CN1046019A - 偏航方向推力转向喷口 - Google Patents

Abstract

一种可转向的燃气涡轮发动机排气喷口包括使推力朝偏航方向转向的可布置成一角度的气流偏转装置。在一个实施例中，该偏转装置利用电动，机械或气动的旋转式致动器，可摆动地部署在一个二维喷口的扩散段内。这种偏转装置最好应用在一个二维收敛扩散排气喷口内，喷口包括一个改变喉道截面大小的装置和提供俯仰推力转向的装置。

Description

本发明涉及可转向的排气喷口，更具体地说涉及在俯仰和偏航方向上能提供有效推力转向的新型和改进的排气喷口。

飞机设计师们，特别是那些设计高速高机动性军用飞机的人总是在寻求更好的控制飞机和在飞行中增强其机动性的方法。这方面的改进对躲开对空导弹和其他战斗动作都是需要的。此外，飞机设计师们还企图设法改进飞机短距起落的能力。排气系统，特别是用于现代高速军用飞机的排气系统已经被用于对变化大的飞行条件，包括高度、速度和马赫数等参数下提供高度的机动性而仍能维持其飞行效率。

飞机的机动性也可以由飞机的操纵面如襟翼或付翼或方向舵等来提供。但是这些措施的功效总是有限的，这是因为飞行操作条件，例如飞行速度有着很大的差异。推力转向喷口，虽然比较复杂，但是效果较好，因为这种喷口能使大的推力载荷很快地施加到飞机俯仰和偏航的方向，从而对飞机提供了与飞行速度无关的增强机动性的能力。

除了飞行机动性外，设计师们还希望通过在燃气涡轮发动机上应用可变几何形状排气喷口来充分地优化飞行效率。一个可变几何形状喷口容许喷口喉道和喷口排气口的大小能随着飞行条件如飞行速度和飞行高度的变化而变化。绝大部分用于高速飞机的排气喷口都使用了一种收敛扩散排气喷口。收敛扩散喷口在本专业内是人们很熟悉的，一般地就是排气喷口的截面面积，随着顺流的方向逐渐减小至一个最小面积的位置，称作喉道，然后又逐渐加大至下游端，即喷口的排出口。排气喷口经常通过应用若干个活动的喷口部段制成为可变的，从而获得一个理想的喉道和出口截面积。能够控制其喉道和出口大小的喷口通常称作可变喷口。二维收敛扩散喷口是受欢迎的，因为它们保持一个理想的喉道和排气口截面积并利用了一多位或可调活门板能够很容易地进行俯仰控制。

目前可转向排气喷口的设计，对于在偏航方向上推力的效能是有限的。虽然用二维活门板能够有效地控制俯仰，但是这种设计对于实行偏航却是非常困难的。也提出过一些有关在偏航方向上对二维喷口提供推力转向的方法，包括用万向架固定整个喷口或者使组合活门板以轴线对称方式绕枢轴转动以提供一个飞机转弯力矩。但是这些方法都有着很多缺点，例如，效果不大，重量大带来的损耗以及由于结构，运动学，或空气动力学上的问题而变得复杂。至于较大的绕枢轴的活动量可以通过在万向架上固定的喷口与活门板相结合来获得。然而，这种喷口一般需要复杂的附件和控制装置，因而增加它的成本和重量。

除了多维转向推力喷口的复杂性外，还有如何将喷口结合到飞机上去的问题。这个问题反过来又影响了喷口的工作和性能，也影响了飞机的性能。鉴于上述的问题，因此本发明的一个目的就是提供一种带有改进飞机燃气涡轮发动机排气气流或推力转向装置的燃气涡轮发动机。

本发明的另一个目的是提供一种带有偏航转向装置的俯仰可转向喷口。

本发明的又一个目的是提供一种带有偏航转向装置的俯仰可转向喷口，但是它并不显著地影响飞机及其燃气涡轮发动机或发动机的可转向喷口的性能或带来不利后果。

本发明的另一目的是提供一种在偏航方向具有推力转向能力的可调几何形状排气喷口。

本发明的另一目的是提供一种具有俯仰和偏航能力的可调几何形状俯仰可转向排气喷口，这种喷口结构紧凑、简单，且重量又轻。

本发明又一个目的是提供一种具有偏航能力的可调几何形状的俯仰可转向排气喷口，这种喷口易于结合到飞机上去。

本发明的再一个目的是提供一种带有偏航能力的二维收敛扩散（2DCD）可调几何形状俯仰可转向排气喷口。

根据一个具体实施例，本发明包括一个在偏航方向上对燃气涡轮发动机的推力产生转向的偏航转向装置，一个将偏航转向装置安置在基本上不妨碍喷口排气流位置上的装置，以及一个在排气喷口扩散段内将偏航转向装置布置在相对正常气流有一个偏离角的装置。

