飞机喷嘴的制作方法

本文所描述的技术涉及飞机喷嘴，并且更具体而言，涉及用于燃气涡轮发动机的排气喷嘴瓣（petal）。

背景技术：

在一些飞机中使用的燃气涡轮发动机包括具有可变面积排气喷嘴的排气系统。可变面积排气喷嘴可包括铰接式的挡板或瓣，其可相对于彼此移动来改变排气喷嘴的面积，以控制发动机操作状态并且优化飞机的推进。

用于可变面积排气喷嘴的常规挡板包括整体式或装配式的气体防护件，该气体防护件具有一体地固定并且连接到其的支柱（backbone）。该气体防护件可以在一端处绕发动机的静态壁或可变面积排气喷嘴的另一个挡板的端部可枢转。所述支柱可以被连接到燃气涡轮发动机的致动器臂，用于选择性地改变气体防护件的位置。

所述气体防护件通常呈板的形式，该板具有：气体流路表面，其暴露于喷嘴的排气流中的热燃烧气体；以及处于较冷环境中的后侧表面（其包括所述支柱）。由于气体防护件相对于支柱的热膨胀所引起的应变，跨两个表面的这种温差可导致挡板的故障，例如在挡板的气体防护件和支柱之间的连接处的破裂。

虽然已知增加整个挡板的厚度以便增加其对热应变的弹性，但是这具有增加挡板的总重量及其制造成本的缺点。因此，已开发了其他布置结构以增加挡板对热应变的弹性。特别地，已知通过提供分段的挡板设计来增加挡板对热膨胀所引起的应变的弹性。特别地，已知提供包括多个互锁区段的气体防护件，该多个互锁区段在使用中被不可移动地固定到支柱。

这种设计的一个缺点在于，部件的数量增加，并且因此，组装时间以及在操作期间失去一个或多个部件的风险增加。

因此，用于燃气涡轮发动机的替代性的可变面积排气喷嘴仍然是被关注的领域。

技术实现要素：

根据本文所述的技术的一个方面，提供了一种用于燃气涡轮发动机的可变面积排气喷嘴的挡板，所述挡板包括支撑结构和气体防护件，所述气体防护件具有多个气体防护区段，所述多个气体防护区段连接到所述支撑结构，并且沿所述挡板的对应于通过所述喷嘴的流的纵向方向相邻地布置；其中：所述气体防护区段中的每一个包括流路部段，所述流路部段布置成与相邻的气体防护区段的相应的流路部段协作，以限定所述气体防护件的流路表面，来限制通过所述喷嘴的流；以及所述气体防护区段中的每一个被构造成允许相应的流路部段响应于所述气体防护件的热膨胀而相对所述支撑结构纵向移动。

所述多个气体防护区段可以仅包括连接到支撑结构的全部数量的气体防护区段的子集，或者可以包括连接到支撑结构的所有气体防护区段。

每个流路部段可包括前缘和后缘。相邻的流路部段可以在相应的后缘和前缘处协作，使得所述流路部段的纵向热膨胀沿所述挡板累积，以引起所述流路部段中的至少一个的纵向位移。

每个气体防护区段可以通过从相应的流路部段延伸的至少一个臂部段来连接到所述支撑结构。所述至少一个臂部段可以被固定到所述支撑结构。

相应的气体防护区段的所述至少一个臂部段可以被（并且在一个实施例中，所述多个气体防护区段的臂部段被）构造成弯曲或枢转，以适应所述气体防护区段的所述流路部段的纵向位移。

所述支撑结构可以形成壳体，所述壳体限定了腔，所述多个气体防护区段被接收在所述腔内。可存在穿过所述气体防护区段的内部冷却流路径，所述内部冷却流路径允许接收在所述腔中的内部冷却流在相邻的气体防护区段之间流动。

