CN104973254B - 包括可变流量的空气流量阀的飞行器推进组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种推进组件，包括热交换器和供应冷空气的系统，所述系统包括置于空气流中的进气口、将进气口流体连接至交换器的空气通道、以及置于所述通道内的可变流量的空气流量阀，所述阀包括毂，毂上安装有从毂径向突出以形成螺旋件的至少三个叶片，每个叶片均具有可旋转地安装在毂上的根部，所述阀还包括构造成借助于马达轴来驱动毂的电动马达以及用于改变叶片的桨距角的装置，每个叶片的末端与通道的壁部齐平，所述阀能够控制为采用下述构型中的一种：称为封闭构型的构型，其中，叶片的桨距角是0°，并且所述阀阻止空气通过通道；称为敞开构型的构型，其中，叶片的桨距角是90°；称为充气构型的构型，其中，叶片的桨距角在0°与90°之间的范围内。

Description

包括可变流量的空气流量阀的飞行器推进组件
技术领域
本发明涉及一种飞行器推进组件，该飞行器推进组件包括具有意在向热交换器供应空气的可变流量的空气流量阀的涡轮风扇发动机。
背景技术
以本身已知的方式，飞行器推进组件包括在涡轮机发动机的区域中的排气系统以便向例如诸如机舱空气交换系统和压力调节系统之类的使用空气的系统提供空气供应。
为了确保在排气系统的出口处的空气的温度保持在用户系统可接受的范围内，排气系统包括热交换器(预冷器的PCE：冷却器)，该热交换器使在发动机处排出的热空气能够因涡轮机的二级空气流中排出的冷空气而被冷却。冷空气借助于用于供应冷空气的系统而被排出，该用于供应冷空气的系统包括布置在二级空气流中的进气口、将进气口连接至交换器的通道以及可变流量的蝶式空气流量阀。蝶形挡板或可移动挡板定位在通道内部并且根据用户系统的需求通过其旋转提供对用于供应空气的系统的流量进行调节的可能性。
可以理解的是：在推进组件包括具有高稀释比的涡轮机的情况下，这种用于供应空气的系统未向交换器提供充足的冷空气流量以使所述冷空气能够对在发动机处排出的空气进行冷却。
一种用于这种推进组件的适当方案是增大交换器的交换表面以及进气口的尺寸和通道的尺寸。然而，由于用于在推进组件内布置元件的可用空间非常有限，因此这种方案是不可行的。因此需要一种更有效的、同时与当前系统保持大致相同的尺寸的用于供应冷空气的系统。
发明内容
本发明的一个目的是全部或部分地克服上述缺点。为此，本发明涉及一种包括涡轮机和吊架的推进组件，涡轮机包括附接至所述吊架的发动机、围绕发动机的环形流间护罩以及环形发动机舱，环形发动机舱围绕流间护罩同轴地并且相对于流间护罩朝向外部径向地设置，使得与流间护罩一起为空气流定界，涡轮机包括热交换器以及用于供应冷空气的系统，所述系统包括置于所述空气流中的进气口、将进气口流体连接至交换器的空气通道以及置于所述通道内的可变流量的空气流量阀，所述阀包括毂，毂上安装有从毂径向突出以形成螺旋件的至少三个叶片，每个叶片均具有以可旋转的方式安装在毂上的根部，所述阀还包括构造成借助于马达轴来驱动毂的电动马达以及用于改变叶片的桨距角的装置，每个叶片的末端与通道的壁部齐平，所述阀能够控制为采用下述构型中的一种构型：
-被称为封闭构型的构型，在该封闭构型中，叶片的桨距角是0°，并且在该封闭构型中，所述阀阻止空气通过通道；
-被称为敞开构型的构型，在该敞开构型中，叶片的桨距角是90°，并且在该敞开构型中，所述阀完全地打开通往空气通道的入口；
-被称为充气构型的构型，在该充气构型中，叶片的桨距角在0°与90°之间的范围内。
本发明相对于用于供应冷空气的已有系统的主要优势在于根据本发明的空气流量阀允许增加一种充气构型。这种构型可以在发动机内部的温度到达较高时响应于用户系统的对冷空气的需求。根据本发明的用于供应空气的系统因此适于应用在具有高稀释比的涡轮机中。
附图说明
