用于可变面积风扇喷嘴的形状记忆合金致动系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了用于可变面积风扇喷嘴的形状记忆合金致动系统，其中一种可变面积风扇喷嘴包括大量的铰接硬式扇瓣和扇瓣致动系统，在该系统中，通过致动器的形状改变（即，变形）而非协同操作的机械部件的移动，来实现致动原理。因为这些致动器没有旋转或者滑动的机械部件，所以减少了磨损和相关维护。每个可变形致动器均具有由形状记忆合金制成的一部分，形状记忆合金被训练成当被加热到转变温度以上的温度时，以特定的方式改变形状。此外，每个形状记忆合计致动器被成形为用作减阻装置以减少气动阻力。
【专利说明】用于可变面积风扇喷嘴的形状记忆合金致动系统
【技术领域】
[0001]本公开总体上涉及涡轮风扇发动机，更具体地，涉及具有可变面积风扇喷嘴的涡轮风扇发动机。具体地，本公开涉及可变面积风扇喷嘴，其包括多个圆周式布置扇瓣，该多个圆周式布置扇瓣是可移动从而改变喷嘴的出口面积或者喉道面积。
【背景技术】
[0002]飞机噪声污染对于机场附近的社区是一个严重的环境问题。喷气式发动机排气占据了发动机动力式飞机在起飞过程中产生的噪声的大部分。因为其以相对低的频率产生，所以大气自身不能有效地衰减喷气式发动机排气噪声。
[0003]涵道涡轮风扇发动机通常生产两种排气流成分:发动机核心流和风扇流。发动机核心流在经过核心发动机之后从核心流喷嘴排出。风扇流经过由包围核心发动机的核心发动机舱形成的环形通道和包围核心发动机舱的至少一部分的风扇管道。在核心舱与可变面积风扇喷嘴中间限定风扇管道的出口。在一些实施方式中，可变面积风扇喷嘴被固定至形成风扇管道一部分的轴向平移反推套筒的下游端。发动机和风扇流共同产生推进飞机向前的推力。
[0004]在涵道涡轮风扇发动机中，优选地，对于特定的发动机运转条件，对核心流喷嘴的发动机核心流喉道面积和风扇喷嘴的风扇流喉道面积进行优化。例如，与巡航过程中所需的低能级推力相比，在起飞过程中需要来自发动机的相对高能级推力。将风扇喷嘴处的具有固定喉道面积的风扇管道的气流量或者质量增加导致气流速率增加。喷嘴出口速率增加导致由喷嘴产生的噪声量增加。
[0005]一种将增加风扇喷嘴喉道面积作为手段来减少诸如起飞期间等高推力事件过程中产生的噪声的方法是通过使用形成风扇喷嘴出口外边界的可移动副翼或者扇瓣。副翼或者扇瓣可向外偏转，从而使风扇喷嘴的喉道面积扩大并且由此降低排气速率，或者相反，副翼或者扇瓣可向内偏转，从而降低风扇喷嘴的喉道面积并且由此增加排气速度。
[0006]已知的是，通过使附接到轴向可平移反推套筒的后缘唇部区域处的副翼或者面板(以下称为“扇瓣”)偏转来改变风扇喷嘴的面积(从而对风扇流进行调整)。如本文(包括权利要求)中所使用的，术语“套筒”包括至少下列配置:(1) 一个轴向可平移套筒，从发动机吊架的一侧到另一侧环绕风扇管道的圆周主部分延伸；和(2)两个轴向可移半整流罩，轴向可移半整流罩安装在固定至上梁和下梁的轨道上并且从上梁延伸至下梁。根据后者的配置，上梁是允许反向器打开以使发动机进入和移动的主铰接梁。下梁(以下称之为“闭锁梁”)提供了一种将两个半整流罩锁定在一起的装置。因此，第二结构通常具有两个上铰接梁和两个下闭锁梁。
[0007]已经提出了用于致动扇瓣偏转的多种系统，这些系统将致动施加到扇瓣的前缘区域并且需要较大的力来使扇瓣移动。这些解决方法还采用了产生机械摩擦和磨损的机械部件。
[0008]希望提供一种扇瓣致动系统，在该系统中，致动器比可比较动力的机械致动器的重量小，并且该致动器磨损较少并且由此需要较少的维护。
【发明内容】
[0009]本文中所公开的主题是扇瓣致动系统，在该系统中，可通过致动器的形状改变(即，变形)而非协同操作的机械部件的移动，来实现致动原理。因为这些致动器没有旋转或者滑动的机械部件，所以减少了磨损和相关维护。根据本文中所公开的实施方式，可变形致动器包括被训练成在被激励(即，加热)时以特定方式改变形状的形状记忆合金(SMA)。每个SMA致动器被成形为用作减阻装置以减少气动阻力。通过恢复机舱在后缘处的环向力度，使用SMA致动器能够设计出更轻的流控制表面。SMA致动器的设计还改善了系统的依赖性，因为如果致动器系统失败，相邻的扇瓣将停留在其最近的命令位置处。
[0010]根据一些实施方式，扇瓣致动系统包括两组圆周式分布的单向SMA致动器，一组可被加热至使扇瓣向外偏转，并且另一组可被加热至使扇瓣向内偏转。单向SMA致动器成对地布置在相邻扇瓣之间，每对均包括分别相反作用(即，对抗的)的第一组和第二组SMA致动器。成对的对抗SMA致动器安装在扇瓣的后缘处附近。在喷嘴的后缘处附近附接SMA致动器使得控制流表面的角度位置所需的力最小。
[0011]根据其他实施方式，扇瓣致动系统包括一组圆周式分布的双向SMA致动器。(如本文中所使用的，术语“双向SMA致动器”是指包括被训练成产生双向记忆效应的形状记忆合金的致动器)。每个双向SMA致动器均可被交替地加热和冷却，从而分别使扇瓣向外和向内偏转(或者，可替代地，向内和向外)。类似于单向SMA致动器，双向SMA致动器被布置在其后缘附近处的相邻扇瓣之间。
