CN107108015A - 具有多径的螺旋桨的涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮机(1)，该涡轮机(1)包括至少两个无涵道螺旋桨(10，11)，两个无涵道螺旋桨(10，11)中的一个是上游螺旋桨(10)，且两个无涵道螺旋桨(10，11)中的另一个是下游螺旋桨(11)，上游螺旋桨(10)包括多个叶片(2)，多个叶片(2)中的至少一个第一叶片具有不同于第二叶片的长度的长度。

Description

具有多径的螺旋桨的涡轮机

技术领域

本发明涉及具有反向旋转的开放式旋翼的类型的涡轮机。

背景技术

与传统的(“涡扇”类型的)涡轮发动机相比(在传统的涡轮发动机中风扇被涵道化)，“无涵道”风扇类型的发动机(或者“螺桨风扇”或“开放式旋翼”类型的涡轮螺旋桨发动机)是如下类型的涡轮机，在该涡轮机中风扇附接到发动机外壳的外侧。

具体已知的是在图1中示出的、配备有两个沿着相反的方向旋转的螺旋桨的“反向旋转的开放式旋翼”(CROR)。由于其特别高的推进效率，反向旋转的开放式旋翼是令人很感兴趣的。

因此，这种类型的发动机的目标是在具有类似于涡轮螺旋桨发动机的耗油量的同时保持涡轮喷气发动机的速度和性能。的确，未被涵道化的风扇的事实使得增加可用于推进的直径和气流成为可能。

然而，在验证时，涵道的缺失造成了问题，特别是声学问题。实际上，由开放式旋翼螺旋桨产生的噪音在自由场中传播。此外，噪音源在这种类型的架构中非常多。关于声学认证点，已知的是噪音的主要来源来自于离开上游螺旋桨的叶片并且撞击下游螺旋桨的叶片的漩涡结构。目前的标准强制实行在近地面区域(即在起飞和进场期间)的最大噪音阈值。随着时间推移，这些标准日益约束，并且重要的是预料到该约束日益严格，以便发动机在它们进入服役的那一天实现这些标准。

存在两个不同的用于减少该干扰噪音的方法：

-“修剪”：下游螺旋桨的直径小于上游螺旋桨的直径，以使由上游螺旋桨发出的翼尖涡流越过下游螺旋桨，从而避免产生噪音的影响。然而，这个选项需要通过延长翼弦而重新设计下游螺旋桨的叶片以便保证足够的推力。此外，当飞机以攻角飞行时，修剪并不能避免漩涡结构的影响；

-修改上游螺旋桨的叶片的几何形状以便降低由上游螺旋桨发出的漩涡结构的强度并减少伴随而来的漩涡结构的分布。这使得下游螺旋桨上的不稳定的负载波动具有更小的振幅。例如引用专利申请FR2980818和FR2999151。然而，这个选项变得复杂并且需要降低上游螺旋桨上的负载和上游螺旋桨上的推力。

因此期望寻找一种简单且有效的无涵道螺旋桨架构，该无涵道螺旋桨架构免于上述限制并且允许在不存在推力损失的情况下发动机的气动-声学性能的实质且恒定的改善(即使处于大的攻角)。

发明内容

根据第一方面，本发明提出一种包括至少两个无涵道螺旋桨的涡轮机，至少两个无涵道螺旋桨包括一个上游螺旋桨和一个下游螺旋桨，上游螺旋桨包括多个叶片，多个叶片中的至少一个第一叶片具有不同于至少一个第二叶片的长度。

