CN103912386A - 一种变循环发动机模式转换阀的同步环机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变循环发动机模式转换阀的同步环机构，模式转换阀机构用于改变发动机工作状态以适应不同的飞行条件，属于航空航天技术中的高性能燃气涡轮发动机技术领域。模式转换阀位于发动机外涵进口，它包括外机匣前段、外机匣后段、阀门片、封严环、连杆、同步环、前封气机匣、后封气机匣、同步环导轨、作动筒、同步环导槽等。本发明主要针对其中的同步环进行，同步环在作动筒的推动下沿发动机轴向运动，其运动是与外机匣前段相配合的。本发明提供了四种不同的同步环结构方案，均可以实现其运动功能。

Description

一种变循环发动机模式转换阀的同步环机构

技术领域

本发明涉及一种变循环发动机模式转换阀的同步环机构，同步环沿发动机的轴向运动可以带动其它部件运动，从而改变发动机工作状态以适应不同的飞行条件，属于航空航天技术中的高性能燃气涡轮发动机技术领域。

背景技术

变循环发动机是一种具有优秀综合性能的推进***，它把涡喷发动机的超音速性能和涡扇发动机的亚音速性能综合到了一台发动机上，同传统的小涵道比涡扇发动机相比，变循环发动机在完成较难的混合任务时，性能上显示出巨大的潜力。

现代典型的变循环喷气发动机可调机构主要包括三个部分：模式转换阀、前涵道引射器以及后涵道引射器。其中模式转换阀位于外涵进口，与后涵道引射器一起起到打开和关闭外涵道的作用；前涵道引射器位于内涵道中核心驱动风扇之后、高压压气机之前，可以将部分内涵气流重新引射入外涵，起到提高进口风扇喘振裕度的作用；后涵道引射器位于涡轮后外涵出口处，既可与模式转换阀一起起到调节外涵流量的作用，还可将外涵气流引射到涡轮排出的核心气流中参与加力燃烧，起到混合器的作用。

由此可知模式转换阀是变循环发动机的主要部件之一，模式转换阀由外机匣前段、外机匣后段、阀门片、封严环、连杆、同步环、前封气机匣、后封气机匣、同步环导轨、作动筒、同步环导槽等组成。其工作原理是作动筒带动同步环轴向运动，同步环带动周向布置的若干阀门片运动，进而改变涵道比，实现发动机的变循环功能。

在模式转换阀中，同步环是结构中的关键部件，同步环在外承受着作动筒的动力，在内连接着若干个连杆，进而连接着阀门片，同步环整体还要和外机匣配合，沿着发动机轴向运动，因此，同步环的结构设计尤其关键。

美国专利US Patent5048286于1991年提出一种模式转换阀的机构。在该结构中，同步环安装在机匣外，同步环的运动方式为周向转动，进而带动连杆运动，连杆带动阀门片转动，从而实现调节功能。该结构可以保证连杆运动的同步性，使得连杆以及阀门片的受力均匀，但其缺点是受力方向复杂，设计难度大。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种变循环发动机模式转换阀中的同步环机构，改变现有结构摩擦力大的缺点，改善其性能。

本发明的技术解决方案是：一种变循环发动机模式转换阀的同步环机构，包括同步环、同步环导轨和若干个同步环导槽；同步环为安装于外机匣前段外面的截面为“工”字形的圆环，同步环内部周向布置若干个同步环导槽，同步环导槽与同步环导轨配合安装，从而保证同步环沿发动机轴线方向前后滑动。同步环设计方案包括滚轮式、行式滚珠式、列式滚珠式、直线轴承直接嵌入式四种结构。

所述同步环的滚轮式结构，包括：滚轮式同步环导槽、外机匣滚轮滚道、轴、轴承、轴承保护套、挡圈、螺钉。轴通过螺钉固定于滚轮式同步环导槽，每根轴上安装有轴承并通过挡圈进行定位，轴承外环仅可在外机匣滚轮滚道中滚动。用以限制同步环周向位移，轴承外环外侧包有保护套，用以在滚动过程中保护轴承外环。

