CN104736798B - 用于控制叶片的节距的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制扇叶(4)旋翼(3)的叶片的节距的装置(1)，所述装置包括径向轴(6)和连接杆(8)，所述径向轴被连结至所述叶片，所述连接杆的轴向位移控制所述径向轴(6)的旋转，其特征在于，所述装置包括：‑第一部件(10)，所述第一部件能够绕所述扇叶(4)的轴线(11)与所述旋翼(3)旋转地移动并且每个所述连接杆(8)的一个端部被固定至所述第一部件上；‑第二部件(12)，所述第二部件被连结至所述第一部件(10)；以及‑至少三个气缸(14)，所述气缸能够使所述第二部件(12)轴向平移地移动并且使所述第二部件(12)的倾斜变化，所述第二部件的平移和倾斜驱动所述第一部件(10)的相应的平移和倾斜，使得，当所述第一部件(10)旋转时，每个所述连接杆(8)受到轴向位移，所述轴向位移的振幅可变并且取决于所述第一部件(10)的倾斜，可使所述叶片的节距在所述叶片的旋转期间变化。本发明还涉及一种扇叶和一种用于控制叶片的节距的方法。

Description

用于控制叶片的节距的装置及方法
技术领域
本发明涉及用于控制扇叶旋翼的叶片的节距的装置及包括这种装置的扇叶。
本发明还涉及用于通过使用所述装置来控制扇叶旋翼的叶片的节距的方法。
背景技术
现有技术中已知包括至少一个旋翼和节距可变的叶片的涡轮机扇叶。
几何节距为由叶片的轮廓的翼弦和发动机旋转轴线形成的角度。
这可通过使用已知装置来实现，所述已知装置包括径向轴、连接杆和轴对称部件，所述径向轴通过枢轴被连结至叶片，所述连接杆的轴向位移控制径向轴的旋转，所有的连接杆被附接至轴对称部件。
气缸控制轴对称部件的轴向位移，这导致连接杆的轴向位移，使得所有叶片的节距可被均匀地调节。
不均匀的空气动力学流动由于各种因素被应用到叶片上，多种因素具体地包括例如起飞时的飞行器倾角的效应和由于发动机、机翼、机身或诸如将发动机连接至飞行器的吊架之类的其它元件而引起的尾流效应。
所述不均匀性在叶片上并且更通常地在节距控制装置上诱发负载。
叶片还受到由与飞行器操纵有关的陀螺效应导致的变形。
上述的负载和变形可导致诸如叶片或节距控制装置之类的扇叶部件的过早的机械磨损。
在包括上游螺旋桨旋翼和下游螺旋桨旋翼的扇叶的情况下，上游旋翼的叶片和下游旋翼的叶片之间可存在不期望的联接。
所述联接为机械的，这意味着不期望的机械振动能够被放大，所述联接为嘈杂的，这诱发了声振动的放大。
发明内容
本发明公开了一种用于控制扇叶的旋翼的叶片的节距的装置以便克服现有技术的缺点，所述装置包括径向轴和连接杆，所述径向轴通过枢轴连结至所述叶片，所述连接杆的轴向位移控制所述径向轴的旋转，其特征在于，所述装置包括第一部件、第二部件和至少三个气缸，所述第一部件可绕扇叶轴与所述旋翼旋转地移动并且每个连接杆的一个端部被固定至所述第一部件上，所述第二部件被连结至所述第一部件，所述气缸能够使所述第二部件轴向平移地移动并且使所述第二部件的倾斜变化，所述第二部件的平移和倾斜导致所述第一部件的相应的平移和倾斜，使得当所述第一部件旋转时，每个连接杆遵循具有取决于所述第一部件的倾斜的可变振幅的轴向位移，以便使所述叶片的节距在所述叶片的旋转期间变化。
本发明涉及一种包括至少一个旋翼和节距可变的叶片的涡轮机扇叶，其特征在于，所述涡轮机扇叶包括用于其叶片的所述节距控制装置。
最后，本发明还涉及一种用于利用所述控制装置来控制扇叶旋翼的叶片的节距的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：控制所述气缸以更改所述第一部件的倾斜，使得在所述第一部件的旋转期间，轴向位移被施加到每个连接杆上，所述连接杆的振幅可变并且取决于所述第一部件的倾斜，所述叶片节距在其绕扇叶轴的旋转期间变化。
