CN110985197B - 具有波纹管的放气阀 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有波纹管的放气阀。一种用在飞机的燃气涡轮发动机中的放气阀，包括联接到阀壳的高压腔，阀壳包括配置成由系统提升阀芯密封的阀座；系统提升阀芯可操作地联接到轴，轴自身联接到位于高压腔内的波纹管可移动端；阀的开闭由配置成将第一流体注入高压腔内以使波纹管压缩的至少一个腔空气端口和配置成将第二流体直接注入波纹管中以使波纹管膨胀的伺服空气端口来控制。

Description

具有波纹管的放气阀
技术领域
本发明涉及用在飞机的燃气涡轮发动机中的放气阀，尤其是具有波纹管的放气阀，用于管制气体(包括空气)从发动机内流过阀和流出到周围环境中。
背景技术
众所周知，阀用于管制流体流动。此外，已知可胀缩的波纹管结构可用于控制高压流体，以实现阀的有利管制。例如，阀可配置成通过使用波纹管来进行开闭，波纹管可以基于波纹管内和/或周围所包含流体的压力而膨胀和/或压缩。
在燃气涡轮发动机的背景下，也众所周知的是，需要阀来使空气从发动机的压缩机区段排出。例如，在发动机起动期间，放气阀是有帮助的或者甚至是必要的，以便减少驱动与发动机相关的压缩机所需的负载。放气阀还可用于确保在发动机工作以及飞机操作期间其他情况下的安全运行条件。
例如，燃气涡轮发动机的压缩机区段是不稳定的，因为当气流太小时翼型会失速。在这种情况下，失速团会在压缩机区段内形成并旋转，从而损害压缩机的性能和效率，进而损害发动机的性能和效率。如果压力急剧上升，则整个发动机会有喘振的风险，从而导致火焰从发动机风扇中排出。在这种情况下，需要关闭并重启发动机。如果在飞机飞行时发生喘振，这是一个非常困难的问题。通过允许空气和其他气体逸出以及通过增大流过压缩机的空气流，放气阀可以帮助避免上述后果。
在其他情况下也会需要放气阀，例如在从怠速到全推力的快速加速期间。在这种情况下，压缩机区段的前级可以以比压缩机区段的后级可接受的流量和/或压力大得多的流量和/或压力泵送空气。整个压缩机区段的气流和压力的这种不匹配会导致压缩机失速。在这些状况期间可以使用一个或多个放气阀以允许来自压缩机区段的前级的空气逸出。然后，当发动机再次达到稳定运行状况时，可以关闭阀。
已经以许多不同的构型公开了用于这些类型用途的放气阀。然而，随着飞机发动机技术的不断改进，仍然需要能够承受更高压力和温度的放气阀。例如，当前的放气阀技术通常采用碳质密封件作为动态或滑动密封机构。然而，碳质密封件有自身的困难。例如，已知碳质密封件具有温度限制，并且高温应用会导致常规碳质密封件失效。此外，碳质密封件的使用会导致其他问题或要求；碳质密封件会快速磨损和/或劣化，并且因此需要定期更换或大量维护。举例来说，在目前使用的一些放气阀技术中，虽然放气阀的许多主要部件可具有相对较长的寿命，但是需要定期更换这种放气阀内的碳质密封件，以便使放气阀能够实现较长的寿命。因此，通过把放气阀设计成完全消除对碳质动态滑动密封件的需要，可以实现某些优点。
发明内容
在本发明实施例的一个方面，描述了一种用在飞机的燃气涡轮发动机中的放气阀。放气阀包括：高压腔，具有内表面、内容积、外表面、第一端以及与第一端相反的第二端；以及阀壳，具有外表面、第一端、与第一端相反的第二端、以及多个孔口，高压腔的第二端联接到阀壳的第一端。放气阀还包括波纹管，用于交替地捕获和释放一种或多种加压流体。波纹管具有内表面、内容积、外表面、第一可移动端以及与第一可移动端相反的第二固定端。波纹管的第二固定端在大致邻近高压腔第二端的位置处可操作地联接到高压腔的内表面或阀壳的外表面。
放气阀还包括轴，轴具有第一端和与第一端相反的第二端，其中，轴的第一端可操作地联接到波纹管的第一可移动端，轴的第二端联接到系统提升阀芯，系统提升阀芯配置成密封大致邻近阀壳第二端的阀座。轴还相对于波纹管的内表面是密封的，以防止任一种加压流体不希望地进入波纹管和从波纹管释放。
