軸線對稱可轉向排氣噴口的製作方法
2024-03-20 10:19:05 1
專利名稱：軸線對稱可轉向排氣噴口的製作方法
技術領域：
本發明涉及可轉向的噴口，更具體地涉及燃氣渦輪發動機的可轉向軸線對稱可調排氣噴口。
對於軍用飛機，不論是空中格鬥任務還是複雜的地面攻擊任務，都有必要增強飛機的機動性。通常在傳統的作法上對空氣動力面，如襟翼和副翼等，用來提高飛機的機動性，但是，由於速度和其他工作條件的變化其效果是有限的。近代飛機的設計師們轉向致力於可轉向的噴口，這種噴口可變換作為飛機動力的燃氣渦輪發動機的排氣流和推力的方向。設計出的二維噴口使用比較扁平的魚鱗片來引導發動機推力到俯仰和偏航方向。然而，這些設計增重過大，並要求有一個轉換部段將軸線對稱氣流改變成二維氣流，但是仍舊只能提供在一個平面內，俯仰或偏航的推力轉向。這種二維噴口的另一缺點是在轉換部段內將軸線對稱氣流轉換成二維氣流會造成流動損耗。在提供推力轉向之外，飛機發動機的設計師們還必須考慮到在執行任務中，噴口的工作條件變化十分大。為了要在飛機的整個工作條件範圍內保持高性能，曾設計出一種可調式排氣噴口，可以控制噴口喉道的大小，但是對於具有二維和萬向接頭結構的可轉向噴口來說，還需要付出增加複雜性、重量、成本和可靠性方面的代價。
最新的多功能飛機所使用的發動機，例如通用電氣公司的F110型發動機，是採用帶有軸線對稱收斂擴/散噴口以滿足各種工作條件的要求。軸線對稱收斂/擴散噴口，依氣流的順序，具有一個收斂段，一個喉道，和一個擴散段。收斂的或第一級的魚鱗片和擴散的或第二級的魚鱗片連同相關連的在魚鱗片之間的密封裝置一起限定了它們各自部段的氣流通道。
作為特點，同時在噴口喉道處(在收斂噴口的下遊端)和噴口出口處(在擴散噴口的下遊端)都使用了可調截面的裝置。這樣就提供了一種維持所要求的出口與喉道截面面積成比率的方法，從而可以有效地控制噴口的工作條件。要將噴口的工況設計得能對發動機提供最佳喉道出口面積比的匹配方案，同時還必須在低亞音速和高超音速飛行條件下提供有效的控制。這種類型的噴口使用了在圓周上設置的魚鱗片以產生一般為軸線對稱的排氣流，並應用氣動或液壓的致動器來提供變化的工作條件。
因此非常必要，同時也是本發明的一個目的，即提供一種能很容易地適於現有的噴口設計或結構的軸線對稱噴口的轉向系統。
本發明的另一個目的是提供一種同時在俯仰和偏航方向上都具有推力轉向能力的軸線對稱可調截面積排氣噴口。
本發明還有一個目的是提供一種軸線對稱可調截面積排氣噴口，這種排氣噴口具有多方向推力轉向能力，並且操作簡單，重量輊和製造成本低。
這些目的以及其他的特點和優點，將在下面結合附圖予以描遴，使其更加清晰。
簡單地說，根據本發明的一個方面，用於具有多個擴散魚鱗片的軸線對稱收斂/擴散噴口的推力轉向裝置包括有一個在軸線不對稱條件下使魚鱗片萬向地繞樞軸轉動的裝置。
本發明一個更加具體的實施例中提供一種使擴散魚段鱗片相對於未轉向的噴口中心線在徑向和切向繞樞軸轉動的裝置。
