CN102666276A - 带有加强多边形环的螺旋桨桨毂和装有这种桨毂的涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及支撑螺旋桨叶片的多边形环(17)，其包括两个环形端部凸缘(20，21)，彼此隔开，相互平行，二者之间，带有径向圆柱形凹槽(24)的支承环(23)沿直径刚性经由根部区域(30)连接，所述支承环等角度地分布，以承接所述叶片，并通过通孔(33)而交替隔开。根据本发明，所述多边形环(17)进一步包括加强部件(26)，加强部件(26)布置在所述通孔(33)内并连接到所述对应的支承环(23)上。

Description

带有加强多边形环的螺旋桨桨毂和装有这种桨毂的涡轮发动机

技术领域

本发明涉及无导管风扇(“开式转子”)式涡轮机变螺距叶片螺旋桨桨毂。

背景技术

这种涡轮机的风扇通常包括两个对转同轴外螺旋桨，分别位于上游和下游，每个螺旋桨均由涡轮机的涡轮带动旋转并在涡轮机短舱外部大体径向延伸。

每个螺旋桨通常包括这种类型的桨毂，该桨毂包括支撑所述叶片的多边形环，与涡轮机的纵轴同心，并包括两个平行环形凸缘，在两个凸缘之间，通过从环形凸缘开始的叶根区域，沿直径固定着带圆柱形径向壳体的支撑环，所述径向壳体用来安装所述叶片。这些支承环等角度地分布在多边形环的侧向周缘上，并通过平面中间区域而彼此相隔，所述中间区域带有通孔或孔眼，连接装置将多边形环连接到涡轮机涡轮转子部件上。

叶片在多边形支撑环壳体内旋转，为此，通过适当装置带动叶片围绕其轴线旋转，以调整叶片的角距，并根据涡轮机的工作条件来对该角距进行优化。

使用时，涡轮机的旋转部件，特别是螺旋桨的桨毂和叶片，在不同程度上承受机械、热、气动力等类型的高负载。尤其是，叶片的圆柱形壳体会因为在多边形环径向支承环层面上施加的强力而趋于变形，直到其呈现一种椭圆形状。由于连接支承环至环形凸缘的根部区域很宽，因机械强度和刚性，其在支承环的很大周缘部分延伸，这些凸缘作用在支承环上的牵引力会使其呈现椭圆形状。为此，存在这样一种风险，即每个支承环圆柱形壳体和装有叶片并使得其螺距变化的旋转装置(特别是平板和冠状装置)之间的轴承的座圈会迅速损坏，达到无法保证叶片正常功能的程度，这会导致严重后果。

此外，为了减少多边形环的重量，该多边形环的直径可能会大于一米，多边形环侧向周缘中间区域上设有通孔，这些通孔是在带有安装叶片的径向壳体的支承环之间交叉连续形成。结果，大大节省了重量，而且也没有影响多边形环的机械特性。

此外，复合材料的使用越来越普遍，再一次减轻了部件的重量，同时，也考虑到了刚性和使用寿命长的因素。另外，复合材料制造螺旋桨叶片也很方便。

尽管如此，应该注意的是，在使用时，叶片根部连接到多边形环的外部，不同于其内部面向涡轮，会承受涡轮部件冷却管路内热空气流动所引起的高温。这种热空气一部分会流过多边形环中间区域的通孔并围绕叶片根部流动，使其受热。叶片的复合材料与这些温度是不兼容的。此外，尽管使用了冷却管路，同轴流过涡轮机的燃烧气体仍会保持这种高温，特别是通过部件本身来传导。

发明内容

本发明的一个目的是克服这些缺陷，而且，本发明涉及一种变螺距叶片桨毂，其中，所述多边形环的设计会特别确保支承环的圆柱形壳体不再会出现变形。

为此，这种带有纵轴的涡轮机的变螺距叶片螺旋桨桨毂包括：

支撑叶片的多边形环，与纵轴同轴，包括两个相隔的平行环形凸缘，在两个凸缘之间，通过从所述环形凸缘开始的叶根区域，沿直径固定着带圆柱形径向壳体的支撑环，所述径向壳体用来安装所述叶片，所述支承环等角度地分布在多边形环的侧向周缘上，并通过平面中间区域而彼此相隔，所述中间区域带有通孔或孔眼，以及；

