CN102317598A - 紧凑型对转螺旋桨系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于飞机喷气发动机的对转螺旋桨系统(30)，该系统包括：自由涡轮(32)；对转的第一螺旋桨(7)和第二螺旋桨(9)，所述第一螺旋桨相对所述第二螺旋桨以预定方向设置，所述第一和第二螺旋桨(7，9)中的每一个包括：毂(48a，48b)，外部套圈(56a，56b)，以及连接所述外部套圈和所述毂的连接臂(60a，60b)；插入在所述自由涡轮(32)和所述螺旋桨之间的壳体(42)，所述螺旋桨相对于所述壳体以预定方向设置，所述自由涡轮相对于所述壳体以相反的方向设置，所述壳体在给定方向包括壳体延长部(46)，该壳体延长部(46)旋转支撑所述螺旋桨(9)的所述毂(48b)。根据本发明，所述连接臂(60b)在所述相反方向径向向外延伸。

Description

紧凑型对转螺旋桨系统
技术领域
本发明大体上涉及用于飞机涡轮机的对转螺旋桨系统。
本发明还涉及用于包括上述对转螺旋桨系统的飞机涡轮机。
优选地，本发明应用于飞机涡轮机，例如，涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机。更具体地，本发明应用于所谓的开式转子涡轮机，在该开式转子涡轮机中，自由涡轮通过机械传动装置直接或间接地驱动对转螺旋桨，所述机械传动装置形成减速器并优选地包括周转齿轮系。因此，在这些对转螺旋桨系统中，螺旋桨的外部径向端不具有整流罩。
背景技术
现有技术中，已经公知涡轮机具有对转螺旋桨系统，该系统中的螺旋桨由机械传动装置驱动，典型地，该机械传动装置的形式为差速减速器。这种差速减速器具有特殊的周转齿轮系，该周转齿轮系的太阳轮被自由涡轮的转子驱动旋转，由此行星架驱动第一螺旋桨，周转齿轮系的齿冠驱动第二螺旋桨。就此而言，根据对转螺旋桨相对于驱动它们的自由涡轮的位置，第一螺旋桨构成下游螺旋桨，第二螺旋桨构成上游螺旋桨，反之亦然。但是，不论何种情况，与简单的周转齿轮系不同，齿冠不是静止的，而是移动的。
通常，第一和第二螺旋桨中的每一个都包括：中心位于纵向轴线上的毂；外部套圈，该外部套圈设置为与毂同中心，并在外部径限定涡轮机的主环形通道；以及将外部套圈连接至毂的连接臂。
此外，自由涡轮和第一及第二螺旋桨之间插入有壳体。该壳体具有朝向最近的螺旋桨的壳体延伸部，该延伸部可旋转地支撑螺旋桨的毂。
这种配置意味着上述螺旋桨的很大一部分，甚至整个螺旋桨都要与保证对其旋转支撑的壳体延伸部轴向地偏移。从机械方面考虑，这就需要使用悬臂进行管理，而且，特别是为了将滚动轴承分离以产生可接受的旋转引导，通常需要对壳体延伸部进行实质性地延长。
上述局限性等于要对螺旋桨系统进行轴向延长，这样做在质量和体积上都是代价高昂的。
发明内容
本发明旨在相对于现有技术实施方式至少部分地解决上述缺陷。
为此，本发明首先涉及用于飞机喷气发动机的对转螺旋桨系统，该系统包括：
自由涡轮；
绕螺旋桨系统的纵向轴线对转的第一螺旋桨和第二螺旋桨，所述第一螺旋桨相对于所述第二螺旋桨以预定方向设置，所述第一螺旋桨和第二螺旋桨中的每一个包括中心位于所述纵向轴线上的毂，与所述毂同中心设置并在外部径向限定主环形通道的外部套圈，以及将外部套圈连接至毂的连接臂；