本发明能够被使用以使每个叶片的节距在叶片旋转期间变化。具体地，叶片节距根据其在转动内的位置变化。
因此，节距控制的适当设定保证了所述装置和所述扇叶不会受到由于特定障碍(机翼、机身等)引起的空气动力流动干扰。
因此，扇叶更稳固并且具有更长的寿命。
此外，上游旋翼叶片和下游旋翼叶片之间的联接被减少，这减少了不合意的机械放大和噪声放大。
最后，如果发生故障，所述装置具有避免需要进行立即发动机停车的弱化的运行模式。
附图说明
本发明的其它特征和优点将通过仅作为示例性的且非限制性给出的以下说明中变得清楚并且应当参考附图阅读，在附图中：
-图1示出了用于控制扇叶的旋翼叶片的节距的装置；
-图2示出了连接元件和装置的部件的正视图；
-图3和图4示出了装置的部件的三维视图；
-图5和图6示出了当部件中的一个通过气缸而倾斜时的装置的部件的三维视图；
-图7示出了装置相对于旋翼的倾斜部件的引导的实施例；
-图8示出了装置的处于扇叶中的附件部件；
-图9示出了用于控制叶片节距的方法的实施例；
-图10和图11示出了用于在其旋转期间改变叶片节距的控制。
具体实施方式
用于控制叶片节距的装置
图1至图6示出了用于控制扇叶4旋翼3的叶片的节距的装置1的一个实施例。
装置1包括连结至叶片(未示出)的径向轴6。照惯例，叶片的脚部通过枢轴被安装在径向轴6上。径向轴6能够绕其轴线旋转。
装置1还包括用于每个叶片的连接杆8，连接杆8的轴向位移控制径向轴6绕其轴线的旋转。为此，连接杆8的一部分例如通过枢轴连杆被连结至径向轴6。
装置1还包括第一部件10。所述第一部件10被固定至扇叶4的旋翼3上。
因此，换而言之，第一部件10可与旋翼3一起绕扇叶4的轴线11旋转地移动。
连接杆8的另一端部31被固定至第一部件10。
装置1还包括连结至第一部件10的第二部件12，第二部件12的作用在下文公开。
第一部件10和第二部件12典型地为轴对称部件。例如，第一部件10为环形的，并且第二部件12为圆盘。
装置1包括至少三个气缸14，气缸14能够使所述第二部件12绕扇叶4的轴线11轴向平移地移动并且改变其倾斜。因此，第二部件12具有至少三个由气缸14控制的自由度。所述气缸14可例如为常规的液压气缸。
如果对气缸14没有控制，第二部件12通常被布置在径向平面(竖直平面)内，气缸14被用于使第二部件12相对于所述标称位置倾斜。
在一个构型中，这些气缸14被布置为相互成120°。通常，气缸14位于相同的平面内。
第一部件10和第二部件12被机械地连结，因此，第二部件12的轴向平移和倾斜导致了第一部件10的相应的轴向平移和倾斜。
例如，在图3和图4中，三个气缸具有完全相同的延伸。第一部件10和第二部件12被定位在径向平面内。
在图5和图6中，气缸中的一个(气缸14A)接收到延伸指令(例如，气缸从150mm的延伸变化到200mm的延伸)，而其它气缸(12B，12C)保持其原始延伸(extension)。
因此，第二部件12且由此第一部件10朝相对于径向平面倾斜的平面转移。
使第二部件12倾斜导致第一部件10相对于径向平面倾斜。因此，在使第一部件10倾斜之后，第一部件在从径向平面倾斜的平面内旋转地移动。
由于所述倾斜，当第一部件10旋转时，每个连接杆8受到具有可变振幅的轴向位移。这是由于以下事实导致：连接杆8的端部31被连结至第一部件10，第一部件10本身在相对于径向平面倾斜的平面内自由旋转。因此，在旋转期间，每个连接杆8都具有绕转动(turn)变化的轴向位移。