一个（或所述多个）气体防护区段的每个臂部段可以包括穿过所述臂部段延伸的至少一个冷却孔，以允许所述内部冷却流在相邻的气体防护区段之间流动。

（例如，每个）气体防护区段的所述流路部段可以包括穿过所述流路部段延伸的多个冷却孔，以允许所述内部冷却流从所述腔流动到所述流路表面。

各个气体防护区段可以被构造成使得所述内部冷却流被允许通过相邻的气体防护区段之间的间隙从所述腔流动到所述流路表面。

各个气体防护区段的每个流路部段可以通过两个相应的臂部段来连接到所述支撑结构。

气体防护区段的所述两个相应的臂部段和所述流路部段可以在剖面中限定u形轮廓。

尽管已关于挡板本身描述了本文所述的技术，但是将会理解的是，本文所述的技术可更广泛地应用于排气喷嘴本身。

因此，根据本文所述的技术的一个方面，提供了一种用于燃气涡轮发动机的可变面积排气喷嘴，其包括根据任一上述陈述的挡板。

本文所述的技术还扩展到燃气涡轮发动机本身。因此，根据本文所述的技术的一个方面，提供了一种燃气涡轮发动机，其包括根据任一上述陈述的挡板。

技术人员将会理解的是，除非相互排斥，否则关于任何一个上述方面所描述的特征都可以比照适用于任何其他方面。此外，除非相互排斥，否则本文所描述的任何特征都可以被应用于本文所描述的任何方面和/或与本文所描述的任何其他特征结合。

附图说明

现在将参照附图仅通过示例的方式来描述实施例，附图中：

图1是燃气涡轮发动机的侧向剖视图；

图2是包括可变面积排气喷嘴的燃气涡轮发动机的剖视图，该可变面积排气喷嘴适于在各种流动流离开发动机时调整它们；

图3示出了根据本文所述的技术的用于可变面积排气喷嘴的挡板的两个视图；

图4示出了根据本文所述的技术的用于可变面积排气喷嘴的替代性挡板；

图5示出了根据本文所述的技术的具有冷却孔的用于可变面积排气喷嘴的挡板；以及

图6示出了根据本文所述的技术的具有冷却孔的用于可变面积排气喷嘴的替代性挡板。

附图中，在适当的情况下，相同的附图标记用于表示相同的特征。

具体实施方式

参照图1，燃气涡轮发动机通常以10来表示，该燃气涡轮发动机具有主轴线和旋转轴线11。发动机10按轴向流动顺序包括空气进气口12、推进风扇13、中压压缩机14、高压压缩机15、燃烧设备16、高压涡轮17、中压涡轮18、低压涡轮19以及排气喷嘴20。机舱21通常围绕发动机10，并且限定进气口12和排气喷嘴20的至少一部分二者。

燃气涡轮发动机10以常规方式工作，使得进入进气口12的空气被风扇13压缩，以产生两个气流：第一气流，其进入到中压压缩机14所在的发动机核心中；以及第二气流，其穿过旁路涵道22，以提供推进推力。中压压缩机14压缩引入到其中的气流，之后将该空气输送到高压压缩机15，在那里进行进一步的压缩。

从高压压缩机15排出的压缩空气被引导到燃烧设备16中，在那里它与燃料混合并且混合物燃烧。然后，所产生的热燃烧产物在通过喷嘴20排出之前膨胀通过、并且由此驱动高压涡轮17、中压涡轮18和低压涡轮19，以提供附加的推进推力。高压涡轮17、中压涡轮18和低压涡轮19各自通过合适的互连轴相应地驱动高压压缩机15、中压压缩机14和风扇13。

可应用本文所述的技术的其他燃气涡轮发动机可以具有替代性的构造。举例来说，这样的发动机可具有替代数量的气流、互连轴（例如，两个）和/或替代数量的压缩机和/或涡轮。此外，发动机还可包括设置在从涡轮到压缩机和/或风扇的传动系中的齿轮箱。

图2图示了燃气涡轮发动机10，其具有与关于图1所描述的那些特征相对应的特征。图2的燃气涡轮发动机10具有可变面积排气喷嘴20。

如在图2中可以看到的，进入进气口的空气被风扇13压缩，以产生两个气流：第一（加压）气流25，其进入到发动机核心23（例如，其包括图1的中压压缩机14）中；以及绕过发动机核心23的旁路空气的第二气流28。

喷嘴20被耦接到发动机核心23，并且喷嘴20包括内部的主喷嘴24和外部的辅助喷嘴26。主喷嘴24被布置成调整核心空气的第一气流25。辅助喷嘴26与主喷嘴24协作，以调整旁路空气的第二气流28。除了主喷嘴24和辅助喷嘴26之外，喷嘴20还包括主通道44和辅助通道46，如图2中所示。第一气流25经由主通道44被引导通过主喷嘴24。第二气流28经由辅助通道46被引导通过辅助喷嘴26。通过控制通过和围绕发动机核心23的空气流动，气流喷嘴24、26调整（或修整）燃气涡轮发动机10的操作点。