本發明一個更加具體的實施例提供一種包括在俯仰和偏航方向的推力轉向裝置的軸線對稱收斂/擴散噴口，這個噴口包括由球形接頭連接在一起，具有配置在圓周上介於魚鱗片之間的密封裝置的多個收斂段和擴散段魚鱗片，以形成一個具有可改變截面積的喉道和出口可轉向噴口，該噴口還容許具有一個喉道/出口截面積比的匹配方案，這匹配方案可能使發動機的工作狀態最佳化。推力轉向裝置包括在第一級魚鱗片和第二級魚鱗片之間的球形接頭和一個能協調地使第二級魚鱗片繞樞軸轉動的致動裝置。位於第一級和第二級魚鱗片之間的球形接頭和一個第二致動裝置提供了一個以不同角度使每個第二級魚鱗片萬向地繞樞軸轉動的裝置，從而對第二級魚鱗片提供一個相對於第一級魚鱗片的沿圓錐形表面的運動。本發明的一個更加具體的實施例提供一個致動裝置使第二級魚鱗片以預定的或在有計劃的條件下，繞樞軸轉動從而在俯仰和偏航的方向引導排氣流，而同時保持氣流的完整性並儘量減少轉向的損失和洩漏。
在本發明另一個實施例中，使第二級魚鱗片繞樞軸轉動的第二致動裝置包括一個圍繞著第二級魚鱗片的致動環和連接第二級魚鱗片的後端至致動環上的一些連接杆以及由球形軸承或球形接頭形成的連接裝置。致動環是由至少三個，均勻間隔分布，繞在發動機圓周上的，最好是液壓的直性致動器所控制的，並利用在發動機殼體和致動器前端之間及在致動器後端和致動環之間的球形接頭將致動環連接在發動機殼體上。對排氣流或推力的導向是這樣進行的，通過以不等地伸展或收縮線性致動器，從而使致動環平移和傾斜至一個相對於發動機中心線所要求的位置，致動環又使使一個擴散段魚鱗片通過在兩個相互垂直的平面內的一組角度的旋轉或繞樞軸轉動，從而為排氣流在可控制的條件下提供相對於發動機中心線成一角度的氣流通道。通過一個凸輪和滾子機構使收斂段魚鱗片繞樞軸轉動以控制噴口的喉道面積是一項已知技術，同樣情況使擴散段魚鱗片繞樞軸轉動以控制噴口出口的面積以及控制在魚鱗片之間密封裝置的裝置，以形成一個連續的圓周噴口表面，也都是已知技術。這些設計和方法發表在ArthurMcCardle，Jr的名稱為「可調截面面積排氣噴口」，WilbertB.Freid的名稱為「可調截面面積噴口系統」和EdwardW.Ryan.等的名稱為「排氣噴口魚鱗片密封裝置」的美國專利第4，176，792號，4，245，787號和4，128，208號上，這些專利都轉讓給同一個受讓人，在這裡作為對比文件。
根據後面的附圖描述了一個最佳實施例，當然，各種各樣的改進形式和可替換的其他結構，在不離開本發明真正的精神和範圍的條件下都是允許的。
圖1是根據本發明的帶有推力轉向裝置的燃氣渦輪發動機軸線對稱可調排氣噴口的透視圖。
圖2是圖1所示噴口的局部切除剖視圖。
圖3是噴口外殼和裝在外面的安裝附件和致動器安裝位置的從前往後觀察的截面圖。
圖4是第二級魚鱗片致動和支承系統的示意圖。
圖5是根據本發明的一個實施例，從一個通過擴散魚鱗片中部如在(12點鐘)的平面所得到的典型的轉向角度下的排氣噴口截面圖。
圖6是根據本發明的一個實施例，從一個通過擴散魚鱗片中部如在(12∶30點鐘)的平面所得到的另一個典型的轉向角度下的排氣噴口截面圖。
圖7是圖1中的噴口從後往前觀察的示圖，顯示偏轉或轉向角度為0°時間的排氣噴口。
圖8是圖1中的噴口從後往前觀察的示圖，顯示偏轉或轉向角度在典型的負角度時的排氣噴口。
