專利名稱：噴管空心致動環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及軸對稱可變噴管的作動環(huán)，更具體是關(guān)于一種空心作動環(huán)及裝置，它用于使噴嘴調(diào)節(jié)片轉(zhuǎn)動以使噴管排氣流和推力定向。
相關(guān)技術(shù)描述軍用飛機在空戰(zhàn)和攻擊復(fù)雜地面目標的應(yīng)用方面，需要提高機動性。飛機設(shè)計師在探索用可定向噴管來替代或增強普通氣動面(如折葉和副翼)的使用，這種噴管可以改變驅(qū)動飛機的燃氣透平的排氣流和推力的方向，或?qū)⑵涠ㄏ?。Hauer在美國4,994,660號專利(此處用來參照)中披露了一種軸對稱可變的定向排氣噴管，提供了一種使軸對稱收縮/擴張型噴管的推力定向的裝置其方法是以不對稱的方式可萬向地轉(zhuǎn)動噴管的擴張調(diào)節(jié)片，換言之，相對于未定向的噴管中心線徑向和切向轉(zhuǎn)動擴張調(diào)節(jié)片。該調(diào)節(jié)片是以作動環(huán)為樞軸而轉(zhuǎn)動的，作動環(huán)可以軸向移動或圍繞其水平和垂直軸線作方向、旋轉(zhuǎn)或擺動一有限的范圍(主要為了調(diào)節(jié)它的姿態(tài))。以前，二維噴管使用的是定向推力裝置，采用比較平坦的調(diào)節(jié)片來控制發(fā)動機推力的俯仰或左右搖擺方向。
已定向的推力產(chǎn)生切向和徑向負荷，叫做側(cè)負荷，側(cè)負荷是從調(diào)節(jié)片由各種負荷路徑經(jīng)致動環(huán)傳遞回來，再經(jīng)致動器傳遞到發(fā)動機罩的。這些巨大的負荷，特別是由推力定向施加在致動器軸上的彎曲力矩，需要重型致動器來吸收。曾研究了各種設(shè)計來提供一種裝置，它盡量減小或消除從噴管傳遞到致動器的側(cè)負荷以及由于徑向負荷而使致動器承受的彎曲力矩。Lippmeier等人的美國5,174,502號專利(此處用來參照)披露了這樣的設(shè)計，但是像其它設(shè)計一樣，致動環(huán)仍須承受大的徑向和軸向負荷以及彎曲力矩。致動環(huán)必須具有剛性以防止系統(tǒng)在定向負荷下變形，那會導(dǎo)致推力系數(shù)損失、定向角性能下降和潛在的不穩(wěn)定性。致動環(huán)的柔性使它能在噴管定向負荷下?lián)锨妥冃危瑥亩鄬τ谝粋€剛性運動系統(tǒng)來說減少了所能達到的定向。這個問題由于用來使噴管定向的致動器數(shù)量少而更加顯得嚴重，要有三個致動器才合適。這種變形最終導(dǎo)致總定向性能的降低。
試圖增加抗扭和抗彎剛度的設(shè)計師所面臨的一個問題是，致動環(huán)可用的空間一般都受到飛機、發(fā)動機內(nèi)部流動通道、噴管結(jié)構(gòu)和收縮致動系統(tǒng)的限制。當用AVEN噴管改裝現(xiàn)有的飛機燃氣透平排氣噴管系統(tǒng)時，這個問題特別麻煩，因為在非定向的原始設(shè)計中，未設(shè)置或考慮致動環(huán)?？晒┲聞迎h(huán)占用的空間往往只允許有一種較為柔性的致動環(huán)。
在現(xiàn)有設(shè)計中影響致動環(huán)剛度的兩個關(guān)鍵參數(shù)是致動器之間的距離(具有立方效應(yīng))和致動環(huán)的斷面性質(zhì)。如果采取三個致動器和一個受限制的致動環(huán)外殼和橫斷面，則增加致動環(huán)材料的厚度可以提高致動環(huán)的剛度，但是重量也就增加了。
發(fā)明概述簡言之，按照本發(fā)明的一個方面，提供一個空心致動環(huán)和裝置，它通過從幾個(最好是3個)致動器將致動負荷傳遞到較大數(shù)量的轉(zhuǎn)動擴張調(diào)節(jié)片構(gòu)件而致動和/或定向飛機燃氣透平噴管的調(diào)節(jié)片，這些轉(zhuǎn)動擴張調(diào)節(jié)片構(gòu)件是可以操作來定向推力和改變噴管出口面積的。
