CN104443400A - 反向旋转开式风扇推进系统 - Google Patents

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Abstract

在一个方面中，推进系统包括发动机和耦接到该发动机的驱动组件，该驱动组件包括第一驱动轴、第一风扇和离合器组件，其中第一驱动轴围绕第一轴线在第一方向上是可旋转的，第一风扇耦接到第一驱动轴以在第一方向上旋转，离合器组件选择性地从第一驱动轴脱开第一风扇。可以描述其他方面。

Description

反向旋转开式风扇推进系统
技术领域
本文描述的主题涉及飞机推进器系统，并且更具体地，包括反向旋转推进器系统的那些，所述反向旋转推进器系统可以被结合在飞机发动机中。
背景技术
由于反向旋转开式风扇飞机发动机的效率，所以特别是随着燃料价格上涨，配备有反向旋转推进器系统的开式风扇飞机发动机继续对航空工业产生兴趣。反向旋转推进器系统由于其以高速度产生足够推力的效率和能力而是特别令人感兴趣的。
基于在工业的先前经验，由反向旋转推进器产生的有效感觉噪声水平超过由飞机监管机构设定的噪声阀值，这致使反向旋转发动机系统的使用有商业应用的问题。因此，使得旋转发动机系统中噪声水平降低的技术会具有实用性。
发明内容
一方面，驱动组件包括第一驱动轴、第一风扇和离合器组件，其中第一驱动轴围绕第一轴线在第一方向上是可旋转的，第一风扇耦接到第一驱动轴以在第一方向上旋转，离合器组件选择性地从第一驱动轴脱开第一风扇。
另一方面，推进系统包括发动机和驱动组件，该驱动组件耦接到发动机且包括第一驱动轴、第一风扇和离合器组件，其中第一驱动轴围绕第一轴线在第一方向上是可旋转的，第一风扇耦接到第一驱动轴以在第一方向上旋转，离合器组件选择性地从第一驱动轴脱开第一风扇。
另一方面，提供了一种飞机。在一个示例中，飞机包括机身、发动机和耦接到该发动机的驱动组件，该驱动组件包括第一驱动轴、第一风扇和离合器组件，其中第一驱动轴围绕第一轴线在第一方向上是可旋转的，第一风扇耦接到第一驱动轴以在第一方向上旋转，离合器组件选择性地从第一驱动轴脱开第一风扇。
本文所讨论的特征、功能和优点可以在本文所述的各种实施例中独立实现，或者可以在其他实施例中结合，其进一步细节可以参照下列描述和附图看到。
附图说明
参照附图描述详细说明。
图1是根据各方面的飞机的示意性框图，该飞机包括反向旋转开式风扇推进系统。
图2A-2B是根据第一方面的驱动组件的示意图。
图2C是根据第一方面的推进系统的示意图。
图3A-3B是根据第二方面的驱动组件的示意图。
图3C是根据第二方面的推进系统的示意图。
图4A-4B是根据第三方面的驱动组件的示意图。
图4C是根据第三方面的推进系统的示意图。
图5A和图5B是根据各方面的液压回路的示例。
图6是根据各方面的飞机的示意图。
具体实施方式
在下列描述中，阐述许多具体细节，以提供对各种实施例的全面理解。然而，本领域的技术人员将理解的是，各种实施例可以在无特定细节情况下实践。在另一些情况中，未详细示出或描述众所周知的方法、过程、部件和回路，以便不模糊具体实施例。
如上所述，至少部分由于两排反向旋转叶片之间的相互作用所引起的空气湍流，反向旋转发动机系统产生显著噪声。例如，当后排叶片横穿在前排叶片后方产生的低压尾流时，产生噪声。
相互作用噪声通常由以第一叶片流道频率谐振的音调或此频率的任何整数谐波组成。反向旋转推进器的理想叶片流道频率可使用等式1确定：
等式(1)   ΩBPF＝n(B1Ω1-B2Ω2)
