CN215370065U - 一种发动机旋转矢量喷管 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及航空发动机技术领域，尤其是一种发动机旋转矢量喷管，包括安装在发动机喷口位置的主管体，所述的主管体包括活动装配的机匣管、第一旋转管和第二旋转管，所述的机匣管与第一旋转管界面与发动机轴线垂直。本实用新型的发动机旋转矢量喷管具有两个旋转面，故需两套动力系统，齿轮盘位置的动力系统固定在侧向安装支架上，位置固定，布线简单，简化结构优化效率，而齿轮环位置的动力系统是固定在环形密封导向罩上，这样第一旋转管两端面均为齿轮传动机构，无需增加动力安装位置，可有效缩短第一旋转管的长度，减轻重量；第二旋转管通过环形密封导向罩将布线与控制主板进行整合，降低布线的复杂程度与提高集成度。

Description

一种发动机旋转矢量喷管

技术领域

本实用新型涉及航空发动机技术领域，尤其是一种发动机旋转矢量喷管。

背景技术

为提高战机的机动性，美、法、俄、中、日均开发出了发动机矢量技术，通过调节发动机推力方向来弥补机翼方向性调节效率不足的问题，目前典型的有F22、F35B、SU35、SU57、J10B等，其中F22是二元矢量，F35B垂直起降，中俄为三元矢量技术，俄罗斯是球关节式矢量技术，中国则是末端收敛片矢量调节技术。各有利弊，美国技术重量轻、俄技术重量与密封性略有不足、中国技术在重量与矢量损失不占优，矢量动作由3个A8动作筒和3个A9动作筒六个液压千斤顶配合收敛片系统来完成方向调节，收敛片调节造成矢量损失很大。日本是采用NASA航天飞机的矢量方案三个弧形扇叶配合调节，矢量效果不好推力损失也大。F35B垂直矢量技术重量和矢量损失均最小(95°只有5°)。为增高矢量发动机推重比要求矢量技术达到重量轻、响应速度快、矢量与推力损失小等特点。

目前市面上公开专利申请号为:201410168873.3和申请号为201810018131.0的两种矢量技术，两者共同点是实现原理相同均基于F35B：此两实用新型均为F35B的技术分解，可实现垂直起降，由三个旋转面四段(含机匣段)构成，两个旋转斜面均为椭圆；两者垂直起降的矢量角度不同：前者最大偏转角达到95°。后者都相互旋转90°度时达到垂直起降的90°可以实现。后者短距起降的45°度相互旋转45°度技术准确性有待验证。两者垂直起降无论95°还是90°都是不准确的，从流体力学角度分析，流体经过弯曲管道时会出现流速偏差，这与弯曲半径、流速、出口管长度、管道直径均有关系，也就是喷口平面压力有偏差，要达到喷管受力垂直要进行试验确定，美国F35B的95°是根据自身参数确定的；两者侧重点不同：前者更注重机械动作而后者重点是对动作的数学分析，为矢量算法提供了很好理论支撑。后者则注重旋转连接技术、又驱动的实现。两椭圆转动问题未做详细说明。前者设计会造成喷管内部轴线变化，第二段与一、三段错位的情况，造成推力损失。前者陶瓷轴承密封性是个问题，再有轴承压力能否承受十多吨偏转力有待论证；两者存在的共性问题：首先是均采用四段三旋转设计会造成控制线路复杂，再加上喷口外的收敛片的控制，要有四套动力与控制线路系统，这一是增加的喷管长度、重量，可实现性降低。其次椭圆面的旋转技术处理，旋转后管道内、外壁会形成台阶而影响隔热设计,外部如何转动的问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：为了解决上述背景技术中存在的问题，提供一种改进的发动机旋转矢量喷管，解决上述背景技术中存在的问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种发动机旋转矢量喷管，包括安装在发动机喷口位置的主管体，所述的主管体包括活动装配的机匣管、第一旋转管和第二旋转管，所述的机匣管与第一旋转管界面与发动机轴线垂直，所述的第一旋转管与第二旋转管界面与第一旋转界面成β夹角，所述的机匣管与第一旋转管旋转面和第一旋转管与第二旋转管旋转面均为圆形，所述机匣管、第一旋转管和第二旋转管的管壁为垂直于两圆面的放样台体，所述的机匣管外侧面位于与第一旋转管连接段具有第一轴环，所述的第一旋转管外侧面位于与机匣管连接段具有一体结构齿轮盘，所述的第一旋转管外侧面位于与第二旋转管连接段具有齿轮环，所述的第二旋转管外侧面位于与第一旋转管连接段具有第三轴环，所述第一轴环外侧弧形面上具有三个向外凸起的侧向安装支架，所述的侧向安装支架外侧设置有与齿轮盘相啮合的驱动齿轮，所述齿轮环和第三轴环外侧套接有由U型环箍固定的环形密封导向罩。

