CN102257260A - 由行星齿轮系驱动的对转螺旋桨系统以提供在两螺旋桨之间转矩的平衡分布 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于飞机涡轮机的对转螺旋桨系统(30)，包括：包括第一转子(32a)的无动力涡轮(32)、第一对转螺旋桨(7)和机械传动系统(13)。所述机械传动系统(13)包括：与太阳齿轮(17)装配在一起的行星齿轮系(15)，所述太阳齿轮第一转子(32a)驱动；至少一个行星齿轮(21)，其驱动所述第一螺旋桨(7)；及环(31)，其驱动所述第二螺旋桨(9)。根据本发明，所述无动力涡轮(32)还包括第二转子(32b)，所述第二转子(32b)相对第一转子(32a)对转，并转动所述环(31)。

Description

由行星齿轮系驱动的对转螺旋桨系统以提供在两螺旋桨之间转矩的平衡分布
技术领域
本发明总体上来说涉及一种用于飞机涡轮机的对转螺旋桨系统。
本发明还涉及一种用于飞机的涡轮机，所述涡轮机包括这种对转螺旋桨系统。
优选地，本发明适用于飞机涡轮机，如喷气涡轮机、涡轮螺旋桨发动机。它具体应用于称作“开放转子(open rotor)”涡轮机的涡轮机，其中，无动力涡轮机(free power turbine)直接或间接地通过机械传动系统驱动两个对转螺旋桨，该机械传动系统形成减速齿轮并包括行星齿轮系。因此，在该对转螺旋桨系统中，螺旋桨在其外径端没有整流板。
背景技术
在现有技术中，带有对转螺旋桨系统的涡轮机已为人们所知，其中的对转螺旋桨由机械传动系统驱动，习惯地采用差减速齿轮的形式。这种差减速齿轮具体包括特殊行星齿轮系，其太阳齿轮由无动力涡轮机的转子转动，其行星齿轮支架驱动第一螺旋桨，其中的环驱动第二螺旋桨。从这点来看，应该注意到，相对驱动它们的无动力涡轮机，根据对转螺旋桨的位置，第一螺旋桨构成了下游螺旋桨，第二螺旋桨构成了上游螺旋桨。否则相反，与单个行星齿轮系不同，环不是固定的，而是活动的。
利用这种行星齿轮系，两个螺旋桨不能受到相同的空气动力扭矩。卫星的机械平衡方程显示，这两种扭矩必要地有一个固定比率，这取决于减速齿轮几何特性。这个比率必然不同于相等的比率。事实上，应用于第一螺旋桨上的扭矩C1和应用于第二螺旋桨上的扭矩C2之间的比率由下式表示：
C1/C2＝(R+1)/(R-1)；
其中R是由行星齿轮系确定的减速比率。
这样，为了得到接近相等的扭矩的比率，必然要增加减速比率，然而，由于机械可行性问题，扭矩的比率不会大于10。此外，减速比率的增加会不可避免地导致螺旋桨系统总质量的增加，从而对涡轮机产生副作用。
由于扭矩之间的不相等比率，两个螺旋桨其中之一较另一螺旋桨将产生较大次级流回转，从而引起输出流的残留回转，有点限制了推进效率，并不利于增加涡轮机的声级。事实上，是由行星齿轮支架驱动的第一螺旋桨在扭矩方面总是具有较大的负荷。
此外，两个扭矩之间的差异还产生装置的应力增加，所述装置用于安装到飞机的涡轮机上，这些装置必须相应地具有超大尺寸(over-dimensioned)，以支撑施加其上的额外负荷。
发明内容
与现有技术的实施例相比，本发明的目的是提供至少一种部分地克服上述缺陷的方案。
为实现这个目的，本发明的第一目标是提供一种用于飞机涡轮机的对转螺旋桨的系统，包括：
无动力涡轮，其包括第一转子；
第一对转螺旋桨和第二对转螺旋桨，其相对于螺旋桨系统的定子绕该螺旋桨系统的纵轴转动；