连接装置将多边形环连接到涡轮机涡轮转子部件上，根据本发明，值得注意的是，两个连续支承环和环形凸缘之间形成的中间区域包括加强支承环的部件，径向和/或切向布置，并至少固定到两个连续支承环的外侧壁上。

在一个实施方案中，当它们径向地，大体平行于所述环形凸缘而布置时，每个加强部件都采用薄的刚性平板形式，径向布置在中间部件的通孔内，并通过其侧向边缘固定到两个连续支承环的对应的外侧壁上。

为此，根据本发明，径向平板加强部件包括加强筋，因为这些加强筋布置在两个连续支承环之间，垂直于其的相对连接处，经由根部区域而连接到端部环形凸缘上，从而防止所述支承环和圆柱形径向壳体因为所施加负载而出现椭圆形状。为此，后者负载会被吸收，支承环不会出现变形。而叶片旋转装置上的轴承座圈也不会受到损坏。

另外，还应注意的是，加强部件的生产简单，除了可防止支承环变形外，而且也不会引起多边形环(薄板)重量的显著增加，这也算多边形环上采用通孔所致，尤其是，根部区域小。

有利的是，支承环上环形凸缘的所述根部区域的厚度可以很小，因为使用了所述加强部件。这样，即使这会减小抵抗对叶片引起的摆动，但薄的根部区域变形的风险则会因为使用了加强部件而排除，加强部件会抗这种摆动，防止支承环变成椭圆形状。例如，根部区域的厚度可以大体上等同于所述加强部件的厚度或所述支承环的厚度。

带有支承环平板的加强部件优选位于所述多边形环中间径向平面上，垂直于纵轴并包含安装叶片的圆柱形径向壳体的几何轴线，并与多边形环两个环形凸缘等距离相隔。这样，每个支承环就会通过四个相互垂直的连接部分(两个带有环形凸缘的根部区域，两个带有支承环的加强部件)而紧紧固定，给予每个支承环令人满意的刚性。这样，加强部件就构成了加强支承环的轮盘，防止其壳体成为椭圆形状。

所述加强板材部件可以方便地在所述支承环整个高度上径向延伸。于是，实现尽可能减小支承环壳体变形和增加抵抗操作力的目的。

在另一个实施方案中，当其切向布置时，加强部件会封堵住所述连续支承环和所述环形凸缘之间形成的中间区域上的通孔，所述多边形环的所述侧向周缘呈大体实心、连续性。

于是，防止面向所述涡轮机的所述多边形环的内侧和面向所述叶片的外侧之间出现相通。

由于采用了所述多边形环的侧向周缘封闭设计方案，冷却管路得以相通，并限定在多边形环内侧上，从而流行涡轮机下游端，无需流过涡轮机。结果，采用复合材料根部的叶片可以完全安全的使用，因为他们所具有的众多优点，并可防止根部的损坏。

在最佳实施方案中，每个切向加强部件均采用薄的材料网状，所述网状结构封堵了所述多边形环的所述侧向周缘。为此，该实施方案就可以最大限度地降低所述多边形环的重量，同时，又可将多边形环内侧和装有复合材料叶片的多边形环外侧之间的热燃气流分开。

特别是，所述薄的网状结构大体上位于多边形环的厚度中间。

所述根部区域自环形凸缘处开始，沿直径连接支承环，厚度较小。这些区域的厚度大体上相当于支承环的厚度。

为此，多边形环外侧壁中间区域设置的网状结构不仅可以作为叶根的隔热屏障，而且可用作支承环和根部区域的加强筋。

后者的区域通常都比较宽，且因为机械强度和刚性而在支承环周缘大部分上延伸，结果是，这些凸缘施加给支承环的牵引力会使其变成椭圆形状。于是，存在这样一种风险，即每个支承环的圆柱形壳体和装有叶片并使得其螺距变化的旋转装置之间轴承座圈会迅速损坏，达到无法保证叶片正常功能的程度，这会导致严重后果。