在等式(1)中，ΩBPF表示叶片流道频率，B1表示前排叶片数量，B2表示后排叶片数量，Ω1表示前排转速，并且Ω2表示后排转速。Ω1和Ω2都被定义为在顺时针方向具有正值且在逆时针方向具有负值。
为了消除转子-至-转子相互作用噪声，会理想地优选叶片流道频率趋于零。通过数学推导，可以观察到如果B1和B2相等以及Ω1和Ω2相等，则叶片流道频率将趋于零。这等同于其中前排和后排都具有相同数量的叶片并且以完全相等的转速且在相同方向上旋转这一情况。
本文描述的是用于反向旋转发动机系统的示例性驱动组件，以及包括此类驱动组件配置的推进系统和飞机。在各个方面，驱动组件具有离合器组件，以选择性地从驱动轴脱开反向旋转风扇发动机系统的后风扇，其中该驱动轴提供动力到该后风扇。该离合器组件可以被设置作为风扇齿轮箱的一体部分，或者被安装在风扇齿轮箱的输出上。
在一些方面，可改变后排叶片的桨距，以促进其无源旋转，即在与前风扇相同的方向上来自前风扇的气流的影响下风车式转动。在另一些方面，可允许后风扇在离合器组件的阻力下减慢旋转，然后经由齿轮箱重新接合后风扇到驱动轴，其中该齿轮箱在与前风扇相同的方向上驱动后风扇。在另一些方面，制动系统可以被包括作为离合器组件的一体部分，以促进两种模式之间的更快过渡。这种系统将选择性地通过液压手段增加由离合器组件引起的阻力，这导致后转子具有更短的旋转减慢时间。因此，根据本文所述各方面构造的驱动组件能够使反向旋转发动机系统的后风扇选择性地脱开且使风扇叶片重新定位，例如，在着陆和起飞飞行航段或其中降低来自飞机的噪声可以是有用的其他飞行航段期间，并且随后所述驱动组件可以被重新接合，从而驱动处于反向旋转配置的后风扇。
在此文件中，离合器被定义为一种装置，即当接合时，该装置提供对从驱动部件(动力源)至被驱动部件(风扇系统)的转矩传输的选择性调节，但其可以被脱开或部分接合以允许持续传输一定分数比的动力。在此应用中，离合器可以是传统的(湿式或干式)摩擦离合器或流体耦接装置。
图1是根据各方面的飞机的示意性框图，该飞机包括反向旋转开式风扇推进系统。参照图1，飞机100包括机身102和推进系统110。推进系统110包括至少一个发动机120和耦接到发动机120的驱动组件130。驱动组件130包括第一驱动轴140、第一风扇150、离合器组件160、齿轮箱170、第二驱动轴180和第二风扇190。在操作中，离合器组件160能够使第一风扇150被选择性地接合于第一驱动轴140以及从第一驱动轴140脱开。驱动组件和推进系统的具体示例将参照下列附图描述。
图2A-2B是根据第一方面的驱动组件的示意图，且图2C是根据第一方面的推进系统的示意图。参照图2A-2C，在第一示例中，驱动组件130包括第一驱动轴140和第二驱动轴180(参见图2C)，其中第一驱动轴140围绕第一轴线142在第一方向上是可旋转的，第二驱动轴180围绕轴线142在第二方向上是可旋转的。驱动轴140、180可以是同轴的，这样驱动轴140在驱动轴180内旋转。驱动轴180未在图2A-2B中示出。
驱动轴140、180可以经由诸如行星齿轮箱144的齿轮箱被耦接到动力源，如发动机120(参见图2C)。发动机120和行星齿轮箱144给驱动轴140、180提供动力，以围绕轴线142旋转驱动轴140、180。
发动机120的具体构造不是关键的。在一些示例中，发动机120可以实施为燃气涡轮发动机，其包括多级压缩机，该压缩机提供压缩空气到燃烧器，这又转动涡轮来旋转输出轴。发动机120也可以由电动马达或者二冲程或四冲程类型的内燃发动机组成。驱动轴140、180经由行星齿轮箱144耦接到输出轴。风扇能够位于发动机120的前部或后部内，从而允许推进器推动(即推动器发动机配置)或拉动(即拉出器发动机配置)发动机120且随后推动或拉动飞机100。