连接杆8的轴向位移的振幅取决于第一部件10的倾斜。第一部件10的倾斜越大，其振幅绕转动变得越可变。
由于所述构型，装置1能够被用于使叶片的节距在其旋转期间变化。
具体地，每个叶片的节距取决于其在旋转上的位置。因此，在给定的瞬间，旋翼的不同叶片具有取决于其绕旋转的位置而不同的节距。
第一部件10的平移调节所有叶片的节距，因为所述平移诱发了连接杆8的共同平移并且因此诱发了径向轴6的旋转。
第一部件10的倾斜在旋转上产生了叶片的周期性节距控制。对于第一部件10的给定倾斜，给定的叶片的节距根据连接杆8的轴向位移周期性地变化。
根据一个示例性实施例，第二部件12通过机械轴承16被连接至第一部件10。
实际上，第二部件12被连结至扇叶的外壳(固定部件)，而第一部件10被连结至扇叶旋翼3。
例如，可使用滚珠轴承。
为了将第一部件10连结至旋翼3，装置1包括连接元件22，图1和图2中示出了连接元件22的一个实施例。
连接元件22包括万向接头21，以便将第一部件10连结至绕扇叶的轴线11旋转的旋翼3。所述万向接头21在图2中示意地示出，万向接头21呈两个环形部件33、34的形式，两个环形部件33、34通过销35连接并且包围第一部件10。
此外，连接元件22设置有键或槽23以能够相对于旋翼3轴向引导第一部件10。这些键23被用于相对于旋翼3轴向引导第一部件10。
在一个实施例中，键23参与相对于倾斜壳体26的轴向引导。例如，这可以是包含扇叶油的室的壁，所述壁必须倾斜以能够进行排放。
键23的顶面和底面与发动机轴线平行。
壳体26还设置有与键23互补的槽30。这些互补的槽30具有(相对于扇叶4的轴线11倾斜)倾斜的槽底面32，以实施排油功能(排油功能为部件26的原始功能)。
与键23互补的槽30的顶部表面36为水平的，而另一表面32为倾斜的以能够与倾斜部件26配合。
根据一个示例性实施例，键23被放置在万向接头21的外表面上。
在一些情况下，如在旋翼位于一些扇叶的下游侧的情况下，固定装置1、特别是固定气缸14的问题出现了。
在所述下游旋翼的情况下，不可能与扇叶结构连结，因为该水平处的部件不能抵抗这种连结所必须的力。例如，所述部件可以为扇叶导管20，扇叶导管20包含液压通道和用于一些传感器的电源，所述导管20不能够抵抗由装置1强加的力。
因此，必须再产生固定坐标系统。
为此，根据一个示例性实施例，装置1包括将气缸14连结至旋翼3的结构上的连接轴承18。由装置1强加的轴向力和径向力由该轴承18抵抗。
此外，根据一个示例，装置1还包括将气缸14连结至扇叶4的导管20的弹性阻尼器19。所述阻尼器19由于热效应而使轴向变形衰减并且有利地被定位在导管20和旋翼3的结构之间，轴承18被固定到旋翼3上。具体地，例如可以为金属波纹管的所述阻尼器19防止轴向负载被施加到导管20上并且防止所述构型不静定。
因此，导管20不抵抗由于装置1而引起的任何结构负载。
装置1中安装了至少三个气缸14。这些气缸14通常为比根据现有技术的环形气缸安装更简单的常规气缸。
在一个实施例中，止挡件29被设置以便限制第一部件10和/或第二部件12的倾斜，以便避免增大所述装置的故障率。例如，止挡件29可以被安装在万向接头21上。替代性地，止挡件29可被放置在第二部件12上的适当位置。
通过将倾斜限制到例如为正5°或负5°的阈值，叶片节距的变化振幅例如被限制为正2°或负2°(这些值仅为示意性的并且不为限制性的)。
因此，如果三个气缸14中的一个故障，弱化的运行模式发生但不要求发动机停车，因为节距变化振幅被限制。
气缸14由控制单元控制，所述控制单元例如可以被并入飞行器计算机中。控制单元可被编程以实施下文描述的节距控制方法的实施例。