致動環(huán)大體上為空心環(huán)形結(jié)構(gòu)，包括軸向隔開的同軸線的前、后壁，在前壁和后壁之間軸向地延伸并將它們在結(jié)構(gòu)上連接起來的支撐，以及一個致動環(huán)增強結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以減小在支撐之間的前、后壁中至少一個的致動環(huán)有效彎曲和扭轉(zhuǎn)長度。本發(fā)明的一個實施例提供一個增強裝置，它可以將從支撐傳遞到前、后壁之一的負荷散開。另一個實施例提供一個增強裝置，在支撐和至少前、后壁之一之間形成A形架，或在每個支撐和前、后壁之一之間至少有一個沿對角線延伸的結(jié)構(gòu)撐條。A形架可以有內(nèi)圓角。本發(fā)明一些更詳細的實施例提供了調(diào)節(jié)片致動聯(lián)動裝置，它們布置在該結(jié)構(gòu)的后環(huán)圓周周圍并與它在結(jié)構(gòu)上連接，還提供了致動器連接裝置，它們與支撐在結(jié)構(gòu)上連接。該調(diào)節(jié)片致動聯(lián)動裝置和致動器連接裝置最好包括一些球形鉸接元件。
另一個更特殊的實施例提供構(gòu)成加強支撐的切開的零件，這些支撐在前、后壁之間軸向地延伸，并進一步將前、后壁在結(jié)構(gòu)上連接起來。環(huán)形外蓋板與內(nèi)蓋板最好與前壁和后壁、支撐、致動環(huán)增強結(jié)構(gòu)以及加強支撐等形成為單件結(jié)構(gòu)。另一種方案是，環(huán)形蓋板之一可以分開形成并連接于該單件結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的一個實施例包括一個噴管，它具有一些致動桿，每一個致動桿都穿過在加強支撐中切出的錐形通道。另一個實施例包括一些球形鉸接頭，每一個鉸接頭都安裝在加強支撐中掏出的半圓柱形缺口中。
在下述圖紙中，描繪了一個優(yōu)先實施例；然而，在不背離本發(fā)明的真正精神和范圍的情況下，也可以作出各種其它的修改和替代結(jié)構(gòu)。
優(yōu)點本發(fā)明中致動環(huán)和噴管致動裝置的優(yōu)點之一是致動環(huán)比較剛性的，它能夠從少數(shù)的致動器將致動負荷傳遞到數(shù)量較多的轉(zhuǎn)動擴張型調(diào)節(jié)片構(gòu)件，而不象以前的設(shè)計那樣會增加重量。本發(fā)明還能將致動環(huán)設(shè)計得較小和較柔性，能夠裝在受限制的外殼內(nèi)而不象以前的設(shè)計那樣會增加重量。本發(fā)明的致動環(huán)可以設(shè)計得具有較小的輪廓，包括較小的徑向高度，從而可使整個噴管致動系統(tǒng)和噴管本身更為緊湊。
本發(fā)明的另一個目的是提供一個剛性的空心致動環(huán)，用來轉(zhuǎn)動噴管調(diào)節(jié)片以定向噴管排氣流。另一個目的是提供一個剛性的致動環(huán)，它能夠裝在一個受限制的外殼內(nèi)。本發(fā)明還有一個目的是提供一個空心致動環(huán)，它的重量比以前使用的輕，這有助于將噴管系統(tǒng)的尺寸和重量減至最小。
這些目的和其它特點和優(yōu)點，在閱讀以下的敘述并參看所附的附圖后，就變得格外地明顯了。
附圖簡述以下的敘述連同附圖解釋了本發(fā)明的上述方面和其它特點，其中

圖1是帶有本發(fā)明優(yōu)先實施例的一個致動環(huán)和裝置的燃氣透平軸對稱定向排氣噴管的部分切開的透視圖；圖2是圖1中的致動環(huán)的一部分的放大部分切開透視圖，表明本發(fā)明的一個增強裝置的實施例；圖2A是圖1中的致動環(huán)的一部分的放大局部切開透視圖，表明本發(fā)明的優(yōu)先實施例的一個單件致動環(huán)增強裝置；
圖3是圖1所示的致動環(huán)的從后向前看的正視圖；圖4是圖3所示的致動環(huán)的從前向后看的正視圖；圖5是圖1中的致動環(huán)的一部分的另一個放大局部切開透視圖。