所述第一轴环外侧弧形面上的侧向安装支架呈三点环形阵列方式固定。

所述驱动齿轮与齿轮盘中心距离是两者齿数之和模数乘积的一半。

所述齿轮盘为直齿轮，所述的齿轮环为斜齿轮。

本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型的发动机旋转矢量喷管具有两个旋转面，故需两套动力系统，齿轮盘位置的动力系统固定在侧向安装支架上，位置固定，布线简单，简化结构优化效率，而齿轮环位置的动力系统是固定在环形密封导向罩上，这样第一旋转管两端面均为齿轮传动机构，无需增加动力安装位置，可有效缩短第一旋转管的长度，减轻重量；

(2)第二旋转管通过环形密封导向罩将布线与控制主板进行整合，降低布线的复杂程度与提高集成度；

(3)该喷管的齿轮盘和齿轮环分别采用直齿轮与斜齿轮，其中直齿轮是动力系统与喷管轴线平行，斜齿轮两轴线垂直，这样动力系统可较远离喷管，同时可在输出轴与驱动齿轮间加装隔热、散热结构，利于电机的工作环境延长寿命；

(4)本实用新型由两个旋转面(一旋转面垂直于轴线，一旋转面为斜面与垂直面成夹角β)三段组成，因斜面旋转在调节纬度同时也调节经度(将喷口断面理解为一个球面)，这样再通过垂直旋转面的旋转来调节经度变化，以达到理想的矢量角度，做到重量、控制系统复杂程度等综合性能最佳，单斜面旋转计算速度要比双斜面的效率两倍，同时喷管长度缩短。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型中传动连接端的结构示意图。

图3是本实用新型中无偏转状态示意图。

图4是本实用新型中最大偏转状态示意图。

图5是本实用新型中第一旋转管和第二旋转管装配端的爆炸图。

图6是本实用新型中矢量变换示意图。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

图1、图2和图3所示的发动机旋转矢量喷管，包括安装在发动机喷口位置的主管体，主管体包括活动装配的机匣管1、第一旋转管2和第二旋转管3，机匣管与第一旋转管2界面与发动机轴线垂直，第一旋转管2与第二旋转管3界面与第一旋转界面成β夹角(也是就第一旋转段两圆面的夹角)，这样第一、第二旋转管相对转动180°时喷口出口轴线与发动机轴线夹角正好是2β，因斜面旋转在调节纬度同时也调节经度(将喷口断面理解为一个球面)，这样再通过垂直旋转面的旋转来调节经度变化，以达到理想的矢量角度，最大偏转角36度。

两个旋转面均为圆，如果垂直旋转面半径为R，那斜面旋转圆半径为R1＝R/cosβ，如果矢量偏转越大，则β角就大，R1也就越大，第一旋转管变大，β＝45°时最大偏转角度成90°，管壁为垂直于两圆面的放样台体。为降低第一旋转管的直径，该实用新型重点是矢量偏转而非垂直矢量，这要求矢量偏转与战机的动作、飞控是相配合的。目前矢量偏转在36°左右，故β角不宜大于20°，具体根据战机设计参数确定，该专利中暂按18°进行计算。