所述同步环的行式滚珠式结构，包括：行式滚珠式同步环导槽、行式滚珠滚道、滚珠保持架、垫板、滚珠、螺栓、螺母。通过螺栓和螺母将滚珠保持架和垫板固定在行式滚珠式同步环导槽中；滚珠安装在滚珠保持架和垫板相配合形成的环形滚道中；滚珠在行式滚珠滚道上运动。

所述同步环的列式滚珠式结构，包括：列式滚珠式同步环导槽、列式滚珠滚道、单面滚珠架、双面滚珠架、滚珠、螺栓、螺母。通过螺栓和螺母将单面滚珠架和双面滚珠架固定在列式滚珠式同步环导槽中；滚珠安装在相邻两个滚珠架相配合形成的环形滚道中；滚珠在列式滚珠滚道上运动。

所述同步环的直线轴承直接嵌入式同步环结构，包括：轴承导槽、成品直线轴承、轴承盖、轴承导轨、螺钉。成品直线轴承安装在轴承导槽中并通过轴承盖和螺钉定位；轴承导轨安装在外机匣前段上。直线轴承外圈和轴承导槽过盈配合，直线轴承滚珠在轴承导轨上运动。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明针对同步环内部周向布置的四个导槽以及机匣上的同步环导轨进行多方案设计，在工作过程中可使所有阀门片同步转动，改变现有结构摩擦力大的缺点，稳定性可靠性较高。

(2)本发明中滚轮式结构的同步环的运动为滚轮的滚动摩擦，摩擦力较小。同时加工安装方便。

(3)本发明中行式滚珠式同步环的运动为滚珠的滚动摩擦，摩擦力较小同步环截面上只分布一排滚珠，结构厚度较小，可以适应更小的安装空间。

(4)本发明中列式滚珠式同步环的运动为滚珠的滚动摩擦，摩擦力较小；结构加工方便，可以将单面滚珠架和双面滚珠架分开加工，进行组合安装。

(5)本发明中直线轴承直接嵌入式同步环的运动为滚珠的滚动摩擦，摩擦力较小；直线轴承为成品结构，安装方便。

附图说明

图1为模式转换阀的装配示意图(连杆所在截面)；

图2为模式转换阀局部三维图；

图3为滚轮式同步环装配示意图；

图4为滚轮式同步环轴示意图,其中(a)是轴的平面图,(b)是三维图；

图5为带有保护套的轴承的示意图；

图6为行式滚珠式同步环装配示意图；

图7为行式滚珠式同步环滚珠保持架示意图,其中(a)是保持架的平面图,(b)是三维图；

图8为行式滚珠式同步环垫板示意图,其中(a)是垫板的平面图,(b)是三维图；

图9为列式滚珠式同步环装配示意图；

图10为列式滚珠式同步环单面滚珠架示意图,其中(a)是单面滚珠架的平面图,(b)是三维图；

图11为列式滚珠式同步环双面滚珠架示意图,其中(a)是双面滚珠架的主视图,(b)是俯视图,(c)是三维图；

图12为直线轴承直接嵌入式同步环二维装配图；

图13为直线轴承直接嵌入式同步环局部三维图；

图中数字标注说明如下:

1.外机匣前段；2.外机匣后段；3.阀门片；4.封严环；5.连杆；6.同步环；7.前封气机匣；8.后封气机匣；9.同步环导轨；10.作动筒；11.同步环导槽；

a-1.滚轮式同步环导槽；a-2.外机匣滚轮滚道；a-3.轴；a-4.轴承；a-5.轴承保护套；a-6.挡圈；a-7.螺钉。b-1.行式滚珠式同步环导槽；b-2.行式滚珠滚道；b-3滚珠保持架；b-4垫板；b-5滚珠；b-6螺栓；b-7螺母。c-1.列式滚珠式同步环导槽；c-2列式滚珠滚道；c-3.单面滚珠架；c-4.双面滚珠架；c-5.滚珠；c-6.螺栓；c-7螺母。d-1.轴承导槽；d-2.成品直线轴承；d-3.轴承盖；d-4.轴承导轨；d-5.螺钉。