主喷嘴24包括挡板50和通过致动器连接器33（其形成挡板的支柱）连接到挡板50的致动器（或支杆）54。挡板50被安装成相对于发动机的静态壁枢转，并且在一些情况下，通过枢轴连接器38相对于另一个挡板（未示出）枢转。致动器54被构造成使挡板50枢转，以调整气流出口面积。通过致动器54调整出口面积调整了通过主喷嘴24的第一气流25。此外，因为辅助通道46部分地由挡板50限定，所以出口面积的调整调整了辅助通道46和通过辅助通道46的第二气流28。

在一个示例中，致动器54可以被实施为或以其他方式包括液压操作的致动器，例如液压活塞等。在另一个示例中，致动器54可以被实施为或以其他方式包括电动致动器，例如电动线性致动器等。

将会理解的是，与主喷嘴24的另一侧（流路表面侧）上的主通道44（其从第一气流25接收高压排气）中的环境相比，辅助通道46（其接收第二气流28）将暴露于冷得多的环境。温差可引起变形并且可导致主喷嘴24的过早磨损疲劳（并因此导致故障）。例如，温差可致使在挡板50和各种连接器（例如，致动器和枢轴连接器33、38等）之间形成的任何密封失效。

将会理解的是，虽然在图2的布置结构中，存在两个气流和相对应的通道44和46，但这不是必需的。根据需要，可仅有单通道用于接收一个或多个气流，或者存在多于两个通道（和相对应的气流）。

图3更详细地示出了图2的主喷嘴24的挡板50。特别地，图3a示出了挡板50的等距切出视图，而图3b示出了挡板50的沿挡板50的纵向方向315的剖视图，该纵向方向315对应于通过喷嘴20的流。挡板50沿纵向方向315是细长的，沿横向方向具有宽度，该横向方向可以与喷嘴24在使用中的周向方向相切，并且沿发动机在使用中的基本上径向的方向具有高度。

挡板50包括支撑结构31和气体防护件32。支撑结构31对气体防护件32的重量和作用在气体防护件32上的力作出反应。在该示例中，支撑结构占据大致立方形的体积（即，它是大致立方形的），其具有径向外表面和横向侧表面。在该示例中，支撑结构31具有开放的径向内部面，以接收气体防护件32。在该示例中，支撑结构具有开放的远侧纵向端（即，离发动机核心最远），以及耦接到径向外表面和横向侧表面的近侧纵向端表面。支撑结构31限定了用于气体防护件32的壳体。

在图3b中可以看到，支撑结构31包括致动器连接器33，其用于将图2的致动器（或支杆）54固定到挡板50。在图3b的所示示例中，致动器连接器33呈突出部或突起的形式，该突出部或突起从支撑结构31的径向外表面延伸，并且具有沿横向方向延伸穿过该突出部或突起的孔39。孔39适于接收致动器54（未示出）的相应连接器。挡板50的支撑结构31还包括枢轴连接器38，其具有孔310，用于连接到发动机（未示出）的静态壁上的或喷嘴24的分开的挡板（未示出）上的相应连接器。在该示例中，枢轴连接器38被安装在支撑结构31的近侧纵向端表面上并且从其突出。

将会理解的是，可以使用任何合适的连接器来代替图3b中所示的致动器连接器33和枢轴连接器38，并且所使用的连接器的类型将取决于致动器54上、发动机的静态壁或喷嘴24的分开的挡板（未示出）上所使用的连接器的类型。

参照图3a和图3b二者，气体防护件32由多个气体防护区段311形成，这些气体防护区段311连接到支撑结构31并且沿挡板50的纵向方向315相邻地布置。图3中的该多个气体防护区段311中的每一个包括流路部段36，其与纵向相邻的气体防护区段311的相应流路部段36协作，以限定气体防护件32的基本上平面的流路表面312。气体防护区段311被各自安装到支撑结构31，使得在该示例中，相应的流路部段36与支撑结构31的径向内部开放面的平面对准。然而，在其他示例中，流路部段36可以从由支撑结构31限定的壳体向外突出，或者可以处于这样的壳体内。

流路表面312将在操作期间暴露于主通道44中的热排气，并且因此，限制通过喷嘴20的流。流路表面312还为支撑结构31（以及任何其他相关联的元件，例如致动器连接器33等）屏蔽通道44中的高温排气。

