CN1234850A - 喷管空心致动环 - Google Patents

Abstract

一个空心致动环(86)和装置,它通过从较小数量的致动器(90)将致动负荷传递到喷管(14)的较大数量的转动扩张调节片构件而致动和/或定向飞机燃气透平喷管(14)的调节片(50)。致动环(86)有一个大致环形空心构件,包括轴向隔开的同轴线前壁(110)和后壁(114)、在前后壁(110与114)之间轴向地延伸并将它们在结构上连接起来的连接支撑(118),以及一个致动环增强装置(124),该装置可以减小在连接支撑(118)之间的前后壁(110与114)中至少一个的致动环有效弯曲和扭转长度(L)。利用在连接支撑(118)与前后壁(110与114)之一之间沿对角线延伸的结构撑条(132),增强结构(124)可以将从连接支撑(118)传递到前后壁(110与114)之一的负荷分散。

Description

喷管空心致动环

                      发明的背景

根据美国空军部签订的F33657-91-D-2084号合同，美国政府享有此发明的权利。

                      发明领域

本发明总的涉及轴对称可变喷管的作动环，更具体是关于一种空心作动环及装置，它用于使喷嘴调节片转动以使喷管排气流和推力定向。

                    相关技术描述

军用飞机在空战和攻击复杂地面目标的应用方面，需要提高机动性。飞机设计师在探索用可定向喷管来替代或增强普通气动面(如折叶和副翼)的使用，这种喷管可以改变驱动飞机的燃气透平的排气流和推力的方向，或将其定向。Hauer在美国4,994,660号专利(此处用来参照)中披露了一种轴对称可变的定向排气喷管，提供了一种使轴对称收缩/扩张型喷管的推力定向的装置其方法是以不对称的方式可万向地转动喷管的扩张调节片，换言之，相对于未定向的喷管中心线径向和切向转动扩张调节片。该调节片是以作动环为枢轴而转动的，作动环可以轴向移动或围绕其水平和垂直轴线作方向、旋转或摆动一有限的范围(主要为了调节它的姿态)。以前，二维喷管使用的是定向推力装置，采用比较平坦的调节片来控制发动机推力的俯仰或左右摇摆方向。

已定向的推力产生切向和径向负荷，叫做侧负荷，侧负荷是从调节片由各种负荷路径经致动环传递回来，再经致动器传递到发动机罩的。这些巨大的负荷，特别是由推力定向施加在致动器轴上的弯曲力矩，需要重型致动器来吸收。曾研究了各种设计来提供一种装置，它尽量减小或消除从喷管传递到致动器的侧负荷以及由于径向负荷而使致动器承受的弯曲力矩。Lippmeier等人的美国5,174,502号专利(此处用来参照)披露了这样的设计，但是像其它设计一样，致动环仍须承受大的径向和轴向负荷以及弯曲力矩。致动环必须具有刚性以防止系统在定向负荷下变形，那会导致推力系数损失、定向角性能下降和潜在的不稳定性。致动环的柔性使它能在喷管定向负荷下挠曲和变形，从而相对于一个刚性运动系统来说减少了所能达到的定向。这个问题由于用来使喷管定向的致动器数量少而更加显得严重，要有三个致动器才合适。这种变形最终导致总定向性能的降低。

试图增加抗扭和抗弯刚度的设计师所面临的一个问题是，致动环可用的空间一般都受到飞机、发动机内部流动通道、喷管结构和收缩致动系统的限制。当用AVEN喷管改装现有的飞机燃气透平排气喷管系统时，这个问题特别麻烦，因为在非定向的原始设计中，未设置或考虑致动环。可供致动环占用的空间往往只允许有一种较为柔性的致动环。

在现有设计中影响致动环刚度的两个关键参数是致动器之间的距离(具有立方效应)和致动环的断面性质。如果采取三个致动器和一个受限制的致动环外壳和横断面，则增加致动环材料的厚度可以提高致动环的刚度，但是重量也就增加了。

                      发明概述

简言之，按照本发明的一个方面，提供一个空心致动环和装置，它通过从几个(最好是3个)致动器将致动负荷传递到较大数量的转动扩张调节片构件而致动和/或定向飞机燃气透平喷管的调节片，这些转动扩张调节片构件是可以操作来定向推力和改变喷管出口面积的。

