專利名稱：偏航方向推力轉向噴口的制作方法
技術領域：
本發明涉及可轉向的排氣噴口，更具體地說涉及在俯仰和偏航方向上能提供有效推力轉向的新型和改進的排氣噴口。
飛機設計師們，特別是那些設計高速高機動性軍用飛機的人總是在尋求更好的控制飛機和在飛行中增強其機動性的方法。這方面的改進對躲開對空導彈和其他戰斗動作都是需要的。此外，飛機設計師們還企圖設法改進飛機短距起落的能力。排氣系統，特別是用于現代高速軍用飛機的排氣系統已經被用于對變化大的飛行條件，包括高度、速度和馬赫數等參數下提供高度的機動性而仍能維持其飛行效率。
飛機的機動性也可以由飛機的操縱面如襟翼或付翼或方向舵等來提供。但是這些措施的功效總是有限的，這是因為飛行操作條件，例如飛行速度有著很大的差異。推力轉向噴口，雖然比較復雜，但是效果較好，因為這種噴口能使大的推力載荷很快地施加到飛機俯仰和偏航的方向，從而對飛機提供了與飛行速度無關的增強機動性的能力。
除了飛行機動性外，設計師們還希望通過在燃氣渦輪發動機上應用可變幾何形狀排氣噴口來充分地優化飛行效率。一個可變幾何形狀噴口容許噴口喉道和噴口排氣口的大小能隨著飛行條件如飛行速度和飛行高度的變化而變化。絕大部分用于高速飛機的排氣噴口都使用了一種收斂擴散排氣噴口。收斂擴散噴口在本專業內是人們很熟悉的，一般地就是排氣噴口的截面面積，隨著順流的方向逐漸減小至一個最小面積的位置，稱作喉道，然后又逐漸加大至下游端，即噴口的排出口。排氣噴口經常通過應用若干個活動的噴口部段制成為可變的，從而獲得一個理想的喉道和出口截面積。能夠控制其喉道和出口大小的噴口通常稱作可變噴口。二維收斂擴散噴口是受歡迎的，因為它們保持一個理想的喉道和排氣口截面積并利用了一多位或可調活門板能夠很容易地進行俯仰控制。
目前可轉向排氣噴口的設計，對于在偏航方向上推力的效能是有限的。雖然用二維活門板能夠有效地控制俯仰，但是這種設計對于實行偏航卻是非常困難的。也提出過一些有關在偏航方向上對二維噴口提供推力轉向的方法，包括用萬向架固定整個噴口或者使組合活門板以軸線對稱方式繞樞軸轉動以提供一個飛機轉彎力矩。但是這些方法都有著很多缺點，例如，效果不大，重量大帶來的損耗以及由于結構，運動學，或空氣動力學上的問題而變得復雜。至于較大的繞樞軸的活動量可以通過在萬向架上固定的噴口與活門板相結合來獲得。然而，這種噴口一般需要復雜的附件和控制裝置，因而增加它的成本和重量。
除了多維轉向推力噴口的復雜性外，還有如何將噴口結合到飛機上去的問題。這個問題反過來又影響了噴口的工作和性能，也影響了飛機的性能。鑒于上述的問題，因此本發明的一個目的就是提供一種帶有改進飛機燃氣渦輪發動機排氣氣流或推力轉向裝置的燃氣渦輪發動機。
本發明的另一個目的是提供一種帶有偏航轉向裝置的俯仰可轉向噴口。
本發明的又一個目的是提供一種帶有偏航轉向裝置的俯仰可轉向噴口，但是它并不顯著地影響飛機及其燃氣渦輪發動機或發動機的可轉向噴口的性能或帶來不利后果。
本發明的另一目的是提供一種在偏航方向具有推力轉向能力的可調幾何形狀排氣噴口。
本發明的另一目的是提供一種具有俯仰和偏航能力的可調幾何形狀俯仰可轉向排氣噴口，這種噴口結構緊湊、簡單，且重量又輕。
本發明又一個目的是提供一種具有偏航能力的可調幾何形狀的俯仰可轉向排氣噴口，這種噴口易于結合到飛機上去。
本發明的再一個目的是提供一種帶有偏航能力的二維收斂擴散(2DCD)可調幾何形狀俯仰可轉向排氣噴口。
根據一個具體實施例，本發明包括一個在偏航方向上對燃氣渦輪發動機的推力產生轉向的偏航轉向裝置，一個將偏航轉向裝置安置在基本上不妨礙噴口排氣流位置上的裝置，以及一個在排氣噴口擴散段內將偏航轉向裝置布置在相對正常氣流有一個偏離角的裝置。
根據一個實施例，本發明包括一個能在偏航方向上對發動機產生推力轉向的排氣噴口。排氣噴口包括布置在排氣噴口擴散段內并與未偏轉的氣流面成一個角度的若干偏轉擋板。
