變循環發動機模式轉換機構中的被動控制式模式轉換閥的製作方法

2023-05-26 14:24:56 1

專利名稱：變循環發動機模式轉換機構中的被動控制式模式轉換閥的製作方法
技術領域：
變循環發動機是正在研製中的高性能航空燃氣渦輪發動機。本實用新型涉及一種
變循環發動機模式轉換機構中的被動控制式模式轉換閥，屬於航空航天技術中的發動機技 術領域。
(二)
背景技術：
變循環發動機就是指在同一臺發動機上通過發動機一些部件的幾何形狀、尺寸或 位置的改變可以實現不同熱力循環的燃氣渦輪發動機。變循環發動機是一種具有優秀綜合 性能的推進系統，本實用新型所針對的變循環方案是綜合了渦噴發動機循環和渦扇發動 機循環優點的變循環方案，可根據飛行條件的不同，通過多個部件的幾何調節在較大範圍 內改變涵道比從而使發動機轉換成單涵道渦輪噴氣式或雙涵道渦輪風扇式兩種不同的工 作模式。從飛機/發動機設計理念可知，渦噴發動機的超音速性能良好，單位推力大，大馬 赫數飛行時耗油率相對較低；渦扇發動機則具有良好的亞音速性能，低馬赫數飛行時耗油 率相對較低，但單位推力較小，所以同傳統的渦噴發動機和渦扇發動機相比，變循環發動機 能在更寬廣的工作範圍內具有最優性能。 目前國外已經研製出實現這種變循環方案的驗證機，但其實現方式和具體結構形 式都是嚴格保密的。而我國在這方面的研究才剛剛起步，還處於變循環原理的研究階段。所 以目前實現發動機變循環的模式轉換機構的較為完善合理的結構形式的設計還未見文獻 記載。

發明內容1、目的 本實用新型的目的是為了提供一種變循環發動機模式轉換機構中的被動控制式 模式轉換閥，它與變循環發動機的可調前涵道引射器和可調後涵道引射器等其它模式轉換 機構的配合調節可以實現發動機在渦輪風扇和渦輪噴氣兩種循環模式之間的轉換，使發動 機在更寬廣的工作範圍內具有最優性能。
2、技術方案 本實用新型一種變循環發動機模式轉換機構中的被動控制式模式轉換閥，該閥 由外機匣環形腔體、鉸接凸耳、鉸接銷軸、彈簧卡、調節片和承力幅板上的凹槽組成，並與 承力幅板和內外涵道分流機匣配合工作。它位於內外涵道分流機匣外環，外涵道入口處。 所述外機匣環形腔體，見圖l，其形狀是一個中空的圓柱環形腔體，它位於發動機 承力幅板外環與外機匣毗鄰相連，它的環形腔體被8個均布的承力幅板分隔成8個子腔體， 這些腔體用於容納發動機在雙涵道模式下工作時處於打開狀態的模式轉換閥調節片； 所述鉸接凸耳，見圖9，每組由兩塊頭部呈半圓形、中間有通孔的板材組成，它的底 部平面與外機匣環形腔體的前端內壁面相連，它共有32組；用於固定鉸接銷軸，並通過鉸 接銷軸來連接調節片；[0010] 所述鉸接銷軸，是一根圓柱形銷軸，它穿過鉸接凸耳和調節片鉸接頭上的中心通 孔，起連接作用，它有32根； 所述彈簧卡，見圖4，它是頭部呈矩形框狀、中部呈大半圓形、尾部呈矩形的纏繞式 卡簧；它的頭部套在調節片鉸接頭的方形處，它的中部纏繞在調節片鉸接頭的圓形處，安裝 形式詳見圖5 ;整個彈簧卡根據發動機所處的不同工作模式，可以隨著調節片在外機匣環 形腔體內繞鉸接銷軸作圓周運動，在調節片打開後收到外機匣環形腔體內時彈簧卡的尾部 與外機匣環形腔體頂部內壁面接觸，此過程中彈簧卡被壓縮對調節片產生回復力；它共有 32個，它的作用是提供可以使調節片回到平衡位置的回覆力，防止調節片打開後貼在外機 匣腔體內壁面進入卡死狀態而無法完成關閉動作，其結構設計上滿足當調節片處於關閉 狀態時彈簧卡與外機匣環形腔體內壁脫離接觸，當調節片處於平衡位置的中間狀態時彈簧 卡與外機匣環形腔體內壁剛有接觸，而當調節片處於打開狀態收到外機匣環形腔體內時彈 簧卡被壓縮變形。