机匣管1与第一旋转管2旋转面和第一旋转管2与第二旋转管3旋转面均为圆形，机匣管1、第一旋转管2和第二旋转管3的管壁为垂直于两圆面的放样台体，机匣管1外侧面位于与第一旋转管2连接段具有第一轴环4，第一旋转管2外侧面位于与机匣管1连接段具有一体结构齿轮盘5，第一旋转管2外侧面位于与第二旋转管3连接段具有齿轮环6，第二旋转管3外侧面位于与第一旋转管2连接段具有第三轴环7，第一轴环4外侧弧形面上具有三个向外凸起的侧向安装支架8，侧向安装支架8外侧设置有与齿轮盘5相啮合的驱动齿轮9，齿轮环6和第三轴环7外侧套接有由U型环箍固定的环形密封导向罩10。U型环箍的作用是限位与密封。

旋转矢量技术最大的优势是优化了矢量调节的动力，创新利用斜面来解决矢量调节问题，调节动力只需克服旋转面的摩擦力做功，摩擦面可以采用石墨来优化摩擦阻力和提高密封性，而国内的液压矢量技术是6个液压千斤顶做功，发动机功率越大则矢量调节动力也越大，千斤顶功率越大，重量越重。新矢量技术估计减重能达到2/3左右。再有此实用新型的收敛片系统可以大幅缩短长度减小厚度，控制收敛片动力变小，收敛片系统也减重不少，对比F35B与J10B的收敛片系统可知。

本实用新型中旋转部分结构不受旋转方向、旋转圈数的限制，实现一定球面内的任意方向偏转扫描，对战机动作的相应速度更加迅速。

本实用新型的推力、矢量损失较小，整个喷管内壁过渡光滑，不存在台阶式变径问题，便于喷管内部设置隔热层，适当调节第二旋转段长度(即出口段长度)可进一步降低矢量损失，配合收敛片后可形成管状出口，而非目前国内矢量由收敛片调节实现，收敛片形成的喇叭形喷口矢量角度偏差大，故此实用新型矢量偏差也就降低。

进一步地，为了避免内角转变处空间小，第一轴环4外侧弧形面上的侧向安装支架8呈三点环形阵列方式固定；

进一步地，为了确保驱动电机角度相同便于同步，驱动齿轮9与齿轮盘5中心距离是两者齿数之和模数乘积的一半；

进一步地，为了使得电机远离喷管，同时可在输出轴与驱动齿轮间加装隔热、散热结构，齿轮盘5为直齿轮，齿轮环6为斜齿轮。

本实用新型的发动机旋转矢量喷管具有两个旋转面，故需两套动力系统，齿轮盘位置的动力系统固定在侧向安装支架8上，位置固定，布线简单，简化结构优化效率，而齿轮环6位置的动力系统是固定在环形密封导向罩10上，这样第一旋转管2两端面均为齿轮传动机构，无需增加动力安装位置，可有效缩短第一旋转管2的长度，减轻重量；第二旋转管3通过环形密封导向罩10将布线与控制主板进行整合，降低布线的复杂程度与提高集成度；该喷管的齿轮盘5和齿轮环6分别采用直齿轮与斜齿轮，其中直齿轮是动力系统与喷管轴线平行，斜齿轮两轴线垂直，这样动力系统可较远离喷管，同时可在输出轴与驱动齿轮9间加装隔热、散热结构，利于电机的工作环境延长寿命；本实用新型由两个旋转面(一旋转面垂直于轴线，一旋转面为斜面与垂直面成夹角β)三段组成，因斜面旋转在调节纬度同时也调节经度(将喷口断面理解为一个球面)，这样再通过垂直旋转面的旋转来调节经度变化，以达到理想的矢量角度，重量和控制系统性能大大提升，单斜面旋转计算速度要比双斜面的效率翻倍，喷管长度缩短。