[0012]本文中所公开的主题的一方面是可变面积风扇喷嘴，包括:第一支撑件，第一支撑件具有弯曲形状；第一扇瓣和第二扇瓣，第一扇瓣和第二扇瓣以允许第一扇瓣和第二扇瓣各自向内或者向外偏转的方式耦接至支撑件，第一扇瓣和第二扇瓣隔开一间隙；以及本体，本体包括第一部分以及第二部分和第三部分，第一部分横跨间隙，并且第二部分和第三部分连接到第一部分并且分别附接到第一扇瓣和第二扇瓣。第一部分由形状记忆合金制成，形状记忆合金具有在其温度从转变温度以下升高至转变温度以上时具有经历第一形状改变的特性。本体被布置成当本体的第一部分经历第一形状改变时，使第一扇瓣和第二扇瓣偏转。优选地，本体的第一部分具有被设计成使气动阻力最小的轮廓(例如，V形截面)。在其中可变面积风扇喷嘴包括左风扇喷嘴组件和右风扇喷嘴组件的多种情况下，各个风扇喷嘴组件可包括该段落中所提及的元件。
[0013]根据一个实施方式，形状记忆合金可具有当其温度从转变温度以上降低至转变温度以下时，经历第二形状改变的另一特性。在该情形中，当本体的第一部分经历两种形状改变中的一种时，本体将使第一扇瓣和第二扇瓣向外偏转，并且当本体的第一部分经历另一形状改变时，本体将使第一扇瓣和第二扇瓣向内偏转。
[0014]根据另一实施方式，代替采用双向形状记忆合金，可变面积风扇喷嘴可进一步包括第二本体，第二本体包括第一部分以及第二部分和第三部分，第一部分横跨间隙，并且第二部分和第三部分连接到第二本体的第一部分并且分别附接到第一扇瓣和第二扇瓣。该实施方式可具有下列其他特性:(1)第二本体的第一部分由形状记忆合金制成，形状记忆合金具有当其温度从转变温度以下升高至转变温度以上时，经历第二形状改变的特性；(b)第二本体被布置成当第二本体的第一部分经历第二形状改变时，使第一扇瓣和第二扇瓣向内偏转；并且(C)第一本体被布置成当第一本体的第一部分经历第一形状改变时，使第一扇瓣和第二扇瓣向外偏转。
[0015]本申请中所公开的主题的另一方面是一种用于改变喷嘴的出口面积的方法，包括:将多个元件的相应部分的温度从转变温度以下升高至转变温度以上，多个第一元件的相应部分由形状记忆合金制成，形状记忆合金在温度从转变温度以下升高至转变温度以上的过程中改变形状。
[0016]根据另一方面，可变面积风扇喷嘴包括:多个扇瓣，多个扇瓣能够一致地向内或者向外偏转；和附接到扇瓣的多个扇瓣偏转致动器，其中，每个扇瓣偏转致动器均包括形状记忆合金，形状记忆合金在其温度从转变温度以下升高至转变温度以上时，改变形状，其中，形状改变致使扇瓣偏转。
[0017]根据一个实施方式，形状记忆合金还在其温度从转变温度以上降低至转变温度以下时改变形状。当扇瓣偏转致动器因温度升高而改变形状时，扇瓣在一个方向上偏转，并且当扇瓣偏转致动器因温度降低而改变形状时，扇瓣在反方向上偏转。
[0018]根据另一实施方式，可变面积风扇喷嘴进一步包括附接到扇瓣的多个第二扇瓣偏转致动器，其中，多个第二扇瓣偏转致动器中的每个均包括在其温度从转变温度以下升高至转变温度以上时改变形状的形状记忆合金。多个第一扇瓣偏转致动器的形状改变致使扇瓣在一个方向上偏转，并且多个第二扇瓣偏转致动器的形状改变致使扇瓣在反方向上偏转。
[0019]又一方面是一种安装在飞机上的装置，该装置包括:套筒或者管道，套筒或者管道具有后缘区域，后缘区域包括具有弯曲形状的支撑件；多个扇瓣，多个扇瓣以允许各个扇瓣向内或者向外偏转的方式耦接到支撑件，其中，相邻扇瓣隔开相应的间隙；多个可变形元件，多个可变形元件分布在间隙中，每个可变形元件均包括在加热至转变温度以上的温度时改变形状的形状记忆合金；多个电加热器，多个电加热器热耦接到可变形元件的相应表面；以及计算机系统，计算机系统被编程以控制电加热器的电力供应。该装置可进一步包括一个或者多个传感器，用于产生表示扇瓣当前位置的位置反馈信号。因此，计算机系统被编程为提供电脉冲给加热器，以改变或者维持可变形元件的形状，脉冲数取决于表示扇瓣的目标位置的目标位置数据与从位置反馈信号导出的位置反馈数据的比较结果。
[0020]下面公开并且要求保护其他方面。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是示出了典型的飞机涡轮风扇发动机的部分的等距视图的示图，其中，飞机涡轮风扇发动机具有包括左组件和右组件的可变面积风扇喷嘴(仅示出了左组件)。
[0022]图2是示出了根据一个实施方式的一对相邻扇瓣的等距视图的示图(俯视图)，其中通过改变设置在扇瓣后缘附近的间隙中的一对相互对抗的可变形致动器中的一个或者另一个的形状，一对相邻扇瓣能够交替地向内或者向外偏转。扇瓣被不出为处于向外(向上)和向内(向下)偏转的位置。
[0023]图3是示出了在一对相互对抗的可变形致动器中的一个可变形致动器拉伸(以箭头A和B表不)时一对扇瓣向上(即，向夕卜)偏转的概念图。
[0024]图4是示出了在一对相互对抗的可变形致动器中的另一个可变形致动器收缩(以箭头C和D表示)时一对扇瓣向下(即，向内)偏转的概念图。
[0025]图5是示出了图2中所描述的扇瓣和可变形致动器的等距视图的示图(仰视图)。扇瓣再次被示出为处于向外和向内偏转的位置。
[0026]图6是示出了根据另一实施方式的一对相邻扇瓣的等距视图的示图(俯视图)，其中通过对设置在扇瓣后缘附近的间隙中的一对相互对抗的可变形致动器中的一个或者另一个进行加热，一对相邻扇瓣能够交替地向内或者向外偏转。虚线表不扇瓣盖(未不出)的位置。