具体实施方式

本发明主要针对现有的变循环发动机模式转换阀的同步环机构进行多方案设计，现有模式转换阀的结构以及同步环所处的位置如图1、2所示：模式转换阀位于发动机外涵进口，它由：外机匣前段1、外机匣后段2、阀门片3、封严环4、连杆5、同步环6、前封气机匣7、后封气机匣8、同步环导轨9、作动筒10、同步环导槽11等组成。

整体结构功能的实现形式为：作动筒10安装在外机匣后段2上，通过精确控制油压，来使作动筒滑杆在作动筒内前后移动，进而驱动同步环6运动，同步环6的运动会带动和其铰接的连杆5的运动，进而带动和连杆铰接的阀门片3运动，阀门片3将绕其和机匣铰接处转动，在转动到相应的位置时，实现外涵道的打开和关闭。前封气机匣7、后封气机匣8的设计是为了保证外涵气流不外泄。

同步环6为套在外机匣前段1外面的截面为“工”字形的圆环，同步环内部周向布置4个同步环导槽11，同时外机匣前段1上设计有同步环导轨9，安装时将同步环6套在外机匣前段1上，使同步环导槽11和同步环导轨9配合上，从而保证同步环可沿同步环导轨前后滑动。

本发明针对同步环内部周向布置的四个同步环导槽11以及机匣上的同步环导轨9进行多方案设计。改变现有结构摩擦力大的缺点，改善其性能。四种结构方案分别是滚轮式同步环，行式滚珠式同步环，列式滚珠式同步环，直线轴承直接嵌入式同步环。

1.滚轮式结构的同步环：

如图3所示是滚轮式同步环的装配图：滚轮式同步环由同步环6、滚轮式同步环导槽a-1、外机匣滚轮滚道a-2、轴a-3、轴承a-4、轴承保护套a-5、挡圈a-6、螺钉a-7组成。本发明中的滚轮主体即为轴承a-3。

本结构各零件的连接关系是：轴a-3通过螺钉a-7固定于滚轮式同步环导槽a-1，每根轴上安装有轴承a-4并通过挡圈a-6进行定位，轴承外圈仅可在外机匣滚轮滚道a-2中滚动。用以限制同步环周向位移，轴承外圈外侧包有轴承保护套a-5，用以在滚动过程中保护轴承外圈。

每个滚轮式同步环导槽a-1中并排安放两组滚轮装置。一组滚轮装置包括一跟轴a-3，两个轴承a-4，两个轴承保护套a-5，两个挡圈a-6，两个螺钉a-7。

整体结构功能的实现形式为：作动筒10推动同步环6轴向运动，轴承a-4外圈绕轴a-3转动，并和外机匣滚轮滚道a-2配合，进而实现同步环沿机匣的轴向运动。

所述同步环6主体为圆环件，其截面为“工”字形，同步环内周向均匀分布若干滚轮式同步环导槽a-1，根据轴和导槽的配合来设计导槽的几何形状。

所述外机匣滚轮滚道a-2，根据轴承a-4的尺寸来确定滚道的尺寸，从而实现轴承和滚道的配合。

如图4所示是轴a-3：图4中a图是轴的平面图；b图是轴的三维图。轴的中间部分截面为圆形，两端部分的截面为正六边形。中间的圆形轴段上设计有轴肩，用于轴承定位；设计有槽，用于安放挡圈，从而限制轴承的轴向运动。轴两端部分为正六棱柱，六棱柱的三个面和同步环上的导槽配合，从而对轴进行定位，限制其转动；同时，六棱柱的一个面上设计有螺纹孔，可以通过螺钉a-7将轴a-3和同步环6紧固。