当第一驱动轴140旋转时，第一风扇150被耦接到第一驱动轴140，以围绕轴线142在第一方向上旋转。当驱动组件130被耦接到发动机120时，第一风扇150可以定位成后风扇。第一风扇150包括耦接到毂154的多个叶片152。在一些示例中，转子直径与毂直径的比可以在0.20至0.35之间。对于许多应用，前转子可一具有在60英寸(1.5米)至240英寸(6.1米)之间的直径。叶片152可以弯曲或以其他方式成波形轮廓，以影响叶片152的动力生成能力。
进一步地，当第二驱动轴180旋转时，第二风扇190被耦接到图2C中可见的第二驱动轴180，以围绕轴线142在与第一方向不同的第二方向上旋转。当驱动组件130被耦接到发动机120时，第二风扇190可以被定位成前风扇。第二风扇190包括耦接到毂194的多个叶片192。
在一些示例中，第二风扇190和风扇叶片192可以被设计成在起飞和爬升时产生足够推力，且同时后风扇152不与驱动轴140接合。这可以通过增加第二风扇190的直径来实现，因为由风扇产生的净推力与风扇直径的向前动力成比例。例如，如果风扇190的直径增加百分之十九(19％)，则由风扇190产生的推力将增加多达百分之五十(50％)。在一些示例中，叶片192测量长度在约40英寸(1.0米)和200英寸(5.1米)之间并且宽度在4英寸(10.2厘米)和35英寸(88.9厘米)之间。叶片192可以弯曲或以其他方式成波形轮廓，以影响叶片192在高速的推进效率。当被组装时，第一风扇150和第二风扇190沿轴线142位移开在总前排风扇直径的0.02和0.35之间的距离。这个距离通常与叶片的活动性因素有关，且(1)通过实验或(2)经由非定常计算流体动力学分析确定。
核心导管112装纳离合器组件160，并且排气塞114邻近第二风扇190被装配。
提供离合器组件160，以选择性地从第一驱动轴140脱开第一风扇150。在一些示例中，离合器组件160可以是一种流体耦接系统或一种(湿式或干式)摩擦离合器系统。在图2A-2C中所述的示例中，离合器驱动组件160包括叶轮162、定子164、涡轮166和外壳168。叶轮162可以被耦接到驱动轴140，以便叶轮162随驱动轴140旋转。涡轮166可以被耦接到输出轴，该输出轴又被耦接到第一风扇150的毂154。离合器组件160可以被填充有流体，通常为油，以提供在叶轮162和涡轮166之间的流体耦接。定子164起作用以便以本领域中已知的方式对齐从涡轮流到叶轮的流体的方向。
离合器160可以被耦接到液压回路系统，该液压回路系统增加或减少离合器组件160中流体压力，以分别增加或减少由离合器组件160传输的输入动力量。离合器组件160也调节在旋转减慢期间施加到涡轮的阻力，以促进装置的两种模式之间的更迅速变化。下面参照图5A和图5B描述液压回路的示例。
在图2A-2C中所示的示例中，在第一风扇150从驱动轴140脱开后，第一风扇150在来自第二风扇190的气流的影响下以适度的叶片桨距角自由地无源旋转(即风车式转动)。在图3A-3C和图4A-4C中所示的示例中，齿轮箱170被耦接到第一风扇150，以允许第一风扇150在与前风扇190相同的方向上被驱动。