致动环大体上为空心环形结构，包括轴向隔开的同轴线的前、后壁，在前壁和后壁之间轴向地延伸并将它们在结构上连接起来的支撑，以及一个致动环增强结构，该结构可以减小在支撑之间的前、后壁中至少一个的致动环有效弯曲和扭转长度。本发明的一个实施例提供一个增强装置，它可以将从支撑传递到前、后壁之一的负荷散开。另一个实施例提供一个增强装置，在支撑和至少前、后壁之一之间形成A形架，或在每个支撑和前、后壁之一之间至少有一个沿对角线延伸的结构撑条。A形架可以有内圆角。本发明一些更详细的实施例提供了调节片致动联动装置，它们布置在该结构的后环圆周周围并与它在结构上连接，还提供了致动器连接装置，它们与支撑在结构上连接。该调节片致动联动装置和致动器连接装置最好包括一些球形铰接元件。

另一个更特殊的实施例提供构成加强支撑的切开的零件，这些支撑在前、后壁之间轴向地延伸，并进一步将前、后壁在结构上连接起来。环形外盖板与内盖板最好与前壁和后壁、支撑、致动环增强结构以及加强支撑等形成为单件结构。另一种方案是，环形盖板之一可以分开形成并连接于该单件结构。本发明的一个实施例包括一个喷管，它具有一些致动杆，每一个致动杆都穿过在加强支撑中切出的锥形通道。另一个实施例包括一些球形铰接头，每一个铰接头都安装在加强支撑中掏出的半圆柱形缺口中。

在下述图纸中，描绘了一个优先实施例；然而，在不背离本发明的真正精神和范围的情况下，也可以作出各种其它的修改和替代结构。

                        优点

本发明中致动环和喷管致动装置的优点之一是致动环比较刚性的，它能够从少数的致动器将致动负荷传递到数量较多的转动扩张型调节片构件，而不象以前的设计那样会增加重量。本发明还能将致动环设计得较小和较柔性，能够装在受限制的外壳内而不象以前的设计那样会增加重量。本发明的致动环可以设计得具有较小的轮廓，包括较小的径向高度，从而可使整个喷管致动系统和喷管本身更为紧凑。

本发明的另一个目的是提供一个刚性的空心致动环，用来转动喷管调节片以定向喷管排气流。另一个目的是提供一个刚性的致动环，它能够装在一个受限制的外壳内。本发明还有一个目的是提供一个空心致动环，它的重量比以前使用的轻，这有助于将喷管系统的尺寸和重量减至最小。

这些目的和其它特点和优点，在阅读以下的叙述并参看所附的附图后，就变得格外地明显了。

                      附图简述

以下的叙述连同附图解释了本发明的上述方面和其它特点，其中：

图1是带有本发明优先实施例的一个致动环和装置的燃气透平轴对称定向排气喷管的部分切开的透视图；

图2是图1中的致动环的一部分的放大部分切开透视图，表明本发明的一个增强装置的实施例；

图2A是图1中的致动环的一部分的放大局部切开透视图，表明本发明的优先实施例的一个单件致动环增强装置；

图3是图1所示的致动环的从后向前看的正视图；

图4是图3所示的致动环的从前向后看的正视图；

图5是图1中的致动环的一部分的另一个放大局部切开透视图。

                  优先实施例描述

本发明总体表示在图1中，并包括一个致动环86，它用作飞机燃气透平排气段10中的轴对称定向喷管14的定向环。排气段10按相继流动关系包括一固定面积的管道或发动机罩11，包括加力燃烧室衬套12，和收缩扩张型轴对称定向喷管14的可变面积下游段13，可参照前述Hauer的专利。参照图1，喷管14按相继流动关系包括一收缩段34、一喉管40和一扩张段48。收缩段34包括多个收缩调节片或主调节片50，它们沿圆周布置在发动机中心线8的周围，重叠的主密封件51布置在沿圆周周围相邻的主调节片50的径向内表面之间并与它们密封接合。主调节片50的前端由第一个铰接接头或U形接头52铰接于发动机罩11。扩张调节片或副调节片54的前端53由二自由度万向接头56铰接于主调节片50的后端，万向接头56通常处在与喉管40重合的喷管14中的一个轴向位置。副调节片54布置在发动机中心线8的圆周周围，重叠的扩张密封件或副密封件55布置在沿圆周周围相邻的副调节片54的径向内表面之间并与它们密封接合。喉管40的喉口面积一般以A8表示，喷管出口44通常在副调节片54的端部，喉管出口面积一般以A9表示。