机械传动系统，其包括：与太阳齿轮装配在一起的行星齿轮系，所述太阳齿轮以所述纵轴为中心，并由无动力涡轮机的所述第一转子驱动；至少一个行星齿轮，其与所述太阳齿轮啮合；一个或多个行星齿轮支架，其驱动所述第一螺旋桨；及环，其与每一行星齿轮相啮合并驱动第二螺旋桨。
根据本发明，所述无动力涡轮还包括第二转子，所述第二转子相对第一转子对转，并转动所述环。
因此，本发明有利地致力于说明(通过作用，by acting)第二螺旋桨所接收的不足扭矩，以致后者通过行星齿轮系的环由无动力涡轮的第二转子局部驱动。换句话说，由环传递到第二螺旋桨的扭矩不仅像先前情形一样仅从卫星发生，而且还从动力涡轮的第二转子发生，因此，其显现对转特性。
这些特征导致分别传递到两个螺旋桨的扭矩的平衡，及两扭矩之间比率有效地相等。结果是：第一，两个螺旋桨的每一个都产生大体相同的次级流回转，它能防止输出流量的残余回转的有害现象。这样，在螺旋桨系统输出(output)处的气动流可被满意地矫正，这将获得改进的推进效率，并减小所产生的声阶。
此外，作为扭矩平衡的结果，用来将涡轮机安装在飞机上的装置经受较小的机械应力，并在负担和质量(encumbrance and mass)方面导致较低的费用设计。
而且，在对转无动力涡轮内，与传统涡轮的情况相比，第一转子可较慢地转动，同时可保持在涡轮的输出处提供相同的动能。第一转子转速的这种减小不仅因施加到其上的离心力较小而允许其设计简便，还由于由第一转子驱动的太阳齿轮的速度的较低，使由行星齿轮系所赋予的减小比率也有所减小。这两个优点明显导致了在质量方面的实质收益。
此外，应该注意到，减速齿轮的特征在于机械效率，意味着部分传递的动能变化热能。假设由飞机涡轮机提供的几兆瓦特的动能，这些热量是非常大的。这些热量通过油管装置和空气-油交换器被惯常地释放。在引擎机舱中安装这种交换器因其负担、质量和拖距(encumbrance，mass and drag)构成对推进组件整合的主要约束。利用根据本发明实现的行星齿轮系，部分动能不在通过减速齿轮传递，而是直接传递到第二螺旋桨。结果，在交换器中扩散的热量减少了，因而后者可具有较小的尺寸。因此，这将有益于空气-油交换器的拖距、负担和质量。
本发明可应用于所有的涡轮机，尤其是可应用于已知的“开放转子”涡轮机。在后一种情况下，本发明应可用于螺旋桨系统位于气体发生器的上游或下游的情况。在这两种情况下，在螺旋桨系统内，可以预想到，可将动力涡轮定位于对转螺旋桨的上游和下游。这也是适用于关于螺旋桨的行星齿轮系的定位。
所述的第一螺旋桨优选地为下游螺旋桨，所述的第二螺旋桨为上游螺旋桨。当螺旋桨系统位于涡轮机气体产生器的下游时，也就是说，当涡轮机被设计为产生众所周知的“推出器”设计的推进力时，具体选择这种设计。自然地，可采用相反的设计，其中，所述的第一螺旋桨为上游螺旋桨，所述的第二螺旋桨为下游螺旋桨，也是本发明的范围。当螺旋桨系统位于涡轮机气体产生器的上游时，也就是说，当涡轮机被设计为产生众所周知的“拉出器”设计的推进力时，具体选择其它方案。
无论上述的何种设计中，优先地选择：无动力涡轮的所述第一转子是内部转子，无动力涡轮的所述第二转子是外部转子，无动力涡轮的所述第一转子驱动太阳齿轮，无动力涡轮的所述第二转子驱动环，尽管可能有相反的设计，这些设计也在本发明的范围内。
优选地，所述的行星齿轮支架与所述的第一螺旋桨构成一体。所述的环优选地与所述的第二螺旋桨和无动力涡轮的第二转子构成一体。