根据一个实施例，本发明包括一个能在偏航方向上对发动机产生推力转向的排气喷口。排气喷口包括布置在排气喷口扩散段内并与未偏转的气流面成一个角度的若干偏转挡板。

根据一个更加具体的实施例，本发明包括一个用于燃气涡轮发动机的二维收敛扩散喷口，这种喷口能够调节排气喷口喉道截面积的大小并在俯仰和偏航方向上为发动机的推力转向。排气喷口包括一组用枢轴连接在排气喷口固定结构上的上和下收敛活门板和一组上和下扩散活门板，每一块扩散活门板安置在相应的收敛活门板的下游端并与这相应收敛活门板的下游端以枢轴相连。排气喷口包括若干块以枢轴连接在相应扩散活门板上的偏转挡板和在排气喷口扩散段内将偏转挡板布置成与未偏航气流方向成一个角度的装置。

在本发明一个更具体的实施例中，偏转挡板与沿着扩散活门板的未偏转气流方向成一角度并用铰链连接在扩散活门板上，以枢轴转动偏转挡板的装置最好能包括配置在扩散活门板常温面上的旋转式致动器和连接于偏转挡板合适的联动机构。

喷口可以包括侧壁和顶壁和底壁。流线型活门板用来在活门板的外侧维持平滑的空气动力气流，还可以包括若干个用于产生发动机反向推力的反推力折流门。

本发明可以从下面结合附图所作的叙述中加深理解，其中：

图1是包括结合本发明特点的排气喷口的燃气涡轮发动机示意透视图。

图2是包括收敛和扩散活门板和偏转挡板和旋转式致动器的二维收敛扩散排气喷口的局部透视图。

图3是图1中燃气涡轮发动机排气喷口的截面图。

图4是图2中排气喷口的顶部扩散活门板的后视图，显示一个在一种不妨碍空气动力流畅条件下安置偏转挡板的第一装置。

图1显示一个飞机燃气涡轮发动机10，发动机有一发动机中心线11，结合一个可转向的二维收敛扩散排气喷口22，由一个过渡通道或部段20连接至发动机10的其余部分。过渡通道20的目的是把发动机的排气气流从一个常被人们称为轴线对称气流的圆形截面改变成矩形截面或二维（2D）气流，从而容许在俯仰方向设计成应用机械结构简单而可靠的二维喷口转向装置。此刻，很重要的是，应对习惯上描述气流的方向和参考座标的各种排气喷口元件，如活门板以及飞机和发动机的移动给以确定的定义。如图1所示，向前和向后的方向是分别指朝着发动机10的进气口和排气口的，而左方和右方习惯上是指当一个人从后向前看时的部位。顶部和底部习惯上是分别指发动机中心线11以上和以下的部位，如图1所示。只作为举例，顶部活门板组件14，底部活门板组件15，右侧壁16，和左侧壁17都是作为名词术语的示例在这里是用来限定方向和参考座标。在这里使用的其他惯例代号还包括T和B是指顶部和底部，TL是指顶部左方，TR指顶部右方，BL指底部左方，和BR指底部右方。俯仰和偏航用来指如图1中箭头13所表示的喷口的参考方向以及飞机的推力方向，其中俯仰一般指从顶部至底部联线的方向，常称作向上和向下。偏航同时垂直于俯仰方向和发动机的中心线11，因而处于从左到右联线的方向，或者经常被称作的侧向。排气喷口22有一个为在后方排出的气体13的排气口，从而在这个方向上对安装这发动机的飞机（未显示）产生一个推力，也就是推动飞机前进的力。图1中所显示的排气喷口22是处于一个未转向的位置，因此排气方向TO一般与中心线11重合。虽然本发明的这个最佳实施例在这里被描述为用于一个二维喷口，但是很明显地，这个发明同样可以被用于其他实施例，例如具有三角形或梯形截面的喷口。

