由叶片枢轴31，32，33所限定的叶栅平面40。这种第二位置的叶片通过叶栅26把排气从横向导引出产生一个没有轴向分力的大横向推力。

正如上述背景部分所讨论的，由若干齐步转动叶片所限定的排气流通面积是叶片28，29，30的弦线44和叶片栅的平面40之间形成夹角的正弦函数，当叶栅叶片角转过一换向转动的范围，由第一位置如图2a所示45°位置，第二位置如图2b所示90°位置和第三位置如图2c所示的135°位置限定的所不希望的面积变化都被图2a～图2c所示的第一流量调节片36的反向转动46所控制，这样在图2a中流量调节片36在沿弦线方向平行于邻近端的叶片30，为了向后引导平行于叶栅叶片28，29，30的排气20。

如图2b所示，流量调节片36已转动以便沿弦线方向垂直于邻近端叶片30，阻挡了部分叶栅26，这样，帮助维持通过叶栅的气流面积。

从检查图2b和图2c，上述情况变得更明显，流量调节片叶片36继续以相对于叶栅叶片28，29，30成相反方向转动，所以它们重新变为弦向平行，起到了把排气在前方导出而产生向后推力或逆推力。

流量调节片36，通过相对于齐步叶栅片28，29，30相反方向转动，当叶栅片在图2a-图2c所限定的推力转向运动范围内移动，维持一个近似不变的通过叶栅片的综合气流面积，避免不想要的和可能导致不稳定的排气面积变化，不像先有技术中的叶片操纵系统和方法，根据本发明的反转流量调节片36是一简单的几何面积一定的调节装置，该调节装置不取决于单独叶片的预定程序，以此来保证合适的综合气流面积。各种连杆或其它驱动装置都可被用来定位叶片28，29，30，36，根据图2a-图2c所示的方法，几个此类连杆在下文将要介绍。从审查叶片28，29，30，36在图2a-图2c所示的运动变向范围内转动，当叶栅片28，29，30转到一收起的或阻流关系时，其中每个邻接叶片重叠到下一个邻接叶片上，则对气流形成一冲不破的阻碍，流量调节片36如果它继续以叶栅片28，29，30相反的方向转动将会定向垂直于叶栅26的平面40，而对叶栅26来说，这不是一个问题，气流20总是从叶栅中通过，因此叶栅从不收起，对于某些应用，诸如图1a和图1b所示的换向喷管就希望以重叠和挡气的结合关系收起所有这些叶片。

根据本发明，通过流量调节片36的转动范围 延伸达到一下垂转动，与叶栅叶片28，29，30的相对转动刚好相反，当叶栅叶片从第一位置移到图3a所示的收起位置，而叶栅叶片处于图3a所示的收起位置和图3b所示的第一推力换向位置之间所限定转动的收起范围，为了响应叶栅叶片28，29，30的转动时，流量调节片36的共同转动，允许叶栅片26在收起位置和阻挡位置之间，其中几乎没有气流20可通过叶栅，顺利地打开到呈向前推力方式，其中气体20被偏转叶片28，29，30，36如图所示，向后分流。

在图3b、图3c和图3d所示流量调节片36的逆向偏转转动的换向转动范围内，这些图与上面讨论的图2a、图2b和图2c相类似，这些转动提供了由上述较简单纯反转叶片系统所取得相同面积的控制作用，但为了气体动力学，流量调节或其它目的，却允许取得图3a的重叠的收起位置。

图3a-3d为了对叶栅叶片28，29，30和第一流量调节叶片36来响应单一直线运动48的定向，还公开了一连杆46，通过一细长连杆50延伸并穿过叶栅26而达到，经过一对应叶片拉杆52，把长连杆50连到若干位置间隔开的各单独叶栅叶片28，29，30上。

第一流量调节叶片36按照第一实施例连杆46以逆枢轴的转动所驱动，通过一紧固到连杆50的第一弯曲的凸轮环54和安置在周围静止结构34上的静止凸轮环56，一凸轮辊子60搭在凸轮环54，56内，而凸轮环54，56相对于细长连杆50以横向往复运动所驱动，凸轮辊子60驱动一流量调节片连杆62，再通过直接在叶片上的枢轴来驱动第一流量调节片36。