优选地，第一和第二螺旋桨其中每一个具有可变化调节其叶片的系统。众所周知，控制这些系统以便这两个螺旋桨的转速在工作中保持大体上相等，而不管发动机速度如何。
本发明的另一目的是提供一种包括上述对转螺旋桨系统的飞机涡轮机，其中，例如，该涡轮机是涡轮螺旋桨飞机发动机，而不是另一种带有对转风轮的涡轮喷气飞机。自然地，在后一种情况，上述的机械传递装置试图移动涡轮喷气飞机的对转风轮。如上所述，本发明优选具体适用于称作“开放转子”涡轮机的涡轮机，其中，无动力涡轮间接地通过机械传动系统驱动两个对转螺旋桨，所述机械传动系统形成减速齿轮并显著地包括行星齿轮系。
本发明的其它优点和特点将在下面非限制性的详细描述中显现。
附图说明
参照附图进行描述，其中：
图1示出了根据本发明优选实施例的飞机涡轮机的纵半剖面图；
图2示出了安装到图1所示的涡轮机的对转螺旋桨系统的放大图；和
图3示出了沿图2的线III-III的剖视图。
具体实施方式
参照图1，可以明白根据本发明优选实施例的“开放转子”式的涡轮机1。
在图中，方向A是指纵向或轴向，平行于涡轮机的纵轴2。对于该部件，方向B是指涡轮机的径向。此外，箭头4示出了在涡轮机1的推动作用下飞机的运动方向，其中，这种运动方向与涡轮机内气体的基本流向相反。在说明书的其它部分所使用的术语“前端”、“上游”、“后端”、“下游”应该被认为相对所述运动方向4而言的。
在前端部件中，涡轮机具有进气口6，其通过引擎机舱8与后端相连。其中，后者全面地包括外部涂层10和内部涂层12，两个后者以轴2为中心，并在径向上互相偏移。
内部涂层12形成用于气体发产生器14的外部径向壳体，从前端至后端，通常包括：低压压缩机16、高压压缩机18、燃烧室20、高压涡轮22和中压涡轮24。压缩机16和涡轮24由轴26机械地相连，这样就形成了低压主体；而压缩机18和涡轮22由轴28机械地相连，形成高压主体。结果，气体产生器14优选地为传统设计，被称作双线轴设计。
中压涡轮24的下游是对转螺旋桨30系统，形成涡轮机的容器。
该系统30包括形成低压涡轮的无动力涡轮32，该无动力涡轮32具有对转的特点。事实上，更具体地参照图2，它包括构成对转涡轮内部转子的第一转子32a、及构成该涡轮外部转子的第二转子32b。其中，第二转子32b也称作外部滚筒。
螺旋桨30系统包括定子或壳体34，其以系统的纵轴2为中心，并显著地包围所述无动力涡轮32。已知的该定子34倾向于与涡轮机的其它壳体形成一体。从这点来看，如图所示，推荐螺旋桨30系统优选地设计为，螺旋桨没有包围螺旋桨的外部径向整流板。
此外，螺旋桨系统30的对转涡轮32的下游包括第一螺旋桨7或下游螺旋桨，其支撑叶片7a。以类似的方式，系统30包括第二螺旋桨9或上游螺旋桨，其支撑叶片9a。这样，螺旋桨7和9在方向4上互相偏移，并且两者位于无动力涡轮32的下游。
两个螺旋桨7和9试图绕轴2以相反方向转动，它们以轴2为中心，并且转动相对保持不动的定子34发生。
对于这两个螺旋桨7和9的转动驱动，使用机械传动系统，所述机械传动系统形成减速齿轮并显著地包括行星齿轮系15。
参照图2和3，驱动器15与以纵轴2为中心的太阳齿轮17装配在一起，并由具有相同轴的太阳齿轮轴19支撑，通过法兰38固定地连接到上游的第一转子32a。这样，转子32a直接转动太阳齿轮17，后者采用外部齿轮的形式。