在该示例中，每个气体防护区段311通过两个臂部段37连接到支撑结构31，该两个臂部段37在前缘314和后缘313（相对于经过挡板50的流动方向限定）处从流路部段36延伸，使得每个区段311沿正交于横向方向的平面具有大致u形的剖面。在其他示例中，可存在单一臂部段，并且所述区段可具有倒t形或l形。

在该示例中，臂部段37包括突出部34，其被焊接到支撑结构31，以将气体防护区段311锚固到支撑结构31。

图3b中所示的示例性气体防护区段311的臂部段在其前缘314处成形为限定与流路部段36径向偏置的凹部或肩部，以接收相邻的气体防护区段311的后缘部分。每个气体防护区段311的后缘313处的臂部段37协作地成形为限定相应的突出部。在该示例中，该突出部包括流路部段36的后缘部分以及后缘臂37的在流路部段36上并且抵靠流路部段36折叠的部分。在该示例中，臂37和流路部段36由均匀厚度的片材形成，并且因此，突出部部分具有双倍厚度，并且相邻区段的前缘314处的凹部或肩部具有相对应的深度，使得相邻的流路部段36基本上彼此齐平。所述凹部和突出部相对应，这是因为它们成形为使得气体防护区段311的突出部与另一个气体防护区段311的凹部的形状一致，并且反之亦然。

所述多个流路部段36协作，使得给定的流路部段36的后缘313处的突出部在气流的下游方向上邻接并接合相邻的流路部段36的前缘314的凹部。这种接合为它们之间的气流提供了迂回曲折的路径，从而在相邻的流路部段36之间形成气体密封。互锁的突出部和凹部可以处于可滑动的密封接合。

给定的流路部段36的后缘313与相邻的流路部段36的前缘314之间的接合可以使得所述多个流路部段36的纵向热膨胀（或者更确切地说，由此引起的移动）将在气体防护件32或挡板50的长度上累积。

为了有利于和适应这种膨胀，臂部段37是柔性的，以允许流路部段36相对于支撑结构31纵向移动。也就是说，每个臂部段37可以响应于各个流路部段36的纵向热膨胀而在纵向方向315上成角度地移位，并且允许各个流路部段36的纵向热膨胀沿挡板50的长度累积。这使得平面的流路表面312（或至少其一个或多个流路部段36）能够相对于支撑结构31纵向平移，同时维持其平面轮廓和定向。这样的布置结构可以有助于适应挡板50在操作期间所经受的热应变，而不会由于热气体洗涤的表面和较冷的支撑结构之间的不同热膨胀而在它们之间的连接构件上施加过大的应力。

如上面所提到的，每个气体防护区段311的臂部段37和流路部段36基本上在剖面中限定了u形轮廓。当固定到支撑件时，这种结构使得能够以四边形体的方式实现气体防护区段（311）的变形，使得流路表面312在气体防护件32的膨胀和作为结果的移位期间维持基本上平面的轮廓及其相对支撑结构的原角度定向。这有利地使气体防护件32和支撑结构31的变形或弯曲最小化，并且因此，使破裂的风险最小化。然而，将会理解的是，热膨胀可能导致各个流路区段36在使用中的微小角位移。

此外，臂部段37有助于分离挡板50组件的热部段和冷部段中的应变，从而减小由于气体防护件32的热膨胀引起的支撑结构31（并且因此，连接器33、38）上的热应变。例如，挡板50的热部分和冷部分是分离的，因为热的气体防护件32的膨胀将不会继而引起较冷的支撑结构31的等量膨胀。

各个气体防护区段311可以由单件折叠的金属片形成。这可以降低制造气体防护件的复杂性和成本。气体防护区段311的折叠性质也可以增加臂部段37的柔性，因为它适应流路部段36相对于支撑结构31的移动，同时避免了对臂部段37和流路部段36之间的连接的需要，该连接可能易于破裂。

在图3中可以看到，流路表面312被支撑在远离支撑结构31的径向距离处。这可以允许挡板50的热部分和冷部分之间的分离。

如上面提到的，支撑结构31形成壳体，该壳体限定腔，所述多个气体防护区段311被接收在该腔内。该壳体和流路部段36限定了穿过气体防护区段311的内部冷却流路径，该内部冷却流路径允许接收在腔55中的内部冷却流在相邻的气体防护区段311之间流动。将会理解的是，该冷却流路径是内部的，这是因为它由支撑结构31和气体防护件32的流路部段36界定。