减小这些根部区域的范围(厚度)就会降低这些牵引力的影响，消除支承环呈椭圆形状的风险；同时，还会降低根部区域变形的风险，而这种风险的生成是因为根部区域对叶片造成的摆动的抵抗减小，布置在所述多边形环侧向周缘处中间区域内的切向网状结构则会对付这种风险。

在再一个实施方案中，每个加强部件均采用两个垂直薄刚性板的形式，形成了十字形横截面，一个板径向布置在通孔内并连接相应的两个支承环，而垂直的另一个板则切向布置在多边形环的侧向周缘上并连接多边形环的环形凸缘以封堵通孔。

这样，不仅进一步加强了支承环的刚性，消除了支承环的变形，而且，因为通孔的封闭，可防止在涡轮机喷嘴内流动的一部分冷却热气体从多边形环内侧(涡轮机所处位置)流到螺旋桨叶片所位于的外侧而流过通孔，并可防止叶片根部过热，因为如果叶根采用复合材料制成时，其对高温是很敏感的。

加强部件，不论是径向和/或切向的，都优选与多边形环为一整体。这样，通过轧制和加工技术，所获得的整个多边形环直接为一个整体部件。显然，所述加强部件也可以固定到已经制成的多边形环上。

本发明还涉及到无导管风扇式涡轮机。有利的是，其包括了如上所定义的所述风扇的螺旋桨桨毂。

附图介绍了本发明的实施方法。在这些附图中，相似的附图标记表示相同的部件。

附图说明

图1为无导管风扇式涡轮机的纵剖面示意图。

图2为所述涡轮机上游螺旋桨局部透视图，所示多边形毂环装有螺旋桨叶片和径向加强部件。

图3为图2所示多边形环的较大比例的局部示意图，示出了用于叶片支承环的薄板径向加强部件。

图4为加强部件的横剖面视图，沿图3所示A-A线剖开。

图5为涡轮机上游螺旋桨局部透视图，所示多边形毂环装有螺旋桨叶片和切向加强部件。

图6为图5所示螺旋桨桨毂多边形环较大比例局部示意图，所示未装相应叶片，并示出了切向材料网状加强部件，该部件将支承环与安装叶片的壳体相连接。

图7为所示多边形环径向剖面图，沿图6所示A-A线剖开。

图8示出了类似图4的横剖面视图，所示为所述加强部件的不同实施方式，包括径向和切向。

具体实施方式

首先参照图1，该图示出了无导管风扇(“开式转子”)涡轮机1，该涡轮机包括---沿上游到下游方向，按涡轮机内燃气流动方向，涡轮机带有纵轴A---压气机2、环形燃烧室3、高压涡轮4，和两个对转的低压涡轮5，6，即围绕涡轮机纵轴A按彼此相反方向旋转。

每个下游的涡轮5，6被迫与外部螺旋桨7，8一起旋转，外部螺旋桨在涡轮机短舱10外径向延伸，该短舱10呈大体圆柱形，并围绕压气机2、燃烧室3和涡轮4，5和6沿轴线A延伸。

进入涡轮机的气流11被压缩，然后与燃油混合，在燃烧室3内燃烧，燃烧气体然后流过涡轮带动风扇7，8旋转，风扇提供涡轮机产生的大部分推力。离开涡轮的燃烧气体经由喷嘴12(箭头14)而被排出以增加推力。

螺旋桨7，8同轴纵向安装，包括多个叶片15，有规律地分布在涡轮机1纵轴A周围。这些叶片15大体径向延伸，均为可变螺距式，即，它们都能够围绕其自身轴线旋转，以便根据涡轮机的使用条件来优化其角度位置。

按照已知的布置形式，正如美国专利文件US-A-5263898特别描述的那样，每个螺旋桨7，8都包括一个旋转桨毂或转子部件16，主要由支撑叶片15的多边形环17构成，所述多边形环与涡轮机1纵轴A同轴置放并垂直于后者。例如，在图1和图2所示上游螺旋桨7上，桨毂16的多边形环17就位于短舱10的相应旋转部分10A内，图1简要示出了相应连接装置18与其的连接情况。