另外，放气阀还包括：(i)至少一个腔空气端口，配置成将加压流体中的第一加压流体围绕波纹管的外表面注入高压腔的内容积中，以便对波纹管的外表面施加第一压力，从而压缩波纹管；以及(ii)至少一个伺服空气端口，配置成将加压流体中的第二加压流体直接注入波纹管的内容积中，以便对波纹管的内表面施加第二压力，从而使波纹管膨胀。
在本文描述的放气阀的一些实施例中，经由所述至少一个腔空气端口和所述至少一个伺服空气端口分别注入所述一种或多种加压流体中的第一加压流体和第二加压流体都配置成可由(a)飞机驾驶员或(b)机载飞行计算机控制。
在本文描述的放气阀的一些实施例中，所述至少一个腔空气端口封装在阀壳内。
在本文描述的放气阀的一些实施例中，伺服空气端口封装在阀壳内。
在本文描述的放气阀的一些实施例中，波纹管具有矩形焊珠，使得当波纹管压缩到完全叠合位置时，矩形焊珠彼此叠置以形成实心的自支撑圆柱形堆叠体。
在本文描述的放气阀的一些实施例中，波纹管的平均有效面积大于系统提升阀芯的平均有效面积。
在本文描述的放气阀的一些实施例中，波纹管的第一可移动端刚性地联接并气密地密封到轴上。
在本文描述的放气阀的一些实施例中，波纹管的固定端被系统提升阀芯的后表面气密密封，以防止释放所述一种或多种加压流体。
在本文描述的放气阀的一些实施例中，波纹管的第一可移动端和轴之间的刚性连接和气密密封是通过焊接实现的。
在本文描述的放气阀的一些实施例中，波纹管的第一可移动端和轴之间的刚性连接和气密密封是通过激光焊接实现的。
在本文描述的放气阀的一些实施例中，放气阀还包括超程元件，其中，波纹管配置成在提升阀芯完全坐放之后波纹管完全叠合。
在本文描述的放气阀的一些实施例中，超程元件包括一个或多个挠曲元件，挠曲元件联接到波纹管的第一可移动端，从而当第一压力超过使系统提升阀芯抵靠阀座密封所需的阈值压力时，波纹管在施加第一压力的作用下能够完全叠合。
在本文描述的放气阀的一些实施例中，轴包括单个实心一体组件，其内没有任何内腔。
在本文描述的放气阀的一些实施例中，轴包括内部轴腔，并且轴的第一端经由轴外伸部而可操作地联接到波纹管的第一可移动端，轴外伸部具有第一端和与第一端相反的第二端。在这些实施例中，超程元件可包括位于内部轴腔内的弹簧，弹簧的一端抵靠轴外伸部的第二端，以将系统提升阀芯偏压到与分开的打开位置。
在本文描述的放气阀的一些实施例中，放气阀配置成位于燃气涡轮发动机的压缩机级内。
在本文描述的放气阀的一些实施例中，放气阀配置成位于燃气涡轮发动机的涡轮级内。
在本文描述的放气阀的一些实施例中，放气阀配置成位于燃气涡轮发动机的燃烧室级内。
在本文描述的放气阀的一些实施例中，放气阀配置成：当处于系统提升阀芯抵靠阀座密封的放气阀关闭位置时，放气阀定位成阻止流过燃气涡轮发动机的压缩机级的加压气体流过阀座。
在本文描述的放气阀的一些实施例中，波纹管配置成在放气阀关闭时波纹管处于压缩状态。
在本文描述的放气阀的一些实施例中，波纹管配置成在放气阀关闭时波纹管能够进一步压缩到叠合状态。
在本文描述的放气阀的一些实施例中，放气阀还包括一体过滤单元，以防止一种或多种污染物进入高压腔。
在本文描述的放气阀的一些实施例中，一体过滤单元包括一个或多个过滤盘，过滤盘在所述一个或多个腔空气端口和所述伺服空气端口内位于阀壳与高压腔之间。
在本文描述的放气阀的一些实施例中，放气阀还包括位于波纹管的第一可移动端和第二固定端处呈一系列焊接接头形式的一个或多个密封元件。
在本文描述的放气阀的一些实施例中，放气阀还包括形成在系统提升阀芯的后表面与阀壳的内表面之间呈环形接触密封形式的一个或多个密封元件。
在本文描述的放气阀的一些实施例中，放气阀还包括位于高压腔的第二端与阀壳的第一端之间呈环形密封圈形式的一个或多个密封元件。
在本文描述的放气阀的一些实施例中，放气阀还包括端盖，端盖刚性地联接并气密地密封到波纹管的第一可移动端和轴上。
根据本说明书、权利要求和附图，本发明的这些和其他实施例将更明显。
附图说明