参看图2和图3，其中排气喷口22更详细地显示于其俯仰和偏航的位置上，喷口22被分成习惯上的三个部段，收敛段24，扩散段30，和处于两者之间的喉道34。收敛段24包括一个顶壁18T和一个底壁18B。顶壁18T和底壁18B以及侧壁16和17一般都是固定的结构。所谓“固定的结构”一般是指这个结构是静态的，或者是相对于一个基准位置，例如一个机翼机身，或发动机壳体固定于其位置上。如下面将要叙述到的，这种固定的结构是安装可回转部件的最合适的座架。

顶部和底部第一级（或收敛）活门板26T和26B分别由顶部和底部第一枢轴铰接装置28T和28B用枢轴连接到顶壁和底壁18T和18B的后端上。第一级活门板最好是能以绕枢轴转动方向设置，以使喷口喉道34的大小可以调节。顶部和底部第二级（或扩散）活门板32T和32B分别由顶部和底部第二枢轴铰接装置36T和36B用枢轴连接到顶部第一级活门板26T和26B的后端上。第二级活门板最好是能以绕枢轴转动方式设置，以使喷口排气口的大小可以调节，也可将排气流在俯仰的方向上进行导向。枢轴连接装置可以是铰链或者枢轴形式。动力源可以是机械的，气动，液压式电动的。如果使用铰链或者枢轴，那末就可以用一个机械联动机构将一个或多个致动器联在一起使用，这是一种已知技术，发表在美国专利第4，275，276号上，结合在这里作为参考用。如图2所示，每一块收敛和每一块扩散活门板都可以绕枢轴转动至可选择的位置，而独立于任何其他的收敛或扩散活门板，从而使喷口喉道和排气口的截面面积可以有选择地改变其大小，同时发动机的推力也可以在俯仰方向上根据所要求的角度进行转向。

如图2和图3所示，四块偏转挡板70TL，70TR，70BL和70BR，在这里一般称为偏转挡板70，由铰链60或一些其他合适的方式，用枢轴安装在它们各自的顶部和底部第二级活门板上，以使它们能以与图1所示排气流TO成一选定的角度或者在图3的T1的方向上被布置在喷口的排气气流内，从而在偏航或横侧方向上提供一个可控制的推力，在俯仰和偏航方向上，如图2中T2所示，提供一个转向的推力。未偏航的排气气流T1的方向一般与喷口中心线11n相重合。在图2和图3中所示的部署四块中每一块偏转挡板70的装置包括一个在第2级活门板与排气流方向或喷口中心线11n形成的角度将偏转挡板70以枢轴连接到第二级活门板32的铰链60和一个旋转式致动器56，这个旋转式致动器连同合适的机械联动机构58形成一个比较简单和可靠的用于使偏转挡板70围绕其各自的铰接线61回转的装置，这条铰接线61一般与图中的铰链60相重合，从而使一部分排气流转向或偏转在偏航的方向上进行推力转向。

从图2中可以看出，每一个偏转挡板和单个部署的装置是每一另外的偏转挡板和偏转装置的镜象。这种一般称为对称的体系特别适用于单发动机的飞机，但是也可以经过改进或改变更适合于并排的双发动机飞机，如F18或F14战斗机。这种安排方案可以容许单个的偏转挡板，或者独立地布置或者与其它的挡板相结合布置，而与收敛或扩散活门板的位置无关。这种能力对于同时控制任何总推力的组合和它在俯仰和偏航的方向来操纵飞机是特别有用的。要完成这一步必须同时控制喉道34的截面面积和喷口出口的截面面积，要使第二级活门板32，在有些实施例中，也要使第一级活门板绕枢轴转动从而使推力在俯仰方向进行转向，和/或利用部署偏转挡板70使推力在偏航方向进行转向。

如图4所示，设置一条模80，其大小正好容纳偏转挡板70，藉此来安置偏转挡板以便为经过扩散活门板32T和32B的内表面的排出气体提供一个流线型的连续气流通道，并当偏转挡板未被安置和安置在气流的情况下，尽量减少偏转挡板70对排气流的干扰。槽80的深度大致相当于偏转挡板70的厚度，从而正好安置下偏转挡板以便在第二级活门板32上提供一连续的内表面。