所以，調節片在關閉位置和平衡位置間運動時彈簧卡不產生任何力，而當 調節片在打開位置和平衡位置間運動時彈簧卡將對調節片產生向平衡位置運動的回覆力。 彈簧卡所產生的回覆力的大小要根據具體型號合理設計，以使模式轉換閥處於打開狀態時 調節片在氣動力和彈簧卡產生的回覆力的共同作用下可以位於外機匣環形腔體內，圖6、圖 7、圖8所示的分別為模式轉換閥調節片處於關閉狀態、處於平衡位置的中間狀態和打開狀 態； 所述調節片，見圖3，它是由調節片鉸接頭、調節片主體和加工在調節片主體上的 封嚴片組成的一個片狀件(注在一組4個調節片中與承力幅板相接處的調節片端面上沒 有封嚴片，見圖10);它通過鉸接銷軸穿過調節片鉸接頭上的通孔而與鉸接凸耳連接，所有 的調節片主體及封嚴片處於關閉狀態時都位於一個圓環形椎體上，見圖ll，它共有32件；
它的作用是確定發動機的工作模式，當所有調節片打開時外涵道入口被打開，發動機以雙
涵道渦扇模式工作；當所有調節片關閉時外涵道入口被關閉，發動機以單涵道的渦噴模式 工作，封嚴片在調節片關閉時實現調節片之間的封嚴； 所述承力幅板上的凹槽，見圖9，是在承力幅板上加工出的凹槽，該凹槽頂起外機 匣環形腔體，下至內外涵道分流機匣，前起外機匣延伸到外機匣環形腔體中的結束位置，後 至外機匣環形腔體尾部，該凹槽的前端與底端是由一個斜面連接，該斜面及內外涵道分流 機匣前端的型面與關閉狀態的調節片伸進凹槽中的部分的型面完全匹配，如圖6所示；每 個承力幅板的左右兩側各有一個完全對稱的凹槽，一周8個承力幅板共16個凹槽；承力幅 板上的凹槽的作用是在模式轉換閥關閉時調節片深入到凹槽中那部分的結構型面與凹槽 的型面相互匹配，實現模式轉換閥關閉時調節片與承力幅板之間的封嚴，凹槽的形狀及範 圍除要滿足與調節片的配合外還要留有足夠的空間用於滿足調節片在打開和關閉過程中 調節片繞鉸接銷軸轉動時端面掃過的扇形運動空間； 此外，外機匣環形腔體的具體位置和大小由調節片的位置和尺寸來確定，而調節
片的位置和尺寸的選擇要兼顧到使發動機在單函道模式工作時即調節片關閉時能保證通
往內涵道的氣流流道光滑過度以保證較小的流動損失同時又不會使調節片的長度過大以
至於造成結構增重較大，所以具體結構要針對不同型號的發動機的不同內外機匣直徑和涵
道比根據實際情況的需要來確定各部件的尺寸和個數。 該被動控制式模式轉換閥的詳細工作原理及過程如下[0016] 該變循環方案中的模式轉換閥可以用來確定發動機以渦扇還是渦噴模式來工作，
該模式轉換閥採用的是被動控制方案，即他的打開和關閉是根據模式轉換閥調節片前後壓
差的變化被動完成的，通過調節片的打開或關閉來控制風扇後氣流的流向。發動機在低功
率狀態下，可調前、後涵道引射器均打開，使得閥門前後處於正壓差狀態，這樣在氣體壓力
作用下，閥門調節片被打開，發動機以雙涵道的渦扇模式工作，此時由進氣道進入發動機的
氣流經風扇增壓後，在模式轉換閥門處被內外涵道分流機匣分成兩股，一部分進入外涵道，
另一部分通過內涵道進入核心機。當發動機狀態提高到大功率狀態時，將可調後涵道引射
器關閉，同時關小可調前涵道引射器，這樣外涵道中的壓力會逐漸增加，當超過風扇後壓力
時，閥門調節片就會在氣體反壓的作用下被關閉，此時發動機在單涵道的渦噴模式下工作，