首先参照图3A-3C中所示的示例，离合器组件160的输出轴可以被设置为到齿轮箱170的输入。齿轮箱170可以被实施为可逆齿轮箱，该可逆齿轮箱选择性地反转输入轴的方向或旋转。因此，在图3A-3C中所示的示例中，可激活离合器组件160，以便从驱动轴140脱开第一风扇150，并且可允许第一风扇150减慢旋转，该减慢旋转是由作用在离合器组件160中的增加的粘性阻力所辅助的。随后，可改变换向齿轮箱170的输出方向，且可激活离合器组件160以便重新接合第二风扇与驱动轴，从而在相反方向上驱动第一风扇150，且同时叶片以适度取向变桨以用于风车式转动，这样第二风扇150在与第一风扇150相同的方向上旋转。
图3A-3C中所示的剩余部件基本与参照图2A-2C描述的对应部件相同。为清楚起见，这些部件的描述将不被重复。
接下来参照图4A-4C中所示的示例，行星齿轮箱144的输出轴可以被设置为到齿轮箱170的输入。同样，齿轮箱170可以被实施为一种可逆齿轮箱，该可逆齿轮箱选择性地反转输入轴的方向或旋转。因此，在图4A-4C中所示的示例中，可激活离合器组件160，以便从驱动轴140脱开第一风扇150，并且可允许第一风扇150在离合器组件160中引起的阻力的作用下减慢旋转且变得完全停止。随后，可改变换向齿轮箱170的输出方向，并且可激活离合器组件160以便重新接合第二风扇与驱动轴，从而在相反方向驱动第一风扇150，这样第一风扇150在与第二风扇190相同的方向上旋转。
图4A-4C中所示的剩余部件基本与参照图2A-2C描述的对应部件相同。为清楚起见，这些部件的描述将不被重复。
图5A和图5B是液压回路的示例，所述液压回路可以被用于调节离合器组件160，以便选择性地将第一风扇150耦接到和断开于第一驱动轴140，或者根据各方面使第一风扇150减速。首先参照图5A，在一个示例中，液压回路500包括液压蓄能器510，其维持液压流体上的压力。第一供给管线512耦接液压蓄能器510到叶轮162并且到单向阀514，该单向阀514在液压流体能够流过阀514的打开位置和液压流体不能够流过阀514的关闭位置之间可切换。
第一可变流率阀518调节在叶轮162和涡轮166之间的液压流体的流动。压力和流率传感器516监视第一可变流率阀518的两侧上的液压流体的压力和流率。
液压流体可以经由管线520离开涡轮166。第二可变流率阀518调节来自叶轮162的液压流体的流动。压力和流率传感器516监视离开叶轮162的液压流体的压力和流率。
液压回路500进一步包括热交换器530，以便交换来自液压流体的热。提供贮存器540，以便存储从回路500溢出的液压流体。
在操作中，来自动力源(例如，发动机120)的动力被施加到叶轮162，以便旋转叶轮162。当关闭阀514以便液压流体不能够流过阀514时，液压流体流到叶轮162，这会驱动涡轮166，这样离合器组件160从驱动轴140接合第一风扇150。
为了从发动机脱开第一风扇150，关闭可变流率阀518，以减少从叶轮162到涡轮166的高压流体的流动，从而减少输送到风扇150的动力量。当穿过叶轮162的流体量充分下降时，叶轮162和涡轮166之间不再传输动力，从而从驱动轴140脱开风扇150。
为了促进第一风扇150的更快的旋转减慢，单向阀514可以被切换到打开位置，从而允许蓄能器510中存储的增压流体在从涡轮166的标称操作逆转的方向上流入涡轮166中。在逆流的压力下，涡轮166上引起的内阻力将增加，因此促进第一风扇150的更快速的旋转减慢。施加来自蓄能器510的逆流的瞬态方式能够经由可变流量阀518管理。逆流可以继续这样的时间长度，即允许蓄能器510完全减压并且回路中的流体达到环境压力。减压蓄能器510的时间长度将取决于蓄能器510的最大容量、蓄能器510和管线512中的最大允许压力、风扇150的质量惯性矩、在当阀518关闭时的力矩下的风扇150的旋转速度、风扇150的空气动力阻力以及涡轮166的效率。液压系统的设计是由蓄能器510的最大尺寸和最大允许压力以及风扇150达到完全停止所需的时间长度所驱动的。取决于与飞机100有关的操作考虑事项，旋转减慢时间的实际值可以从15秒变化至80秒。