根據一個更加具體的實施例，本發明包括一個用于燃氣渦輪發動機的二維收斂擴散噴口，這種噴口能夠調節排氣噴口喉道截面積的大小并在俯仰和偏航方向上為發動機的推力轉向。排氣噴口包括一組用樞軸連接在排氣噴口固定結構上的上和下收斂活門板和一組上和下擴散活門板，每一塊擴散活門板安置在相應的收斂活門板的下游端并與這相應收斂活門板的下游端以樞軸相連。排氣噴口包括若干塊以樞軸連接在相應擴散活門板上的偏轉擋板和在排氣噴口擴散段內將偏轉擋板布置成與未偏航氣流方向成一個角度的裝置。
在本發明一個更具體的實施例中，偏轉擋板與沿著擴散活門板的未偏轉氣流方向成一角度并用鉸鏈連接在擴散活門板上，以樞軸轉動偏轉擋板的裝置最好能包括配置在擴散活門板常溫面上的旋轉式致動器和連接于偏轉擋板合適的聯動機構。
噴口可以包括側壁和頂壁和底壁。流線型活門板用來在活門板的外側維持平滑的空氣動力氣流，還可以包括若干個用于產生發動機反向推力的反推力折流門。
本發明可以從下面結合附圖所作的敘述中加深理解，其中
圖1是包括結合本發明特點的排氣噴口的燃氣渦輪發動機示意透視圖。
圖2是包括收斂和擴散活門板和偏轉擋板和旋轉式致動器的二維收斂擴散排氣噴口的局部透視圖。
圖3是圖1中燃氣渦輪發動機排氣噴口的截面圖。
圖4是圖2中排氣噴口的頂部擴散活門板的后視圖，顯示一個在一種不妨礙空氣動力流暢條件下安置偏轉擋板的第一裝置。
圖1顯示一個飛機燃氣渦輪發動機10，發動機有一發動機中心線11，結合一個可轉向的二維收斂擴散排氣噴口22，由一個過渡通道或部段20連接至發動機10的其余部分。過渡通道20的目的是把發動機的排氣氣流從一個常被人們稱為軸線對稱氣流的圓形截面改變成矩形截面或二維(2D)氣流，從而容許在俯仰方向設計成應用機械結構簡單而可靠的二維噴口轉向裝置。此刻，很重要的是，應對習慣上描述氣流的方向和參考座標的各種排氣噴口元件，如活門板以及飛機和發動機的移動給以確定的定義。如圖1所示，向前和向后的方向是分別指朝著發動機10的進氣口和排氣口的，而左方和右方習慣上是指當一個人從后向前看時的部位。頂部和底部習慣上是分別指發動機中心線11以上和以下的部位，如圖1所示。只作為舉例，頂部活門板組件14，底部活門板組件15，右側壁16，和左側壁17都是作為名詞術語的示例在這里是用來限定方向和參考座標。在這里使用的其他慣例代號還包括T和B是指頂部和底部，TL是指頂部左方，TR指頂部右方，BL指底部左方，和BR指底部右方。俯仰和偏航用來指如圖1中箭頭13所表示的噴口的參考方向以及飛機的推力方向，其中俯仰一般指從頂部至底部聯線的方向，常稱作向上和向下。偏航同時垂直于俯仰方向和發動機的中心線11，因而處于從左到右聯線的方向，或者經常被稱作的側向。排氣噴口22有一個為在后方排出的氣體13的排氣口，從而在這個方向上對安裝這發動機的飛機(未顯示)產生一個推力，也就是推動飛機前進的力。圖1中所顯示的排氣噴口22是處于一個未轉向的位置，因此排氣方向TO一般與中心線11重合。雖然本發明的這個最佳實施例在這里被描述為用于一個二維噴口，但是很明顯地，這個發明同樣可以被用于其他實施例，例如具有三角形或梯形截面的噴口。
參看圖2和圖3，其中排氣噴口22更詳細地顯示于其俯仰和偏航的位置上，噴口22被分成習慣上的三個部段，收斂段24，擴散段30，和處于兩者之間的喉道34。收斂段24包括一個頂壁18T和一個底壁18B。頂壁18T和底壁18B以及側壁16和17一般都是固定的結構。所謂“固定的結構”一般是指這個結構是靜態的，或者是相對于一個基準位置，例如一個機翼機身，或發動機殼體固定于其位置上。如下面將要敘述到的，這種固定的結構是安裝可回轉部件的最合適的座架。