由所述自由涡轮驱动的机械传动装置，该机械传动装置驱动所述第一螺旋桨和第二螺旋桨；以及
插入在自由涡轮和第一及第二螺旋桨之间的壳体，所述第一及第二螺旋桨相对于壳体以预定方向设置，所述自由涡轮相对于所述壳体位于相反的方向，所述壳体在给定方向具有壳体延伸部，该壳体延伸部旋转支撑螺旋桨的毂。
根据本发明，第二螺旋桨的连接臂在相反方向径向地向外部延伸。
本发明中，第二螺旋桨的连接臂倾斜，由此使得连接臂在向外部径向延伸时离壳体更近，这样能够总体上使叶片离所述壳体更近。
使叶片离壳体更近带来的一个结果是螺旋桨系统在轴向上的长度减小，由此产生质量和体积效益。
这样做带来的另一个结果是限制了第二螺旋桨的相对于壳体延伸部的悬臂式部分。换句话说，连接臂的特定倾斜能够使第二螺旋桨的质量中心朝向壳体偏移，由此相对于前述实施方式减小了悬臂。因此，用于引导第二螺旋桨的毂的壳体延伸部在轴向上能够更小，相对于以前的使用更大的的悬臂的技术方案，滚动轴承之间所需的空间也减少。这样产生额外的质量和体积效益。
本发明适用于所有的涡轮机，特别是所谓的开式转子涡轮机。在开式转子涡轮机中，不论螺旋桨系统位于气体发生器的上游或者下游，本发明都能够适用。不论是螺旋桨系统位于气体发生器的上游或者下游的开式转子涡轮机，都可以考虑在螺旋桨系统中将动力涡轮安装在对转螺旋桨的上游，或者下游。这也适合用于周转齿轮系相对于螺旋桨的位置。
优选地，上述的预定方向为下游方向。由此，第一螺旋桨为下游螺旋桨，所述第二螺旋桨为上游螺旋桨。这种特定安排特别是在当螺旋桨系统安装在涡轮机的气体发生器的下游时，即，当气体发生器采用确保推进力的被称作“推进器”的设计时被选用。当然，在不超出本发明范围的情况下，可以考虑相反的设计，其中上述的预定方向为上游方向。所述第一螺旋桨为上游螺旋桨，所述第二螺旋桨为下游螺旋桨。这种技术方案特别是在当螺旋桨系统安装在涡轮机的气体发生器的上游时，即，当气体发生器采用确保拉动力的被称作“拉动器”的设计时被选用。
不论考虑上述设计的哪一种，都优选地使得属于第二螺旋桨的每一个连接臂的至少一部分相对于插入在所述壳体延伸部和第二螺旋桨的毂之间的滚动轴承以相反的方向设置。
同样，第二螺旋桨优选地包括多个叶片，其中每一个叶片安装为使得其围绕枢轴以迎角方向(in incidence)被操纵，所述枢轴相对于插入在壳体延伸部和第二螺旋桨的毂之间的滚动轴承以相反的方向设置。
如上描述的两种配置借助第二螺旋桨的臂的特定倾斜来实现，说明了本发明能够重设第二螺旋桨的朝向壳体的质量中心，该壳体将第二螺旋桨与自由涡轮隔开。
优选地，所述第二螺旋桨的毂旋转地支撑所述第一螺旋桨的毂。
优选地，所述第一螺旋桨的连接臂在所述预定方向向外径向延伸。但是在不超出本发明范围的情况下，也可以选用其他的配置。
优选地，第一螺旋桨的连接臂支撑在内部径向限定主环形通道的第一中间套圈，第二螺旋桨的连接臂支撑在内部径向限定主环形通道的第二中间套圈，所述第一中间套圈在给定方向位于第二中间套圈的连续部分。
优选地，第一螺旋桨的连接臂及其相关的外部套圈和中间套圈一体式形成，第二螺旋桨的连接臂及其相关的外部套圈和中间套圈也一体式形成。可替代地，上述两个一体式组件中的每个可以由多个互相连接在一起的部分形成。
如上所述，所述预定方向优选地为下游方向。