優(yōu)先實施例描述本發(fā)明總體表示在圖1中，并包括一個致動環(huán)86，它用作飛機燃氣透平排氣段10中的軸對稱定向噴管14的定向環(huán)。排氣段10按相繼流動關(guān)系包括一固定面積的管道或發(fā)動機罩11，包括加力燃燒室襯套12，和收縮擴張型軸對稱定向噴管14的可變面積下游段13，可參照前述Hauer的專利。參照圖1，噴管14按相繼流動關(guān)系包括一收縮段34、一喉管40和一擴張段48。收縮段34包括多個收縮調(diào)節(jié)片或主調(diào)節(jié)片50，它們沿圓周布置在發(fā)動機中心線8的周圍，重疊的主密封件51布置在沿圓周周圍相鄰的主調(diào)節(jié)片50的徑向內(nèi)表面之間并與它們密封接合。主調(diào)節(jié)片50的前端由第一個鉸接接頭或U形接頭52鉸接于發(fā)動機罩11。擴張調(diào)節(jié)片或副調(diào)節(jié)片54的前端53由二自由度萬向接頭56鉸接于主調(diào)節(jié)片50的后端，萬向接頭56通常處在與喉管40重合的噴管14中的一個軸向位置。副調(diào)節(jié)片54布置在發(fā)動機中心線8的圓周周圍，重疊的擴張密封件或副密封件55布置在沿圓周周圍相鄰的副調(diào)節(jié)片54的徑向內(nèi)表面之間并與它們密封接合。喉管40的喉口面積一般以A8表示，噴管出口44通常在副調(diào)節(jié)片54的端部，喉管出口面積一般以A9表示。
多個凸輪滾柱62布置在主環(huán)66中，主環(huán)又由多個主致動器70向前和向后移動，在優(yōu)先實施例中有四個這樣的主致動器?？勺兒砜诿娣eA8由在主調(diào)節(jié)片50的背面上形成的凸輪表面60上的凸輪滾柱的動作控制。操作時，噴管內(nèi)排氣的高壓力迫使主調(diào)節(jié)片50和副調(diào)節(jié)片54徑向地向外，從而使凸輪表面60與凸輪滾柱62之一保持接觸。一個錐形致動器支架76的窄前端安裝在發(fā)動機罩11上，主致動器70由一個萬向球形接頭74鉸接于致動器支架76的寬后端。主致動器70有一個致動桿73，致動桿又由一個球形接頭連接于主環(huán)66。
多個導(dǎo)向致動器90(在優(yōu)先實施例中有三個)等角度地布置在發(fā)動機罩11的圓周周圍，并以與致動器70同樣的方式由萬向球接頭94安裝在致動器支架76上。致動環(huán)86由球形接頭96連接于導(dǎo)向致動器90的定向致動桿93的后端。這使致動環(huán)86可以在中心線8周圍軸向移動和擺動以控制其姿態(tài)。致動環(huán)86控制副調(diào)節(jié)片54的定位或擺動。副調(diào)節(jié)片54由二自由度萬向接頭56鉸接于主調(diào)節(jié)片50，并由多個相應(yīng)的Y形架59以多自由度的方式進行樞軸控制，Y形架59具有操縱桿58a和58b，通過操作可將副致動環(huán)86連接于副調(diào)節(jié)片54。外調(diào)節(jié)片64至少部分地由Y形架59支撐并使沿著噴管的外部成為均稱和光滑的流線型形狀。
操縱桿58a和58b由三自由度球形接頭82連接于致動環(huán)86，并由球形接頭84連接于副調(diào)節(jié)片54的后端。操作此聯(lián)動裝置可以將致動環(huán)86的姿態(tài)改變轉(zhuǎn)化為副調(diào)節(jié)片的多自由度的轉(zhuǎn)動改變或軌道運動，從而每一個副調(diào)節(jié)片可以擺過不同的角度。用球形接頭82連接操縱桿58a和58b提供了Y形架59的U形擺動，同時防止可能施加于操縱桿58a或58b的任何扭轉(zhuǎn)負荷傳遞回到致動環(huán)86。構(gòu)架92為副調(diào)節(jié)片54提供了一個支座，并且構(gòu)架92的兩端為接頭84和56提供了支撐。
致動環(huán)86最好由三個軸向可調(diào)節(jié)的致動環(huán)支架裝置100來支承，它們等角度地布置在發(fā)動機罩11的圓周周圍，使得致動環(huán)86可以由定向致動器90進行軸向移動和萬向轉(zhuǎn)動。軸向移動的A形架210用三自由度球形接頭206支承致動環(huán)86。A形架210由U形鉸鏈裝置208在操縱桿211a和211b端部以球形接頭的形式鉸接于滑塊220。使用操縱桿211a和211b端部的球形接頭為A形架210提供了U形轉(zhuǎn)動，并避免了可能施加于操縱桿的扭轉(zhuǎn)負荷的傳遞。滑塊220可沿空心滑桿226滑動，滑桿226由前托架230和后托架236連接于發(fā)動機罩11。致動環(huán)支承件100允許致動環(huán)86軸向地向前和向后移動和擺動以改變其姿態(tài)。致動環(huán)支承件100的更詳細的描述可在Lippmeier等人的題為“移動噴管定向環(huán)的支撐”的美國5,174,502號專利中找到，在這里引用是為了參考。
