本公开涉及一种采用导轨轮盘和套齿圆管的发动机变结构风扇。
背景技术：
随着飞行器飞行包线的扩展和任务复杂性的提高，航空发动机需要根据任务来调节自身各部件工作状态，以保证不同工况下部件的稳定性和工作效率，实现发动机综合性能的提升。叶片作为控制气体流动的关键部件，工程人员提出了叶片的多种调节方案。
专利CN104819164A是一种较为常见的可调静子叶片联动调节装置方案，通过摇臂、联动环和拉杆结构的组合，对静子叶片的安装角进行联动调节。但是，该类结构仅适用于静子叶片，且只能调节叶片安装角的变化。
专利CN206503781U是一种改进的用于航空发动机的可调导流叶片结构，通过摇臂、联动环和齿轮调节机构对静子叶片的安装角进行调节，同时，还设置了轴向作动机构和滑轨，以调节静子叶片的沿发动机轴向位置，增加压气机的工作裕度。但是，该结构仍然只适用于静子叶片的调节，且无法调节叶片的径向位置。
专利CN205937166U提出了一种可调整角度的发动机风扇叶片结构，通过液压杆承受叶片离心力，通过电机调节风扇转轴进而实现对风扇叶片的角度调节。但是，该结构并不能调节风扇叶片的径向位置。
由此可见，上述方案仅是针对静子叶片的调节方案，且更多的聚焦于静子叶片的安装角调节，均无法实现风扇转子叶片安装角和径向位置的同时调节，难以满足当前先进的航空发动机部件状态调节的需求。
技术实现要素：
为了解决至少一个上述技术问题，本公开提供了一种采用导轨轮盘和套齿圆管的发动机变结构风扇。
根据本公开的一个方面，采用导轨轮盘和套齿圆管的发动机变结构风扇包括：
风扇叶片，包括叶身、叶根转轴及位于叶根转轴末端表面的外套齿；
导轨轮盘，包括设置在导轨轮盘的盘缘内表面的引导部；
燕尾型滑动榫头，配置成可沿引导部滑动，通过使导轨轮盘的间距进行改变，燕尾型滑动榫头沿引导部进行滑动，改变燕尾型滑动榫头的径向位置，从而燕尾型滑动榫头带动叶根转轴来改变风扇叶片的径向位置；以及
套齿圆管，包括位于套齿圆管内表面的内套齿，内套齿与外套齿进行套齿连接，通过使套齿圆管进行转动，通过套齿连接来实现风扇叶片的安装角的调节。
根据本公开的至少一个实施方式，燕尾型滑动榫头包括：
榫头，与引导部滑动连接；以及
轴承，叶根转轴安装至轴承，以便实现风扇叶片的安装角的调节。
根据本公开的至少一个实施方式，风扇叶片还包括：
圆柱凸台，设置在叶根转轴的中部，与轴承接触，通过轴承传递叶片离心力至榫头。
根据本公开的至少一个实施方式，导轨轮盘的数量为两个，通过与两个导轨轮盘分别相连的第一轴来改变导轨轮盘的间距；以及
通过与套齿圆管相连的第二轴来使套齿圆管转动。
根据本公开的至少一个实施方式，内套齿的长度大于外套齿的长度，确保内套齿与外套齿相对滑动的过程中仍能保持接触。
根据本公开的至少一个实施方式，还包括摇臂和叶片联动盘，套齿圆管通过摇臂与叶片联动盘连接，叶片联动盘与第二轴连接；
第二轴旋转带动叶片联动盘旋转，叶片联动盘通过摇臂带动套齿圆管旋转。
根据本公开的至少一个实施方式，还包括限位销钉和限位螺钉，限位销钉用于叶片联动盘与摇臂的连接，叶片联动盘通过限位销钉带动摇臂旋转；
限位螺钉用于摇臂与套齿圆管的连接，摇臂通过限位螺钉带动套齿圆管旋转。
根据本公开的至少一个实施方式，全部风扇叶片均通过摇臂与叶片联动盘连接，当叶片联动盘旋转时，同时对全部风扇叶片的安装角进行调节。
根据本公开的至少一个实施方式，当发动机调节至最大涵道比状态时，调节第一轴，增大导轨轮盘的间距，使燕尾型滑动榫头的径向位置提升，从而调节风扇叶片的径向位置至最大；第二轴带动叶片联动盘旋转，叶片联动盘通过摇臂带动套齿圆管沿自身轴线旋转，并通过套齿连接调节风扇叶片的安装角与当前气体流速和发动机转子转速相匹配；
当发动机调节至最小涵道比状态时，调节第一轴，缩小导轨轮盘的间距，使燕尾型滑动榫头的径向位置降低，从而调节风扇叶片的径向位置至最小；第二轴带动叶片联动盘旋转，叶片联动盘通过摇臂带动套齿圆管沿自身轴线旋转，并通过套齿连接调节风扇叶片的安装角与当前气体流速和发动机转子转速相匹配；以及
当发动机调节至中间涵道比状态时，调节第一轴，使导轨轮盘的间距适中，通过燕尾型滑动榫头来调节风扇叶片的径向位置至最大径向位置与最小径向位置之间的位置；第二轴带动叶片联动盘旋转，叶片联动盘通过摇臂带动套齿圆管沿自身轴线旋转，并通过套齿连接调节风扇叶片的安装角与当前气体流速和发动机转子转速相匹配。