优选地，所述机械传动装置包括周转齿轮系，该周转齿轮系包括定中心位于纵向轴线上并被自由涡轮的转子驱动的太阳轮，至少一个与所述太阳轮啮合的行星轮，驱动所述第一螺旋桨的行星架，以及与每个行星轮啮合并驱动第二螺旋桨的齿冠。
优选地，所述行星架连接至所述第一螺旋桨的毂，齿冠连接至所述第二螺旋桨的毂。
优选地，每个外部套圈支撑相关螺旋桨的叶片的保持环。
优选地，第一螺旋桨和第二螺旋桨的每一个包括用于其叶片的变量校准系统。以公知的方式，这些系统使得两个螺旋桨的旋转速度在运行过程中基本保持恒定，而不用考虑额定值功率。
本发明还涉及飞机涡轮机，其包括上述的对转螺旋桨系统，例如，该涡轮机可以为涡轮螺旋桨发动机，但是也可以为具有对转风扇的喷气发动机。在后一种情况中，上述的机械传动装置用于驱动喷气发动机的对转风扇。优选地，如上所述，本发明特别应用于所谓的开式转子涡轮机，在该开式转子涡轮机中，自由涡轮通过机械传动装置间接地驱动两个对转螺旋桨，所述机械传动装置形成减速器并包括周转齿轮系。
下面进行的非限制性具体描述将体现本发明的其他优点和特征。
附图描述
下面的描述参考如下附图，其中：
图1示出了根据本发明优选实施方式的飞机涡轮机的纵向半截面图解视图；
图2示出了沿图1所示Ⅱ-Ⅱ线的截面图；
图3a和3b示出了从不同角度观察的装配于图1所示涡轮机的对转螺旋桨系统的部分透视图；以及
图4示出了前图所示对转螺旋桨系统的一部分的放大截面图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明优选实施方式的开式转子类型的涡轮机1。
在上述图中，方向A对应于与涡轮机的纵向轴线2平行的纵向或轴向。方向B对应于涡轮机的径向。此外，箭头4表示飞机在涡轮机1的推力作用下飞行的方向，该飞行方向与涡轮机内部气体的主流动方向相反。下文所用术语“前”，“上游”，“后”，以及“下游”是相对于飞行方向4而言的。
在前面部分中，涡轮机具有进气口6，该进气口通过引擎舱8向后面延续，该引擎舱包括外蒙皮10和内蒙皮12，所述外蒙皮和内蒙皮的中心都位于轴线2上，并彼此径向偏移。
内蒙皮12形成气体发生器14的外部径向壳体，通常，该气体发生器14从前到后包括低压压缩机16，高压压缩机18，燃烧室20，高压涡轮22，以及中压涡轮24。压缩机16和涡轮24通过轴26机械连接，形成低压体，而压缩机18和涡轮22通过轴28机械连接，形成高压体。因此，气体发生器14为传统设计，称为“双体”。
中压涡轮24的下游具有对转螺旋桨系统30，其形成涡轮机的接收器。
系统30包括自由涡轮32，其形成低压涡轮。该涡轮包括构成涡轮的内部部分的转子32a，以及构成涡轮的外部部分的定子32b，该定子32b固定连接至所述螺旋桨系统的固定壳体组件34，该固定壳体组件34的中心位于系统的纵向轴线2上。以公知的方式，定子32b固定至涡轮机的其他壳体。在这方面，如附图所示，螺旋桨系统30优选地设计为螺旋桨不具有环绕螺旋桨的外部径向整流罩。
此外，在对转涡轮32的下游，螺旋桨系统30包括支撑叶片7a的第一螺旋桨7或下游螺旋桨。同样，螺旋桨系统30包括支撑叶片9a的第二螺旋桨9或上游螺旋桨。由此，螺旋桨7和9在方向4上互相偏移，两者都位于自由涡轮32的下游。
两个螺旋桨7和9绕轴线2以相反的方向旋转，该螺旋桨7和9的中心位于轴线2上，所述旋转为相对于保持不动的定子34而言。