現(xiàn)在再看圖2，空心致動環(huán)86是一個空心的大體上呈環(huán)形的結(jié)構(gòu)，分別有軸向間隔的同軸線前壁110和后壁114。連接支撐118在前壁110和后壁114之間延伸，并將它們在結(jié)構(gòu)上連接起來。致動桿93在支撐118的基座120處由球形接頭96連接于致動環(huán)86?？偟囊?24表示的致動環(huán)增強裝置用來減小相鄰支撐118之間的后壁114的致動環(huán)有效彎曲和扭轉(zhuǎn)長度L(亦見圖3)。這是通過將從支撐118傳遞到后壁114的負荷分散而完成的。在每一個支撐118和后壁114之間形成一個A形架130。A形架130在每一個支撐118和后壁114之間提供了一個沿對角線方向延伸的結(jié)構(gòu)撐條132。A形架最好有內(nèi)圓角134。注意，離基座120最近的內(nèi)圓角134是經(jīng)過修改的，那是通過添加一個間隔段138以形成有效的內(nèi)銳角136，它在其子角144中有兩個圓角140。
環(huán)形內(nèi)蓋板150和外蓋板152在結(jié)構(gòu)上分別連接于相應(yīng)前后壁的徑向內(nèi)端154和外端156，從而完成空心致動環(huán)86的外部結(jié)構(gòu)。環(huán)形內(nèi)蓋板150和外蓋板152在結(jié)構(gòu)上還分別連接于致動環(huán)增強裝置124。在優(yōu)先實施例中，用鑄造或其它方法將內(nèi)蓋板150和外蓋板152、結(jié)構(gòu)撐條132、支撐118、前壁110和后壁114等整個制成為一個基本上單件結(jié)構(gòu)，如圖2A所示。可以使用工業(yè)中周知的失蠟或熔模鑄造法。另外一種方法是，內(nèi)外蓋板150和152之一、結(jié)構(gòu)撐條132、支撐118、前壁110和后壁11等，可以用鑄造或其它方法制成一體，而內(nèi)外蓋板150和152中的另一個則單獨做成，然后用焊接、釬焊、擴散粘結(jié)或其它連接方法連接于這些零部件。球形接頭96用鉸鏈托架164將致動桿93連接于支撐118的底座120，鉸鏈托架164有兩個在周圍上隔開的凸緣166，它們由兩個在周圍上隔開的螺釘168連接于支撐的底座。
如圖1所示，將操縱桿58a和58b連接于致動環(huán)86的球形接頭82，通過凸耳架176的配對174，提供了一個調(diào)節(jié)片致動聯(lián)動裝置，這較詳細地表示在圖3中，其中每一個凸耳架有平行的凸耳對自該處延伸。凸耳架176布置在后壁114的圓周周圍，并與它在結(jié)構(gòu)上連接，它們的所有凸耳178平行于從中心線8延伸的一個半徑R，并在凸耳架176之間平分一個中心角A，中心角A的原點在中心線處。凸耳架176的每一個配對將相應(yīng)的操縱桿58a和58b之一連接于致動環(huán)86。
圖5表示在致動環(huán)86中形成的被切出的形狀的位置，舉例說明錐形通道180和半圓筒形缺口182。錐形通道180為主致動器70的致動桿73提供了余地(示于圖1)，它更詳細地表示在圖5中。半圓柱形缺口182為安裝球形接頭206提供了一個區(qū)域，球形接頭206將A形架210連接于致動環(huán)86，后者更詳細地表示在圖2中。加強支撐300分別在這些被切出的形狀的周圍位置處的前后壁110和114之間軸向地延伸。被切出的形狀如錐形通道180和半圓柱形缺口182最好在加強支撐300本身中形成。在這些切出的形體通常會減小致動環(huán)86的強度的地方，加強支撐300有助于在結(jié)構(gòu)上加強它，使噴管的直徑可以設(shè)計得較小。致動環(huán)的輪廓和半徑高度可以設(shè)計得較小，從而允許整個噴管致動系統(tǒng)和噴管本身更為緊湊。加強支撐300最好用鑄造或其它方法做成與內(nèi)蓋板150、結(jié)構(gòu)撐條132、支撐118以及前后壁110和114等制成一整體。
雖然已對本發(fā)明的優(yōu)先實施例做了充分的描述，從而解釋了它的原理，然而應(yīng)當明白，只要不越出在附錄的權(quán)利要求中所限定的發(fā)明范圍，可以對優(yōu)先實施例作出各種修改或替換。