根据本公开的又一方面，一种发动机，包括：
如上所述的采用导轨轮盘和套齿圆管的发动机变结构风扇；
燃气发生器；以及
混合器；
在发动机工作时，进气道的气流分为内涵气流和外涵气流，
内涵气流经过燃气发生器后成为内涵出口气流，
外涵气流经过外涵道后成为外涵出口气流，
外涵出口气流与内涵出口气流经过混合器混合，形成尾喷管气流。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是根据本公开的至少一个实施方式的变结构风扇结构示意图。
图2是根据本公开的至少一个实施方式的最大涵道比状态下的变结构风扇结构示意图。
图3是根据本公开的至少一个实施方式的最小涵道比状态下的变结构风扇结构示意图。
图4是根据本公开的至少一个实施方式的中等涵道比状态下的变结构风扇结构示意图。
图5是根据本公开的至少一个实施方式的变结构风扇安装在发动机上的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
本公开的发动机变结构风扇，采用导轨轮盘实现转子叶片径向位置的调节，同时采用套齿圆管实现转子叶片安装角的调节。本公开为实现发动机风扇叶片的径向位置和安装角的调节提出了一种新型风扇部件结构方案，以保证风扇在全包线工况范围内的高效工作。
在本公开的一个可选实施方式中，如图1所示，发动机变结构风扇包括：风扇叶片(转子叶片)、导轨轮盘2、燕尾型滑动榫头和套齿圆管。
其中，风扇叶片包括叶身1、叶根转轴7，以及配置在叶根转轴的末端，即靠近发动机轴线端表面的外套齿10。
导轨轮盘2的盘缘内表面配置有与燕尾型滑动榫头相匹配的引导部，例如导轨槽6。
燕尾型滑动榫头可沿导轨槽6滑动。导轨槽6在承受燕尾型滑动榫头传递的叶片离心力的同时，为燕尾型滑动榫头提供滑动轨道。通过改变导轨轮盘2的间距，燕尾型滑动榫头可以沿着导轨槽6进行滑动，从而改变燕尾型滑动榫头的径向位置。进一步地，燕尾型滑动榫头带动叶根转轴7来改变风扇叶片的径向位置。
套齿圆管包括位于套齿圆管内表面的内套齿11。风扇叶片的外套齿10可以与套齿圆管的内套齿11相配合形成套齿连接。当套齿圆管转动时，可以通过套齿连接来实现风扇叶片的安装角的调节。
在本公开的一个可选实施方式中，如图1所示，燕尾型滑动榫头包括榫头5和轴承8。榫头5可以沿着导轨槽6滑动。叶根转轴7安装在轴承8上，轴承8可以固定叶根转轴7，也就是固定风扇叶片，且不影响风扇叶片沿自身轴线转动，以便使风扇叶片在调节自身安装角的同时不影响叶片的径向位置和叶片离心力的传递。
叶根转轴7中部的圆柱凸台9与轴承8接触。叶片离心力通过叶根转轴7中部的圆柱凸台9传递至轴承8，并通过轴承8传递至榫头5、以及榫头5与导轨槽6的接触面。最终叶片离心力由导轨轮盘2承受。
导轨轮盘2分为两个相对的轮盘，两个轮盘均在盘心部位通过销钉3分别与两根第一轴4连接。
调节风扇叶片的径向位置时，与两个导轨轮盘2分别相连的第一轴4沿发动机轴线改变相对间距，可以带动两个导轨轮盘2改变相对间距。导轨轮盘2与燕尾型滑动榫头可以进行叶盘配合，通过轮盘盘缘的导轨槽6调节燕尾型滑动榫头的径向位置，并进一步通过轴承8带动风扇叶片做径向运动。
调节风扇叶片安装角时，与套齿圆管相连的第二轴19旋转，可以带动套齿圆管转动。套齿圆管进一步通过套齿连接来带动风扇叶片的转动，从而调节风扇叶片的安装角。
在本公开的一个可选实施方式中，如图1所示，在调节风扇叶片的径向位置时，套齿圆管调节机构的径向位置不变。其中，套齿圆管内套齿11的长度大于叶根转轴外套齿10的长度，以保证风扇叶片在径向位置调节范围内，即叶根转轴外套齿10和套齿圆管内套齿11在径向相对滑动的过程中两者仍保持接触。内套齿11和外套齿10形成的套齿连接使得风扇叶片在径向位置的变化不会对叶片自身安装角的调节产生影响。
本实施方式的变结构风扇还包括限位螺母14、摇臂15、限位销钉16和叶片联动盘17。套齿圆管、限位螺母14、摇臂15、限位销钉16和叶片联动盘17共同组成套齿圆管调节机构。其中，套齿圆管除了包括内套齿11以外，还包括管壁12和管壁上的限位螺钉13。套齿圆管通过限位螺钉13与摇臂15连接，摇臂15通过限位销钉16与叶片联动盘17连接。而叶片联动盘17在盘心部位通过销钉18与第二轴19相连。