[0027]图7是表不根据一个实施方式的扇瓣偏转系统的一些部件的方框的框图。
[0028]下文中将参考不同附图中的相似元件具有相同参考标号的附图。
【具体实施方式】
[0029]现将描述应用于涡轮风扇飞机发动机的反推套筒的各种实施方式。然而，公开的可变面积风扇喷嘴系统还具有至未结合有反推套筒的风扇管道的后缘区域的应用。
[0030]图1示出了典型的飞机涡轮风扇发动机的位置的等距视图，其中，飞机涡轮风扇发动机具有包括左组件和右组件(仅示出了左组件)的可变面积风扇喷嘴。核心发动机舱包围核心发动机(未示出)。涡轮风扇发动机提供发动机排气的核心流和风扇流，发动机排气的核心流从形成核心发动机舱的下游端的核心流喷嘴12出去，并且风扇流从安装到反推套筒16的下游端或者边缘区域的可变面积风扇喷嘴14 (包括未示出的右组件)出去。套筒16与核心发动机舱的至少一部分重叠。核心流通常比风扇流具有高的速率。
[0031]根据一种已知的实施方式，可变面积风扇喷嘴14包括多个铰接硬性式扇瓣(petal) 18，多个铰接硬性式扇瓣18被配置为在扇瓣向内或者向外偏转时改变经过风扇管道的风扇流。可选地，扇瓣18可具有附接到其末(S卩，尾)端的锯齿形(chevronsX未示出)。扇瓣18沿着反推套筒16的后缘并排设置。另一方面，如果反推套筒是单件轴向可移套筒(图1中未示出)，则扇瓣基体将绕风扇管道圆周的主部分从发动机舱的一侧延伸到另一侧。另一方面(如图1所示)，如果反推套筒包括安装在固定至上(即，铰接)梁20和下(即，闭锁)梁22的轨道上的两个轴向可移半整流罩，则扇瓣基体由附接到相应半整流罩的两组扇瓣构成，每组扇瓣均包括沿着从发动机相应侧上的相应上梁延伸至相应下梁的曲线而圆周式分布的八个扇瓣。
[0032]根据图1中所示的实施方式，扇瓣18的前端通过相应的铰链而枢转地耦接至具有以轴为中心的圆弧形状的舱壁26。可选地，铰链可以是由复合材料或者金属材料制成的柔性(即，活性)铰链。弧状舱壁26的端部由铰接梁20和闭锁梁22支撑。控制系统被配置为控制致动系统(图1中未示出)，致动系统在巡航情况过程中使扇瓣18从其额定位置处向内偏转，以使燃料效率最大化。当致动系统被反向时，扇瓣返回至其额定位置。
[0033]对于每组扇瓣，相邻扇瓣18均隔开一三角形或者梯形的间隙或者空间，每个这种间隙均由相应的弹性密封件占据，弹性密封件被紧固到相邻扇瓣以确保零泄露。在图1中，由相应的间隙盖10覆盖弹性密封件，每个间隙盖10均附接到相应扇瓣18的左边沿并且并不附接到相邻扇瓣，从而允许间隙随着扇瓣分别向内和向外移动而交替地变窄和变宽。
[0034]已经提出了用于控制可变面积风扇喷嘴的扇瓣位置的多种类型的致动系统。在本文中公开的扇瓣致动系统中，通过改变(即，变形)扇瓣偏转致动器的形状而非通过移动协同操作的机械部件，来实现致动原理。根据本文中公开的实施方式，可变形致动器包括被训练成在加热时以特定方式改变形状的形状记忆合金。每个SMA致动器均被成形为减阻装置以减少气动阻力。
[0035]根据图2至图5中所示的一个实施方式，扇瓣致动系统包括两组圆周式分布的单向SMA致动器,一组能够被加热至使扇瓣向外偏转，并且另一组能够被加热至使扇瓣向内偏转。单向SMA致动器成对地布置在相邻扇瓣之间，每对均包括相应起反作用(即，相互对抗的)的第一组和第二组SMA致动器。该对对抗的SMA致动器安装在扇瓣的后缘附近。在喷嘴的后缘附近附接SMA致动器使得控制流表面角度位置所需的力最小。
[0036]图2示出了根据一个实施方式的一对相邻扇瓣18a和18b的等距视图(俯视图)，其中通过改变设置在扇瓣后缘附近的间隙中的一对相互对抗的可变形致动器2中的一个或者另一个的形状，该对相邻扇瓣18a和18b能够交替地向内或者向外偏转。扇瓣示出为处于向外(向上)和向内(向下)偏转的位置。
[0037]根据图2中所示的实施方式，SMA致动器2被配置和被训练成以使扇瓣18a和18b向外偏转的方式改变形状，而SMA致动器4被配置和训练成以使扇瓣18a和18b向内偏转的方式改变形状。形状改变产生用于使扇瓣偏转的致动力。如图2所示，扇瓣18a和18b隔开一间隙。SMA致动器2和4突出穿过间隙，并且SMA致动器2的前缘被定位成邻近于SMA致动器4的后缘。SMA致动器2的后缘可与扇辦18a和18b的后缘对齐。在图2所不的实施方式中，间隙的其余部分被弹性密封件24占据。可替代地，如图6所示，弹性密封件可在SMA致动器2和4的下方延伸，一直到扇瓣18a和18b的后缘(将在后面细节中进行描述)。
[0038]图3和图4中示出了 SMA致动器2和4的致动原理。图3示出了在SMA致动器2拉伸时(以箭头A和B表示)向上(即，向外)偏转的扇瓣18a和18b。图4示出了在SMA致动器4收缩(以箭头C和D表示)时向下(即，向内)偏转的扇瓣18a和18b。
[0039]如图3所示，SMA致动器2是本体，该本体包括主动部分2a，主动部分2a横跨扇瓣18a与扇瓣18b之间的间隙；第一凸缘2b，第一凸缘2b连接到主动部分2a并且附接到扇瓣18b ；以及第二凸缘2c，第二凸缘2c连接到主动部分2a并且附接到扇瓣18a。主动部分2a由形状记忆合金制成，该形状记忆合金具有在其温度从转变温度以下升高至转变温度以上时经历第一形状改变的特性。SMA致动器2被布置成当主动部分2a经历第一形状改变时，使扇瓣18a和18b向外偏转。优选地，SMA致动器2的凸缘2b和2c由不易因受热而形状改变的材料制成。例如，凸缘2b和2c可由未被训练成在上述转变温度下改变形状的形状记忆合金制成。