圖9是可用於本發明的萬向接頭的截面圖。
參照圖1和圖2本發明所顯示的是一臺燃氣渦輪發動機的排氣部分10，該部分依氣流順序，包括一個帶有後燃燒室襯套12的固定截面面積的管道11，和一個具有收斂擴散型軸線對稱噴口14的可調截面面積下遊端部段13。雖然如圖所示，噴口是屬於收斂-擴散型的，其中下遊端部段13包括一個收斂段和一個擴散段，下面將予以討論，但本發明並不打算局限於這一結構。
參看圖2，依氣流順序噴口14包括一個收斂段34，一個喉道和一個擴散段48。收斂段34包括多個收斂的或第一級魚鱗片50，設置在圍繞發動機中心線8的圓周上，魚鱗片之間設置有相互搭接的第一密封裝置51，密封裝置密封地接合在圓周上靠近的第一級魚鱗片50徑向朝內的表面上。第一級魚鱗片50是由第一樞軸或腳架接頭52以其前端用樞軸連接到外殼11上。擴散的或稱第二級魚鱗片54是在其前端53用一個第一萬向或球形接頭，一般在噴口14的軸向與喉道40相重合的位置以樞軸連接在第一級魚鱗片50的後端。第二級魚鱗片54一般設置在圍繞發動機中心線8的圓周上，魚鱗片之間設置有相互搭接的擴散的或第二密封裝置55，密封裝置密封地接合在靠近第二級魚鱗片54的圓周上徑向朝內的表面上。關於這第二密封裝置的理解以及其如何進行工作，可參看專利申請，申請號，現已批准為美國專利第號，這是由WilliamC.Lippmeier發明的題目為「軸線對稱轉向噴口魚鱗片密封裝置」的專利，這件專利與本申請在美國同時提出申請，並轉讓給同一受讓人。喉道40有一個與其相關聯的喉道截面面積，通常以A8表示，噴口出口44一般在第二級魚鱗片54的末端，它也有一個與其相關聯的出口截面面積，通常以A9表示。關於安裝這些魚鱗片和密封裝置方法的更詳細說明可參看在前面引述的一些專利。
多個滾子62配置在一個第一環形結構66內，這環形結構又由若干個第一致動器70推動作向前和向後的移動，這種致動器在這最佳實施例中一共有四個。可調喉道面積A8是通過凸輪滾子62作用於在第一級鱗鱗片50的背部加工出的凸輪表面60進行控制的。在工作過程中，噴口內排出氣體的高壓力將第一級魚鱗片50和第二級魚鱗片54徑向地向外推出，從而保持凸輪60與凸輪滾子62相接觸。第一致動器70是用一個帶樞軸接頭74的支架76以樞軸連接在發動機殼體11上。第一致動器70有一個致動杆73，致動杆又通過一個球形接頭68連接在第一環形件66上。
多個第二致動器90，在這最佳實施例中為三個，是以與第一致動器70同樣的方式，但是安裝在殼體11的圓周上不同位置。第二致動環86是用一個球形接頭96在一第二致動杆93的後端連接到第二致動器90上的。這就使得第二致動環86圍繞著中心線8軸向地進行定位和傾斜，以控制它的位置。致動環86控制著第二級魚鱗片54的定位或樞軸轉動。第二級魚鱗片54是由一個球形接頭56以樞軸連接到第一魚鱗片50上，並由控制臂58a和58b如圖1所示以多自由度方式予以控制轉動，使控制臂58a和58b可操縱地將第二致動環86之連接到接頭82連接到第二級魚鱗片54上。臂58用義杆銷接頭82連接到第二環86上，又用球形接頭84連接到第二級魚鱗片54的後端。