对本技术领域的专业人员都会理解，第一实施例连杆46这种简单行程运动产生了对叶栅叶片28，29，30的一致转动和第一流量调节叶片36的下垂移动包括第一流量调节叶片36如同叶栅叶片28，29，30转过图3a和图3b所示位置之间限定的收起的转动范围一起共同回转以及第一流量调节片36如同叶栅叶片28，29，30转过图3b，3c，3d所示位置之间限定的推力换向的转动范围而反向回转。

图4a表示根据本发明的可变位置叶片叶栅26再一个实施例的更详细视图。叶栅叶片27，28，29，30绕着相应的枢轴35，31，32，33齐步转动以响应协调连杆50的直线运动48，而协调连杆50被一紧固在连杆50部分和静止结构34之间的直线作动筒59所驱动。

如同在上述第二实施例所讨论的，一凸轮环54固定在协调连杆50上并在此作平移。一凸轮辊子60存放在凸轮环内，通过一空转连杆64绞接到静止结构34上，该空转连杆把辊子60限止在轴向运动从而结果形成横穿协调连杆50运动的往复移动如同连杆50的来回行程48。

辊子60的横行移动通过包含有第一流量调节片驱动连杆66和一相应绞接到辊子60的曲柄68以及辊子的相互铰接给予流量调节片36以下垂运动。通过使用一由辊子60和凸轮环54尤其是连杆所驱动的四杆的连杆64，66，68，34，根据本发明，提供了一简单的强有力的用来定向叶片27，28，29，30，36的机构当叶栅26在收起和推力换向的转动范围内进行操作时。

特别是，用来驱动第一流量调节片36的四杆组成的连杆64，66，68，34可以通过重新对凸轮环54定形进行修改或者对其单独连杆64，66，68进行重新定尺寸以允许重新定程序，否则，随发动机喷管出口面积要求在推力向量方向或其它参数而修改第一流量调节叶片36的运动，当叶栅26工作时，第一流量调节片36的相对定向可以影响这些参数。

图4a、4b和4c介绍了叶栅26在第一、第二、第三位置的单独叶片27，28，29，30，36的定向，这些位置限定了推力换向的转动范围。图4a表示单独叶片向后偏转通过排出排气20用来产生前推力，如上所述，如图4a所示的第一前推力位置已由叶栅叶片27，28，29，30和第一流量调节片36共同转动而取得以响应协调连杆50的直线平移以及有关连杆64，66，68和凸轮辊子的相互作用。凸轮辊子60如图4a所示已达到弧形凸轮环54的顶部，因此开始凸轮辊子反向位移以及逆转按照协调近杆50在后向或右侧方向进一步运动的第一流量调节片36的回转方向。

图4b表示在第二或横向推力换向位置的叶栅叶片27～30其中图4b的叶栅叶片已把38实际上转到与叶栅开面40垂直方向，其中第一流量调节片36的反向转动46如同由凸轮辊子60逆横向位移所引起一样已使第一流量调节片36转到一阻挡 方位，从而减小了叶栅的综合气流面积。

图4c表示在第三位置即逆推力位置时的叶栅27～30，36，其中第一流量调节片已移动在翼弦方向平行于邻近的叶栅叶片30，为了引导排气20到向前方向。

图5仍旧表示依据本发明的又一个叶栅组件26的实施例，其中二个流量调节片36，70在其换向的转动范围内提供了调节叶栅26的气流面积。正如前述的实施例一样，若干叶栅叶片28，29，30在直线作动筒驱动的协调连杆50的影响下，齐步转动为了好理解从它的正常位置位移来表示，一凸轮环54固定到协调连杆50上像在前面的实施例一样，为了使凸轮辊子60作逆横向运动，凸轮环随即作摆动。