權(quán)利要求
1．一個用于同步轉(zhuǎn)動飛機燃氣透平噴管(14)的空心致動環(huán)(86)，該致動環(huán)(86)包括一個大致環(huán)形空心構(gòu)件，它具有軸向隔開的前壁(110)和后壁(114)；在上述前后壁(110與114)之間軸向地延伸并將它們在結(jié)構(gòu)上連接起來的連接支撐(118)；一個致動環(huán)增強裝置(124)，用來減小在所述連接支撐(118)之間的前后壁(110與114)中至少一個的致動環(huán)有效彎曲和扭轉(zhuǎn)長度L。
2．如權(quán)利要求1中所述的一種空心致動環(huán)(86)，其特征在于所述增強裝置(124)包括一個用來將從連接支撐(118)傳遞到前后壁(110與114)之一的負荷分散的裝置。
3．如權(quán)利要求1中所述的一種空心致動環(huán)(86)，其特征在于所述的增強裝置(124)包括在連接支撐(118)與前后壁(110與114)中至少一個之間形成的A形架。
4．如權(quán)利要求1中所述的一種空心致動環(huán)(86)，其特征在于所述增強裝置(124)包括至少一個結(jié)構(gòu)撐條(132)，它在各連接支撐(118)和前后壁(110與114)之一之間沿對角線方向延伸。
5．如權(quán)利要求3中所述的一種空心致動環(huán)(86)，其特征在于所述A形架具有內(nèi)圓角(136)。
6．如權(quán)利要求3中所述的一種空心致動環(huán)(86)，其特征在于還包括環(huán)形內(nèi)蓋板(150)和外蓋板(152)，它們與內(nèi)外壁(110與114)各自的徑向內(nèi)外端(154與156)、連接支撐(118)和致動環(huán)增強裝置(124)在結(jié)構(gòu)上連接起來。
7．如權(quán)利要求6中所述的一種空心致動環(huán)(86)，其特征在于所述環(huán)形內(nèi)外蓋板(150與152)與前后壁(110與114)、連接支撐(118)和致動環(huán)增強裝置(124)形成一個整體構(gòu)件。
8．如權(quán)利要求7中所述的一種空心致動環(huán)(86)，其特征在于還包括調(diào)節(jié)片連接裝置，它們布置在所述構(gòu)件的后壁(114)的圓周周圍，并與它在結(jié)構(gòu)上連接起來，并包括致動器連接裝置，它與連接支撐(118)在結(jié)構(gòu)上連接起來。
9．如權(quán)利要求8中所述的一種空心致動環(huán)(86)，其特征在于還包括在加強支撐(300)中形成的切出的形狀(180)，加強支撐在前后壁(110與114)之間軸向地延伸并將它們在結(jié)構(gòu)上連接起來。
10．如權(quán)利要求17中所述的一種空心致動環(huán)(86)，其特征在于它布置在具有一些致動桿(93)的噴管(14)中，每一個致動桿穿過切入加強支撐(300)內(nèi)的錐形通道(180)。
全文摘要
一個空心致動環(huán)(86)和裝置,它通過從較小數(shù)量的致動器(90)將致動負荷傳遞到噴管(14)的較大數(shù)量的轉(zhuǎn)動擴張調(diào)節(jié)片構(gòu)件而致動和/或定向飛機燃氣透平噴管(14)的調(diào)節(jié)片(50)。致動環(huán)(86)有一個大致環(huán)形空心構(gòu)件,包括軸向隔開的同軸線前壁(110)和后壁(114)、在前后壁(110與114)之間軸向地延伸并將它們在結(jié)構(gòu)上連接起來的連接支撐(118),以及一個致動環(huán)增強裝置(124),該裝置可以減小在連接支撐(118)之間的前后壁(110與114)中至少一個的致動環(huán)有效彎曲和扭轉(zhuǎn)長度(L)。利用在連接支撐(118)與前后壁(110與114)之一之間沿對角線延伸的結(jié)構(gòu)撐條(132),增強結(jié)構(gòu)(124)可以將從連接支撐(118)傳遞到前后壁(110與114)之一的負荷分散。
文檔編號H02K1/12GK1234850SQ96180488
公開日1999年11月10日 申請日期1996年11月4日 優(yōu)先權(quán)日1996年11月4日
發(fā)明者R·M·奧斯登莫爾, T·G·瓦克曼 申請人:通用電氣公司