为驱动螺旋桨7和9旋转，提供了形成减速器并特别包括周转齿轮系15的机械传动装置13。
参考图1和2，齿轮系15包括太阳轮17，该太阳轮的中心位于纵向轴线2上，并由具有相同轴线的太阳轮轴19支撑，该太阳轮轴19通过凸缘38一体连接至转子32a的上游。由此，转子32a直接驱动太阳轮17旋转，太阳轮的形式为向外的齿轮。
齿轮系15还包括行星轮21，优选地，如图2所示，每个行星轮与太阳轮17啮合。每个行星轮21由轴线相对于轴2中心偏移的行星轮轴23支撑，并且形式为向外的齿轮。
此外，齿轮系15装配有中心位于纵向轴线2上，并通过轴23分别旋转支撑每个行星轮21的行星架25，如图1所示，该行星架25由具有相同轴线的行星架轴29支撑，该行星架轴29连接至第一螺旋桨7，由此能够直接驱动该第一螺旋桨7旋转。
最后，齿轮系15包括中心位于轴线2上并由具有相同轴线的齿冠轴33支撑的齿冠31，该齿冠31与每个行星轮21啮合。轴33向下游延伸，并连接至第二螺旋桨9，由此能够直接驱动该第二螺旋桨9旋转。例如，轴33位于与其同心的行星架轴29附近。齿冠31的形式也为向内的齿轮。
在已描述的每个螺旋桨配置有对其叶片进行变量校准的系统的优选实施方式中，周转齿轮系15位于插入在自由涡轮32和螺旋桨7、9之间的壳体42内。该壳体42也被称为擒纵壳体或“静态框架”，其支撑发动机架44，如图2、3a和3b中所示，该发动机架44用于确保将涡轮机安装在飞机结构上。通常，机械传动装置位于壳体42的毂内。
螺旋桨位于壳体42的下游，自由涡轮32位于壳体42的上游，该壳体42包括相对于该壳体的中心部分向下游延伸的壳体延伸部46。该延伸部46的形式为中心位于轴2上的空心圆柱体，并旋转支撑第二螺旋桨的毂48b，如图1所示，该毂48b与齿冠轴33结合。上述旋转支撑是通过两个滚动轴承50实现的，所述两个滚动轴承50在方向A彼此分开，并插入在延伸部46和毂48b之间。为改善延伸部46的刚性和机械维护性，延伸部46通过加强肋52连接至壳体42的中心部分，所述加强肋52绕所述延伸部分布，并且每个加强肋52径向延伸。
第二螺旋桨9还具有外部套圈56b，该外部套圈设置为与毂48b同中心，并在外部径向限定主环形通道58。
此外，第二螺旋桨9还包括多个将外部套圈56b连接至毂48b的连接臂60b。本发明的一个特点在于，从上游方向开始，每个臂60b从内部径向臂向连接至套圈56b的外部径向端延伸，所述内部径向臂连接至毂48b的在壳体延伸部46的下游突出的部分。在图1所示的截面图中，臂60b和方向B之间的角度可以为20至50度。
此外，第二螺旋桨的连接臂60b支撑设置在毂48b和外部套圈56b之间的第二中间套圈62b，该套圈62b在内部径向限定主环形通道58。自然地，毂48b，设置于图3a和3b所示的星形件中的臂60b，以及套圈62b和56b形成沿轴线2旋转固定的组件。
在优选实施方式中，为限定壳体延伸部46处的悬臂，每个连接臂60b的至少一部分位于最下游的滚动轴承50的上游。由于臂60b的特定倾斜，这涉及到臂的径向外部部分。此外，图1示出了每个叶片9a安装为可以通过其变量校准系统(未示出)以迎角方向绕其枢轴64b被操纵。为限制悬臂，枢轴64b，更一般地，包含有叶片9a的轴64b的组的横向平面位于最下游的滚动轴承50的上游。