構架92為第二級魚鱗片54提供一個固定架，並作為兩端接頭的支架。由此，臂58a和58b以其前端用樞軸連接在第二致動環86上，並在其後端以萬向地連接在第二級魚鱗片54的後端，從而使第二環86的位移轉換為第二級魚鱗片54的多自由度樞軸變化或沿軌道運動，而每個魚鱗片以不同的角度作樞軸轉動。將第二環作平移即可開啟和關閉噴口出口44，從而提供對噴口排氣面積A9的控制。外魚鱗片64連接在臂58上，為噴口的外部提供一個流線型和平滑的氣動外形。
第二致動環支承件100用託架102固定在殼體11上，在此實施例中是一個其內裝有能滑動的支杆103的空心管。支杆103用球形接頭106萬向地連接在第二致動環86上，從而為第二致動環86提供了徑向定位和支承。這些致動器和支承件在圓周上的分布位置顯示在圖3中，以便為描述本發明提供一個參考坐標。圖3是一幅從前面向後觀察的示意圖，為便於參考，第二致動器位於12點鐘的位置而支承件100位於6點鐘的位置。圖4概略地顯示這三個第二致動器是如何以協調的方式移動它們各自的杆93來控制致動環86以便繞著其軸線8使該環傾斜，從而實現推力的轉向，同時以向前或向後平移該環來調節排氣面積A9。支杆以及這系統的其餘部分限制了用於推力轉向系統的傾斜程度。在設計時，有選擇地對該系統留有充分的活動餘地或「超越界限」就可以根據要求增大或減小傾斜的程度。圖5描繪第二致動環86如何進行傾斜從而使第二級鱗鱗片54繞樞軸轉動以產生推力的轉向。同時也描繪了用第一致動環66，凸輪面60和凸輪滾子62來驅動第一級鱗片50繞樞軸轉動以改變喉道面積。圖5的下半部份顯示支杆103是如何連接在第二致動環86上，藉以對該環提供徑向支承並使該環能利用球形接頭106形成傾斜狀態。杆限位器104a和104b防止杆從支承件100中脫出。球形接頭106容許環承受到的軌道運動的繞樞軸轉動或旋轉量的大小是有限制的。這種轉動量的大小完全由設計人員並依據噴口的強度與性能和轉向要求所決定。
有效的轉向可以在這個範圍內達到，其中第二級魚鱗片54對一個給定的A8的調定位置，在徑向上要求大約以正負13度(±13°)的繞樞軸轉動和在切向上以大約正負6度(±6°)的繞樞軸轉動。徑向是相對於未轉向的噴口中心線8量取的，而切向是相對於徑向量取的，如圖7中R和和T所表示。根據調整A8和A9的調定值的要求，在徑向繞樞軸轉動的要求大約為正50度到負13度(±50°，-13°)範圍。因此，接頭並不一定需要完全萬向的，並且可以裝上限位器以便在一給定的方向上對繞樞軸轉動的量進行合理的限制。在致動系統和連接機構中其他接頭所要求的軌道擺動或轉動的範圍是可以計算出來的。一個典型的萬向接頭，例如圖2中的球形接頭84，詳細地顯示於圖9中，其中有一個圈環222和一個被截頭的圓球220。臂58的後端上有開孔，從而形成叉頭225和
權利要求
1.一種用於軸線對稱收斂/擴散噴口的推力轉向裝置包括一個噴口擴散段，該擴散段包括多個擴散魚鱗片和一個將該噴口擴散段從軸線對稱改變成不對稱的裝置。
2.如權利要求1所述的用於軸線對稱的收斂/擴散噴口的推力轉向裝置，其特徵在於上述將噴口擴散段從軸線對稱改變成不對稱的裝置包括一個使所述擴散魚鱗片萬向地繞樞軸轉動的裝置。