图5B是根据各方面的液压回路500的第二示例，其选择性地将第一风扇150耦接到和断开于第一驱动轴140。图5B中所述回路500的许多部件与图5A中所述的类似部件相同，并且为了清楚起见，这些部件不会被详细描述。首先参照图5B，回路500包括耦接到管线520和522的三通方向阀550，该三通方向阀550在液压流体能够流过管线520和522的打开位置、液压流体不能够流过管线520和522的关闭位置和管线520和522在阀550处切换的切换位置之间可切换。
在操作中，当阀550处于打开位置时，流体经由管线512在来自液压蓄能器510的压力下流入离合器组件160且流到叶轮162。叶轮162驱动涡轮166，这样液压驱动器160从驱动轴140接合第一风扇150。
当阀550处于关闭位置时，液压流体不能够在叶轮162和涡轮166之间流动，从而从驱动轴140脱开风扇150。
当阀550处于切换位置时，液压流体在来自叶轮162的压力下通过管线520沿反向方向流入涡轮166中，从而有效地充当涡轮166上的制动器，以促进风扇150的更快速的旋转减慢。
如本文所述的推进系统可以被安装在飞机上，以提供推进力到飞机。通过示例的方式，参照图6，如本文所述的推进系统可以被安装在如飞机、航天器等的飞机600上。
在本说明书中对“一个实施例”或“一些实施例”的参考是指，结合该实施例描述的具体特征、结构或特点可以被包括在至少一个实施方式中。短语“在一个实施例中”在本说明书中各个地方的出现可以或可以不全部指相同实施例。
虽然已经以特定于结构特征和/或方法动作的语言描述了实施例，但是应该理解，所要求保护的主题可以不限于所描述的具体特征或动作。而是，具体特征和动作被公开作为实施所要求保护的主题的示例形式。
进一步地，本公开包括根据下列各条的实施例：
第1条.一种驱动组件，其包括：第一驱动轴，其围绕第一轴线在第一方向上是可旋转的；第一风扇，其耦接到所述第一驱动轴，以在所述第一方向上旋转；和离合器组件，其选择性地从所述第一驱动轴脱开所述第一风扇。
第2条.根据第1条所述的驱动组件，其中所述离合器组件包括液压离合器。
第3条.根据第2条所述的驱动组件，其进一步包括：齿轮箱，其耦接到发动机和所述第一风扇之间的第一驱动轴。
第4条.根据第3条所述的驱动组件，其中所述齿轮箱经配置在与所述第一方向相反的第二方向上驱动所述第一风扇。
第5条.根据第1-4条中任一条所述的驱动组件，其进一步包括：第二驱动轴，其在与所述第一方向不同的第二方向上是可旋转的；和第二风扇，其耦接到所述第二驱动轴。
第6条.根据第5条所述的驱动组件，其中所述第一驱动轴和所述第二驱动轴是同轴的。
第7条.根据第5条或第6条所述的驱动组件，其中所述第一风扇和所述第二风扇移位开在总前排风扇直径的距离的0.02和0.35之间的距离。
第8条.一种推进系统，其包括：发动机；和耦接到该发动机的驱动组件，该驱动组件包括：第一驱动轴，其围绕第一轴线在第一方向上是可旋转的；第一风扇，其耦接到所述第一驱动轴，以在所述第一方向上旋转；和离合器组件，其选择性地从所述第一驱动轴脱开所述第一风扇。
第9条.根据第8条所述的推进系统，其中所述离合器组件包括流体耦接的离合器控制回路。