通过阅读示出的实施方式的以下描述将更清楚地理解本发明的上述以及其他特征，参照附图给出所述描述，其中：
-图1为根据本发明的推进组件的根据第一构造的在沿其纵向轴线的截面中观察到的示意图，所述组件包括用于供应冷空气的系统；
-图2为描绘出包括图1中的用于供应空气的系统的排气系统的布置的示意图；
-图3为图1中的区域M的放大视图，并且描绘出根据本发明的一个实施方式的用于供应空气的系统；
-图4为图3中的用于供应空气的系统所配备的可变流量的空气流量阀的示意图；
-图5为改变图4中示出的可变流量的空气流量阀的叶片的桨距角的装置的示意图；
-图6至图8为分别描绘出图4中的用于供应空气的系统的可变流量的空气流量阀处于不同的叶片桨距角的示意图；以及
-图9为描绘出根据本发明的另一实施方式的用于供应空气的系统的类似于图3的视图；
-图10和图11为描绘出根据本发明的推进组件的不同构造的类似于图1的视图。
具体实施方式
参照图1，推进组件P包括涡轮风扇发动机1和将其附接至飞行器的机翼(本文未示出)的附接系统或者吊架500。
涡轮机包括以纵轴X为中心的环形发动机舱3和由发动机舱3围绕且固定至吊架的发动机2。发动机2借助于两个在直径方向上相反的分支件16、17固定至发动机舱3，分支件16、17可以确保涡轮机1的机械结合。
沿图1中的箭头F表示的气流穿过涡轮机1的流动方向，发动机2包括以纵轴X为中心的风扇5、马达罩6和喷嘴7。
马达罩6包括在发动机2被置于运动中时使风扇5产生旋转的元件。这些元件沿由箭头F表示的方向为低压压缩机9、高压压缩机10、燃烧室11、高压涡轮12和低压涡轮13。
涡轮机1在风扇5的下游处还包括环形流间护罩8，环形流间护罩8与马达罩6同心，并且与马达罩6一起为被称作初级流动路径20的环形气流路径定界。
发动机舱3构成涡轮机1的外部封壳并且围绕与其同心的流间护罩8。发动机舱3因此与流间护罩8一起为被称作二级流动路径30的环形流动路径定界。流动路径20和流动路径30延伸到远至低压涡轮13的下游的位置，也就是说延伸到喷嘴7的区域中。
参照图1和图2，推进组件P在涡轮机的发动机6的区域中以本身已知的方式包括出于向使用空气的一个或多个系统60供应空气的目的的用于排气的系统100。
用于排气的系统100包括例如设置在流间护罩8的厚度区域中的以下各项：
-第一进气口101，第一进气口101意在将高压压缩机中的中压空气排出；
-第二进气口102，第二进气口102意在将高压压缩机18中的高压空气排出；
-止回阀103，止回阀103流体连接至第一进气口并且阻止空气朝着所述第一进气口101行进；
-高压阀104，高压阀104流体连接至第二进气口102并且交替地受到控制以打开或者关闭；
-调节阀105，调节阀105意在调节穿过该调节阀105的空气流的压力，高压阀的出口和止回阀的出口流体连接至调节阀105的相同入口；
-交换器107，交换器107意在冷却穿过该交换器107的空气。调节阀105的出口流体连接至交换器107的入口，并且交换器107的出口流体连接至消耗空气的至少一个系统60；
-用于供应冷空气的系统200，系统200意在向交换器107供应冷空气；以及
-图2中描绘出的控制器106为中央处理单元类型，并且用于控制如下系统中的阀的开度：该系统用于排气并且对供应冷空气的系统200所供应的空气流进行控制。
用于供应冷空气的系统200包括在二级流动路径30中布置在风扇5的下游的进气口201、将交换器107连接至进气口201的空气通道202以及设置在空气通道109内的可变流量的阀203。
根据本发明，并且参照图3至图8，可变流量的阀203包括电动马达204、毂205和用于改变叶片的桨距角的装置207，毂205通过马达产生旋转并且配备有从毂径向伸出以形成螺旋件的多个叶片206。电动马达204和用于改变叶片的桨距角的装置207由控制器106控制。在图3至图8示出的示例中，毂205沿着图中箭头T表示的通过阀流向交换器的空气流的流动方向位于上游，而马达204沿所述方向T位于下游。
