矢量调节喷管和自适应变循环发动机

技术领域

本申请属于航空发动机领域，特别涉及一种矢量调节喷管和自适应变循环发动机。

背景技术

变循环推进航空发动机相对于传统的固定循环的航空发动机具有很多的优势。伴随着航空发动机设计水平的不断提高，满足变循环要求的发动机循环和结构不断被提出和演进，变循环推进航空发动机逐步用于主战飞机动力。

自适应变循环发动机相对于变循环发动机，在双外涵变循环发动机的基础上又增加了一个外涵道(又称第三涵道)，增加的外涵道可以进一步提高发动机涵道比变化范围，优化包线内发动机综合性能，减少溢流阻力，还可以解决进气口边界层分离的问题。外涵道的气流加压较小，温度较低而流量充足，是理想的冷源，而且不干扰核心发动机的工作，适合于提供充足的冷却容量，可为激光武器、飞机本体等提供有效冷却，增强飞机的隐身性能。

战斗机不仅要具有高空高速性能，而且要具有机动、敏捷和隐身等方面的性能。具有矢量调节喷管的自适应变循环发动机可以满足战斗机常规机动性、过失速机动性、敏捷性、短距起落、超声速巡航、隐身等性能需求。

自适应变循环发动机相对于常规的涡扇发动机，增加的外涵道导致机匣层数的增加，带来了很多装配结构设计问题。例如外涵道的排气口位于矢量调节喷管的外调节片和内扩张片围成的环形开口，自适应变循环发动机相较于双外涵变循环发动机增加了外涵道。为了保证外涵道的密封性，以及空间结构布局、单元体装配结构、重量、调节性能、隐身性能、可靠性等苛刻要求，迫切需要对矢量调节喷管进行改进。