第10条.根据第9条所述的推进系统，其进一步包括：齿轮箱，其耦接到所述发动机和所述第一风扇之间的第一驱动轴。
第11条.根据第10条所述的推进系统，其中所述齿轮箱经配置在与所述第一方向相反的第二方向上驱动所述第一风扇。
第12条.根据第8-11条中任一条所述的推进系统，其进一步包括：第二驱动轴，其在与所述第一方向不同的第二方向上是可旋转的；和第二风扇，其耦接到所述第二驱动轴。
第13条.根据第12条所述的推进系统，其中所述第一驱动轴和所述第二驱动轴是同轴的。
第14条.根据第12条或第13条所述的推进系统，其中所述第一风扇和所述第二风扇沿轴线位移开在所述第二风扇的直径距离的0.02和0.35之间的距离。
第15条.一种飞机，其包括机身；发动机；和耦接到该发动机的驱动组件，该驱动组件包括：第一驱动轴，其围绕第一轴线在第一方向上是可旋转的；第一风扇，其耦接到所述第一驱动轴，以在所述第一方向上旋转；和离合器组件，其选择性地从所述第一驱动轴脱开所述第一风扇。
第16条.根据第15条所述的飞机，其中所述离合器组件包括流体耦接离合器。
第17条.根据第16条所述的飞机，其进一步包括：齿轮箱，其耦接到所述发动机和所述第一风扇之间的第一驱动轴。
第18条.根据第17条所述的飞机，其中所述齿轮箱要在与所述第一方向相反的第二方向上驱动所述第一风扇。
第19条.根据第15-18条中任一条所述的飞机，其进一步包括：第二驱动轴，其在与所述第一方向不同的第二方向上是可旋转的；和第二风扇，其耦接到所述第二驱动轴。
第20条.根据第19条所述的飞机，其中所述第一驱动轴和所述第二驱动轴是同轴的。

Claims (10)

1.一种驱动组件(130)，其包括：
第一驱动轴(140)，其围绕第一轴线(142)在第一方向上是可旋转的；
第一风扇(150)，其被耦接到所述第一驱动轴，以在所述第一方向上旋转；和
离合器组件(160)，其选择性地从所述第一驱动轴脱开所述第一风扇。
2.根据权利要求1或10所述的驱动组件(130)，其中所述离合器组件(160)包括液压离合器。
3.根据权利要求2或9所述的驱动组件(130)，其进一步包括：
齿轮箱(170)，其被耦接到在发动机(102)和所述第一风扇(150)之间的所述第一驱动轴(140)。
4.根据权利要求3所述的驱动组件(130)，其中所述齿轮箱(170)经配置在与所述第一方向相反的第二方向上驱动所述第一风扇(150)。
5.根据权利要求1、8和10所述的驱动组件(130)，其进一步包括：
第二驱动轴(180)，其在与所述第一方向不同的第二方向上是可旋转的；和
第二风扇(190)，其被耦接到所述第二驱动轴。
6.根据权利要求5所述的驱动组件(130)，其中所述第一驱动轴(140)和所述第二驱动轴(180)是同轴的。
7.根据权利要求5或6所述的驱动组件(130)，其中所述第一风扇(150)和所述第二风扇(190)位移开在总前排风扇直径的距离的0.02和0.35之间的距离。
8.一种推进系统(110)，其包括：
发动机(102)；和
权利要求1的所述驱动组件(130)，其被耦接到所述发动机。
9.根据权利要求8所述的推进系统(110)，其中所述离合器组件(160)包括流体耦接的离合器控制回路(500)。
10.一种飞机(100)，其包括：
机身(102)；
发动机(120)；和
权利要求1的所述驱动组件(130)，其被耦接到所述发动机。
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