马达204包括马达罩204a、框架204b以及联接至毂205的大致圆柱形马达轴204c。框架定尺寸为使得马达轴204c位于通道202的截面的中央，使马达轴的纵向轴线或旋转轴线L大致平行于空气流通过阀流向交换器的方向T。框架204b例如由四个单独垂直的臂形成，每一个臂部均固定至通道202的壁部和马达罩204a两者。
毂205固定至马达轴204c的末端并且包括从毂205的外部封壳径向延伸的至少三个叶片206。在图4至图8示出的示例中，毂205包括8个叶片。
每一个叶片206成形且具有固定至毂205的根部206’。此外，每一个叶片的末端(叶片尖端)206”与通道202的壁部齐平。根据本发明，每一个叶片的根部206’可旋转地安装在毂205上使得叶片的桨距角可以由改变叶片的桨距角的装置207来改变。以本身已知的方式，表述“叶片的桨距角”用于表示叶片外形的参照弦向与螺旋件的旋转平面之间的角度，所述螺旋件的旋转平面垂直于马达轴的旋转轴线L。
应该注意：毂205设置在马达的马达轴204c上使得叶片的前缘沿着通过通道的空气流的流动方向T位于上游。
图5中示出的改变叶片的桨距角的装置207包括环形件208、与八个杠杆210联接的八个传动杆209、伺服马达211(图5中不可见)和附接至伺服马达211的致动杠杆212，其中，杠杆210中每一者均联接至叶片206。
环形件208安装在马达罩204a与毂205之间的马达轴204c上。环形件208包括在其外部直径上实现的喉部208’，还包括设置在其内部直径上(本文未示出)的槽。这些槽与形成在马达204的马达轴204c上的槽相互作用使得环形件208与所述马达轴204c一体地旋转，但也能够在马达轴204c上沿马达轴的旋转轴线L以平移方式移位。
伺服马达211构造成在其被致动时以便使大致圆柱形的马达轴213旋转。伺服马达211有利地位于通道202的外侧以便不中断流体的在那点处的流动。
致动杠杆212位于伺服马达211的马达轴213的延长部分中，并且由两个彼此间隔开且各自附接至马达罩204b的支承臂214支承。每一个支承臂214包括横贯孔，该横贯孔与其他支承臂的横贯孔对准，并且具有垂直于马达轴的旋转轴线L的轴线。致动杠杆212被引入到支承臂214中的每一个支承臂的孔中，并且因此能够关于垂直于马达轴的旋转轴线L的轴线旋转。
此外，致动杠杆212包括彼此间隔开一段大致等于环形件208的外径的距离的两个致动臂216。致动臂216中的每一个致动臂在其自由末端处包括能够旋转的且插入到环形件208的喉部208’中的滚子217，滚子217能够在喉部208’中转动。
每个杠杆210附接至叶片206的根部206’。每个传动杆209设置为大致平行于旋转轴线L，并且在第一末端处经由具有垂直于旋转轴线L的枢转轴线的枢转连杆附接至杠杆210，并且在第二末端处经由类似地具有垂直于马达轴的旋转轴线L的枢转轴线的枢转连杆附接至环形件208。
改变叶片的桨距角的装置207根据以下原理操作：伺服马达的马达轴213的旋转使致动杠杆212旋转并且因此使两个致动臂216旋转。致动臂的旋转经由插入喉部208’中的滚子217使环形件208在马达轴204c上进行被迫平移的移位。环形件208的移位使传动杆209移位，并且因此借助于杠杆210使叶片的根部206’绕叶片的弦线旋转。根据该原理，叶片206的桨距角在两个极限角度之间变化：
-0°角，如在图6中所描绘的，0°角的叶片206以实际上密封的方式关闭通道202；以及
-90°角，如在图7中所描绘的，90°角对应于叶片206的顺桨，从而完全地打开通往通道的入口。
因此，在除了0°和90°之外的桨距角以及马达轴的旋转的适当方向的情况下，毂205旋转以运送冷空气至交换器107。