風扇後的全部氣流都被引入核心機中。 3、功效及優點 通過對該機構進行的運動學仿真計算證明在本實用新型中設計出的模式轉換 閥與其它模式轉換機構的配合調節可以使發動機很好的完成工作模式的轉換，即完成變循 環。由於該模式轉換閥採用被動控制方案，並採用搭接式的封嚴形式，使得整個機構結構簡 單，零件數目少，重量輕，封嚴效果好，可靠性高。

圖1為模式轉換閥在發動機中所處的位置及結構形式的二維圖； 圖2為模式轉換閥相關結構的三維模型圖，其中彈簧卡省略，而且為便於觀察各
部件結構形式該圖中只保留了外機匣環形腔體的前端壁，而去掉了其上端壁和後端壁； 圖3為加工有封嚴片的調節片，其中圖3-1為斜側俯視圖，圖3-2為斜側仰視圖； 圖4為彈簧卡的結構形式，其中圖4-1為斜側俯視圖，圖4-2為斜側仰視圖； 圖5為鉸接凸耳、鉸接銷軸、彈簧卡和調節片之間的安裝形式，其中圖5-1為斜側 俯視圖，圖5-2為斜側仰視圖； 圖6為處於關閉狀態的模式轉換閥調節片； 圖7為處於中間平衡狀態的模式轉換閥調節片； 圖8為處於打開狀態的模式轉換閥調節片。 圖9為承力幅板上的凹槽的近距離放大圖，為便於觀察而去掉了調節片和外機匣 環形腔體的上端壁和後端壁，僅保留了前端壁及其上的鉸接凸耳和鉸接銷軸； 圖10為介於兩個承力幅板之間的一組調節片的結構及它們在關閉狀態時的相互 關係圖，其中圖10-1為俯視圖，圖10-2為仰視圖； 圖11為所有調節片在關閉狀態時的相互關係，從圖中可以看出此時所有調節片
內外環面分別位於椎角相同的兩個圓錐面上。 圖中符號說明如下 1.承力幅板 2.外機匣 3.外機匣環形腔體 4.鉸接凸耳 5.鉸接銷 軸 6.彈簧卡 7.調節片 8.承力幅板上的凹槽 9.內外涵道分流機匣 10.內涵道 11.外涵道12.調節片鉸接頭13.調節片主體14.封嚴片具體實施方式本實用新型一種變循環發動機模式轉換機構中的被動控制式模式轉換閥，其具體 實施方式如下 如圖1所示，為模式轉換閥在發動機中所處的位置及結構形式的二維圖。該閥由 外機匣環形腔體3、鉸接凸耳4、鉸接銷軸5、彈簧卡6、調節片7和承力幅板上的凹槽8組成， 並與承力幅板1和內外涵道分流機匣9配合工作。它位於內外涵道分流機匣9外環，外涵 道11入口處。 所述外機匣環形腔體3，見圖l，其形狀是一個中空的圓柱環形腔體，它位於發動 機承力幅板1外環與外機匣2毗鄰相連，它的環形腔體被8個均布的承力幅板1分隔成8 個子腔體，這些腔體用於容納發動機在雙涵道模式下工作時處於打開狀態的模式轉換閥調 節片7; 所述鉸接凸耳4，見圖9，每組由兩塊頭部呈半圓形、中間有通孔的板材組成，它的 底部平面與外機匣環形腔體3的前端內壁面相連，它共有32組；用於固定鉸接銷軸5，並通 過鉸接銷軸5來連接調節片7 ; 所述鉸接銷軸5，是一根圓柱形銷軸，它穿過鉸接凸耳4和調節片鉸接頭12上的中 心通孔，起連接作用，它有32根； 所述彈簧卡6，見圖4，它是頭部呈矩形框狀、中部呈大半圓形、尾部呈矩形的纏繞 式卡簧；它的頭部套在調節片鉸接頭12的方形處，它的中部纏繞在調節片鉸接頭12的圓形 處，安裝形式詳見圖5 ;整個彈簧卡根據發動機所處的不同工作模式，可以隨著調節片7在 外機匣環形腔體3內繞鉸接銷軸5作圓周運動，在調節片7打開後收到外機匣環形腔體3內 時彈簧卡6的尾部與外機匣環形腔體3頂部內壁面接觸，此過程中彈簧卡6被壓縮對調節 片7產生回復力；它共有32個，它的作用是提供可以使調節片7回到平衡位置的回覆力，防 止調節片7打開後貼在外機匣環形腔體3內壁面進入卡死狀態而無法完成關閉動作，其結 構設計上滿足當調節片7處於關閉狀態時彈簧卡6與外機匣環形腔體3內壁脫離接觸，當 調節片7處於平衡位置的中間狀態時彈簧卡6與外機匣環形腔體3內壁剛有接觸，而當調 節片7處於打開狀態收到外機匣環形腔體3內時彈簧卡6被壓縮變形。