頂部和底部第一級(或收斂)活門板26T和26B分別由頂部和底部第一樞軸鉸接裝置28T和28B用樞軸連接到頂壁和底壁18T和18B的后端上。第一級活門板最好是能以繞樞軸轉動方向設置，以使噴口喉道34的大小可以調節。頂部和底部第二級(或擴散)活門板32T和32B分別由頂部和底部第二樞軸鉸接裝置36T和36B用樞軸連接到頂部第一級活門板26T和26B的后端上。第二級活門板最好是能以繞樞軸轉動方式設置，以使噴口排氣口的大小可以調節，也可將排氣流在俯仰的方向上進行導向。樞軸連接裝置可以是鉸鏈或者樞軸形式。動力源可以是機械的，氣動，液壓式電動的。如果使用鉸鏈或者樞軸，那末就可以用一個機械聯動機構將一個或多個致動器聯在一起使用，這是一種已知技術，發表在美國專利第4，275，276號上，結合在這里作為參考用。如圖2所示，每一塊收斂和每一塊擴散活門板都可以繞樞軸轉動至可選擇的位置，而獨立于任何其他的收斂或擴散活門板，從而使噴口喉道和排氣口的截面面積可以有選擇地改變其大小，同時發動機的推力也可以在俯仰方向上根據所要求的角度進行轉向。
如圖2和圖3所示，四塊偏轉擋板70TL，70TR，70BL和70BR，在這里一般稱為偏轉擋板70，由鉸鏈60或一些其他合適的方式，用樞軸安裝在它們各自的頂部和底部第二級活門板上，以使它們能以與圖1所示排氣流TO成一選定的角度或者在圖3的T1的方向上被布置在噴口的排氣氣流內，從而在偏航或橫側方向上提供一個可控制的推力，在俯仰和偏航方向上，如圖2中T2所示，提供一個轉向的推力。未偏航的排氣氣流T1的方向一般與噴口中心線11n相重合。在圖2和圖3中所示的部署四塊中每一塊偏轉擋板70的裝置包括一個在第2級活門板與排氣流方向或噴口中心線11n形成的角度將偏轉擋板70以樞軸連接到第二級活門板32的鉸鏈60和一個旋轉式致動器56，這個旋轉式致動器連同合適的機械聯動機構58形成一個比較簡單和可靠的用于使偏轉擋板70圍繞其各自的鉸接線61回轉的裝置，這條鉸接線61一般與圖中的鉸鏈60相重合，從而使一部分排氣流轉向或偏轉在偏航的方向上進行推力轉向。
從圖2中可以看出，每一個偏轉擋板和單個部署的裝置是每一另外的偏轉擋板和偏轉裝置的鏡象。這種一般稱為對稱的體系特別適用于單發動機的飛機，但是也可以經過改進或改變更適合于并排的雙發動機飛機，如F18或F14戰斗機。這種安排方案可以容許單個的偏轉擋板，或者獨立地布置或者與其它的擋板相結合布置，而與收斂或擴散活門板的位置無關。這種能力對于同時控制任何總推力的組合和它在俯仰和偏航的方向來操縱飛機是特別有用的。要完成這一步必須同時控制喉道34的截面面積和噴口出口的截面面積，要使第二級活門板32，在有些實施例中，也要使第一級活門板繞樞軸轉動從而使推力在俯仰方向進行轉向，和/或利用部署偏轉擋板70使推力在偏航方向進行轉向。
如圖4所示，設置一條模80，其大小正好容納偏轉擋板70，藉此來安置偏轉擋板以便為經過擴散活門板32T和32B的內表面的排出氣體提供一個流線型的連續氣流通道，并當偏轉擋板未被安置和安置在氣流的情況下，盡量減少偏轉擋板70對排氣流的干擾。槽80的深度大致相當于偏轉擋板70的厚度，從而正好安置下偏轉擋板以便在第二級活門板32上提供一連續的內表面。
為了經過噴口10的頂部和底部的空氣流提供一個以空氣力學規律的或平滑的表面，整流裝置90是以前和后整流活門板96a和96b相互搭接而成，如圖2和圖3中所示。每一塊整流活門板96a和96b一般以搭接方式分別配置在每一個收斂和擴散部段24和30的外面，從而容許第一線和第二級活門板位置的變化，而仍能為流經噴口22上面和下面的空氣提供一個空氣動力學較平滑的表面。提供這種整流板裝置在本專業內有各種各樣的形式，其中的一個例子發表在前述的對比文獻中。本發明的優點之一是產生偏航推力的裝置在機械上很簡單，在結構上很緊湊，因而很容易被這樣一種空氣動力整流裝置90所擋住，從而使燃氣渦輪發動機10效率更高并保護俯仰推力轉向裝置的各種機構使其不致遭受經過噴口22的高速空氣流的潛在損害。