如图5所示是轴承a-4和轴承保护套a-5：轴承a-4为深沟球轴承，根据同步环上导槽的大小选择轴承的型号。轴承a-4的内圈和轴a-3紧配合，由轴肩和挡圈a-6对轴承a-4进行定位。所述轴承保护套a-5为圆环件，根据轴承a-4的尺寸来设计轴承保护套的尺寸。用于在滚动过程中保护轴承外圈。

所述挡圈a-6为轴用弹性挡圈，根据轴承的尺寸来选择挡圈的型号。挡圈a-5安装在轴a-3上，限制轴承a-4的轴向运动。

所述螺钉a-7为开槽锥端紧定螺钉，根据轴端六棱柱面的尺寸来选择螺钉的大径和长度。螺钉用于紧固轴和同步环。

2.行式滚珠式结构的同步环：

如图6所示是行式滚珠式同步环的装配图：行式滚珠式同步环由同步环6、行式滚珠式同步环导槽b-1、行式滚珠滚道b-2、滚珠保持架b-3、垫板b-4、滚珠b-5、螺栓b-6、螺母b-7组成。

本结构各零件的连接关系是：通过螺栓b-6和螺母b-7将滚珠保持架b-3和垫板b-4固定在行式滚珠式同步环导槽b-1中；滚珠安装在滚珠保持架和垫板相配合形成的环形滚道中；滚珠在行式滚珠滚道上运动。

每个行式滚珠式同步环导槽b-1中分布一个滚珠保持架b-3，一个垫板b-4，并用螺栓b-6和螺母b-7将同步环6和滚珠保持架b-3、垫板b-4连接起来。在滚珠保持架和垫板之间的环形管道中分布着滚珠，其中有两列滚珠会露出来一部分，露出来的部分滚珠和外机匣上的行式滚珠滚道b-2配合。

整体结构功能的实现形式为：作动筒10推动同步环6轴向运动，通过滚珠b-5在行式滚珠滚道b-2上的滚动，来实现同步环相对于机匣的轴向运动。

所述同步环6为圆环件，其截面为“工”字形，同步环内周向均匀分布若干行式滚珠式同步环导槽b-1，根据滚珠保持架b-3和垫板b-4的尺寸来设计导槽的尺寸。同时，导槽上设计有螺纹孔，用来和螺栓b-6配合。

所述行式滚珠滚道b-2，根据滚珠b-5的尺寸来确定滚道的尺寸，从而实现滚珠和滚道的配合。

如图7所示是滚珠保持架b-3：图7中a图是保持架的平面图；b图是保持架的三维图。滚珠保持架b-3主体为长方体，其中设计有左右两圈对称的行式环形滚珠道；保持架上设计有螺纹孔，用来和螺栓b-6配合；保持架下表面设计有圆形的沉孔，用来安装螺母b-6，使得螺母不露出保持架的下表面。

如图8所示是垫板b-4：图8中a图是垫板的平面图；b图是垫板的三维图。垫板的主体为长方体，其基本尺寸和滚珠保持架b-3相同。其中设计有左右两圈对称的环形滚珠道，当滚珠保持架b-3和垫板b-4配合的时候，保持架上的环形滚珠道和垫板上的环形滚珠道刚好配合形成左右两个对称的完整的环形管道。垫板上同样设计有螺纹孔，用来和螺栓b-6配合。

所述滚珠b-5即为该结构的运动主体，滚珠均布分布在滚珠保持架b-3和垫板b-4的两个环形管道中，在同步环6运动的过程中，起到滚动减小摩擦的作用。

所述螺栓b-6为六角头螺栓，用来连接同步环6、滚珠保持架b-3和垫板b-4。其尺寸和大小由滚珠保持架和垫板的尺寸决定。

所述螺母b-7为六角薄螺母，螺母位于滚珠保持架下表面的沉孔中，并且和螺栓b-6相配合。

3.列式滚珠式结构的同步环：

如图9所示是列式滚珠式同步环的装配图：列式滚珠式同步环由同步环6、列式滚珠式同步环导槽c-1、列式滚珠滚道c-2、单面滚珠架c-3、双面滚珠架c-4、滚珠c-5、螺栓c-6、螺母c-7组成。