在图3a的布置结构中，所述多个气体防护区段311的每个臂部段37包括穿过其延伸的多个冷却孔35。这些冷却孔35允许内部冷却流在相应的相邻气体防护区段311之间流动，以便在所述腔内形成冷却流体的充集室（plenum）。所述冷却流可以是从发动机的旁路气流引导的冷却气流，例如图2中所示的气流28。这种布置结构还可以使支撑结构31和气体防护件32以及它们相应的热应变热解耦。

虽然关于图3所描述的布置结构包括由互锁的突出部和凹部形成的密封，但这不是必需的。根据需要，可以使用任何合适的密封布置结构。

图4示出了图2的主喷嘴24的挡板50，相对图3的密封布置结构，该挡板50具有在气体防护区段之间限定的替代性密封布置结构。特别地，图4示出了挡板50的沿挡板50的纵向方向315的剖视图。图4的挡板50具有与图3的特征相对应的特征，除了气体防护区段311之间的密封不是由臂部段37上的互锁的突出部和凹部形成。替代的是，密封由臂部段37的相应成角度的表面形成，这些表面当气体防护区段311以相邻的关系被安装在支撑结构31上时彼此邻接。

特别地，处于气体防护区段311的后缘313处的臂部段37各自与相邻的流路部段36成锐角布置。同时，处于气体防护区段311的前缘314处的臂部段37各自与相邻的流路部段36相对应地成钝角布置，使得处于气体防护区段311的前缘314处的臂部段37的密封部分与处于相邻的气体防护区段311的后缘313处的臂部段37的一部分相符，以形成密封。在该密封部分之外，臂部段37可以离开相邻的臂的轮廓，使得在它们之间存在间隙。

在支撑结构31形成壳体的情况下，该壳体限定用于接收内部冷却流（例如，冷却气流）的腔，以例如形成冷却充集室，一些内部冷却流可被用于冷却瓣或挡板的其他部分。例如，可以向气体防护件32的流路表面312提供冷却流，如现在将关于图5和图6来描述的。

图5示出了挡板50沿纵向方向的剖视图。图5的挡板50具有与图4的特征相对应的特征。然而，在图5的布置结构中，挡板50的流路部段36各自包括多个冷却孔53，该冷却孔53从形成在支撑结构31内的腔55延伸穿过该流路部段36。如图5中的箭头52所示，冷却孔53允许腔55中的内部冷却流51从腔55流动（流出）到气体防护件32的流路表面312。这可有利于冷却气体防护件32，例如通过溢出冷却或膜冷却，从而减小气体防护件32和支撑结构31上的热应变。

图6示出了挡板50沿纵向方向的剖视图。图5的挡板50具有与图4的特征相对应的特征。然而，在图6的布置结构中，气体防护区段311被构造成使得允许内部冷却流51通过相邻的气体防护区段311之间的间隙63，特别是通过给定的流路部段36的后缘313和相邻的流路部段36的协作的前缘314之间的间隙63，从腔55流动（流出）62到流路表面312。

间隙63可以被构造或设计制造成使得内部冷却流泄漏的量被控制在期望的量，以允许流路表面312的溢出冷却，但仍然对排气形成足够的气体密封。例如，沿相邻的流路部段36的前缘和/或后缘可存在一些附加的轮廓形成（profiling），以限定允许冷却流51泄漏的间隙。

将会理解的是，虽然上述布置结构包括形成壳体的支撑结构31，但这不是必需的。支撑结构31可以是基本上平面的结构，其不限定其内定位有气体防护件32的腔。此外，还将会理解的是，在一些布置结构中，各个臂部段37将不设有穿过其延伸的多个冷却孔35。

鉴于以上所述，将会理解的是，本文所述的技术可以是有利的，这是因为它减少了热膨胀的总量，从而减少了每个区段中的热应变的量。此外，气体防护件相对支撑结构在流路表面上方的屈曲允许通过臂部段的响应于流路部段和支撑结构之间的拉伸（或压缩）力的变形，来适应流路部段和支撑结构之间的热膨胀的差异。

将会理解的是，本文所述的技术不限于上述实施例，并且在不脱离本文所述的构思的情况下可以进行各种修改和改进。除非相互排斥，否则任何特征都可以单独使用或与任何其他特征结合使用，并且本公开扩展到并且包括本文所描述的一个或多个特征的所有组合及子组合。