具体地，装置1可被使用在包括两个反向旋转螺旋桨的开式旋翼型扇叶4中。在这种情况下，第一装置被用于设定上游螺旋桨的旋翼叶片的节距，并且第二装置被用于设定下游螺旋桨的旋翼叶片的节距。
控制方法
在一个实施例中，用于控制叶片的节距的方法包括步骤E1，步骤E1包括控制气缸14以更改第一部件10的倾斜。
在第一部件10的旋转期间，每个连接杆8沿具有可变振幅的轴向位移移动，所述可变振幅取决于第一部件10的倾斜。
因此，叶片节距在叶片的旋转期间绕扇叶4的轴线11变化。
由气缸14强加的控制通过第二部件12的倾斜来选定第一部件10的倾斜。
所述控制可在飞行期间例如根据飞行条件或根据飞行器的状态来变化。
由气缸14强加在第二部件12上的平移控制还将公共更改强加到旋翼3的所有叶片的节距上。
图10中示出了控制的示意性示例。由气缸14强加在第二部件12上的平移指令将45°的节距强加(impose)在所有叶片上(曲线39)。
使第二部件12倾斜导致了第一部件10的倾斜，这诱发了每个叶片的节距的正弦曲线型的变化，所述变化取决于叶片绕其旋转的位置(曲线40)。
在转动期间控制叶片的节距的周期变化的第一部件10的倾斜被选择以减少由于扇叶4的上游侧(例如，机翼或机身)上的障碍的存在而引起的压力和升力损失。
由障碍导致的升力损失产生可通过仿真或通过试验已知的具有固定分布图的升力损失。叶片节距从这些数据中选择，以补偿所述损失发生的区域中的升力损失。
在图11中示出的一个实施例中，应用了多周期控制或辅助周期控制。
根据一个示例，所述方法包括以下步骤：使装置1的第一部件10的倾斜以高于旋翼3的旋转速度的频率波动(曲线41)。具体地，这可以为所谓的多周期控制，换而言之，对多周期控制而言，变化频率为旋翼旋转频率的倍数。
根据一个示例，所述方法包括以下步骤：使装置1的第一部件10的倾斜以低于旋翼3的旋转速度的频率波动(曲线42)。具体地，这可以为所谓的辅助周期控制，换而言之，对辅助周期控制而言，变化频率为旋翼旋转频率的几分之一。
具体地，所述叶片节距控制能够减小不期望的声音和/或机械放大。
具体地，每个螺旋桨的航空声学对称性被破坏，并且上游螺旋桨和下游螺旋桨之间的干扰噪声能够被减少。
在包括上游旋翼3和下游旋翼3的扇叶4的情况下，在一个实施例中，所述方法可包括步骤E21，步骤E21如下：获得旋转期间的扇叶4的上游旋翼3的叶片的节距的周期性变化，所述周期性变化与扇叶4的下游旋翼3的叶片的节距的周期性变化不同。
这能够通过在位于上游侧上的旋翼的装置1的第一部件10上强加倾斜来完成，所述第一部件10的倾斜与下游侧上的旋翼的另一装置1的第一部件10的倾斜不同。
因此，上游叶片和下游叶片之间的航空声学联接被减少，这能够减小叶片和机械振动的放大之间的干扰噪声。
根据一个示例性实施例，所述步骤E21包括步骤E22，步骤E22如下：使上游旋翼或下游旋翼的第一部件10的倾斜绕标称位置波动。
例如，标称位置被选择以与倾斜和叶片的节距相应，这能够减小上述的给定的障碍的空气动力学影响。
倾斜绕所述标称位置的波动被形成，以便减小上游叶片和下游叶片之间的干扰噪声，所述波动在上游侧和下游侧不同(例如，由于上游波动的存储和下游波动的缺乏或上游侧和下游侧之间的不同波动的选择)。上游叶片和下游叶片的机械联接和声联接因此被减少或甚至被消除。
如能够理解的，本发明能够减小影响扇叶叶片的不均匀的空气动力学流动的有害效应和由叶片导致的噪声。

Claims (13)

1.用于控制扇叶(4)旋翼(3)的叶片的节距的装置(1)，所述装置(1)包括径向轴(6)和连接杆(8)，所述径向轴(6)被连结至所述叶片，所述连接杆(8)的轴向位移控制所述径向轴(6)的旋转，其特征在于，所述装置(1)包括：