发明内容

本申请旨在提出一种矢量调节喷管，使喷管能够调节的基础上设置有外涵道。

本申请提出一种矢量调节喷管，所述矢量调节喷管包括：

加力筒体，所述加力筒体为圆筒状；

外机匣，所述外机匣设置于所述加力筒体的径向外侧，在所述加力筒体和所述外机匣之间限定了部分的外涵道；

承力环，所述承力环设置有孔，所述孔能够使气流在所述外涵道内流动至所述矢量调节喷管的尾部喷口，所述加力筒体和所述外机匣通过所述承力环连接；

矢量调节机构，所述矢量调节机构连接于所述外机匣，所述矢量调节机构能够使所述矢量调节喷管收缩、扩张或矢量偏转；

密封罩，所述密封罩设置于所述矢量调节机构的径向外侧，所述密封罩的径向内侧限定了部分的所述外涵道；以及

外调节片，所述外调节片设置于所述矢量调节机构的径向外侧，所述外调节片的径向内侧限定了部分的所述外涵道。

在至少一个可能的实施方式中，所述承力环包括锥形段，在从所述承力环的前端向尾端延伸的方向上，所述锥形段是渐缩的。

在至少一个可能的实施方式中，所述锥形段与气体流动方向形成30至45度的夹角。

在至少一个可能的实施方式中，所述承力环包括槽型结构，所述槽型结构的开口朝向所述加力筒体，所述加力筒体部分地嵌入电动槽型结构。

在至少一个可能的实施方式中，所述槽型结构32包括两个侧壁和一个底壁，所述两个侧壁对所述加力筒体径向定位，所述底壁对所述加力筒体轴向定位。

在至少一个可能的实施方式中，所述底壁设置有使所述承力环和所述加力筒体连接的安装孔。

在至少一个可能的实施方式中，所述加力筒体包括弹性部，所述弹性部位于所述加力筒体的端部，所述弹性部包括轴向截面为U形的环状结构。

在至少一个可能的实施方式中，所述矢量调节喷管的尾部喷口的边缘呈锯齿状。

在至少一个可能的实施方式中，所述密封罩包括锥形筒状。

本申请还提出一种自适应变循环发动机，所述自适应变循环发动机包括上述技术方案中任一项所述的矢量调节喷管。

通过采用上述技术方案，在矢量调节喷管中设置空间结构布局合理的外涵道，进而能够提升发动机性能。

附图说明

图1示出了根据本申请的实施方式的矢量调节喷管的结构示意图。

图2示出了根据本申请的实施方式的矢量调节喷管的半剖示意图。

图3示出了根据本申请的实施方式的矢量调节喷管的拆除部分密封罩的结构示意图。

图4至图7示出了根据本申请的实施方式的矢量调节喷管的内部结构示意图。

图8示出了根据本申请的实施方式的矢量调节喷管的剖视结构示意图。

图9示出了根据本申请的实施方式的矢量调节喷管的承力环的结构示意图。

图10示出了根据本申请的实施方式的矢量调节喷管的半剖示意图。

附图标记说明

1 加力筒体

2外机匣

3承力环 31孔 32槽型结构 321侧壁 322底壁 33锥形段

4喉管调节机构 41喉管作动筒 411喉管作动筒主体 412喉管作动筒活塞杆

42收敛调节片连接组件 421收敛调节片第一连杆 422收敛调节片第二连杆

43收敛调节片 44收敛密封片

5喷口调节机构 51喷口作动筒 511喷口作动筒主体 512喷口作动筒活塞杆

52喷口传动组件 521偏转环 522偏转环支撑部 523拉杆 524扩张支架

53扩张调节片 54扩张密封片

55扩张片连接组件 551扩张片第一连杆 552扩张片第二连杆 553扩张片第三连杆 554扩张片第四连杆 56密封片压紧件

6密封罩 7外调节片

100外涵道

A轴向 C周向。

具体实施方式

为了更加清楚地阐述本申请的上述目的、特征和优点，在该部分结合附图详细说明本申请的具体实施方式。除了在本部分描述的各个实施方式以外，本申请还能够通过其他不同的方式来实施，在不违背本申请精神的情况下，本领域技术人员可以做相应的改进、变形和替换，因此本申请不受该部分公开的具体实施例的限制。本申请的保护范围应以权利要求为准。

如图1至图10所示，本申请提出一种矢量调节喷管，矢量调节喷管包括加力筒体1、外机匣2、承力环3、矢量调节机构、密封罩6和外调节片7。矢量调节机构包括喉管调节机构4和喷口调节机构5。

矢量调节喷管可以用于自适应变循环发动机，该自适应变循环发动机相对于变循环发动机，在双外涵变循环发动机的基础上又增加了一个外涵道(又称第三涵道)，增加的外涵道可以进一步提高发动机涵道比变化范围，优化包线内发动机综合性能，减少溢流阻力，还可以解决进气口边界层分离的问题。外涵道的气流可以流经矢量调节机构，从而降低矢量调节喷管的红外特性。

如图2和图8和图10所示，加力筒体1为圆筒状，加力筒体1包括弹性部11，弹性部11可以包括轴向截面(或者说横截面)为U形的环状结构。弹性部11可以减少振动，并且使加力筒体1具有一定的轴向伸缩性，调节轴向变形。弹性部11可以位于加力筒体1的端部，例如尾端。

如图1、图2和图10所示，外机匣2和加力筒体1通过承力环3连接，外机匣2设置于加力筒体1的径向外侧，加力筒体1和外机匣2限定了一部分外涵道100(又称第三涵道)。由于设置了外涵道100，并且要使外涵道100具备密封性，外机匣2作为安装喉管调节机构4和喷口调节机构5的承力机匣。通过承力环3使喉管调节机构4和喷口调节机构5的重量由作为承力机匣的外机匣2承受。

如图2和图5至图10所示，承力环3的前端可以通过法兰连接于外机匣2，承力环3的尾端可以连接于加力筒体1。承力环3包括锥形段33，在从前端向尾端延伸的方向(即气体流动方向)上，锥形段33是渐缩的，这使承力环3的刚度较高。承力环3的锥形段33设置有孔31，孔31可以沿承力环3的周向C设置有多个，通过孔31可以使气流沿外涵道100流向后述的收敛调节片43、后述的扩张调节片53和后述的外调节片7之间的环状空间。图2和图10中的单向箭头表示气流方向。承力环3的锥形段33与气体流动方向可以形成30至45度的夹角，气流可以穿过孔31，从偏转环521和收敛片连接组件42之间的空间流过，气体流动的能量损失较小，从而能够提供较大的推力。

承力环3包括槽型结构32，槽型结构32可以位于承力环3的径向内侧部分，槽型结构32可以包括两个侧壁321和一个底壁322，槽型结构32可以使承力环3的刚度较高。槽型结构32的开口可以朝向矢量调节喷管的前端，加力筒体1可以嵌入槽型结构32，槽型结构32可以作为止口和加力筒体1定位，槽型结构32的两个侧壁321可以对加力筒体1径向定位，槽型结构32的底壁322可以对加力筒体1轴向定位。所述底壁322可设置有使承力环3和加力筒体1连接的安装孔，安装孔具有多个，多个安装孔沿周向C排列。