[0040]如图4所示，SMA致动器4也是本体，该本体包括主动部分4a，主动部分4a横跨扇瓣18a与扇瓣18b之间的间隙；第一凸缘4b，第一凸缘4b连接到主动部分4a并且附接到扇瓣18b ；以及第二凸缘4c，第二凸缘4c连接到主动部分4a并且附接到扇瓣18a。主动部分4a由形状记忆合金制成，该形状记忆合金具有当其温度从转变温度以下升高至转变温度以上时，经历第二形状改变的特性。SMA致动器4被配置为在主动部分4a经历第二形状改变时使扇瓣18a和18b向内偏转。优选地，SMA致动器4的凸缘4b和4c由不易因受热而形状改变的材料制成。例如，凸缘4b和4c可由未被训练成在上述转变温度下改变形状的形状记忆合金制成。
[0041]SMA致动器2和4的相应主动部分2a和4a可由不同的形状记忆合金制成，在这种情况下，在上两个段落中提及的相应转变温度可以不同。优选地，相应的主动部分2a和4a均具有被设计成使气动阻力最小的轮廓(例如，V形截面)。
[0042]根据一个实施方式，如图5所示，SMA致动器2的凸缘2b和2c以及SMA致动器4的凸缘4b和4c附接到扇瓣18a和18b的内表面的相应边缘部分。弹性密封件24还可包括用于附接扇瓣18a和18b的内表面的相应边缘部分的凸缘24a和24b。
[0043]应当理解到，根据所需的约束运动来训练被结合到上述致动器中的形状记忆合金，其反过来又取决于连接结构的相对运动。基于不同“训练者”(用于训练形状金属合金以保持其记忆形状的机械装置)的设计，可以针对不同程度的运动来训练形状金属合金。
[0044]两种主要类型的形状记忆合金是铜铝镍合金和镍钛(镍钛诺)合金，但是形状记忆合金也可由锌、铜、金以及铁炼制成。在各种实施方式中，尽管致动器可包括镍钛诺，但也可使用铜、锌、铝、镍、钛、钯和/或其他材料的各种其他形状记忆合金。形状记忆合金的转变温度对合金成分是高度敏感的并且通过轻微改变成分比率来进行选择。棒(rod)的材料的选择可基于诸如操作温度范围、所需的转变温度、所需的转变时间或者其组合等各种设计因素来进行。
[0045]更具体地，在一些实施方式中，致动器可由“镍钛诺55”(按镍重量55%的二进制形式镍钛诺)形成。应当理解的是，本实施方式为示意性的，并且不得以任何方式进行限制性解释。例如，在一些预想的实施方式中，致动器可由两种或者多种合金形成，其中，合金中的至少一种是形状记忆合金，并且合金中的至少一种不是形状记忆合金，诸如，钢、黄铜等。因此，应当理解的是，致动器可由材料和/合金的组合形成，从而使得致动器的各个部分或者区域相对于该致动器的其他部分或者区域在不同的转变温度下起作用和/或在不同的时间转变。例如，各个致动器的主动部分可由形状记忆合金形成，而被动凸缘由不是形状记忆合金的合金形成。
[0046]图6不出了根据另一实施方式的一对相邻扇辦18a和18b的等距视图(俯视图)，其中通过对设置在扇瓣的后缘附近的间隙中的一对相互对抗的单向SMA致动器2和4中的一个或者另一个进行加热，一对相邻扇瓣18a和18b能够交替地向内或者向外偏转。虚线表示扇瓣盖(未示出)的位置。在本实施方式中，相应的电加热器热耦接到单向SMA致动器2和4的表面。当SMA致动器2被加热而SMA致动器4不被加热时，通过致动器2的变形产生的致动力应大于致动器4变形的阻力，反之亦然。
[0047]图6示出了附接到SMA致动器2和4的主动部分的相应表面的相应箔加热器34和36。每个箔加热器均包括已被蚀刻为形成蜿蜒状图案的导电箔。在制造过程中，箔被安装到背部并且然后被蚀刻成所需图案。然后，蚀刻箔布置成电介质基体(例如，硅树脂)，连接(例如，导电箔接头或者配线)通向基体，并且然后对基体进行固化(如需要则移除背板)。箔加热器34附接并且由此热耦接到SMA致动器2的主动部分的可见(图6中)表面，并且箔加热器34包括通过一对导电体38连接到电源(未示出)的蜿蜒状导电体。另一箔加热器(在图6中不可见)可附接到SMA致动器2的主动部分的另一侧的表面。类似地，箔加热器36被附接并且由此热耦接到SMA致动器4的主动部分的可见表面，并且箔加热器36包括通过一对导电体40连接到电源(未示出)的蜿蜒状导电体。另一箔加热器(图6中不可见)可附接到SMA致动器4的主动部分的另一侧的表面。当电流流经箔加热器中的用于加热线圈的蜿蜒状导电体时，致动器的主动部分中的形状记忆合金将被加热。
[0048]图2-6描述了采用成对的相互对抗的单向SMA致动器的扇瓣偏转致动系统。在这些实施方式中，SMA材料被加热以从其马氏体形状(即，其结晶状态是马氏体时的形状)转变至其奥氏体形状(即，其结晶状态是奥氏体时的形状)，从而产生致动力以使VAFN扇瓣偏转。每个单向SMA致动器在被充分加热时从其马氏体形状改变至其奥氏体形状，并且在其加热元件断开时停止改变形状，但是，当另一个单向SMA致动器从其马氏体形状改变至其奥氏体形状时(尽管未被加热的致动器提供了与由被加热的致动器产生的致动力相反的阻力)，则返回至其原始形状。