齿冠轴33的形式为中心位于轴线2上的空心圆柱体，旋转支撑第一螺旋桨的毂48a，如图1所示，该毂48a与行星架轴29结合。上述旋转支撑是通过两个滚动轴承66实现的，所述两个滚动轴承66在方向A彼此分开，并插入在两个毂48b和48a之间。
第一螺旋桨7还具有外部套圈56a，该外部套圈设置为与毂48a同中心，并在外部径向限定主环形通道58。其位于第二螺旋桨的下游空气动力延伸部56b中。
此外，第一螺旋桨7还包括多个将外部套圈56a连接至毂48a的连接臂60a。在此，从下游方向开始，每个臂60a从内部径向端向连接至套圈56a的外部径向端延伸，所述内部径向端连接至毂48a的朝中空毂48b的下游方向突出的部分。在图1所示的截面图中，臂60a和方向B之间的角度可以为20至50度。但是，可以考虑其他的配置，为臂60a，60b所选的倾斜特别取决于叶片9a和7a之间的在方向A上的期望间隔，该间隔是为了响应声学应力。例如，臂60a可以同连接臂60b那样在上游方向倾斜。
除在轴向方向倾斜外，连接臂还可以相对于切线方向的气流被校准，以限制由其引起的空气阻力。
此外，第一螺旋桨的连接臂60a支撑设置在毂48a和外部套圈56a之间的第一中间套圈62a，该套圈62a在内部径向限定主环形通道58。其位于第二螺旋桨的中间套圈62b的下游空气动力延伸部中。自然地，毂48a，设置于图3a和3b所示的星形件中的臂60a，以及套圈62a和56a形成沿轴线2旋转固定的组件。如图3a和3b所示，为清晰起见，外部套圈56a和56b断续示出，而中间套圈62a和62b主动省略。
图4中，可以看到第二螺旋桨的外部套圈56b在壳体42和套圈56a之间以整体，或多个互相连接的部分的形式延伸，支撑叶片9a的保持环68b。该环68b包括多个孔，每个孔用以容纳叶片9a的根部，所述环总体上相对于连接臂60b的外部径向端位于上游方向。同样，第一螺旋桨的外部套圈56a在下游方向从套圈56b以整体，或多个互相连接的部分的形式延伸，支撑叶片7a的保持环68a。该环68a包括多个孔，每个孔用以容纳叶片7a的根部，所述环总体上位于连接臂60a的外部径向端位。
根据特定实施方式，第一一体式组件由连接臂60a，外部套圈56a以及中间套圈62a形成，另一个一体式组件由连接臂60b，外部套圈56b以及中间套圈62b形成。
当然，本领域技术人员可以对上面纯粹作为非限制性例子描述的发明做出各种修改。

Claims (14)

1.用于飞机喷气发动机的对转螺旋桨系统(30)，该对转螺旋桨系统包括：
自由涡轮(32)；
绕所述螺旋桨系统的纵向轴线(2)对转的第一螺旋桨(7)和第二螺旋桨(9)，所述第一螺旋桨相对所述第二螺旋桨以预定方向设置，所述第一和第二螺旋桨(7，9)中的每一个包括：中心位于所述纵向轴线(2)上的毂(48a，48b)，与所述毂同中心设置并在外部径向限定主环形通道(58)的外部套圈(56a，56b)，以及将所述外部套圈连接至所述毂的连接臂(60a，60b)；
由所述自由涡轮驱动的机械传动装置(13)，其驱动所述第一和第二螺旋桨(7，9)；
插入在所述自由涡轮和所述第一和第二螺旋桨(7，9)之间的壳体(42)，所述第一和第二螺旋桨(7，9)相对于所述壳体以所述预定方向设置，所述自由涡轮相对于所述壳体位于相反的方向，所述壳体在给定方向具有壳体延长部(46)，该壳体延长部(46)旋转支撑所述螺旋桨(9)的所述毂(48b)；