3.如權利要求2所述的用於軸線對稱的收斂/擴散噴口的推力轉向裝置，其特徵在於上述使擴散魚鱗片萬向地繞樞軸轉動的裝置包括一個連接該擴散魚鱗片至噴口的收斂段上的萬向接頭。
4.如權利要求3所述的用於軸線對稱的收斂/擴散噴口的推力轉向裝置，其特徵在於上述使擴散魚鱗片萬向地繞樞軸轉動的裝置還包括一個使上述擴散魚鱗片中至少一個魚鱗片萬向地繞樞軸轉動的致動裝置。
5.如權利要求3所述的用於軸線對稱收斂/擴散噴口的推力轉向裝置，其特徵在於上述使擴散魚鱗片萬向地繞樞軸轉動的裝置還包括一個使上述多個魚鱗片萬向地繞樞軸轉動的致動裝置。
6.如權利要求5所述的用於軸線對稱的收斂/擴散噴口的推力轉向裝置，其特徵在於上述致動裝置包括一個致動環，徑向間隔開地配置在噴口喉道的外面，和一個擴散魚鱗片聯動裝置，該聯動裝置又包括可操縱地連接所述致動環至上述擴散魚鱗片後端的多個致動臂。
7.如權利要求6所述的用於軸線對稱收斂/擴散噴口的推力轉向裝置，其特徵在於上述致動臂以一個樞軸接頭可操縱地連接至上述致動環上，又以一個萬向接頭可操縱地連接至上述擴散魚鱗片的後端。
8.如權利要求7所述的用於軸線對稱收斂/擴散噴口的推力轉向裝置，其特徵在於上述樞軸接頭是一個U形腳架鉸連結頭而所述萬向接頭是一個球形接頭。
9.如權利要求6所述的用於軸線對稱的收斂/擴散噴口的推力轉向裝置，其特徵在於上述致動裝置還包括一個使所述致動環傾斜的裝置。
10.如權利要求9所述的用於軸線對稱的收斂/擴散噴口的推力轉向裝置，其特徵在於上述致動裝置還包括一個用於軸向平移上述致動環的裝置。
11.如權利要求10所述的用於軸線對稱的收斂/擴散噴口的推力轉向裝置，其特徵在於所述使致動環傾斜的裝置和軸向平移該致動環的裝置都包括固定在噴口外殼上並可操動地連接到所述致動環上的多個線性致動器。
12.如權利要求11所述的用於軸線對稱的收斂/擴散噴口的推力轉向裝置，其特徵在於所述線性致動器是用一個萬向接頭可操動地連接在所述致動環上。
13.如權利要求12所述的用於軸線對稱的收斂/擴散噴口的推力轉向裝置，其特徵在於所述萬向接頭是一個球形支承。
14.如權利要求13所述的用於軸線對稱的收斂/擴散噴口的推力轉向裝置，其特徵在於該裝置具有三個線性致動器1。
15.如權利要求14所述的用於軸線對稱的收斂/擴散噴口的推力轉向裝置，其特徵在於上述連接線性致動器至致動環的接頭是在所述環的圓周上均勻間隔開的。
16.如權利要求15所述的用於軸線對稱的收斂/擴散噴口的推力轉向裝置，其特徵在於上述線性致動器是獨立進行控制的。
17.一個可轉向的軸線對稱的收斂/擴散噴口包括依氣流順序和限定一個氣流通道;一個固定的噴口外殼，一個噴口收斂段，一個喉道，和一個噴口擴散段，其特徵在於其中上述噴口擴散段包括多個擴散魚鱗片和一個用於將所述噴口擴散段的氣流通道從軸線對稱改變成不對稱的擴散魚鱗片控制裝置。
18.如權利要求17所述的可轉向軸線對稱的收斂/擴散噴口其特徵在於上述擴散魚鱗片控制裝置包括一個使上述擴散魚鱗片萬向地繞樞轉軸動的裝置。