图1是示例性燃气涡轮发动机的示意性剖视图。
图2A是对应于本发明第一实施例放气阀的立面剖视图，其中，放气阀示出处于打开位置。
图2B是图2A的放气阀的立面剖视图，放气阀还是示出处于打开位置，放气阀示出处于可以使用放气阀的一种可能环境中，即安装到燃气涡轮发动机的压缩机区段的壳体上。
图3是图2A至图2B的放气阀的立面剖视图，所示放气阀处于关闭位置，波纹管部分地压缩，使得系统提升阀芯刚抵靠阀座密封。
图4是图2A至图2B的放气阀的立面剖视图，所示放气阀处于波纹管完全压缩到叠合位置的位置，使得系统提升阀芯强制抵靠阀座密封。
图5是图2A至图2B的放气阀的剖视图，所示放气阀处于波纹管已被迫再次膨胀到初始打开位置的位置。
图6是对应于第二实施例放气阀的立面剖视图，其中，将波纹管的可移动端盖连接到系统提升阀芯的轴包括没有任何内腔的单个实心一体组件，放气阀也处于打开位置。
图7是示出具有球形焊珠的处于伸展位置的标准边缘焊接式波纹管的一部分的剖视图。
图8是示出处于叠合位置的图7的标准边缘焊接式波纹管的一部分的剖视图。
图9是示出具有矩形焊珠的处于伸展位置的边缘焊接式波纹管的一部分的剖视图。
图10是示出处于叠合位置的图9的边缘焊接式波纹管的一部分的剖视图。
具体实施方式
现在将详细说明本发明的优选实施例，示例在附图中示出。虽然将结合优选实施例描述本发明，但是本发明旨在涵盖可以包括在由权利要求限定的本发明的实质和范围内的替代、变型和等同。此外，在本发明的详细描述中，阐述若干具体细节，以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域普通技术人员将理解，本发明可在有或没有这些细节的情况下实施。因此，尽管本发明可以有多种不同形式的实施例，但是本公开的后续描述应当认为是本发明原理的示例，而不旨在将本发明限于例示的实施例。
图1示出了一种燃气涡轮发动机20。如在本领域中已知的，燃气涡轮发动机可包括风扇区段30，风扇区段移动空气并围绕中心轴线40旋转。随着风扇41在风扇区段30内旋转，把空气沿着中心轴线40推向发动机的后部42，相继地分别进入压缩机区段50、燃烧室区段60和涡轮区段70，这些区段中的每一个也沿着中心轴线40对中。所示的示例性放气阀80位于压缩机区段50的压缩机壳体51上。燃气涡轮发动机20可以包括在各个位置的多个放气阀80。虽然下面的大部分讨论假设放气阀80安装在燃气涡轮发动机20的压缩机区段50上，但是下面讨论的放气阀80的各种实施例同样可以位于燃气涡轮发动机20的任何其他区段中，包括位于燃烧室区段60上和位于涡轮区段70上。图1仅示意性地示出了燃气涡轮发动机的关键部件，应当理解为简单起见未示出这种发动机的多个其他部件。此外，虽然本领域技术人员将认识到图1所示燃气涡轮发动机20是本领域已知的许多燃气涡轮发动机中的一种特定类型，但应当理解本发明可扩展到其他类型的燃气涡轮发动机。
图2A至图2B示出了根据本发明的放气阀的示例性优选实施例(即放气阀100)的立面剖视图。放气阀100包括高压腔110和阀壳120，它们刚性地联接在一起以便在高压腔110内形成气密密封的内容积。在图2A至图2B所示的实施例中，利用紧固件116、117把高压腔110联接到阀壳120，在本例中紧固件是螺栓116、117。然而，本领域普通技术人员将理解，高压腔110和阀壳120同样可以以各种方式(包括通过粘合剂或焊接)刚性地联接在一起，或者它们可以形成为单个一体件。
在图2A至图2B中，高压腔110的第一端112位于高压腔110的顶部处，而高压腔110的另一端即第二端114刚性地联接到阀壳120的第一端或顶端122。波纹管140位于高压腔110内，波纹管具有自己的顶部第一端142和底部第二端144。波纹管140的第二端144是固定的，并且刚性地联接并气密地密封到(a)高压腔110的第二端114或(b)阀壳120的顶部第一端122。相比之下，波纹管140的第一端142是可移动的，并且配置成(在图2A至图2B的取向下)在高压腔110内上下往复运动。在该实施例中，波纹管140的第一端142刚性地联接并气密地密封到端盖130，以便在高压腔内与之一起往复运动。波纹管140还包括内表面145、外表面146和内容积148。