所以，調節片7在 關閉位置和平衡位置間運動時彈簧卡6不產生任何力，而當調節片7在打開位置和平衡位 置間運動時彈簧卡6將對調節片7產生向平衡位置運動的回覆力。彈簧卡6所產生的回覆 力的大小要根據具體型號合理設計，以使模式轉換閥處於打開狀態時調節片7在氣動力和 彈簧卡6產生的回覆力的共同作用下可以位於外機匣環形腔體3內，圖6、圖7、圖8所示的 分別為模式轉換閥調節片7處於關閉狀態、處於平衡位置的中間狀態和打開狀態； 所述調節片7，見圖3，它是由調節片鉸接頭12、調節片主體13和加工在調節片主 體上的封嚴片14組成的一個片狀件(注在一組4個調節片中與承力幅板1相接處的調節 片7端面上沒有封嚴片14，見圖10);它通過鉸接銷軸5穿過調節片鉸接頭12上的通孔而 與鉸接凸耳4連接，所有的調節片主體13及封嚴片14處於關閉狀態時都位於一個圓環形 椎體上，見圖11，它共有32件；它的作用是確定發動機的工作模式，當所有調節片7打開時 外涵道11入口被打開，發動機以雙涵道渦扇模式工作；當所有調節片7關閉時外涵道11入 口被關閉，發動機以單涵道的渦噴模式工作，封嚴片14在調節片7關閉時實現調節片7之 間的封嚴；[0039] 所述承力幅板上的凹槽8，見圖9，是在承力幅板1上加工出的凹槽，該凹槽頂起外 機匣環形腔體3，下至內外涵道分流機匣9，前起外機匣2延伸到外機匣環形腔體3中的結 束位置，後至外機匣環形腔體3尾部，該凹槽的前端與底端是由一個斜面連接，該斜面及內 外涵道分流機匣9前端的型面與關閉狀態的調節片7伸進凹槽中的部分的型面完全匹配， 如圖6所示；每個承力幅板l的左右兩側各有一個完全對稱的凹槽，一周8個承力幅板1共 16個凹槽；承力幅板上的凹槽8的作用是在模式轉換閥關閉時調節片7深入到凹槽中那部 分的結構型面與凹槽的型面相互匹配，實現模式轉換閥關閉時調節片7與承力幅板1之間 的封嚴，凹槽的形狀及範圍除要滿足與調節片7的配合外還要留有足夠的空間用於滿足調 節片7在打開和關閉過程中調節片7繞鉸接銷軸5轉動時端面掃過的扇形運動空間； 此外，外機匣環形腔體3的具體位置和大小由調節片7的位置和尺寸來確定，而調 節片7的位置和尺寸的選擇要兼顧到使發動機在單函道模式工作時即調節片7關閉時能保 證通往內涵道10的氣流流道光滑過度以保證較小的流動損失同時又不會使調節片7的長 度過大以至於造成結構增重較大，所以具體結構要針對不同型號的發動機的不同內外機匣 直徑和涵道比根據實際情況的需要來確定各部件的尺寸和個數。 該被動控制式模式轉換閥的詳細工作原理及過程如下 該變循環方案中的模式轉換閥可以用來確定發動機以渦扇還是渦噴模式來工作， 該模式轉換閥採用的是被動控制方案，即他的打開和關閉是根據模式轉換閥調節片7前後 壓差的變化被動完成的，通過調節片7的打開或關閉來控制風扇後氣流的流向。發動機在 低功率狀態下，可調前、後涵道引射器均打開，使得閥門前後處於正壓差狀態，這樣在氣體 壓力作用下，閥門調節片7被打開，發動機以雙涵道的渦扇模式工作，此時由進氣道進入發 動機的氣流經風扇增壓後，在模式轉換閥門處被內外涵道分流機匣9分成兩股， 一部分進 入外涵道ll，另一部分通過內涵道IO進入核心機。當發動機狀態提高到大功率狀態時， 將可調後涵道引射器關閉，同時關小可調前涵道引射器，這樣外涵道11中的壓力會逐漸增 加，當超過風扇後壓力時，閥門調節片7就會在氣體反壓的作用下被關閉，此時發動機在單 涵道的渦噴模式下工作，風扇後的全部氣流都被引入核心機中。