其特征在于，所述第二螺旋桨的所述连接臂(60b)在所述相反方向径向向外延伸。
2.如权利要求1所述的对转螺旋桨系统，其特征在于，该对转螺旋桨系统设置为使属于所述第二螺旋桨(9)的每个所述连接臂(60b)的至少一部分相对于滚动轴承(50)以所述相反方向设置，所述滚动轴承(50)插入在所述壳体延长部(46)和所述第二螺旋桨的所述毂之间。
3.如权利要求1或2所述的对转螺旋桨系统，其特征在于，所述第二螺旋桨包括多个叶片(9a)，每个所述叶片安装为能够绕枢轴(64B)以迎角方向被操纵，其特征还在于所述枢轴相对于滚动轴承(50)以所述相反方向设置，所述滚动轴承(50)插入在所述壳体延长部(46)和所述第二螺旋桨的所述毂之间。
4.如前述权利要求任意一项所述的对转螺旋桨系统，其特征在于，所述第二螺旋桨的所述毂(48b)旋转支撑所述第一螺旋桨的所述毂(48a)。
5.如前述权利要求任意一项所述的对转螺旋桨系统，其特征在于，所述第一螺旋桨(7)的所述连接臂(60a)以所述相反方向径向向外延伸。
6.如前述权利要求任意一项所述的对转螺旋桨系统，其特征在于，所述第一螺旋桨(7)的所述连接臂(60a)支撑第一中间套圈(62a)，该中间套圈(62a)在内部径向限定所述主环形通道(58)，其特征还在于所述第二螺旋桨(9)的所述连接臂(60b)支撑第二中间套圈(62b)，该第二中间套圈(62b)在内部径向限定所述主环形通道(58)，所述第一中间套圈(62a)在所述给定方向位于所述第二中间套圈(62b)的连续部分。
7.如权利要求6所述的对转螺旋桨系统，其特征在于，所述第一螺旋桨(7)的所述连接臂(60a)及其相关的外部套圈(56a)和中间套圈(62a)形成一体式的部件，所述第二螺旋桨(9)的所述连接臂(60b)及其相关的外部套圈(56b)和中间套圈(62b)也形成一体式的部件。
8.如前述权利要求任意一项所述的对转螺旋桨系统，其特征在于，所述预定方向为下游方向。
9.如前述权利要求任意一项所述的对转螺旋桨系统，其特征在于，所述机械传动装置(13)包括周转齿轮系(15)，该周转齿轮系(15)包括中心位于所述纵向轴线(2)上并由所述自由涡轮(32)的转子驱动的太阳轮(17)，至少一个与所述太阳轮(17)啮合的行星轮(21)，驱动所述第一螺旋桨(7)的行星架(25)，以及与每个所述行星轮(21)啮合并驱动所述第二螺旋桨(9)的齿冠(31)。
10.如前述权利要求任意一项所述的对转螺旋桨系统，其特征在于，所述机械传动装置(13)位于所述壳体(42)的毂中。
11.如前述权利要求任意一项所述的对转螺旋桨系统，其特征在于，所述行星架(25)连接至所述第一螺旋桨(7)的所述毂(48a)，其特征还在于所述齿冠(31)连接至所述第二螺旋桨(9)的所述毂(48b)。
12.如前述权利要求任意一项所述的对转螺旋桨系统，其特征在于，每个所述外部套圈(56a，56b)支撑相关螺旋桨的所述叶片的保持环(68a，68b)。
13.包括如前述权利要求任意一项所述的对转螺旋桨系统(30)的飞机涡轮机。
14.如权利要求13所述的涡轮机，其特征在于，该涡轮机为开式转子涡轮机。
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