还如图2A至图2B所示，放气阀100还可包括多个密封元件，配置成气密地密封波纹管140的内容积148。作为这种密封元件的一个实例，波纹管140的第一端142可焊接(例如激光焊接)到端盖130，以气密地密封波纹管140的第一端142。作为另一个实例，波纹管140的第二端144可焊接(例如激光焊接)到高压腔110的第二端114或阀壳120的第一端122，以同样气密地密封波纹管140的第二端144。另一密封元件可包括环形密封圈125，其位于高压腔110的第二端114与阀壳120的第一端122之间。
波纹管140，具体是波纹管140的第一端142，通过轴152和轴外伸部154而可操作地联接到系统提升阀芯150。系统提升阀芯150的密封部151位于轴152的端部之外，密封部151与阀座160配合以防止流体(通常为空气)通过阀座160，在阀座处，流体可通过孔口127、128排出到外部大气中。轴外伸部154的第一端153可通过焊接(例如通过激光焊接)而刚性地联接并气密地密封到端盖130。端盖130、波纹管140的第一端142、轴外伸部154(或一体轴252，下面相对于图6来讨论)和轴端153之间的焊接接头使端盖130相对于波纹管140密封。
然而，应当理解可以有多种构型，其中，波纹管140的第一端142可以直接地或间接地联接到系统提升阀芯150。例如，轴152可以简单地形成为与系统提升阀芯150成一体的单个一体件，其中，轴152一直延伸到波纹管140的第一端142。该构型可以在图6中看到，其中，系统提升阀芯250经由一体轴252联接到波纹管240的第一端242。
如图2A至图2B、图3和图4所示，系统提升阀芯150配置成与阀座160配合，阀座160位于阀壳120的第二端124。鉴于系统提升阀芯150间接地与波纹管140的第一端142刚性联接，波纹管140和系统提升阀芯150的组合作为往复阀，配置成基于施加在波纹管外部以及来自波纹管140内部的压力来密封阀座160。具体地，在放气阀100的打开构型中，如图2A至图2B所示，经由伺服空气端口180用足以将压力施加到波纹管140内表面145上的流体量来对波纹管140的内容积148加压，从而迫使波纹管140进入膨胀位置。然而，放气阀100的高压腔110同样配置成具有可经由空气端口170通过另一种流体加压的内容积118，从而在波纹管140的外表面146周围施加力，以迫使波纹管140进入压缩位置(图3至图4所示)。
对波纹管140和高压腔110加压以分别开闭放气阀100是可以由飞机驾驶员或由机载飞行计算机控制或执行的动作。这些动作可经由一个或多个空气端口具体地进行，以便载送和注入空气或其他流体。例如，可以通过经由一个或多个腔空气端口(例如空气端口170)注入空气或其他流体来对高压腔110加压。这样做将压缩波纹管140，从而使波纹管142的第一端142朝向高压腔110的第二端114移动，并向下推动系统提升阀芯150，并将轴152的第二端151抵靠阀座160密封，从而关闭放气阀100。
相比之下，通过经由伺服空气端口180注入空气或其他流体，可以对波纹管140加压以使之膨胀。如下面进一步解释的，这样做将允许波纹管140膨胀，这部分地是由于波纹管140固有的弹簧偏压力，而且也是由于通过从伺服空气端口180进入波纹管140的空气或其他流体而引入的任何额外压力。作为波纹管140膨胀过程的一部分，波纹管140的第一端142将朝向高压腔110的第一端112移动，从而向上推动系统提升阀芯150，并打开放气阀100。尽管附图示出了腔空气端口170和伺服空气端口180封装在阀壳120内，但是本领域技术人员将理解空气端口170、180可以配置成与阀壳120分离。