支撑叶片15的这种多边形环17通常为整体结构，其侧向周缘19包括两个平行的环形多边形凸缘(或部分)20和21，通过中间圆柱形部分22而彼此连接，诸如径向支承环(或衬套)23。这些部分均是等角度分布在多边形环17的最终侧向周缘19上，支承环的外侧壁25则形成了圆柱形径向壳体24，其轴线B在朝向涡轮机1纵轴A的同一径向平面上会聚，并用来承接叶片安装装置29。

图2从外部以图表形式更具体地示出了这些安装装置29，而且，例如，参照专利文件US-A-5263898进行了详细描述。简单地说，每个安装装置29在一侧装有叶片15的根部15A，并在另一侧在支承环23的壳体24内啮合。壳体内设置的轴承(图中未示)通过安装装置的合适装置(图中未示)而相对于多边形环的壳体旋转。于是，叶片的螺距会随着飞机的速度和飞行阶段而通过叶片旋转装置的整体控制进行修正。

此外，如图2和图3所示，圆柱形支承环23的外侧壁25通过根部或多边形环17侧向周缘19上完全相对位置上的连接区域30固定到环形凸缘20，21上，所述连接区域的高度优选与环形凸缘的高度相同。此外，应注意的是，在图2中，承接叶片15安装装置29的壳体24位于多边形环多边侧向周缘19的平面区域31(在本示例中，为12个)的相交处，特别是，所述多边侧向周缘通过相应的轧制和加工技术而制成一个整体。

另外，为了减轻多边形环17的重量，两个连续支承环之间的平面区域31带有通孔或孔眼33，由连续支承环的外侧壁25和多边形环的环形凸缘20，21的对应部分而形成分界。为此，这些通孔33在构成螺旋桨桨毂16的多边形环的侧向周缘19处与支承环23交替布置。其中两个通孔23，正如目前在生产的，在图2中的详图D中示出，根部区域30(此处只能看到其中一个)将支承环23完全地固定到环形凸缘20，21上。可以看出，所示区域的厚度或宽度很大，如上所述，因为这些凸缘作用在支承环上的牵引力，而使得该支承环呈现椭圆形。

根据本发明，在通孔33内设有加强部件26，防止支承环23的变形，特别是防止支承环因为作用在其上的强力而使其成椭圆形。为此，在图2到图4的实施方案中，加强部件26径向布置，并与两个连续支承环23的外侧壁25刚性连接，将这些外侧壁垂直连接到多边形环的环形凸缘20，21上支承环25的直径根部区域30上，即，在呈现椭圆形的高风险区域。应该注意的是，正如图2中详图D所示，与现有技术宽根部区域30相反，多边形环的其它区域30厚度e小(图3)，与支承环或加强部件的厚度大约相同，这就大大减小了凸缘作用在支承环23上的力，从而降低了呈现椭圆形的趋势。另外，加强部件26可抗叶片造成的摆动，因为降低了根部区域30的厚度e范围，从而简化风险，因为有助于提高支承环的强度，消除了根部区域层面上变形的风险，根部区域更小。

在这个实施方案中，加强部件26由薄的刚性板27构成，每个板置于通孔33内并位于多边形环17的中间径向平面上，也就是说，如图2和图4所示，垂直于涡轮机纵轴A的平面并包含承接叶片的圆柱形壳体24的几何轴线B，与多边形环的两个环形凸缘20，21之间的距离相等。如图2和图3所示，这样径向布置的薄的刚性板27可防止薄叶根区域和支承环23外侧壁25的变形，特别是叶片在其内旋转的轴承座圈。为此，这些薄板27可形成由多个加强筋构成的吸力盘。为防止变形，每个刚性薄板27都会延伸到支承环23的整个高度上，板的侧向边缘28则固定到支承环的外侧壁25上。

此外，借助于这些加强部件26和薄区域30的布置，可增强防止支承环壳体变形和支承环整体抗击各种操作力的能力，最终，避免支承环壳体和旋转安装装置29之间轴承座圈的损坏，因为每个支承环23的外侧壁25都是由四个垂直连接件(两个连接区域30，两个增强部件26)“支撑”。