本结构各零件的连接关系是：通过螺栓c-6和螺母c-7将单面滚珠架c-3和双面滚珠架c-4固定在列式滚珠式同步环导槽c-1中；滚珠c-5安装在相邻两个滚珠架相配合形成的环形滚道中；滚珠在列式滚珠滚道c-2上运动。

每个列式滚珠式同步环导槽c-1中分布两个双面滚珠架c-4，两个单面滚珠架c-3，通过两个螺栓c-6和两个螺母c-7将滚珠架和同步环6固连。相邻两个滚珠架形成的环形滚道中安放滚珠c-5，会有一行滚珠露出一部分，露出来的部分滚珠和机匣上的列式滚珠滚道c-2相配合。

整体结构功能的实现形式为：作动筒10推动同步环6轴向运动，通过滚珠c-5在列式滚珠滚道c-2上的滚动，来实现同步环相对于机匣的轴向运动。

所述同步环6为圆环件，其截面为“工”字形，同步环内周向均匀分布若干列式滚珠式同步环导槽c-1。同时，同步环上设计有螺纹孔，用来和螺栓c-6配合。

所述列式滚珠滚道c-2，根据滚珠c-5的尺寸和相邻两列滚珠的距离来确定滚道的尺寸，从而实现滚珠和滚道的配合。

如图10所示是单面滚珠架c-3：图10中a图是单面滚珠架的平面图，b是单面滚珠架的三维图。单面滚珠架c-3的主体为长方体，其基本尺寸由同步环上的导槽决定。其中设计有一列环形滚珠道。单面滚珠架的中部开环形的孔，四角做倒角，都是为了减轻重量。滚珠架上设计有螺纹孔，用来和螺栓c-6配合；螺纹孔周围设计有凸台，凸台周围的材料被铣掉用以减轻重量。

如图11所示是双面滚珠架c-4：图11中a图是双面滚珠架的主视图，b图是俯视图，c图是三维图。双面滚珠架c-4的主体为长方体，其基本尺寸和单面滚珠架c-3相同，双面滚珠架的左右两面都设计有列式的环形滚珠道，当双面滚珠架和左右两边的滚珠架相配合时，两个滚珠架上的环形滚珠道刚好配合形成一个完整的环形管道。双面滚珠架上同样设计有螺纹孔，用来和螺栓c-6配合；其中部同样开环形的孔，四角做倒角，螺纹孔周围设计凸台，凸台周围的材料去除，用来减轻重量。

所述滚珠c-5即为该结构的运动主体，滚珠c-5均布分布在两个保持架所形成的环形滚道中，在同步环6运动的过程中，起到滚动减小摩擦的作用。

所述螺栓c-6为六角头螺栓，用来连接同步环6、单面滚珠架c-3、双面滚珠架c-4。其尺寸和大小由列式滚珠式同步环导槽c-1的尺寸决定。

所述螺母c-7为六角薄螺母，与螺栓c-6配合。

4.直线轴承直接嵌入式结构的同步环：

如图12、13所示是直线轴承直接嵌入式同步环的装配图：直线轴承直接嵌入式同步环由同步环6、轴承导槽d-1、成品直线轴承d-2、轴承盖d-3、轴承导轨d-4、螺钉d-5组成。

本结构各零件的连接关系是：成品直线轴承d-2安装在轴承导槽d-1中并通过轴承盖d-3和螺钉d-5定位；轴承导轨d-4安装在外机匣前段1上。成品直线轴承d-2的外圈和轴承导槽d-1过盈配合，直线轴承滚珠在轴承导轨上运动。