每塊偏轉擋板70，其大小和形狀最好使偏轉擋板70既有最大的偏轉表面74，但又要使上偏轉擋板和下偏轉擋板在最大偏轉位置時相互不搭接或不干擾，以及在上和下第二級活門板之間間隙預先選定或在設計中選擇最小的開口。因此，如在圖2和圖3中見到的，偏轉擋板70為一個四邊形，即四條邊都不等的形狀。
排氣噴口22的工作情況如下。先參看圖2，排氣噴口22的外形與常規的二維收斂擴散排氣噴口一樣，其四塊偏轉擋板70，相對于每一塊擋板，都是與發動機的中心線11等距的。此外，每一塊偏轉擋板沿著一條鉸鏈線60與第二級活門板的中心線11N彎成一個角度，中心線11N一般與沿著其相對應的第二級活門板32的氣流相重合。每一對左或右的偏轉擋板70，當噴口22處于0°俯仰角狀態時都排成與發動機中心線等距離的位置。在這種構形中，由噴口排出的氣體，一般以箭頭T表示，是沿平行于圖1中的中心線11的朝后方向排出的。因此與排氣流方向相反的發動機推力卻是朝著正前方。
不言而喻，雖然本發明是利用一最佳實施例來描述的，許多其他形式都可以由此形成，但仍在本發明的范圍和設想之中。
權利要求
1.一種導引噴口排氣流方向的推力轉向裝置包括，至少一個鉸接在噴口上的偏轉擋板，以便使它可以繞著一條基本上在噴口氣流面上的軸線轉動和一個將所述偏轉擋板部署在排氣流內并與排氣流方向成一個角度的裝置。
2.如權利要求1所述的推力轉向裝置，其特征在于該裝置包括，所述偏轉擋板中的兩塊，相互以鏡象方式配置。
3.如權利要求2所述的推力轉向裝置，其特征在于該裝置包括兩組所述偏轉擋板，其中一組相對于另一組以鏡象方式配置，而每一組中還包括兩塊相互也以鏡象方式配置的所述偏轉擋板。
4.如權利要求1的推力轉向裝置，其特征在于該裝置包括兩塊所述偏轉擋板一般配置在所述噴口面對面的兩側。
5.一種推力轉向的二維收斂擴散噴口包括一組頂部和底部收斂活門板，一組頂部和底部擴散活門板，以樞軸相連于其對應的收斂活門板上，左面和右面側壁，配置在所述活門板的外面，大致垂直于該活門板并與活門板成氣流密封和滑動嚙合，至少四塊偏轉擋板鉸接在噴口上，因而它能繞著一條基本上在噴口氣流中心線回轉，和一個用于將所述偏轉擋板部署在所述氣流中以使偏轉擋板的氣流面向排氣流的中心，并與排氣流方向成一銳角的裝置。
6.一種二維收斂擴散可轉向的噴口包括一個收斂段，一個擴散段，一個介于兩者之間的喉道和一個在擴散段內至少將一部分排氣流轉向偏航方向的裝置。
7.如權利要求6所述的噴口，其特征在于該噴口包括一個使喉道截面積變化的裝置。
8.如權利要求7所述的噴口，其特征在于該噴口包括在所述擴散段內的頂部和底部擴散噴口活門板，其中至少有所述偏轉裝置中的一個裝置是裝在所述擴散噴口活門板中的一塊板上。
9.如權利要求8所述的噴口，其特征在于所述偏轉裝置包括至少一塊偏轉擋板鉸連在所述擴散噴口活門板的一塊板上，因而它能繞著一條基本上在所述擴散噴口活門板面上的線進行回轉和一個將所述偏轉擋板部署在沿著所述擴散噴口活門板氣流面的排氣流中，并與排氣流方向成一角度裝置。
10.如權利要求9所述的噴口，其特征在于所述偏轉裝置包括相互以鏡象方式配置的上述偏轉擋板中的二塊。
11.如權利要求10所述的噴口，其特征在于上述偏轉裝置包括兩組上述偏轉擋板其中一組相對于另一組以鏡象方式配置，而每一組中還包括上述兩塊，相互以鏡象方式配置的偏轉擋板。
全文摘要
一種可轉向的燃氣渦輪發動機排氣噴口包括使推力朝偏航方向轉向的可布置成一角度的氣流偏轉裝置。在一個實施例中，該偏轉裝置利用電動，機械或氣動的旋轉式致動器，可擺動地部署在一個二維噴口的擴散段內。這種偏轉裝置最好應用在一個二維收斂擴散排氣噴口內，噴口包括一個改變喉道截面大小的裝置和提供俯仰推力轉向的裝置。
文檔編號F02K1/00GK1046019SQ8910924
公開日1990年10月10日 申請日期1989年12月9日 優先權日1989年4月11日
發明者馬爾科姆·肯尼思·麥克萊恩, 馬克·愛德華·丹尼爾斯 申請人:通用電氣公司