当涡轮机1被置于运动中时，上述用于供应冷空气的系统200的操作如下：空气经由风扇5进入涡轮机1。在风扇5的下游，空气流分成流入二级流动路径30中的一部分和利用初级流动路径20的另一部分。在二级流动路径30中，由于空气流动的动态压力，一部分空气在用于供应冷空气的系统200的进气口201的区域中进入该用于供应冷空气的系统200(箭头E)。
根据用户系统60需要的空气流量，控制器106改变马达204的旋转速度和/或叶片206的桨距角，以便适应由用于供应冷空气的系统200提供的气流。以下构型是可能的：
-图6中描绘的封闭构型，在该构型中，叶片206的桨距角为0°并且马达204仍未置于运动中。在该构型中，由于阀203此时阻止空气从进气口201朝向交换器107流通，因而没有流体经由进气口201排出。在该构型中，由用于供应冷空气的系统引起的阻力是最小的；
-图7中描绘的敞开构型，在该构型中，叶片206是顺桨的并且马达204仍未置于运动中。在该构型中，流体流经进气口201并且经由通道202朝向交换器107输送。这种构型适于涡轮机1的大多数正常操作模式；以及
-图8中描绘的充气构型，在该充气构型中，马达204被置于运动中并且使毂205旋转并且叶片206在该构型中具有在0°与90°之间-优选地在35°与50°之间的范围内的桨距角。马达的旋转速度由控制器116调节以使交换器107的出口处的温度(由用户系统接收到的气流的温度)等于设定点温度。在该构型中，可变流量的空气流量阀203用作增大进气口201处放出的空气的质量以便将空气传输至交换器107的风扇。在该构型中，由阀203供应的空气的流量通过增大或减小马达204的旋转速度而相应地增大或减小。在发动机内部的温度到达非常高的极端情况下，为了执行冷空气的最大泄放而采用这种构型。应该注意的是：在该构型中，由根据本发明的用于供应冷空气的系统200引起的阻力达到阻力的最大值。
通过示例性方式，对于具有相同尺寸(进气口、通道的直径为270mm)的用于供应冷空气的系统，根据本发明的空气流量阀203提供了100g/s的最大流速，而对于根据现有技术的空气流量阀，该流速仅为70g/s。
本发明相对于用于供应冷空气的已有系统的优势为：空气流量阀203在保持与现有技术的阀的尺寸基本相同的尺寸的同时还允许一种充气构型。这种构型可以在发动机2内部的温度到达较高时响应于用户系统60的对冷空气的需求。根据本发明的用于供应冷空气的系统200因此适于应用于具有高稀释比的涡轮机1中。
作为上述实施方式的变体并且参照图9，毂205沿着通过通道的空气流的流动方向T位于下游，而马达204沿所述方向T位于上游。毂205布置在马达的马达轴204c上，使得叶片的前缘沿着通过通道的空气流的流动方向T位于上游。因此，在不同于0°和90°的桨距角以及马达轴的适当的旋转方向的情况下，毂205旋转以向交换器107传输冷空气。
用于供应冷空气的系统200不论涡轮机组件P具有何种构造均可以设置在涡轮机组件P中。
因此，在图10中示出的第一构造中，交换器107设置在发动机吊架500内，空气通道202在这种情况下能够部分地设置在位于发动机舱3与发动机吊架500之间的空间内，而进气口位于二级流动路径30的外壁上。
在图11中示出的第二构造中，交换器107设置在分支件16中，空气通道202在该情况中部分地设置在分支件16的厚度区域内，而进气口位于分支件16的外壁上，以便从二级流动路径30排气。
最后，为了在空气于通道202内流动时不减慢空气流动，空气动力元件300附接至空气流量阀203的沿着通过通道的空气流的流动方向T位于最上游的元件。因此，如在图4至图8中所示，圆锥体300设置在马达的马达轴204c的末端处并使其基部附接至毂205，或者如图9所示，圆锥体300设置在马达204上并使其基部附接至所述马达的罩204a。