直线轴承直接嵌入式同步环上每一处轴承导槽d-1中沿轴向分布两个成品直线轴承d-2，一个轴承盖d-3，四个螺钉d-5，一个轴承导轨d-4。

整体结构功能的实现形式为：作动筒10推动同步环6轴向运动，成品直线轴承d-2的外圈和同步环6上的轴承导槽d-1过盈配合，一起运动；依靠直线轴承滚珠在轴承导轨d-4上的运动来实现同步环沿机匣的轴向运动。

所述直线轴承d-2为成品结构。将成品直线轴承整合到同步环结构中，同步环上设计有轴承导槽d-1，将成品直线轴承d-2安装在轴承导槽d-1上，轴承导轨d-4安装在机匣上。轴承盖d-3和螺钉d-5用来限制直线轴承的轴向运动。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种变循环发动机模式转换阀的同步环机构，其特征在于：包括同步环(6)、同步环导轨(9)和若干个同步环导槽(11)；同步环(6)为套在外机匣前段(1)外面的截面为“工”字形的圆环，同步环(6)内部周向布置若干个同步环导槽(11)，若干个同步环导槽(11)安装时套在同步环导轨(9)上，从而保证同步环(6)沿安装于外机匣前段(1)的同步环导轨(9)前后滑动。

2.根据权利要求1所述的变循环发动机模式转换阀的同步环机构，其特征在于：所述同步环(6)为滚轮式结构，包括：滚轮式同步环导槽(a-1)、外机匣滚轮滚道(a-2)、轴(a-3)、轴承(a-4)、轴承保护套(a-5)、挡圈(a-6)、螺钉(a-7)；2根轴(a-3)安装在滚轮式同步环导槽(a-1)上，每根轴(a-3)上安装2个轴承(a-4)和2个挡圈(a-6)；轴承(a-4)上安装轴承保护套(a-5)用来保护轴承外环。通过2个螺钉(a-7)来紧固轴(a-3)，轴承(a-4)的外圈在外机匣滚轮滚道(a-2)上运动。

3.根据权利要求1所述的变循环发动机模式转换阀的同步环机构，其特征在于：所述同步环(6)为行式滚珠式结构，包括：行式滚珠式同步环导槽(b-1)、行式滚珠滚道(b-2)、滚珠保持架(b-3)、垫板(b-4)、滚珠(b-5)、螺栓(b-6)、螺母(b-7)；滚珠(b-5)安装在滚珠保持架(b-3)和垫板(b-4)相配合形成的环形滚道中；在一个行式滚珠式同步环导槽(b-1)中，用4个螺栓(b-6)和4个螺母(b-7)将滚珠保持架(b-3)、垫板(b-4)和同步环(6)连接起来，滚珠(b-5)在行式滚珠滚道(b-2)上运动。

4.根据权利要求1所述的变循环发动机模式转换阀的同步环机构，其特征在于：所述同步环(6)为列式滚珠式结构，包括：列式滚珠式同步环导槽(c-1)、列式滚珠滚道(c-2)、单面滚珠架(c-3)、双面滚珠架(c-4)、滚珠(c-5)、螺栓(c-6)、螺母(c-7)；滚珠(c-5)安装在相邻两个滚珠架相配合形成的环形滚道中；在一个列式滚珠式同步环导槽(c-1)中，周向分布2个单面滚珠架(c-3)、2个双面滚珠架(c-4)，用2个螺栓(c-6)和2个螺母(c-7)将单面滚珠架(c-3)、双面滚珠架(c-4)和同步环(6)连接起来；滚珠(c-5)在列式滚珠滚道(c-2)上运动。

5.根据权利要求1所述的变循环发动机模式转换阀的同步环机构，其特征在于：所述同步环(6)为直线轴承直接嵌入式结构，包括：轴承导槽(d-1)、成品直线轴承(d-2)、轴承盖(d-3)、轴承导轨(d-4)和螺钉(d-5)；每一处轴承导槽(d-1)中沿轴向分布2个成品直线轴承(d-2)，直线轴承外圈和轴承导槽过盈配合，4个螺钉(d-5)用来紧固轴承盖(d-3)；轴承导轨(d-4)安装在外机匣前段(1)上。