附图中的图2B示出了放气阀100安装在压缩机壳体51(参见图1)上，使得来自喷气发动机20的压缩机区段50内的空气可以经由阀座160进入放气阀(例如放气阀100)，以使此空气或气体能够经由阀壳120中的孔口127、128逸出到外部大气中。
附图中的图3中示出了处于初始关闭构型的放气阀100，其中，系统提升阀芯150的第二端151刚与阀座160接触并且抵靠阀座160密封。这是通过以下方式来实现的：经由腔空气端口170将空气或其他流体注入高压腔110的内容积118中，从而压缩波纹管140。然而，值得注意的是，在图3所示的构型中，波纹管140部分地压缩，但是没有完全压缩到叠合位置。如将相对于图4所描述的，波纹管140能够完全压缩到大致叠合位置的能力相对于常规放气阀而言提供了额外优点。
在如图3至图4所示放气阀100的关闭位置中，当放气阀100位于喷气发动机20的压缩机区段50上时，放气阀100配置为定位成阻止流过压缩机区段50的加压气体流过阀座160。还如图3至图4所示，波纹管140配置成在放气阀100关闭时处于压缩状态。
放气阀100和200的特色在于两个方面，这两方面的特色设计为减小放气阀所承受的负载，并且每个方面的特色使放气阀能够“自补偿”，即确保放气阀100、200在要关闭时保持关闭以及在要打开时保持打开。第一方面，如图3的取向所示，可以看出，波纹管140的平均有效面积MEAB大于系统提升阀芯150的第二端151在抵靠阀座160密封情况下的平均有效面积MEAV(即，MEAB>MEAV)。许多常规设计使用相反的构型，其中，系统提升阀芯的平均有效面积大于波纹管的平均有效面积。在这种情况下，当这种常规阀位于关闭状态时，系统提升阀芯受到来自发动机的压缩机区段的很大压力，这会对系统提升阀芯和密封面产生很大的力，此力会传递到阀体和轴上。这种方案一般要求系统提升阀芯、阀座、轴和阀体都足够坚固以承受压缩机所产生的很大的力，从而要求阀以更高成本添加额外材料以避免阀失效。保持波纹管140的平均有效面积大于系统提升阀芯150的平均有效面积可使放气阀100所必须能够承受的力最小，从而减小了阀上的力，进而显著降低了阀失效率。在本发明中，放气阀100是自补偿的，并且在要关闭时更易于保持关闭。
第二方面，放气阀100是自补偿的，因为系统提升阀芯150配置成向下朝向阀座160移动，与波纹管140压缩和轴152移动的向下方向相同。以这种方式，波纹管140的任何失效(例如波纹管的任何密封元件的失效)将导致放气阀100移动到关闭构型。波纹管140在系统提升阀芯150关闭并抵靠阀座160密封的相同高压方向上压缩的构型也更易于使得净正力将系统提升阀芯150推到抵靠阀座密封的位置。
本发明还设想的是，选择并使用特定类型的波纹管，或者波纹管140的压缩(或“预压缩”)量可以是“工厂设定”的或可调整的，以确保工作压力差保持在指定和/或优化的性能限制范围内。实现这一点的一种方式是通过调整端盖130相对于系统提升阀芯150的密封端151的位置。换句话说，在端盖130与系统提升阀芯150的密封端151之间设定规定距离可用于管制或限定波纹管140中固有的预期弹簧偏压，从而放气阀100在优选操作参数范围内工作。
图4示出了放气阀100处于完全关闭构型，这是在部分关闭构型之后通过以下方式来实现的：经由腔空气端口170将额外的空气或另一种流体注入高压腔110的内容积118中，从而将波纹管140压缩到完全压缩的完全叠合位置。将波纹管140压缩到叠合位置提供了优于常规放气阀的显著优点。具体地，由于放气阀100旨在用于有显著振动量的环境中(例如，在燃气涡轮发动机20的压缩机壳体51上)，因此有利的是波纹管140完全压缩到叠合状态以便波纹管减震。未减震的波纹管(例如图2A至图2B和图3所示)将经受显著振动。如上所述，放气阀100将在大部分工作寿命中占据关闭位置，并且可以仅为起动发动机而打开，并且也可为滑行、瞬态事件、起飞和着陆而打开。由于当放气阀100完全关闭时波纹管140处于叠合位置，并且由于放气阀100的大部分工作寿命将用于该完全关闭位置，因此波纹管140以及因此放气阀100的寿命将因波纹管140在大部分工作期间叠合并减震而显著延长。波纹管140和放气阀100在各自寿命期间所受到的并且必须承受的振动显著程度会极大地增大放气阀100和/或波纹管140的灾难性失效风险，前提是如果波纹管140在这种持久振动期间处于任何未压缩非叠合状态。