權利要求一種變循環發動機模式轉換機構中的被動控制式模式轉換閥，其特徵在於該閥由外機匣環形腔體、鉸接凸耳、鉸接銷軸、彈簧卡、調節片和承力幅板上的凹槽組成，它位於內外涵道分流機匣外環，外涵道入口處；所述外機匣環形腔體，其形狀是一個中空的圓柱環形腔體，它位於發動機承力幅板外環與外機匣相連，它的環形腔體被8個均布的承力幅板分隔成8個子腔體；所述鉸接凸耳，每組由兩塊頭部呈半圓形、中間有通孔的板材組成，它的底部平面與外機匣環形腔體的前端內壁面相連；所述鉸接銷軸，是一根圓柱形銷軸，它穿過鉸接凸耳和調節片鉸接頭上的中心通孔；所述彈簧卡，它是頭部呈矩形框狀、中部呈大半圓形、尾部呈矩形的纏繞式卡簧；它的頭部套在調節片鉸接頭的方形處，它的中部纏繞在調節片鉸接頭的圓形處；所述調節片，它是由調節片鉸接頭、調節片主體和加工在調節片主體上的封嚴片組成的一個片狀件；它通過鉸接銷軸穿過調節片鉸接頭上的通孔而與鉸接凸耳連接，所有的調節片主體及封嚴片處於關閉狀態時都位於一個圓環形椎體上；所述承力幅板上的凹槽，是在承力幅板上加工出的凹槽，該凹槽頂起外機匣環形腔體，下至內外涵道分流機匣，前起外機匣延伸到外機匣環形腔體中的結束位置，後至外機匣環形腔體尾部，該凹槽的前端與底端是由一個斜面連接，該斜面及內外涵道分流機匣前端的型面與關閉狀態的調節片伸進凹槽中的部分的型面完全匹配，每個承力幅板的左右兩側各有一個完全對稱的凹槽。
2. 根據權利要求1所述的變循環發動機模式轉換機構中的被動控制式模式轉換閥，其 特徵在於該鉸接凸耳設置有32組。
3. 根據權利要求1所述的變循環發動機模式轉換機構中的被動控制式模式轉換閥，其 特徵在於該鉸接銷軸設置有32根。
4. 根據權利要求1所述的變循環發動機模式轉換機構中的被動控制式模式轉換閥，其 特徵在於該彈簧卡設置有32個。
5. 根據權利要求1所述的變循環發動機模式轉換機構中的被動控制式模式轉換閥，其 特徵在於該調節片設置有32件。
6. 根據權利要求1所述的變循環發動機模式轉換機構中的被動控制式模式轉換閥，其 特徵在於所述承力幅板上的凹槽，是一周8個承力幅板共有16個凹槽。
專利摘要一種變循環發動機模式轉換機構中的被動控制式模式轉換閥，它由外機匣環形腔體、鉸接凸耳、鉸接銷軸、彈簧卡、調節片和承力幅板上的凹槽組成，它位於內外涵道分流機匣外環，外涵道入口處。外機匣環形腔體是一個中空的圓柱環形腔體，它位於承力幅板外環與外機匣毗鄰相連；鉸接凸耳由兩塊頭部呈半圓形、中間有通孔的板材組成，它的底部平面與外機匣環形腔體的前端內壁面相連；鉸接銷軸是根圓柱形銷軸，它穿過鉸接凸耳和調節片鉸接頭上的中心通孔；彈簧卡是頭部呈矩形框狀、中部呈大半圓形、尾部呈矩形的纏繞式卡簧；調節片是由調節片鉸接頭、調節片主體和加工在調節片主體上的封嚴片組成的一個片狀件；承力幅板上的凹槽是在承力幅板上加工出的凹槽。
文檔編號F02C9/00GK201539312SQ20092017294
公開日2010年8月4日 申請日期2009年8月17日 優先權日2009年8月17日
發明者劉洪波, 劉陽, 王榮橋, 胡殿印 申請人:北京航空航天大學