19.如權利要求18所述的可轉向的軸線對稱收斂/擴散噴口，其特徵在於使上述擴散魚鱗片萬向地繞樞軸轉動的裝置包括一個連接上述擴散魚鱗片至噴口收斂段的萬向接頭。
20.如權利要求19所述的可轉向的軸線對稱收斂/擴散噴口，其特徵在於使上述擴散鱗片萬向地繞樞軸轉動的裝置還包括一個使上述多個擴散魚鱗片萬向地繞樞軸轉動的致動裝置。
21.如權利要求20所述的可換向的軸線對稱收斂/擴散噴口，其特徵在於所述致動裝置包括一個致動環，徑向間隔開地配置在噴口喉道的外面，和一個擴散魚鱗片聯動裝置，該聯動裝置又包括可操縱地連接上述致動環至上述擴散魚鱗片的後端的多個致動臂。
22.如權利要求21所述的可轉向的軸線對稱收斂/擴散噴口，其特徵在於上述致動臂以一個樞軸接頭可操縱地接至上述致動環上，又以一個萬向接頭可操縱地連接至上述擴散魚鱗片的後端。
23.如權利要求22所述的可轉向的軸線對稱收斂/擴散噴口，其特徵在於所述樞軸接頭是一個U形腳架式鉸連結頭，而所述萬向接頭是一個球形接頭。
24.如權利要求21所述的可轉向的軸線對稱收斂/擴散噴口，其特徵在於上述致動裝置還包括一個使上述致動環傾斜的裝置。
25.如權利要求24所述的可轉向的軸線對稱收斂/擴散噴口，其特徵在於上述致動裝置還包括一個用於軸向平移上述致動環的裝置。
26.如權利要求25所述的可轉向的軸線對稱收斂/擴散噴口，其特徵在於上述使致動環傾斜的裝置和軸向平移致動環的裝置都包括多個固定在噴口外殼並可操縱地連接到上述致動環上的線性致動器。
27.如權利要求26所述的可轉向的軸線對稱收斂/擴散噴口，其特徵在於上述線性致動器是用一個萬向接頭可操動地連接在上述致動環上。
28.如權利要求27所述的可轉向的軸線對稱收斂/擴散噴口，其特徵在於上述萬向接頭是一個球形接頭。
29.如權利要求28所述的可轉向的軸線對稱收斂/擴散噴口，其特徵在於上述軸向平移的致動環的裝置包括三個線性致動器。
30.如權利要求29所述的可轉向的軸線對稱收斂/擴散噴口，其特徵在於上述連接線性致動器至致動環的接頭是在所述環的圓周上均勻隔開的。
31.如權利要求30所述的可轉向的軸線對稱收斂/擴散噴口，其特徵在於上述線性致動器是可獨立控制的。
32.如權利要求29所述的可轉向的軸線對稱收斂/擴散噴口，其特徵在於上述喉道是一個可調截面面積的喉道。
33.如權利要求17所述的可轉向的軸線對稱收斂/擴散噴口，其特徵在於上述擴散魚鱗片控制裝置包括一個使上述擴散魚鱗片在相對於未轉向的噴口中心線的徑向和切向上繞樞軸轉動的裝置。
34.如權利要求33所述的可轉向的軸對稱收斂/擴散噴口，其特徵在於使上述擴散魚鱗片繞樞軸轉動的裝置包括一個連接上述擴散魚鱗片至噴口的收斂段的萬向接頭。
全文摘要
一種對推力轉向的軸線對稱收斂/擴散可調排氣噴口配備有一個在收斂和擴散魚鱗片之間的萬向迴轉接頭和在控制的條件下相對於軸線對稱的噴口中心線在徑向和切向上使擴散魚鱗片繞樞軸轉動，以便將所述噴口擴散段由軸線對稱的改變成軸線不對稱的致動和聯動裝置。
文檔編號F02K1/80GK1046370SQ8910886
公開日1990年10月24日 申請日期1989年11月25日 優先權日1989年4月11日
發明者託馬斯·安東尼·豪爾 申請人:通用電氣公司