[0049]根据上述实施方式，当分别对两组相互对抗的SMA致动器进行加热和不加热时，可变面积风扇喷嘴的喉道面积减少，并且当分别对两组相互对抗的SMA致动器进行不加热和加热时，喉道面积增加。可将风扇喷嘴喉道面积调整至面积以下(与巡航时的额定面积相比)，从而有益于特定段航行任务过程中的燃料消耗，或者将风扇喷嘴喉道面积调整至面积以上，以有助于噪声降低并且改善风扇可操作性。
[0050]通常，形状记忆合金是在转变温度的相对侧具有明显不同相位的金属合金。形状记忆合金在其处于转变温度以下时达到第一物理状态，并且在其处于转变温度以上时达到第二物理状态。一些形状记忆合金材料可被训练成具有用于冷却器第一状态的第一形状和用于取暖器第二状态的第二形状。如果没有其他限制，双向训练形状记忆合金在被加热至转变温度以上时可被强制地呈现为第二形状，并且然后在被冷却至转变温度以下时逐渐返回至第一形状。
[0051]根据替代实施方式，可使用一组双向SMA致动器来代替成对的单向致动器。为了能够实现双向反致动，各个SMA致动器的主动部分可由双向形状记忆合金制造，该双向形状记忆合金被适配成当双向形状记忆合金在第一温度与第二温度之间热循环以在第一状态和第二状态之间切换双向形状记忆合金时，双向形状记忆合金在第一训练形状与第二训练形状之间进行转变，而不需外部施加负荷。美国公开专利申请第2005/0198777号公开了一种用于制造双向SMA元件的方法，通过引用将全部内容结合于此。
[0052]在示例性实施方式中，第一状态是双向形状记忆合金的奥氏体状态，并且第二状态是双向形状记忆合金的马氏体状态。当被热激活或者加热时，双向形状记忆合金在其奥氏体起始温度(在从马氏体转变至奥氏体时开始加热的温度)时开始进入奥氏体状态。在马氏体至奥氏体转变过程中，双向SMA致动器朝向第一训练的或者奥氏体形状变形。通过继续加热，双向形状记忆合金最终在其奥氏体结束温度(在从马氏体转变至奥氏体时结束加热的温度)时完成马氏体至奥氏体转变。应当理解的是，奥氏体起始温度和结束温度以及马氏体至奥氏体转变的速率可根据具体的应用及其热环境、使用的形状记忆合金材料的成分、和/或施加到双向SMA致动器的热能量的量和速率而改变。
[0053]一旦冷却，双向形状记忆合金在其马氏体起始温度(从奥氏体转变至马氏体时开始冷却的温度)时开始进入马氏体状态。在该奥氏体至马氏体转变过程中，双向SMA致动器朝向第二训练的或者马氏体形状变形。通过继续冷却，双向形状记忆合金最后在其马氏体结束温度(从奥氏体转变至马氏体时结束冷却的温度)时完成奥氏体至马氏体转变。应当理解的是，马氏体起始温度和结束温度以及奥氏体至马氏体转变的速率可根据具体的应用及其热环境、使用的特定SMA材料的成分、和/或自双向SMA致动器冷却的速率或者传输的热量而改变。
[0054]再次参考图3和图4，成对的单向SMA致动器2和4可取代双向SMA致动器，且双向SMA致动器的后缘与扇瓣18a和18b的后缘对齐。双向SMA致动器可与图3和图4中描述的单向致动器具有相同的轮廓。根据一个实施方式，双向致动器的形状记忆合金可被训练成使得致动器的凸缘交替地在加热过程中彼此相互远离(即，拉伸)并且在冷却过程中朝向彼此移动(即，收缩)。根据另一实施方式，双向致动器的形状记忆合金可被训练成使得致动器的凸缘交替地在加热过程中朝向彼此移动并且在冷却过程中彼此远离。
[0055]冷却双向形状记忆合金可包括被动冷却、主动冷却及其组合等。在一个实施方式中，一旦切断电力至加热设备的供应，则双向形状记忆合金通过与其周围环境(例如，结构、周围大气等)进行热交换而被动地冷却。可替代地或者此外，例如，如果需要更高速率转变至马氏体状态和形状，则可对双向形状记忆合金进行主动冷却。例如，通过在双向SMA致动器上循环冷却剂可对双向形状记忆合金进行主动冷却。
[0056]又例如，通过将电力提供给一端热耦接到形状记忆合金的热电设备，来主动地冷却双向形状记忆合金。热电设备具有的特性在于热量从热电设备的一端流向另一端。因此，如果形状记忆合金热耦接到热电设备的冷却端，则可冷却形状记忆合金。美国专利第6，100，463号公开了先进的热电设备，通过引用将其全部内容结合于本文中。
[0057]可响应于航行条件而自动控制SMA致动器的状态。图7示出了根据一个实施方式的用于控制可变面积风扇喷嘴扇瓣偏转的系统架构。多个VAFN扇瓣18的角度位置将取决于多个VAFN致动器50的主动部分中的形状记忆合金的温度，形状记忆合金的温度反而取决于多个电加热器48向致动器的形状记忆合金传递的热量，电加热器48热耦接至致动器(如图7中将致动器50和加热器48分隔开的水平虚线所示)。
[0058]通过作为闭合回路控制系统的机载VAFN控制单元52来控制电加热器供应的热量。VAFN控制单元52可被实施为计算机系统的一部分(例如，中央计算机或者处理器)、专用于控制扇瓣偏转的子系统计算模块等。可选地，可通过位置反馈系统58(例如，光纤系统)测量扇瓣18的偏转，位置反馈系统58包括安装在输出表示这些测量结果的信号的VAFN扇瓣18中、上或者附近。VAFN控制单元52从全权数字发动机控制单元54并且从位置反馈系统58接收输入，然后，基于接收的扇瓣位置信息，经由致动系统连续地调整扇瓣偏转的角度，从而调整风扇喷嘴喉道面积。