此外，增加薄板27来消除小根部区域变形风险，加强支承环强度，不会引起螺旋桨7桨毂16重量的极大增加，尤其是，根部区域3小。

如上所述，多边形环17采用相应技术直接制造而成，环形凸缘20，21、支承环23和加强部件26都因此而构成同一个部件。然而，通过焊接或其它方式装配后，预期会在支承环外侧壁之间形成薄的刚性板。

下面参照图5到图7介绍加强部件26的另一个实施方案。首先，应该注意的是，叶片安装装置29与前一个实施方案相同。简单地说，对于每个装置来讲，都对应于板29A，该板在一侧通过销铰接、榫头和榫眼接合、或其它连接形式装有叶片15的根部15A，而其另一侧与支承环23壳体24内的多边形环的外部相衔接。同时，在壳体24内还安装有冠状部件29B，但其从多边形环17内部固定到板上，并可使后者保持轴向不动，以及在板和冠状部件之间的壳体内提供的轴承(图中未示)，通过合适装置(图中未示)使得板相对于多边形环的壳体旋转，从而实现对叶片螺距的修正。

圆柱形支承环23的外侧壁25通过根部或连接区域30而固定到环形凸缘20，21上，所述连接区域位于多边形环17侧向周缘19上完全相对的位置上。这些区域30的高度优选与环形凸缘的高度相同。此外，从图5中可以看到，承接叶片15的安装装置29的壳体24依旧位于构成支承环多边侧向周缘19的中间平面区域31的相交处。特别是，支承环多边侧向周缘19通过合适的轧制和加工技术制成一个整体。

尽管在图5中的详图D局部示出的前面实施方案中，多边支承环17侧向周缘19的中间平面区域31包括在环形端部凸缘20，21和圆柱形支承环23之间设有通孔或孔眼33，此处没有材料，但这些中间平面区域31是实心的和连续的。为此，开口33上提供有加强部件26，在这个实施方案中，加强部件26为切向的，每个都采取材料网或带薄壁35的板34的形式，如图5和图7所示。为此，带薄壁35的这些网34在多边形环的侧向周缘19处构成了多边形环内侧和外侧之间切向隔板，多边形环的内侧面向涡轮机1涡轮5，6，而外侧面向螺旋桨7叶片15。于是，很显然，这种隔板相通，从而对低压涡轮5冷却管路热燃气流动实现热隔离开，防止其如前所述流过通孔，对螺旋桨叶片15根部15A造成过热，特别是当螺旋桨叶片采用复合材料制成时，因为复合材料对热要比金属更敏感。

除了排出热的冷却流外，通过边界层内的空气也可获得对螺旋桨叶片根部的适当冷却。

这样，叶片根部在多边形环17的外部层面上可保持在适当温度，不会加热多边形环。

从结构示意图上可以看出，在多边形环17生产期间，可以直接制造成材料网34。这些材料网自然随后予以固定。可以看出，特别是在图4中，材料网34厚度最小，不会增加多边形环的重量。

虽然带有薄的材料网34的加强部件26基本上都位于多边形环形17的厚度中央，当然，在不脱离本发明范围的情况下，它们都可位于多边形环外侧和内侧之间的不同位置。

另外，如前所述，从图5的详图D可以看出，根部区域30较厚，占了支承环大部分周缘部分。另一方面，材料网34布置在中间区域31时，根部区域30的厚度e小(图2和图3)，稍稍加大了中间区域。厚度e可以与支承环侧壁厚度大致相同。如上所述，降低根部区域厚度可以显著降低凸缘作用在支承环上的牵引力的影响，从而，消除了多边形环呈椭圆形的风险，抗叶片造成的摆动(这种抗摆动会存在叶根区域变形的风险)也会因为采用切向材料网34而抵消，切向材料网34封堵和加强了多边形环侧向周缘。

或者，在不同的实施方案中，每个加强部件26都会有十字形横截面，例如，按图8所示方式。这样，第一刚性薄板27A就以与图2到图4此前实施方案的完全相同方式置放，而第二薄板27B则用作加强网，垂直于第一薄板，并从其每侧开始，切向延伸到相应的通孔33内，直到其与环形凸缘20，21以及支承环23外侧壁相抵，如图5到图7实施方案所示。