调节风扇叶片的安装角时，与叶片联动盘17相连的第二轴19旋转，可以带动叶片联动盘17旋转，并通过限位销钉16带动摇臂15旋转。摇臂15可以通过套齿圆管管壁12上的限位螺钉13带动套齿圆管沿自身轴线旋转。套齿圆管通过套齿连接使安装在轴承8上的叶根转轴7沿自身轴线旋转，从而实现风扇叶片的安装角的调节。
可以说，燕尾型滑动榫头中的轴承8，以及套齿圆管管壁12与叶片叶根转轴7之间的套齿连接，这两个结构，实现了转子叶片径向运动和自身安装角转动这两项调节功能的独立性。
值得一提的是，限位销钉16，以及套齿圆管管壁12上的限位螺钉13和限位螺母14只是在摇臂15运动过程中在一定范围内限制其位置，使其能按照设定的运动轨迹实现调节功能，并不限制摇臂15和其他结构发生的全部相对运动。
在本公开的一个可选实施方式中，发动机变结构风扇中的每个转子叶片各通过一个套齿圆管与一个摇臂相连接。全部摇臂均设置在叶片联动盘17上。叶片联动盘17旋转时，通过摇臂同时对全部转子叶片的安装角进行调节。
在本公开的一个可选实施方式中，如图2所示，当发动机调节至最大涵道比状态时，增大第一轴4沿发动机轴线的相对间距，可以使两个导轨轮盘2的间距、以及轮盘盘缘的导轨槽6的间距增大。与导轨槽6相匹配的燕尾型滑动榫头的径向位置相应提升。燕尾型滑动榫头可以带动安装在轴承8上的风扇叶片提升至最大径向位置。与叶片联动盘17相连的第二轴19旋转，可以带动叶片联动盘17旋转，进一步通过限位销钉16带动摇臂15转动。摇臂15通过设置在套齿圆管管壁12上的限位螺钉13带动套齿圆管沿自身轴线旋转。进一步地，套齿圆管通过套齿连接带动安装在轴承8上的叶根转轴7沿自身轴线转动，从而调节风扇叶片的安装角度，使叶片安装角与当前气体流速和发动机转子转速相匹配。
如图3所示，当发动机调节至最小涵道比状态时，与两个导轨轮盘2分别相连的第一轴4沿发动机轴线缩小相对间距，进而缩小两个导轨轮盘2的间距以及导轨槽6的间距。与导轨槽6相匹配的燕尾型滑动榫头下滑，径向位置下降，从而带动安装在轴承8上的风扇叶片下降至最小径向位置。与叶片联动盘17相连的第二轴19旋转，可以带动叶片联动盘17旋转，并进一步通过限位销钉16带动摇臂15转动。摇臂15可以通过限位螺钉13带动套齿圆管沿自身轴线旋转。进一步地，套齿圆管通过套齿连接带动安装在轴承8上的叶根转轴7沿自身轴线转动，从而调节叶片安装角度，使叶片安装角与当前气体流速和发动机转子转速相匹配。
如图4所示，当发动机调节至中间涵道比状态时，第一轴4沿发动机轴线调节相对间距，并使两个导轨轮盘2的间距以及轮盘盘缘的导轨槽6之间的间距适中。燕尾型滑动榫头的径向位置相应改变，并通过轴承带动风扇叶片处于最大径向位置和最小径向位置之间的中间径向位置。第二轴19旋转，可以带动叶片联动盘17旋转。叶片联动盘17通过限位销钉16带动摇臂15转动。摇臂15可以通过限位螺钉13带动套齿圆管沿自身轴线旋转。套齿圆管通过套齿连接使安装在轴承8上的风扇叶片沿自身轴线转动，从而改变叶片的安装角度，使叶片安装角与当前气体流速和发动机转子转速相匹配。
在本公开的一个可选实施方式中，一种发动机包括如上所述的采用导轨轮盘和套齿圆管的发动机变结构风扇，燃气发生器和混合器。如图5所示，当发动机开始工作时，调节发动机的涵道比，并相应调节变结构风扇的转子叶片的径向位置。根据气体流速和转子转速调节转子叶片的安装角度。进气道气流20经过变结构风扇压缩做功之后分成内涵气流21与外涵气流22两部分。随后,内涵气流21在经过燃气发生器后成为内涵出口气流23，外涵气流22经过外涵道后成为外涵出口气流24。外涵出口气流24在经过混合器后与内涵出口气流23混合，最终形成尾喷管气流25排出发动机外。
在本公开中，变结构风扇与现有叶片调节机构相比，可以同时对转子叶片的径向位置和安装角进行调节。本公开可以根据发动机涵道比状态，匹配调节转子叶片的径向位置，改变转子叶片在发动机流道中的有效工作面积。本公开可以根据流道气体流速和发动机转子转速的变化，调节转子叶片的安装角，以实现风扇在全包线工况范围内的高效工作。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。