[0059]对于各个VAFN致动器，SMA致动器位置取决于由相关加热元件提供的热量。这由VAFN控制单元52控制，VAFN控制单元52从飞机电源56接收电力(例如，115VAC)并且将电力的脉冲或者突发脉冲提供给电加热器48以保持致动器处于特定的位置。VAFN控制单元52被编程以将特定数目的脉冲发送给各个加热器(到各个加热器的脉冲数目不必相同)，以使得各个致动器变形成对应于目标扇瓣位置的相应形状。然后，VAFN控制单元52接收表示实际(即，当前)扇瓣位置的位置反馈信号。响应于这些位置反馈信号，VAFN控制单元52将提供更多或更少的电流脉冲以保持各个加热器处于特定的温度并且相继地保持各个扇瓣处于目标位置。
[0060]为了在采用成对单向SMA致动器时升高可变面积风扇喷嘴的出口处的流面积，对第一单向SMA致动器进行加热，而不对第二单向SMA致动器进行加热。为了减少出口处的流面积，对第一单向SMA致动器进行加热，而不对第二单向SMA致动器进行加热。为了实现介于最大出口流面积与最小出口流面积之间的任何目标出口流面积，在开路循环或者闭路循环过程中，当基于位置反馈信号计算出的当前出口流面积处于目标出口流面积的指定容差内时，通过VAFN控制单元切断至被加热的致动器的热供应。根据维持当前出口流面积的需要提供电力的额外脉冲。
[0061]通过电加热器之外的装置可对SMA致动器进行加热。已知的是，使用燃气涡轮发动机的压缩机部分将压缩热空气提供给环境控制系统。该压缩空气通常被称为“排出空气”并且从位于发动机的多阶压缩机部分中的各个压缩阶段的排出口排出。根据扇瓣偏转系统的替代实施方式，可通过打开用于使得一些排出空气转向至流经SMA致动器的表面的阀门来对SMA致动器进行加热。
[0062]下列列举段落中描述了根据本公开的发明主题的示例性但非排他性的实施例:
[0063]Al.—种可变面积风扇喷嘴，包括:
[0064]支撑件，所述支撑件具有弯曲形状；
[0065]第一扇瓣和第二扇瓣，所述第一扇瓣和所述第二扇瓣以允许所述第一扇瓣和所述第二扇瓣中的每一个向内或者向外偏转的方式耦接到所述支撑件，所述第一扇瓣和所述第二扇瓣隔开一间隙；并且
[0066]第一本体，所述第一本体包括第一部分以及第二部分和第三部分，所述第一部分横跨所述间隙，并且所述第二部分和所述第三部分连接到所述第一部分并且分别附接到所述第一扇瓣和所述第二扇瓣；其中，所述第一部分由形状记忆合金制成，所述形状记忆合金具有当其温度从转变温度以下升高至所述转变温度以上时，经历第一形状改变的特性；其中，所述第一本体被配置为在所述第一本体的所述第一部分经历所述第一形状改变时使所述第一扇瓣和所述第二扇瓣偏转。
[0067]A2.根据段落Al所述的可变面积风扇喷嘴，其中，所述第一扇瓣和所述第二扇瓣在所述第一本体的所述第一部分经历所述第一形状改变时向外偏转。
[0068]A3.根据段落Al所述的可变面积风扇喷嘴，其中，所述第一扇瓣和所述第二扇瓣在所述第一本体的所述第一部分经历所述第一形状改变时向内偏转。
[0069]A4.根据段落Al至A3所述的可变面积风扇喷嘴，其中，所述第一本体的所述第一部分具有V形截面。
[0070]A5.根据段落Al至A4所述的可变面积风扇喷嘴，进一步包括第二本体，所述第二本体包括第一部分以及第二部分和第三部分，所述第一部分横跨所述间隙，并且所述第二部分和所述第三部分连接到所述第一部分并且分别附接到所述第一扇瓣和所述第二扇瓣，其中:
[0071]所述第二本体的所述第一部分由形状记忆合金制成，所述形状记忆合金具有当其温度从转变温度以下升高至所述转变温度以上时经历第二形状改变的特性；
[0072]所述第二本体被布置成在所述第二本体的所述第一部分经历所述第二形状改变时使所述第一扇瓣和所述第二扇瓣偏转；并且
[0073]所述第一本体被布置成在所述第一本体的所述第一部分经历所述第一形状改变时使所述第一扇瓣和所述第二扇瓣向外偏转。
[0074]A6.根据段落Al至A5所述的可变面积风扇喷嘴，其中，所述形状记忆合金具有的另一特性为在其温度从所述转变温度以上降低至所述转变温度以下时经历第二形状改变，其中，当所述第一本体的所述第一部分经历所述第一形状改变和所述第二形状改变中的一种时，所述第一本体将使所述第一扇瓣和所述第二扇瓣向外偏转，并且当所述第一本体的所述第一部分经历所述第一形状改变和所述第二形状改变中的另一种时，所述第一本体将使所述第一扇瓣和所述第二扇瓣向内偏转。
[0075]A7.根据段落Al至A6所述的可变面积风扇喷嘴，进一步包括用于对所述第一本体的所述第一部分进行加热的装置。
[0076]AS.根据段落Al至A7所述的可变面积风扇喷嘴，进一步包括加热线圈，其热耦接至所述第一本体的所述第一部分的表面。
[0077]A9.根据段落Al至AS所述的可变面积风扇喷嘴，进一步包括由弹性材料制成的密封件，所述密封件包括横跨所述第一扇瓣与所述第二扇瓣之间的所述间隙的一部分。
[0078]A10.根据段落Al至A9所述的可变面积风扇喷嘴，所述可变面积风扇喷嘴包括左风扇喷嘴组件和右风扇喷嘴组件，其中，所述左风扇喷嘴组件和所述右风扇喷嘴组件中的每一个包括具有弯曲形状的相应支撑件；根据权利要求1所述布置的相应第一扇瓣和第二扇瓣；以及根据权利要求1所述改变形状的相应第一本体。
[0079]All.一种用于改变喷嘴的出口面积的方法，包括将多个第一元件的相应部分的温度从转变温度以下升高至所述转变温度以上，所述多个第一元件的所述相应部分由形状记忆合金制成，所述形状记忆合金在温度从所述转变温度以下升高至所述转变温度以上的过程中改变形状。