多个凸轮滚柱62布置在主环66中，主环又由多个主致动器70向前和向后移动，在优先实施例中有四个这样的主致动器。可变喉口面积A8由在主调节片50的背面上形成的凸轮表面60上的凸轮滚柱的动作控制。操作时，喷管内排气的高压力迫使主调节片50和副调节片54径向地向外，从而使凸轮表面60与凸轮滚柱62之一保持接触。一个锥形致动器支架76的窄前端安装在发动机罩11上，主致动器70由一个万向球形接头74铰接于致动器支架76的宽后端。主致动器70有一个致动杆73，致动杆又由一个球形接头连接于主环66。

多个导向致动器90(在优先实施例中有三个)等角度地布置在发动机罩11的圆周周围，并以与致动器70同样的方式由万向球接头94安装在致动器支架76上。致动环86由球形接头96连接于导向致动器90的定向致动杆93的后端。这使致动环86可以在中心线8周围轴向移动和摆动以控制其姿态。致动环86控制副调节片54的定位或摆动。副调节片54由二自由度万向接头56铰接于主调节片50，并由多个相应的Y形架59以多自由度的方式进行枢轴控制，Y形架59具有操纵杆58a和58b，通过操作可将副致动环86连接于副调节片54。外调节片64至少部分地由Y形架59支撑并使沿着喷管的外部成为均称和光滑的流线型形状。

操纵杆58a和58b由三自由度球形接头82连接于致动环86，并由球形接头84连接于副调节片54的后端。操作此联动装置可以将致动环86的姿态改变转化为副调节片的多自由度的转动改变或轨道运动，从而每一个副调节片可以摆过不同的角度。用球形接头82连接操纵杆58a和58b提供了Y形架59的U形摆动，同时防止可能施加于操纵杆58a或58b的任何扭转负荷传递回到致动环86。构架92为副调节片54提供了一个支座，并且构架92的两端为接头84和56提供了支撑。

致动环86最好由三个轴向可调节的致动环支架装置100来支承，它们等角度地布置在发动机罩11的圆周周围，使得致动环86可以由定向致动器90进行轴向移动和万向转动。轴向移动的A形架210用三自由度球形接头206支承致动环86。A形架210由U形铰链装置208在操纵杆211a和211b端部以球形接头的形式铰接于滑块220。使用操纵杆211a和211b端部的球形接头为A形架210提供了U形转动，并避免了可能施加于操纵杆的扭转负荷的传递。滑块220可沿空心滑杆226滑动，滑杆226由前托架230和后托架236连接于发动机罩11。致动环支承件100允许致动环86轴向地向前和向后移动和摆动以改变其姿态。致动环支承件100的更详细的描述可在Lippmeier等人的题为“移动喷管定向环的支撑”的美国5,174,502号专利中找到，在这里引用是为了参考。

现在再看图2，空心致动环86是一个空心的大体上呈环形的结构，分别有轴向间隔的同轴线前壁110和后壁114。连接支撑118在前壁110和后壁114之间延伸，并将它们在结构上连接起来。致动杆93在支撑118的基座120处由球形接头96连接于致动环86。总的以124表示的致动环增强装置用来减小相邻支撑118之间的后壁114的致动环有效弯曲和扭转长度L(亦见图3)。这是通过将从支撑118传递到后壁114的负荷分散而完成的。在每一个支撑118和后壁114之间形成一个A形架130。A形架130在每一个支撑118和后壁114之间提供了一个沿对角线方向延伸的结构撑条132。A形架最好有内圆角134。注意，离基座120最近的内圆角134是经过修改的，那是通过添加一个间隔段138以形成有效的内锐角136，它在其子角144中有两个圆角140。

环形内盖板150和外盖板152在结构上分别连接于相应前后壁的径向内端154和外端156，从而完成空心致动环86的外部结构。环形内盖板150和外盖板152在结构上还分别连接于致动环增强装置124。在优先实施例中，用铸造或其它方法将内盖板150和外盖板152、结构撑条132、支撑118、前壁110和后壁114等整个制成为一个基本上单件结构，如图2A所示。可以使用工业中周知的失蜡或熔模铸造法。另外一种方法是，内外盖板150和152之一、结构撑条132、支撑118、前壁110和后壁11等，可以用铸造或其它方法制成一体，而内外盖板150和152中的另一个则单独做成，然后用焊接、钎焊、扩散粘结或其它连接方法连接于这些零部件。球形接头96用铰链托架164将致动杆93连接于支撑118的底座120，铰链托架164有两个在周围上隔开的凸缘166，它们由两个在周围上隔开的螺钉168连接于支撑的底座。