相比之下，许多常规放气阀采用的设计是，当阀关闭时波纹管或变形弹簧处于膨胀状态。由于阀在绝大部分工作寿命期间将关闭，因此这种阀中的膨胀波纹管和/或弹簧将一直受到显著量的振动，从而增大了这种阀中的波纹管和/或弹簧断裂或失效的风险。本文所公开的设计通过以下方式改进了常规的放气阀：通过消除与在膨胀状态下影响波纹管和/或弹簧的强烈振动相关联的风险，最小化了灾难性波纹管失效的风险。通过将放气阀100设计成包括波纹管140并且当放气阀100关闭时(并且因此在放气阀100的大部分工作寿命期间)波纹管140完全压缩到叠合状态，相信本文所公开的设计大大地增加了阀的寿命。
附图中的图5示出了在重新改变到打开取向之后处于打开状态的放气阀100。通过经由伺服空气端口180把空气或另一种流体直接注入波纹管140中来打开阀。随着额外的空气或流体注入波纹管140中，该空气或流体对波纹管140的内表面145施加压力。虽然波纹管140的弹簧力用于使阀大体上打开，但伺服空气压力将用于进一步减小波纹管140上的压差，以利用波纹管140的固有弹簧偏压来使波纹管140膨胀。伺服空气压力可以达到或超过波纹管的外部压力，但不是必须超过外部压力来打开阀。简而言之，波纹管140可配置成利用自身固有的弹簧偏压，使得经由伺服空气端口180将空气或流体注入波纹管140中来减小波纹管140上的压差，以便波纹管140可以膨胀到打开位置。当对波纹管140内表面145的压力达到或超过由高压腔110的内容积118内的空气或流体施加在波纹管140外表面146上的压力时，波纹管140的固有弹簧偏压可以使波纹管140能够膨胀至达到完全膨胀状态。在该状态下，可以采用额外的辅助密封元件来确保没有空气或其他流体从波纹管140的内容积148内逸出。具体地，当阀100处于打开位置时，系统提升阀芯150的后表面151’可在其上端处形成环形金属与金属接触式密封123，从而使后表面151’抵靠阀壳120的内表面121密封。
附图中的图6示出了根据本公开的放气阀的第二实施例，为放气阀200的形式。放气阀200与放气阀100的不同之处在于几个方面。最值得注意的是，放气阀200包括系统提升阀芯250，其中，将系统提升阀芯250的第一端253和波纹管240的可移动端盖230连接到系统提升阀芯250的第二端251的轴252包括单个实心的一体组件252，其内没有任何内腔。
图6的结构与图2A至图2B所示系统提动阀150的轴152形成对比，轴152包括内部轴腔155，弹簧156位于内部轴腔155中。内部轴腔155和弹簧156与轴外伸部154一起共同构成用于“超程”元件的一个示例性设计，使得在系统提升阀芯150完全坐靠在阀座160上之后波纹管140能够完全叠合成实心的圆柱形自支撑堆叠体。当在燃气涡轮发动机20的压缩机区段50中产生显著的级压力时，这种“超程”元件限制了可施加到阀座160和系统提升阀芯150上的应力(以及可以施加到放气阀100的其他元件-例如波纹管140或高压腔110-的应力)。预计级压力可以达到大于400psi，并且允许波纹管140完全压缩到远低于400psi极限的叠合位置(如图4所示)能够用于最小化可在放气阀100上施加的总力。这继而允许选择重量更轻且成本更低的材料，从而改进了放气阀100的功能但又不显著增加重量或成本。