旋转矢量技术实现过程中问题与方案：

1.驱动问题：

①、驱动分布：对于大轴环驱动来说采用单点驱动，因转轴半径大力矩过小会造成错位卡死的现象，单点动力能不能满足克服摩擦力也是回事。故采用三点驱动，进行环形分布间距120°度，这样力矩放大为分度圆半径。为扩大安装空间其中一个驱动安装在外角处，然后进行3点环形阵列，可避免内角转变处空间小的问题。

②、动力选择：为实现精准控制，宜选用步进式或同步永磁直流电机驱动。如三电机无法满足动力要求，宜加强润滑设计并采用多盘式永磁电机，因其惯性小，扭矩大、响应速度快。而不是增加星形齿轮结构，这会增加重量，降低输出效率。

③、驱动方式：有两种齿轮方案直齿轮、斜齿轮。直齿轮是电机与喷管轴线平行，电机靠近高温发动机喷管对电机散热十分不利。斜齿轮两轴线垂直，这样电机可较远离喷管，同时可在输出轴与驱动齿轮间加装隔热、散热结构，创新更利于电机的工作环境延长寿命。注意驱动齿轮的模数、间距、两齿轮间距的关系问题，驱动齿轮与齿轮盘中心距离是两者齿数之和模数乘积的一半D＝(Z1+Z2)*M/2。为确保3个驱动电机角度相同便于同步，齿轮盘齿数设计成3的倍数。

2.控制问题：

①、动力安装：本实用新型有两个旋转面，故需两套动力系统。为简化结构优化效率，垂直旋转面驱动电机固定的机匣上，位置固定，布线简单。而倾斜旋转面驱动电机是固定在第二旋转段(出口端)上，这样第一旋转段两端面均为齿轮，而无需增加动力安装位置，可有效缩短第一旋转段的长度，减轻重量。再者第二旋转段要加装收敛片的动力与控制系统，设在第二旋转段则可以将布线与控制主板进行整合，降低布线的复杂程度与提高集成度。

②、布线、连接方案：第一旋转段的动力安装在机匣上位置固定布线简单，关键是第二旋转段的动力与控制线路布置，要满足该段的自由无方向和圈数约束的旋转，设计成结构类似于第一旋转段形态的滑环结构，两端均垂直于旋转轴线滑道，中间连通，为简化数量，动力线利用喷管壁的导电性采用共用回路，这样滑环线数为五条，一条动力正极，四条控制线路。如果喷管的陶瓷基复合材料导电性不足，则滑环采用六线制。滑块与滑环连接应采用两点或多点接触以确保连接的稳定性与润滑性。

③、控制问题：控制是实现选题技术的关键，两个旋转面均设动力方向与旋转角度控制以及旋转段的方向与角度控制装置，形成一个对电机的主动控制和一个对旋转段的状态反馈，信息实时传输到控制主板确保控制精确。在第二旋转段滑环的五线加喷管壁的负极共六条接入控制主板，主板再输出动力与信息给旋转电机和收敛片动力机构，并根据主计算的信息实施控制。主动控制是主板与电机的通讯控制，而反馈系统是验证的关键，有三种方案可选机械式、电磁式、光控式，反馈系统设计时注意方向性识别。