如图1所示，将操纵杆58a和58b连接于致动环86的球形接头82，通过凸耳架176的配对174，提供了一个调节片致动联动装置，这较详细地表示在图3中，其中每一个凸耳架有平行的凸耳对自该处延伸。凸耳架176布置在后壁114的圆周周围，并与它在结构上连接，它们的所有凸耳178平行于从中心线8延伸的一个半径R，并在凸耳架176之间平分一个中心角A，中心角A的原点在中心线处。凸耳架176的每一个配对将相应的操纵杆58a和58b之一连接于致动环86。

图5表示在致动环86中形成的被切出的形状的位置，举例说明锥形通道180和半圆筒形缺口182。锥形通道180为主致动器70的致动杆73提供了余地(示于图1)，它更详细地表示在图5中。半圆柱形缺口182为安装球形接头206提供了一个区域，球形接头206将A形架210连接于致动环86，后者更详细地表示在图2中。加强支撑300分别在这些被切出的形状的周围位置处的前后壁110和114之间轴向地延伸。被切出的形状如锥形通道180和半圆柱形缺口182最好在加强支撑300本身中形成。在这些切出的形体通常会减小致动环86的强度的地方，加强支撑300有助于在结构上加强它，使喷管的直径可以设计得较小。致动环的轮廓和半径高度可以设计得较小，从而允许整个喷管致动系统和喷管本身更为紧凑。加强支撑300最好用铸造或其它方法做成与内盖板150、结构撑条132、支撑118以及前后壁110和114等制成一整体。

虽然已对本发明的优先实施例做了充分的描述，从而解释了它的原理，然而应当明白，只要不越出在附录的权利要求中所限定的发明范围，可以对优先实施例作出各种修改或替换。

Claims (10)

1．一个用于同步转动飞机燃气透平喷管(14)的空心致动环(86)，该致动环(86)包括：

一个大致环形空心构件，它具有轴向隔开的前壁(110)和后壁(114)；

在上述前后壁(110与114)之间轴向地延伸并将它们在结构上连接起来的连接支撑(118)；

一个致动环增强装置(124)，用来减小在所述连接支撑(118)之间的前后壁(110与114)中至少一个的致动环有效弯曲和扭转长度L。

2．如权利要求1中所述的一种空心致动环(86)，其特征在于所述增强装置(124)包括一个用来将从连接支撑(118)传递到前后壁(110与114)之一的负荷分散的装置。

3．如权利要求1中所述的一种空心致动环(86)，其特征在于所述的增强装置(124)包括在连接支撑(118)与前后壁(110与114)中至少一个之间形成的A形架。

4．如权利要求1中所述的一种空心致动环(86)，其特征在于所述增强装置(124)包括至少一个结构撑条(132)，它在各连接支撑(118)和前后壁(110与114)之一之间沿对角线方向延伸。

5．如权利要求3中所述的一种空心致动环(86)，其特征在于所述A形架具有内圆角(136)。

6．如权利要求3中所述的一种空心致动环(86)，其特征在于还包括环形内盖板(150)和外盖板(152)，它们与内外壁(110与114)各自的径向内外端(154与156)、连接支撑(118)和致动环增强装置(124)在结构上连接起来。

7．如权利要求6中所述的一种空心致动环(86)，其特征在于所述环形内外盖板(150与152)与前后壁(110与114)、连接支撑(118)和致动环增强装置(124)形成一个整体构件。

8．如权利要求7中所述的一种空心致动环(86)，其特征在于还包括调节片连接装置，它们布置在所述构件的后壁(114)的圆周周围，并与它在结构上连接起来，并包括致动器连接装置，它与连接支撑(118)在结构上连接起来。

9．如权利要求8中所述的一种空心致动环(86)，其特征在于还包括在加强支撑(300)中形成的切出的形状(180)，加强支撑在前后壁(110与114)之间轴向地延伸并将它们在结构上连接起来。

10．如权利要求17中所述的一种空心致动环(86)，其特征在于它布置在具有一些致动杆(93)的喷管(14)中，每一个致动杆穿过切入加强支撑(300)内的锥形通道(180)。

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