如图3所示，驱动器15还包括一个行星齿轮21，并优选地包括多个这种齿轮，其中，每个行星齿轮与太阳齿轮17啮合。每一行星齿轮21由带有轴线的行星齿轮轴23支撑，所述轴线相对轴2偏心，其采用外部齿轮的形式。
此外，驱动器15与以纵轴2为中心的行星齿轮支架25装配在一起，并通过轴23分别转动地支撑每一个卫星21。如图2所示，行星齿轮支架25由具有相同轴的行星齿轮支架轴29支撑，其与第一螺旋桨7形成一体，这样，它能够直接地转动它。
最后，驱动器15有以轴2为中心并由环轴33支撑的环31，所述环轴33与环31具有相同轴；环31与每一行星齿轮21啮合。轴33延伸到下游并与第二螺旋桨9形成一体，这样，它能够直接地转动它。例如，如图所示，该轴33绕与其同心的行星齿轮支架29的轴被定位。
采取内部齿轮形式的环31具有其它特点，由具有相同轴的另一环轴35支撑，并在上游方向延伸。该环轴35绕与其同心的太阳齿轮轴19被定位，并通过法兰40被固定地连接到第二转子32b。这样，转子32b还直接分享环31的驱动，并因此驱动上游螺旋桨9。这使在分别传递下游螺旋桨7与上游螺旋桨9的扭矩之间得到相同的比率，以便得到提高的涡轮机的效率。
最后，应该注意到，在本优选的实施例中，其中，每一个螺旋桨被配置有变化地调整叶片的系统，行星齿轮系15被定位于在壳体42中并与壳体42垂直，，所述壳体将对转无动力涡轮32和螺旋桨7、9分开，该壳体42还被称作排气壳体或“静态框”，支撑发动机固定件44，以允许涡轮机安装到飞机的结构上。
自然地，本领域技术人员可对上述的本发明进行各种变化，对本发明所进行的以上描述仅是非限制性的例子。

Claims (7)

1.一种用于飞机涡轮机的对转螺旋桨系统(30)，包括：
无动力涡轮(32)，其包括第一转子(32a)；
第一对转螺旋桨(7)和第二对转螺旋桨(9)，其相对于螺旋桨系统的定子(34)绕该螺旋桨系统的纵轴(2)转动；
机械传动系统(13)，其包括：与太阳齿轮(17)装配在一起的行星齿轮系(15)，所述太阳齿轮以所述纵轴为中心并由无动力涡轮机的所述第一转子(32a)驱动；至少一个行星齿轮(21)，其与所述太阳齿轮(17)啮合；一个或多个行星齿轮支架(25)，其驱动所述第一螺旋桨(7)；及环(31)，其与每一行星齿轮(21)相啮合并驱动所述第二螺旋桨(9)；
其特征在于，所述无动力涡轮(32)还包括第二转子(32b)，所述第二转子(32b)相对第一转子(32a)对转，并转动所述环(31)。
2.根据权利要求1所述的对转螺旋桨系统，其特征在于，所述的第一螺旋桨(7)为下游螺旋桨，所述的第二螺旋桨(9)为上游螺旋桨。
3.根据权利要求1或2所述的对转螺旋桨系统，其特征在于，所述无动力涡轮的所述第一转子(32a)是内部转子，所述无动力涡轮的所述第二转子(32b)是外部转子。
4.根据前述权利要求其中任一项所述的对转螺旋桨系统，其特征在于，所述的行星齿轮支架(25)与所述的第一螺旋桨(7)构成一体；所述的环(31)与所述的第二螺旋桨(9)和无动力涡轮的第二转子(32b)构成一体。
5.根据前述权利要求其中任一项所述的对转螺旋桨系统，其特征在于，第一和第二螺旋桨(7，9)其中每一个具有可变化调节其叶片的系统。
6.一种用于飞机的涡轮机，其包括根据前述任一权利要求的对转螺旋桨(30)系统。
7.根据权利要求6所述的涡轮机，其特征在于，所述涡轮机是“开放转子”涡轮机。
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