为此，多边形环17侧向周缘19处的通孔33就会被全部封堵，十字形加强部件26有助于进一步整体上加强支承环和环形17，同时，也有助于使安装叶片15的桨毂16的外侧与安装涡轮的内侧实现热隔离。于是，在涡轮机内流动的冷却热燃气流就会与带有多边形环的桨毂的内侧相通，而不再流过通孔，因为流过通孔会对螺旋桨叶片根部带来过热的风险，而螺旋桨叶片如果采用复合材料制成时，这种情况尤为关键。

Claims (12)

1.一种用于带有纵轴的涡轮机的可变螺距叶片螺旋桨桨毂，其包括：

支撑叶片(15)的多边形环(17)，与纵轴同轴，并包括两个隔开的平行环形凸缘(20，21)，两个凸缘之间，通过自所述环形凸缘开始的根部区域(30)，沿直径固定带承接叶片的圆柱形径向壳体(24)的支承环(23)，所述支承环(23)等角度地分布在多边形环侧向周缘处，并通过带有通孔(33)的中间区域(31)而彼此隔开，以及

将多边形环(17)连接到涡轮机涡轮转子部件上的连接装置(18)，

其特征在于，两个同轴支承环和环形凸缘之间形成的中间区域(31)包括了加强支承环(23)的部件(26)，所述部件径向和/或切向布置并至少固定到两个连续支承环的外侧壁上。

2.根据权利要求1所述的桨毂，其特征在于，所述加强部件(26)，在径向地，大体平行于所述环形凸缘布置时，每个部件均呈薄的刚性板(27)形式，径向布置在通孔(33)内，并通过其侧向边缘(28)而固定到两个连续支承环的对应外侧壁(25)上。

3.根据权利要求2所述的桨毂，其特征在于，支承环(23)上环形凸缘(20，21)的所述根部区域(30)的厚度(e)小，大体上与所述加强部件(26)或所述支承环(23)的厚度大约相等。

4.根据权利要求2或3所述的桨毂，其特征在于，带有支承环(23)平板(27)的加强部件(26)位于多边形环中间径向平面上，与纵轴(A)垂直，并包含了承接叶片的圆柱形径向壳体(24)的几何轴线(B)，并与多边形环两个环形凸缘(20，21)等距离。

5.根据权利要求2到4其中一项所述的桨毂，其特征在于，带有平板(27)的加强部件(26)在所述支承环(23)的整个高度上径向延伸。

6.根据权利要求1所述的桨毂，其特征在于，当加强部件(26)切向布置时，加强部件(26)封堵了所述连续支承环和所述环形凸缘之间形成的中间区域(31)的通孔(33)，所述多边形环的所述侧向周缘(19)大体上是实心的和连续的。

7.根据权利要求6所述的桨毂，其特征在于，加强部件(26)呈薄的材料网状结构(34)的形式，所述网状结构封堵了多边形环(17)的侧向周缘(19)。

8.根据权利要求7所述的桨毂，其特征在于，所述薄的网状结构(34)大体上位于所述多边形环(17)的厚度的中间。

9.根据权利要求6到8任何一项所述的桨毂，其特征在于，自环形凸缘(20，21)开始和沿直径连接支承环(23)的所述根部区域(30)的厚度(e)很小，大体上与所述支承环(23)的厚度大约相同。

10.根据权利要求1所述的桨毂，其特征在于，每个加强部件(26)采用两个薄的刚性板(27A，27B)的形式，彼此垂直，形成十字横截面，一个板(27A)径向布置在所述通孔(33)内并连接相应的两个支承环，另一个板(27B)垂直于支承环，切向布置在多边形环的侧向周缘(19)，并连接支承环的所述环形凸缘，以封堵所述通孔。

11.根据权利要求1到10任何一项所述的桨毂，其特征在于，所述加强部件(26)与所述多边形环(17)为一整体或固定连接到多边形环(17)上。

12.一种无导管风扇式涡轮机，其特征在于，其包括至少一个根据前面权利要求1到11任一项所述的螺旋桨桨毂(16)。

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