-第一部件(10)，所述第一部件(10)能够与所述旋翼(3)一起绕所述扇叶(4)的轴线(11)旋转地移动，并且每个所述连接杆(8)的一个端部被固定至所述第一部件(10)上，
-第二部件(12)，所述第二部件(12)被连结至所述第一部件(10)，以及
-至少三个气缸(14)，所述气缸(14)能够使所述第二部件(12)轴向平移地移动并且使所述第二部件(12)的倾斜变化，所述第二部件(12)的平移和倾斜导致所述第一部件(10)的相应的平移和倾斜，
使得当所述第一部件(10)旋转时，每个连接杆(8)遵循一轴向位移，该轴向位移具有取决于所述第一部件(10)的倾斜的可变振幅，以便使所述叶片的节距在所述叶片的旋转期间变化。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二部件(12)通过机械轴承(16)被连结至所述第一部件(10)。
3.根据权利要求1或2中一项所述的装置，包括将所述气缸(14)连结至所述旋翼(3)的连接轴承(18)。
4.根据权利要求3所述的装置，还包括将所述气缸(14)连结至所述扇叶(4)的导管(20)的弹性阻尼器(19)。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述第一部件(10)通过包括万向接头(21)的连接元件(22)被连结至所述旋翼(3)。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述连接元件(22)还包括用于相对于所述旋翼(3)轴向引导所述第一部件(10)的键(23)。
7.根据权利要求6所述的装置，包括与所述键(23)互补的槽(30)，所述槽(30)的一个表面(32)倾斜以能够与所述旋翼的倾斜部件(26)配合。
8.根据权利要求1或2所述的装置，包括限制所述第一部件(10)和/或第二部件(12)的倾斜的止挡件(29)。
9.涡轮机(5)的扇叶(4)，包括至少一个旋翼(3)和节距可变的叶片，其特征在于，所述扇叶(4)包括根据权利要求1至8中一项所述的装置(1)。
10.用于控制扇叶(4)旋翼(3)的叶片的节距的方法，利用根据权利要求1至8中一项所述的装置(1)进行控制，其特征在于，所述方法包括控制所述气缸(14)以更改所述第一部件(10)的倾斜的步骤(E1)，
使得在所述第一部件(10)的旋转期间，每个连接杆(8)沿一轴向位移移动，该轴向位移具有取决于所述第一部件(10)的倾斜的可变振幅，所述叶片节距在其旋转期间绕所述扇叶(4)的轴线(11)变化。
11.根据权利要求10所述的方法，包括在位于扇叶(4)的上游侧上的旋翼的一个所述装置(1)的第一部件(10)上强加与位于所述扇叶(4)的下游侧上的旋翼的另一个所述装置(1)的第一部件(10)的倾斜不同的倾斜的步骤(E21)。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，在位于扇叶(4)的上游侧上的旋翼的一个所述装置(1)的第一部件(10)上强加与位于所述扇叶(4)的下游侧上的旋翼的另一个所述装置(1)的第一部件(10)的倾斜不同的倾斜的步骤(E21)包括使所述上游侧上的旋翼或所述下游侧上的旋翼或所述装置(1)的第一部件(10)的倾斜绕标称位置波动的步骤(E22)。
13.根据权利要求10至12中一项所述的方法，包括以下步骤：使所述装置(1)的第一部件(10)的倾斜以高于或低于所述旋翼(3)的旋转速度的频率波动。
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