Claims (8)

1.一种推进组件(P)，包括涡轮机(1)和吊架，所述涡轮机包括附接至所述吊架的发动机(2)、围绕所述发动机的环形的流间护罩(8)、以及环形的发动机舱(3)，所述环形发动机舱(3)围绕所述流间护罩(8)同轴地并且相对于所述流间护罩(8)朝向外部径向地设置，使得与所述流间护罩(8)一起为空气流(30)定界，所述涡轮机包括热交换器(107)以及用于供应冷空气的系统，所述系统包括置于所述空气流(30)中的进气口(201)、将所述进气口流体连接至所述热交换器(107)的空气通道以及置于所述空气通道(202)内的可变流量的空气流量阀(203)，其特征在于，所述空气流量阀包括毂(205)，所述毂(205)上安装有从所述毂径向突出以形成螺旋件的至少三个叶片(206)，每个叶片(206)均具有以可旋转的方式安装在所述毂(205)上的根部(206’)，所述空气流量阀还包括构造成借助于马达轴(204c)来驱动所述毂(205)的电动马达(204)以及用于改变所述叶片的桨距角的装置(207)，每个叶片的末端(206”)与所述空气通道(202)的壁部齐平，所述空气流量阀(203)能够控制为采用下述构型中的一种构型：
-被称为封闭构型的构型，在所述封闭构型中，所述叶片(206)的所述桨距角是0°，并且在所述封闭构型中，所述空气流量阀(203)阻止空气通过所述空气通道(202)；
-被称为敞开构型的构型，在所述敞开构型中，所述叶片的所述桨距角是90°，并且在所述敞开构型中，所述空气流量阀(203)完全地打开通往所述空气通道(202)的入口；
-被称为充气构型的构型，在所述充气构型中，所述叶片的所述桨距角在0°与90°之间的范围内。
2.根据权利要求1所述的推进组件(P)，其中，在所述充气构型中，所述叶片的所述桨距角在35°与50°之间的范围内。
3.根据权利要求1至2中的一项所述的推进组件(P)，其中，改变所述叶片的桨距角的装置(207)包括环形件(208)、致动杠杆(212)以及伺服马达(211)，所述环形件(208)附接至所述叶片(206)中的每个叶片(206)的所述根部(206’)并且以可平移移动的方式安装在所述马达轴(204c)上，所述伺服马达(211)构造成使所述致动杠杆(212)旋转。
4.根据权利要求3所述的推进组件(P)，其中，所述致动杠杆(212)以可旋转的方式安装成使其轴线垂直于所述马达轴(204c)的旋转轴线(L)，并且所述致动杠杆(212)由彼此间隔开且各自附接至马达罩(204b)的两个支承臂(214)支承，所述致动杠杆(212)还包括彼此间隔开的两个致动臂(216)，所述致动臂(216)中的每一个致动臂(216)在其自由末端处包括滚子(217)，所述滚子(217)能够旋转并且适于在所述环形件(208)中形成的喉部(208’)中滚动。
5.根据权利要求3所述的推进组件(P)，其中，对于每一个叶片(206)，所述环形件(208)经由杠杆(210)附接至所述叶片的根部(206’)，所述杠杆(210)与平行于所述马达轴的旋转轴线(L)的传动杆(209)枢转连接，所述杠杆(210)附接至所述叶片(206)的所述根部。
6.根据权利要求1所述的推进组件(P)，其中，所述毂(205)沿着通过所述空气通道的空气流的流动方向(T)位于下游，而所述电动马达(204)沿所述流动方向位于上游。
7.根据权利要求1所述的推进组件(P)，其中，所述毂(205)沿着通过所述空气通道的空气流的流动方向(T)位于上游，而所述电动马达(204)沿所述流动方向位于下游。
8.根据权利要求1所述的推进组件(P)，其中，所述热交换器(107)布置在所述吊架内，所述空气通道(202)布置在位于所述发动机舱(3)与所述吊架之间的空间内。
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