如图2和图4至图8所示，喉管调节机构4包括喉管作动筒41(又称A8作动筒)、收敛片连接组件42、收敛调节片43和收敛密封片44。

多个收敛调节片43和收敛密封片44均铰接于承力环3，收敛密封片44设置于相邻的两个收敛调节片43之间，收敛调节片43和收敛密封片44交替排列。多个收敛调节片43和多个收敛密封片44围成环状(可称为喉管)，喉管作动筒41和收敛片连接组件42设置于喉管的径向外侧。通过喉管作动筒41驱动收敛调节片43活动，可以使喉管的内径增大或缩小。

喉管作动筒41包括喉管作动筒主体411和喉管作动筒活塞杆412，喉管作动筒活塞杆412可以相对于喉管作动筒主体411动作。喉管作动筒41沿周向C延伸地设置有多个，例如喉管作动筒41可以设置有12个。喉管作动筒主体411可以铰接于收敛调节片43，喉管作动筒活塞杆412铰接于另一收敛调节片43。同一个喉管作动筒41的喉管作动筒主体411和喉管作动筒活塞杆412连接的收敛调节片43之间可以间隔一个收敛密封片44。

可以理解，不仅通过多个喉管作动筒41同时动作可以使喉管的内径增大或缩小，而且通过多个喉管作动筒41的分别动作也可以使喉管实现偏转。

收敛片连接组件42包括收敛片第一连杆421和收敛片第二连杆422。收敛片第一连杆421铰接于连接了喉管作动筒主体411的收敛调节片43，收敛片第二连杆422铰接于连接了喉管作动筒活塞杆412的收敛调节片43，收敛片第一连杆421和收敛片第二连杆422铰接。收敛片连接组件42可以使相邻的收敛调节片43连接，在喉管作动筒41带动收敛调节片43动作时，可以使多个收敛调节片43和多个收敛密封片44紧凑地排列，从而保持密封。

可以理解，在其他可能的实施方式中，喉管调节机构4的喉管作动筒也可以沿轴向A延伸地设置，收敛调节片的径向外侧设置有凸轮，喉管作动筒的喉管作动筒活塞杆连有喉管调节环。喉管调节环与凸轮接触，喉管调节环与凸轮的接触面可以为曲面，通过喉管调节环与凸轮的接触位置改变，来驱动收敛调节片活动。

如图3至图8所示，喷口调节机构5包括喷口作动筒51(又称A9作动筒)、喷口传动组件52、扩张调节片53、扩张密封片54和扩张片连接组件55。

扩张调节片53铰接于收敛调节片43的尾端，扩张密封片54铰接于收敛密封片44的尾端。扩张密封片54设置于相邻的两个扩张调节片53之间，多个扩张调节片53和扩张密封片54交替地围成环状(可称为喷口)，喷口作动筒51和喷口传动组件52设置于喷管的径向外侧。

喷口作动筒51可以通过喷口传动组件52驱动扩张调节片53动作，喷口作动筒51沿轴向A延伸地设置。喷口作动筒51可以设置有多个，例如3个喷口作动筒51沿周向C均匀排列，两个相邻的喷口作动筒51间隔120度。

如图4至图6所示，喷口作动筒51包括喷口作动筒主体511和喷口作动筒活塞杆512，喷口作动筒活塞杆512可以相对于喷口作动筒主体511动作，喷口作动筒主体511可以连接于外机匣2，喷口作动筒活塞杆512可以连接于喷口传动组件52。

喷口传动组件52包括偏转环521，偏转环支撑部522、拉杆523和扩张支架524。偏转环521套设于承力环3的径向外侧，偏转环521通过偏转环支撑部522连接于承力环3。偏转环支撑部522可以包括两段铰接的支撑杆，其中一根支撑杆铰接于承力环3，另一根支撑杆铰接于偏转环支撑部522。在周向C上，偏转环支撑部522可以位于两个相邻的孔31之间的位置，从而减少偏转环支撑部522对气流的影响。喷口作动筒活塞杆512连接于偏转环521，喷口作动筒51可以驱动偏转环521沿轴向A相对于承力环3活动。