为了经过喷口10的顶部和底部的空气流提供一个以空气力学规律的或平滑的表面，整流装置90是以前和后整流活门板96a和96b相互搭接而成，如图2和图3中所示。每一块整流活门板96a和96b一般以搭接方式分别配置在每一个收敛和扩散部段24和30的外面，从而容许第一线和第二级活门板位置的变化，而仍能为流经喷口22上面和下面的空气提供一个空气动力学较平滑的表面。提供这种整流板装置在本专业内有各种各样的形式，其中的一个例子发表在前述的对比文献中。本发明的优点之一是产生偏航推力的装置在机械上很简单，在结构上很紧凑，因而很容易被这样一种空气动力整流装置90所挡住，从而使燃气涡轮发动机10效率更高并保护俯仰推力转向装置的各种机构使其不致遭受经过喷口22的高速空气流的潜在损害。

每块偏转挡板70，其大小和形状最好使偏转挡板70既有最大的偏转表面74，但又要使上偏转挡板和下偏转挡板在最大偏转位置时相互不搭接或不干扰，以及在上和下第二级活门板之间间隙预先选定或在设计中选择最小的开口。因此，如在图2和图3中见到的，偏转挡板70为一个四边形，即四条边都不等的形状。

排气喷口22的工作情况如下。先参看图2，排气喷口22的外形与常规的二维收敛扩散排气喷口一样，其四块偏转挡板70，相对于每一块挡板，都是与发动机的中心线11等距的。此外，每一块偏转挡板沿着一条铰链线60与第二级活门板的中心线11N弯成一个角度，中心线11N一般与沿着其相对应的第二级活门板32的气流相重合。每一对左或右的偏转挡板70，当喷口22处于0°俯仰角状态时都排成与发动机中心线等距离的位置。在这种构形中，由喷口排出的气体，一般以箭头T表示，是沿平行于图1中的中心线11的朝后方向排出的。因此与排气流方向相反的发动机推力却是朝着正前方。

不言而喻，虽然本发明是利用一最佳实施例来描述的，许多其他形式都可以由此形成，但仍在本发明的范围和设想之中。

Claims (11)

1、一种导引喷口排气流方向的推力转向装置包括，至少一个铰接在喷口上的偏转挡板，以便使它可以绕着一条基本上在喷口气流面上的轴线转动和一个将所述偏转挡板部署在排气流内并与排气流方向成一个角度的装置。

2、如权利要求1所述的推力转向装置，其特征在于该装置包括，所述偏转挡板中的两块，相互以镜象方式配置。

3、如权利要求2所述的推力转向装置，其特征在于该装置包括两组所述偏转挡板，其中一组相对于另一组以镜象方式配置，而每一组中还包括两块相互也以镜象方式配置的所述偏转挡板。

4、如权利要求1的推力转向装置，其特征在于该装置包括两块所述偏转挡板一般配置在所述喷口面对面的两侧。

5、一种推力转向的二维收敛扩散喷口包括：

一组顶部和底部收敛活门板，一组顶部和底部扩散活门板，以枢轴相连于其对应的收敛活门板上，

左面和右面侧壁，配置在所述活门板的外面，大致垂直于该活门板并与活门板成气流密封和滑动啮合，

至少四块偏转挡板铰接在喷口上，因而它能绕着一条基本上在喷口气流中心线回转，和

一个用于将所述偏转挡板部署在所述气流中以使偏转挡板的气流面向排气流的中心，并与排气流方向成一锐角的装置。

6、一种二维收敛扩散可转向的喷口包括一个收敛段，一个扩散段，一个介于两者之间的喉道和一个在扩散段内至少将一部分排气流转向偏航方向的装置。

7、如权利要求6所述的喷口，其特征在于该喷口包括一个使喉道截面积变化的装置。

8、如权利要求7所述的喷口，其特征在于该喷口包括在所述扩散段内的顶部和底部扩散喷口活门板，其中至少有所述偏转装置中的一个装置是装在所述扩散喷口活门板中的一块板上。

9、如权利要求8所述的喷口，其特征在于所述偏转装置包括至少一块偏转挡板铰连在所述扩散喷口活门板的一块板上，因而它能绕着一条基本上在所述扩散喷口活门板面上的线进行回转和一个将所述偏转挡板部署在沿着所述扩散喷口活门板气流面的排气流中，并与排气流方向成一角度装置。

10、如权利要求9所述的喷口，其特征在于所述偏转装置包括相互以镜象方式配置的上述偏转挡板中的二块。

11、如权利要求10所述的喷口，其特征在于上述偏转装置包括两组上述偏转挡板其中一组相对于另一组以镜象方式配置，而每一组中还包括上述两块，相互以镜象方式配置的偏转挡板。

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