[0080]A12.根据段落All所述的方法，进一步包括将多个第二元件的相应部分的温度从转变温度以下升高至所述转变温度以上，所述多个第二元件的所述相应部分由形状记忆合金制成，所述形状记忆合金在温度从所述转变温度以下升高至所述转变温度以上的过程中改变形状，其中，当所述多个第一元件的所述相应部分改变形状时，所述出口面积增加，并且当所述多个第二元件的所述相应部分改变形状时，所述出口面积减少。
[0081]A13.根据段落All或者A12所述的方法，进一步包括将所述多个第一元件的所述相应部分的温度从所述转变温度以上降低至所述转变温度以下，其中，所述多个第一元件的所述相应部分的所述形状记忆合金在温度从所述转变温度以上降低至所述转变温度以下的过程中也改变形状，其中，当所述多个第一元件的所述相应部分因温度升高而改变形状时，所述出口面积增加，并且当所述多个第一元件的所述相应部分因温度降低而改变形状时，所述出口面积减少。
[0082]A14.根据段落All所述的方法，进一步包括将所述多个第一元件的所述相应部分的温度从所述转变温度以上降低至所述转变温度以下，其中，所述多个第一元件的所述相应部分的所述形状记忆合金在温度从所述转变温度以上降低至所述转变温度以下过程中也改变形状，其中，当所述多个第一元件的所述相应部分因温度升高而改变形状时，所述出口面积减少，并且当所述多个第一元件的所述相应部分因温度降低而改变形状时，所述出口面积增加。
[0083]A15.—种可变面积风扇喷嘴，包括:
[0084]多个扇瓣，所述多个扇瓣可一致地向内或者向外偏转；以及
[0085]多个第一扇瓣偏转致动器，所述多个第一扇瓣偏转致动器附接到所述扇瓣，其中，所述多个第一扇瓣偏转致动器中的每个均包括形状记忆合金，所述形状记忆合金在其温度从转变温度以下升高至所述转变温度以上时改变形状，所述多个第一扇瓣偏转致动器中的形状改变致使所述扇瓣偏转。
[0086]A16.根据段落A15所述的可变面积风扇喷嘴，进一步包括附接到所述扇瓣的多个第二扇瓣偏转致动器，其中，所述多个第二扇瓣偏转致动器中的每个均包括形状记忆合金，所述形状记忆合金在其温度从转变温度以下升高至所述转变温度以上时改变形状，所述多个第一扇瓣偏转致动器的形状改变致使所述扇瓣向外偏转，并且所述多个第二扇瓣偏转致动器的形状改变致使所述扇瓣向内偏转。
[0087]A17.根据段落A15或者A16所述的可变面积风扇喷嘴，其中，所述形状记忆合金在其温度从所述转变温度以上降低至所述转变温度以下时也改变形状，并且其中，当所述多个第一的所述扇瓣偏转致动器因温度升高而改变形状时，所述扇瓣向外偏转，并且当所述多个第一的所述扇瓣偏转致动器因温度降低而改变形状时，所述扇瓣向内偏转。
[0088]A18.根据段落A15所述的可变面积风扇喷嘴，其中，所述形状记忆合金在其温度从所述转变温度以上降低至所述转变温度以下时也改变形状，并且其中，当所述多个第一的所述扇瓣偏转致动器因温度升高而改变形状时，所述扇瓣向内偏转，并且当所述多个第一的所述扇瓣偏转致动器因温度降低而改变形状时，所述扇瓣向外偏转。
[0089]A19.—种安装在飞机上的装置，包括:
[0090]套筒或者管道，所述套筒或者管道具有包括呈弯曲形状的支撑件的后缘区域；
[0091]多个扇瓣，所述多个扇瓣以允许各个扇瓣向内或者向外偏转的方式耦接到所述支撑件，其中，相邻扇瓣隔开相应的间隙；
[0092]多个可变形元件，所述多个可变形元件分布在所述间隙内，每个可变形元件包括在被加热至转变温度以上的温度时改变形状的形状记忆合金；
[0093]多个电加热器，所述多个电加热器热耦接到所述可变形元件的相应表面；以及
[0094]计算机系统，所述计算机系统被编程以控制电力至所述电加热器的供应。
[0095]A20.根据段落A19所述的装置，进一步包括一个或者多个传感器，用于产生表示所述扇瓣(petal)的当前位置的位置反馈信号，其中，所述计算机系统被编程以将电脉冲提供给所述电加热器，从而改变或者维持所述可变形元件的形状，脉冲数目取决于表示所述扇瓣的目标位置的目标位置数据与从所述位置反馈信号导出的位置反馈数据的比较结果。尽管已经参考各种实施方式描述了可变面积风扇喷嘴，然而，本领域技术人员应当理解的是，在不背离下文中所阐述的权利要求的范围的前提下，可做出各种改变并且等同物可取代本公开中的元件。此外，在不背离权利要求的范围的前提下，可做出多种变形以使得本公开中的教导适用于特定的情形。
[0096]如权利要求中所使用的，术语“计算机系统”应被宽泛地解释为包括具有至少一个计算机、处理器或者计算模块的系统，并且其可具有通过网络或者总线进行通信的多个计算机、处理器或者计算模块。
【权利要求】
1.一种可变面积风扇喷嘴，包括: 支撑件，所述支撑件具有弯曲形状； 第一扇瓣和第二扇瓣，所述第一扇瓣和所述第二扇瓣以允许所述第一扇瓣和所述第二扇瓣中的每一个向内或者向外偏转的方式耦接到所述支撑件，所述第一扇瓣和所述第二扇瓣隔开一间隙；以及 第一本体，所述第一本体包括第一部分以及第二部分和第三部分，所述第一部分横跨所述间隙，并且所述第二部分和所述第三部分连接到所述第一部分并且分别附接到所述第一扇瓣和所述第二扇瓣；其中，所述第一部分由形状记忆合金制成，所述形状记忆合金具有在其温度从转变温度以下升高至该转变温度以上时，经历第一形状改变的特性；其中，所述第一本体被配置成当所述第一本体的所述第一部分经历所述第一形状改变时，使所述第一扇瓣和所述第二扇瓣偏转。