图6中示出了用于“超程”元件的第二替代设计。该实施例不包括使用内部轴腔、弹簧或轴外伸部。相反，放气阀200包括波纹管240，波纹管240包括焊接到波纹管240的第一端242上的一些挠曲元件249。挠曲元件249在图6中示出为包括焊接到波纹管240的第一端242上的弯曲部。本领域技术人员将理解，可以在不脱离本发明范围的情况下改变所示出的那种曲率和位置。挠性元件249用于在系统提升阀芯250完全坐靠在阀座260上之后使波纹管240能够完全叠合到大致实心状态，从而限制了放气阀200可承受的应力。
图6示出了可用在许多实施例中延长放气阀200寿命的另一设计特色。预计的是，污染物(包括沙、石、骨、发动机壳体内衬等)会撞击放气阀200，并且具体地会进入高压腔210、阀壳220或放气阀200的其他部件中。在没有对于此类污染物颗粒的任何防护措施的情况下，放气阀200会严重损坏或者失效。因此，放气阀200包括一体的过滤单元275，用于防止污染物进入高压腔210并对波纹管240或放气阀200的其他敏感部分造成损坏。一体的过滤单元275可包括一个或多个过滤盘，其在腔空气端口270内位于阀壳220和高压腔210之间。虽然一体的过滤单元275示出处于一个特定位置，但是可以在其他位置(包括可在伺服空气端口280内)包括其他或额外的一体过滤单元。
如图7和图8所示，标准的边缘焊接式波纹管(未完全示出)由波纹管板700组成，在每个焊接位置处具有圆形焊珠710。当波纹管伸展时，如图7所示，圆形焊珠700正常起作用。然而，当波纹管在大约100psi的较高压力下完全压缩时，圆形焊珠710将压紧在一起。由于圆形的缘故，每个相邻焊珠的弧814会剪切，从而产生不完美的对准，从而导致图8所示的错位构型。不受限的剪切会导致波纹管失效，从而导致放气阀发生灾难性失效。
用于增强边缘焊接式波纹管总强度和完好性的一种方法是将板焊接在一起，以使得焊珠的形状大致为矩形。在图9中，边缘焊接式波纹管(未完全示出)由波纹板900组成，具有矩形的内部焊珠910。当这种波纹管压缩到如图4所示完全叠合位置时，矩形焊珠910整齐且有效地彼此堆叠。因此，当叠合了时，具有矩形焊珠910的波纹管形成实心的自支撑圆柱形堆叠体，从而能够比图7和图8所示标准波纹管承受高得多的压力。这种具有矩形焊珠的波纹管可从马萨诸塞州Sharon的Senior Aerospace Metal Bellows公司获得，以本申请受让人拥有的商标
Figure GDA0003230346600000141
出售。
前面的描述和附图仅解释和例示了本发明。然而，本发明不限于结合任一特定附图示出的任一特定实施例或各元件的组合，因为本领域技术人员能够在不脱离本发明范围的情况下进行修改和变化。
此外，前面的描述给出了设想用于实施本发明实施例的最佳模式，并对实施的方式和过程进行了完整、清楚、简明且准确地描述，以使得所属领域的技术人员能够实施这些实施例。可以对上述讨论的本发明实施例进行等同性的修改和替代构造。因此，本发明不限于所公开的特定实施例。相反，本发明涵盖了落入本公开实质和范围内以及权利要求范围内的所有修改和替代结构。

Claims (26)

1.一种放气阀，用在飞机燃气涡轮发动机中，放气阀包括：
高压腔，具有内表面、内容积、外表面、第一端以及与第一端相反的第二端；
阀壳，具有外表面、第一端、与第一端相反的第二端、以及多个孔口，高压腔的第二端联接到阀壳的第一端；
波纹管，用于交替地捕获和释放一种或多种加压流体，波纹管具有内表面、内容积、外表面、第一可移动端以及与第一可移动端相反的第二固定端，波纹管的第二固定端在大致邻近高压腔第二端的位置处可操作地联接到高压腔的内表面或阀壳的外表面；
轴，具有第一端和与第一端相反的第二端，轴的第一端可操作地联接到波纹管的第一可移动端，轴的第二端联接到系统提升阀芯，系统提升阀芯配置成密封大致邻近阀壳第二端的阀座，
轴相对于波纹管的内表面是密封的，以防止任一种加压流体不希望地进入波纹管和不希望地从波纹管释放；
至少一个腔空气端口，配置成将第一加压流体围绕波纹管的外表面注入高压腔的内容积中，以便对波纹管的外表面施加第一压力，从而压缩波纹管；以及