拉杆523的一端铰接于偏转环521，拉杆523的另一端铰接于扩张支架524。拉杆523和扩张支架524铰接的转轴沿矢量调节喷管的径向延伸。

拉杆523和扩张支架524可以形成为V形，拉杆523和扩张支架524的铰接的一端可以为V形的尖端，拉杆523的分叉的一端连接于偏转环521，扩张支架524的分叉的一端连接于扩张调节片53。

如图5所示，扩张片连接组件55包括扩张片第一连杆551、扩张片第二连杆552、扩张片第三连杆553和扩张片第四连杆554。

扩张片第一连杆551的一端铰接于扩张支架524，扩张片第二连杆552的一端铰接于另一扩张支架524，扩张片第一连杆551的另一端铰接于扩张片第二连杆552的另一端。扩张片第三连杆553的一端铰接于扩张片第一连杆551，扩张片第四连杆554的一端铰接于扩张片第二连杆552，扩张片第三连杆553的另一端铰接于扩张片第四连杆554的另一端。扩张片第三连杆553和扩张片第四连杆554铰接的转轴连接于两个扩张支架524之间的扩张密封片54。扩张片第一连杆551和扩张片第二连杆552可以长度相同，扩张片第三连杆553和扩张片第四连杆554可以长度相同，扩张片第一连杆551和扩张片第二连杆552的长度均大于扩张片第三连杆553和扩张片第四连杆554的长度。

如图4至图6所示，扩张调节片53位于扩张密封片54的径向外侧，扩张调节片53和扩张密封片54具有重叠部分。扩张密封片54连接有密封片压紧件56，密封片压紧件56可以压在扩张密封片54两侧的扩张调节片53上，使扩张密封片54和扩张调节片53的重叠部分能够紧贴保持密封。

在三个喷口作动筒51同步动作时，偏转环521可以整体沿轴向A运动，使扩张调节片53扩张或收敛，从而使喷口的面积增大或缩小。在三个喷口作动筒51分别动作时，三个喷口作动筒51的动作不同步，偏转环521发生偏转，扩张调节片53扩张或收敛的程度不同，从而使喷口的朝向相对于外机匣2的轴向A矢量偏转。

矢量调节喷管的尾部喷口的边缘呈锯齿状，锯齿状的边缘的具体倾斜角度可以按照隐身设计中的边缘对齐原则设计，将入射雷达波向特定几个角度反射，可降低后半球雷达散射截面(RCS)。锯齿状的边缘在发动机喷气时可以产生喷气流涡，加速尾部喷口排气与冷空气的掺混，降低红外辐射。

具体地，扩张调节片53和扩张密封片54的尾部边缘形成V形凸起，扩张调节片53和扩张密封片54交替排列形成锯齿状的边缘。外调节片7的尾部边缘形成V形凸起，多个外调节片7依次排列形成锯齿状的边缘。

可以理解，使用矢量调节喷管的航空发动机可以使飞机具有较高的瞬时转弯速率，减小飞机尾翼尺寸，减小阻力，减少起飞和着陆滑跑距离等优点。

如图1和图2所示，密封罩6可以套设于喉管调节机构4和喷口调节机构5的径向外侧，密封罩6的前端可以焊接于外机匣2，使外涵道100密封。密封罩6的前端可以渐缩使密封罩6包括锥形筒状。浮动套可以相对于密封罩6活动地连接于密封罩6，喉管作动筒41和/或喷口作动筒51连接的液压管路可以通过浮动套与控制器连接。

如图2至图4所示，外调节片7位于喉管调节机构4和喷口调节机构5的径向外侧并且位于密封罩6的尾端，外调节片7可以和拉杆523相连，外调节片7可以随拉杆523一起运动。在收敛调节片43、收敛密封片44、扩张调节片53和扩张密封片54的径向外侧和密封罩6、外调节片7的径向内侧之间限定了部分的外涵道100。限定外涵道100的部分无需开通孔来设置例如喷口传动组件52的连接结构，因此能够满足外涵道100的密封性要求。

虽使用上述实施方式对本申请进行了详细说明，但对于本领域技术人员来说，本申请显然并不限于在本说明书中说明的实施方式。本申请能够在不脱离由权利要求书所确定的本申请的主旨以及范围的前提下加以修改并作为变更实施方式加以实施。因此，本说明书中的记载以示例说明为目的，对于本申请并不具有任何限制性的含义。