2.根据权利要求1所述的可变面积风扇喷嘴，其中，当所述第一本体的所述第一部分经历所述第一形状改变时，所述第一扇瓣和所述第二扇瓣向外偏转。
3.根据权利要求1所述的可变面积风扇喷嘴，其中，当所述第一本体的所述第一部分经历所述第一形状改变时，所述第一扇瓣和所述第二扇瓣向内偏转。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的可变面积风扇喷嘴，其中，所述第一本体的所述第一部分具有V形截面。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的可变面积风扇喷嘴，进一步包括第二本体，所述第二本体包括横跨所述间隙的第一部分以及连接到该第一部分并且分别附接到所述第一扇瓣和所述第二扇瓣的第二部分和第三部分，其中: 所述第二本体的所述第一部分由形状记忆合金制成，该形状记忆合金具有在其温度从转变温度以下升高至该转变温度以上时，经历第二形状改变的特性； 所述第二本体被配置成当所述第二本体的所述第一部分经历所述第二形状改变时，使所述第一扇瓣和所述第二扇瓣向内偏转；并且 所述第一本体被配置成当所述第一本体的所述第一部分经历所述第一形状改变时，使所述第一扇瓣和所述第二扇瓣向外偏转。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的可变面积风扇喷嘴，其中，所述形状记忆合金具有在其温度从所述转变温度以上降低至该转变温度以下时经历第二形状改变的另一特性，其中，当所述第一本体的所述第一部分经历所述第一形状改变和所述第二形状改变中的一种时，所述第一本体将使所述第一扇瓣和所述第二扇瓣向外偏转，并且当所述第一本体的所述第一部分经历所述第一形状改变和所述第二形状改变中的另一种时，所述第一本体将使所述第一扇瓣和所述第二扇瓣向内偏转。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的可变面积风扇喷嘴，进一步包括用于对所述第一本体的所述第一部分进行加热的装置。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的可变面积风扇喷嘴，进一步包括热耦接至所述第一本体的所述第一部分的表面的加热线圈。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的可变面积风扇喷嘴，进一步包括由弹性材料制成的密封件，所述密封件包括横跨所述第一扇瓣与所述第二扇瓣之间的所述间隙的部分。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的可变面积风扇喷嘴，所述可变面积风扇喷嘴包括左风扇喷嘴组件和右风扇喷嘴组件，其中，所述左风扇喷嘴组件和所述右风扇喷嘴组件中的每一个包括:具有弯曲形状的各自的支撑件；如权利要求1至9中所述的配置的各自的第一扇瓣和第二扇瓣；以及如权利要求1至9中所述的改变形状的各自的第一本体。
11.一种用于改变喷嘴的出口面积的方法，包括:将多个第一元件的相应部分的温度从转变温度以下升高至该转变温度以上，所述多个第一元件的所述相应部分由形状记忆合金制成，所述形状记忆合金在温度从所述转变温度以下升高至该转变温度以上的过程中改变形状。
12.根据权利要求11或者12所述的方法，进一步包括:将多个第二元件的相应部分的温度从转变温度以下升高至该转变温度以上，所述多个第二元件的所述相应部分由形状记忆合金制成，该形状记忆合金在温度从所述转变温度以下升高至该转变温度以上的过程中改变形状，其中，当所述多个第一元件的所述相应部分改变形状时，所述出口面积增加，并且当所述多个第二元件的所述相应部分改变形状时，所述出口面积减少。
13.根据权利要求11所述的方法，进一步包括:将所述多个第一元件的所述相应部分的温度从所述转变温度以上降低至该转变温度以下，其中，所述多个第一元件的所述相应部分的所述形状记忆合金在温度从所述转变温度以上降低至该转变温度以下的过程中也改变形状，其中，当所述多个第一元件的所述相应部分因温度升高而改变形状时，所述出口面积增加，并且当所述多个第一元件的所述相应部分因温度降低而改变形状时，所述出口面积减少。
14.根据权利要求11所述的方法，进一步包括:将所述多个第一元件的所述相应部分的温度从所述转变温度以上降低至该转变温度以下，其中，所述多个第一元件的所述相应部分的所述形状记忆合金在温度从所述转变温度以上降低至该转变温度以下的过程中也改变形状，其中，当所述多个第一元件的所述相应部分因温度升高而改变形状时，所述出口面积减少，并且当所述多个第一元件的所述相应部分因温度降低而改变形状时，所述出口面积增加。
15.一种用于控制可变面积风扇喷嘴扇瓣偏转的系统，包括: 根据权利要求1_6、9和10中任一项所述的可变面积风扇喷嘴；多个电加热器；以及 VAFN控制单元。
【文档编号】F02K1/06GK104153912SQ201410116876
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年3月26日 优先权日:2013年5月14日
【发明者】克里斯托弗·T·亚斯科洛夫斯基 申请人:波音公司