至少一个伺服空气端口，配置成将第二加压流体直接注入波纹管的内容积中，以便对波纹管的内表面施加第二压力，从而使波纹管膨胀；
放气阀配置成当波纹管处于压缩位置时放气阀处于关闭构型且系统提升阀芯定向成抵靠到阀座上密封。
2.如权利要求1所述的放气阀，其中，经由所述至少一个腔空气端口和所述至少一个伺服空气端口分别注入所述一种或多种加压流体中的第一加压流体和第二加压流体都配置成能由飞机驾驶员或机载飞行计算机控制。
3.如权利要求1所述的放气阀，其中，所述至少一个腔空气端口封装在阀壳内。
4.如权利要求1所述的放气阀，其中，伺服空气端口封装在阀壳内。
5.如权利要求1所述的放气阀，其中，波纹管具有矩形焊珠，使得当波纹管压缩到完全叠合位置时矩形焊珠彼此堆叠以形成实心的自支撑圆柱形堆叠体。
6.如权利要求1所述的放气阀，其中，放气阀进一步配置成是自补偿的，使得波纹管的平均有效面积大于系统提升阀芯的平均有效面积。
7.如权利要求1所述的放气阀，其中，波纹管的第一可移动端刚性地联接并气密地密封到轴上。
8.如权利要求1所述的放气阀，其中，波纹管的第二固定端被系统提升阀芯的后表面气密地密封，以防止释放所述一种或多种加压流体。
9.如权利要求7所述的放气阀，其中，波纹管的第一可移动端和轴之间的刚性连接和气密密封是通过焊接实现的。
10.如权利要求9所述的放气阀，其中，波纹管的第一可移动端和轴之间的刚性连接和气密密封是通过激光焊接实现的。
11.如权利要求1所述的放气阀，其中，放气阀还包括超程元件，波纹管配置成在系统提升阀芯完全坐放之后完全叠合。
12.如权利要求11所述的放气阀，其中，超程元件包括一个或多个挠曲元件，挠曲元件联接到波纹管的第一可移动端，从而当第一压力超过使系统提升阀芯抵靠阀座密封所需的阈值压力时在施加第一压力的作用下波纹管能够完全叠合。
13.如权利要求12所述的放气阀，其中，轴包括单个实心一体组件，其内没有任何内腔。
14.如权利要求11所述的放气阀，其中，轴包括内部轴腔，并且轴的第一端经由轴外伸部而可操作地联接到波纹管的第一可移动端，轴外伸部具有第一端和与第一端相反的第二端，并且超程元件包括位于内部轴腔内的弹簧，弹簧的一端抵靠轴外伸部的第二端，以将系统提升阀芯偏压到与阀座分开的打开位置。
15.如权利要求1所述的放气阀，其中，放气阀配置成位于燃气涡轮发动机的压缩机级内。
16.如权利要求1所述的放气阀，其中，放气阀配置成位于燃气涡轮发动机的涡轮级内。
17.如权利要求1所述的放气阀，其中，放气阀配置成位于燃气涡轮发动机的燃烧室级内。
18.如权利要求15所述的放气阀，其中，放气阀配置成：当处于系统提升阀芯抵靠阀座密封的放气阀关闭位置时，放气阀定位成阻止流过燃气涡轮发动机的压缩机级的加压气体流过阀座。
19.如权利要求1所述的放气阀，其中，波纹管配置成在放气阀关闭时波纹管能够进一步压缩到叠合状态。
20.如权利要求1所述的放气阀，其中，放气阀还包括一体过滤单元，以防止一种或多种污染物进入高压腔。
21.如权利要求20所述的放气阀，其中，一体过滤单元包括一个或多个过滤盘，过滤盘在所述至少一个腔空气端口或所述伺服空气端口内位于阀壳与高压腔之间。
22.如权利要求1所述的放气阀，还包括位于波纹管的第一可移动端和第二固定端处呈一系列焊接接头形式的一个或多个密封元件。
23.如权利要求22所述的放气阀，还包括形成在系统提升阀芯的后表面与阀壳的内表面之间呈环形接触密封形式的一个或多个密封元件。
24.如权利要求23所述的放气阀，还包括位于高压腔第二端与阀壳第一端之间呈环形密封圈形式的一个或多个密封元件。
25.如权利要求1所述的放气阀，还包括端盖，端盖刚性地联接并气密地密封到波纹管的第一可移动端和轴上。
26.如权利要求1所述的放气阀，其中，系统提升阀芯配置成朝阀座移动，同时波纹管沿着与系统提升阀芯朝阀座移动方向相同的方向压缩。
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