在此实例中，辊子60驱动杠杆72通过74铰接到静止结构34，通过第一流量调节片的驱动连杆66用来驱动第一流量的节片曲柄68。杠杆和曲柄装置72，77，68提供一即超过第三实施例4杆连杆64，66，68，34，又超过上述第二实施例的双凸轮装置的更紧凑的连杆。

因为单独叶片28，29，30，36的转动在上文已详细讨论而且这些等量实施例基本上都是相似的，但又各有特点，不过此处所讨论将仅限止在第二流量调节片70所引起的附加连杆和运动，该第二流量为调节片沿翼弦延伸并平行于若干叶栅叶片30，29，28的另一端叶片28并紧靠该叶片。

在它们之间延伸的推杆76的影响下，第二流量调节片70与第一流量调节片36齐步转动。第一推杆和第二推杆的曲轴78，80都紧固到对应的调节片36，70上，为了操纵第二调节片70响应第一调节片36的回转。当叶栅叶片30，29，28的定位用于转过换向转动范围内导引排气20，通过允许更大部分可用叶栅流动面积与开和关闭，此第四实施例的双流向调节片装置对叶栅设计师提供更进一步的灵活性。此种灵活性在较大叶栅装置中是有用的，其中一单个调节片起不到足够的阻挡作用或为了减小上面讨论的不想要的气流面积，而不能提供其它面积的控制量，应该指出，该实施例的双调节片构思同样可应用到前述的实施例，其中对取得提高灵活性和上面讨论的面积控制的优点都是可取的。

图6提供了根据本发明叶栅装置82和先有技术一叶栅装置84的气流面积变化的坐标图。其中单独叶片齐步转动为了有选择地导引气流从此通过，图6表明实际叶栅流动面积AF与可取得的叶栅最大流量面积Amax之比值的变化曲线84表示最大面积比发生在垂直处或叶片相对叶栅平面40成90°方向，正如上述背景部分所指出的面积是叶片角的正弦函数。当叶片向这侧和那侧偏在每侧的90°最大面积比值也就降下来。

根据本发明，曲线82表明使用一个或多个流量调节片的有利结果，在45°和135°位置也就是第一或第三推力换向位置，本发明的面积比与先有技术中系统84的面积比是相同的。当叶栅叶片转到横向推力90°方向，也就是第二位置流量调节片或叶片已转到已阻挡部分叶栅气流面积，这样，在临界转动范围内，综合叶片面积近似保持不变。

根据本发明，叶栅装置在四种相当的实施例已经分开，这些实施例很适宜取得上述提到的发明目的和优点，对本技术领域的普通技术人员将都会理解，通过其进一步相当的实施例也可取得这些发明目的和优点，因此，上述的结构不应认为一种限制，而且应该认为本发明最佳和可供选择的实施例的一种简单的说明。

Claims (2)

1、一种从叶栅中排出换向气流的叶片叶栅包含有：

若干在翼展方向平行的叶栅叶片，各叶片围绕着相应穿过其中的平等枢轴旋转；

作动装置，用于在相对于叶栅平面的第一偏转方向，相对于叶栅平面的第二垂直方向以及相对于叶栅平面的第三相反偏转方向之间的推力换向转动范围内转动叶栅叶片；

其特征在于：上述作动装置包括用一线性作动筒驱动的协调连杆，它与每个叶栅叶片连接以协调地转动叶栅叶片，

一绕着平行于叶栅叶片枢轴的轴而转动的流量调节片，上述流量调节片安置在若干叶栅叶片的离开另外的上述叶片的一端叶片的一侧，

一固定到协调连杆上的凸轮驱动装置，它连接以流量调节叶片上，使流量调节叶片在叶栅叶片于推力换向转动范围内转动时的响应叶栅叶片方向在与叶栅叶片相反的角度方向转动。

2、按照权利要求1的叶片叶栅，其特征在于，上述凸轮驱动装置做成：当叶栅叶片在第一偏转位置时，使该流量调节片与一端叶片沿翼弦平行;

当叶栅叶片处于第二垂直位置时，使流量调节片垂直于该一端叶片;

当叶栅叶片处于第三偏转方向时，使第一流量调节片沿翼弦平行于一端叶片。

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