3.矢量角度：

如图4所示的①、矢量变换：为简化矢量理解，我们引入球面用经、纬度来分析矢量在球面上的位置变化。设斜面与喷管垂直截面的夹角是β，也就是两个旋转段两端面夹角，且第一段与第二段倾斜角相同均为β，则相对转动180°后，最大矢量角γ＝2β，也就是纬度为90°-2β。在发动机机匣截面的坐标系是以中心点为o,水平方向为x轴，垂直方向是y轴，喷出方向为z轴，斜面坐标系分别是o′x′y′z′。偏转角γ是末端喷管(第二段)的轴线与发动机轴的夹角，范围是0°～2β；而α角是旋转斜面中心法线为轴的第一、第二段喷管的旋转角度；而θ角是第二段喷管轴线z′轴投影与x轴的夹角，范围是0°～360°，分四个象限的经度变化。在旋转过程中α角与θ角空间变化关系是θ＝α+(π-α)/2，(0≤α≤π)，θ＝π+(α-π)/2，(π≤α≤2π)，在机匣口的夹角度数存在β斜面的投影关系变化。矢量调节过程是先计算出所需γ角推出α角，再推出θ角投影变化驱动第一垂直面和第二斜面齿轮达到指定角度。(注矢量偏转角与纬度有大小相反，即纬度＝90°-γ。由下图α角与θ角对应关系知当α＝45°时，θ<18°故短距起飞设定是错误的)旋转矢量技术存在两个特点：第一段不动只旋转第二段则，喷口以y轴为切线作圆形扫描；旋转角度以x轴对称，则α角由180°～360°旋转过程是0°～180°的逆向变化。垂直旋转界面负责矢量的经度调节，而斜面旋转则是经度、纬度调节。

其中α角、γ角和θ角之间的关系如下表所示：

②、矢量调节：飞机在飞行过程中，要两个动作矢量角度呈射线摆动和一定角度的旋转扫描，前者转向后者滚转动作。前者是先计算调整到指定角度，斜面旋转向指定的矢量角，垂直面旋转以抵消斜面旋转带来的经度偏差，就完成了射线型扫描；后者是矢量偏转到一定角度后，只用垂直面旋转来进行扫描即可。

4、旋转连接、密封问题：

①、连接问题：发动机在矢量调节过程中，连接处即受到压力与轴向拉力，如果按15吨推力计算，在最大矢量角36°则分别承受8.8吨和12吨的力，所以U型箍的自身强度与连接强度要达到设计要求。为解决喷管与轴承的连接问题以及减重、密封问题，可将喷管壁与齿轮盘焊接(或是一体制作后进行齿轮加工)，齿轮、齿轮盘、U型箍的制作精度要求比较高。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种发动机旋转矢量喷管，包括安装在发动机喷口位置的主管体，其特征是：所述的主管体包括活动装配的机匣管(1)、第一旋转管(2)和第二旋转管(3)，所述的机匣管(1)与第一旋转管(2)界面与发动机轴线垂直，所述的第一旋转管(2)与第二旋转管(3)界面与第一旋转界面成β夹角，所述的机匣管(1)与第一旋转管(2)旋转面和第一旋转管(2)与第二旋转管(3)旋转面均为圆形，所述机匣管(1)、第一旋转管(2)和第二旋转管(3)的管壁为垂直于两圆面的放样台体，所述的机匣管(1)外侧面位于与第一旋转管(2)连接段具有第一轴环(4)，所述的第一旋转管(2)外侧面位于与机匣管(1)连接段具有一体结构齿轮盘(5)，所述的第一旋转管(2)外侧面位于与第二旋转管(3)连接段具有齿轮环(6)，所述的第二旋转管(3)外侧面位于与第一旋转管(2)连接段具有第三轴环(7)，所述第一轴环(4)外侧弧形面上具有三个向外凸起的侧向安装支架(8)，所述的侧向安装支架(8)外侧设置有与齿轮盘(5)相啮合的驱动齿轮(9)，所述齿轮环(6)和第三轴环(7)外侧套接有由U型环箍固定的环形密封导向罩(10)。

2.根据权利要求1所述的发动机旋转矢量喷管，其特征是：所述第一轴环(4)外侧弧形面上的侧向安装支架(8)呈三点环形阵列方式固定。

3.根据权利要求1所述的发动机旋转矢量喷管，其特征是：所述驱动齿轮(9)与齿轮盘(5)中心距离是两者齿数之和模数乘积的一半。

4.根据权利要求1所述的发动机旋转矢量喷管，其特征是：所述齿轮盘为直齿轮，所述的齿轮环(6)为斜齿轮。

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