根据其他有利的和未限制的特征：

·上游螺旋桨的两个连续的叶片具有不同的长度；

·上游螺旋桨的叶片分成n∈[2；+∞]组长度相等的叶片，n∈[2；+∞]组长度相等的叶片包括至少一组第一叶片和至少一组第二叶片；

·所有组的叶片具有不同的叶片长度；

·所有组的叶片具有相同数量的叶片；

·叶片围绕上游螺旋桨设置以便n个连续的叶片的每个子集合包括来自于每个组的一个叶片；

·上游螺旋桨包括2kn，k∈N^*个叶片，上游螺旋桨上的两个径向相对的叶片属于相同的组；

·上游螺旋桨包括(2k+1)n，k∈N个叶片，且至少一个平衡物与第一叶片径向相对地设置；

·叶片的组的数量n为2或者3；

·下游螺旋桨包括具有第一叶片的长度的多个叶片；

·所述第二叶片是缩短的第一叶片；

·所述第二叶片比第一叶片短0.5％到5％；

·螺旋桨是反向旋转的；

·下游螺旋桨是固定的。

附图说明

通过阅读遵循优选实施例的描述，本发明的其他特征和优点将显现。该描述将参考附图给出，在附图中：

-之前描述的图1示出了反向旋转的开放式旋翼的示例；

-图2a示出了已知的涡轮机的无涵道上游螺旋桨；

-图2b和图2c示出了根据本发明的涡轮机的上游螺旋桨的两个实施例；

-图3示出了在根据本发明的涡轮机的实施例中观察的流线的移动。

具体实施方式

开放式旋翼

参考图1，提出的涡轮机1包括至少两个无涵道螺旋桨10，11，至少两个无涵道螺旋桨10，11包括一个上游螺旋桨10和一个下游螺旋桨11(在流体流动的方向上)。将理解的是，其他螺旋桨可以位于第一螺旋桨的下游。

该涡轮机1优选为“开放式旋翼”类型(CROR)并且还包括气体发生器4(即涡轮机的“核心”，具体地实施燃料的燃烧)，气体发生器4与气体(在外壳中)的流动的轴线中心对齐、包括驱动螺旋桨10，11旋转的涡轮，在该示例中，螺旋桨10，11是反向旋转的(即上游螺旋桨10的旋转方向与下游螺旋桨11的旋转方向相反)。涡轮机既可以是开放式旋翼“推动器”(螺旋桨10，11位于气体发生器4的下游并“推动”涡轮机1)又可以是开放式旋翼“牵引器”(螺旋桨10，11位于气体发生器4的上游并且“牵引”到涡轮机1上)。

还应该注意的是，螺旋桨10，11并不一定是反向旋转的，此外，第二螺旋桨11可以为定子(即固定的螺旋桨)，然后涡轮机1为称作USF(“无涵道单风扇”)的类型。

在任何实例中，每个螺旋桨10，11具有从中心外壳大体上径向地延伸的多个叶片2。螺旋桨10，11围绕外壳限定涡轮机1的无涵道风扇。

叶片的构造

按照已知的方式，见图2a，螺旋桨10，11的叶片2具有相同的长度。换言之，从所有叶片的尖端的“半径”(即，到螺旋桨10，11的旋转轴线的距离)是恒定的。此后在本说明书中，为了方便起见将使用术语叶片的“长度”，但是应该理解的是，叶片2的长度意味着在其尖端处的半径，即支撑叶片2的螺旋桨10，11的旋转轴线(通常是螺旋桨10，11的旋转轴线，因为它是共用的)与叶片2的尖端之间的距离。

相比之下，本涡轮机的区别在于，上游螺旋桨10的至少一个第一叶片2a具有不同于上游螺旋桨10的至少一个第二叶片2b，2c的长度(换言之，上游螺旋桨包括至少两个具有不同长度的叶片2a，2b，2c)。按照惯例，第一叶片2a选定为比第二叶片2b，2c长，从下文可以看出，第二叶片2b，2c具有多个长度。

这使得由上游螺旋桨10的叶片2a，2b，2c发出的漩涡结构可能在不同的径向位置撞击下游螺旋桨11的叶片2。

事实上，发出的每个叶片尖端漩涡跟随穿过上游螺旋桨的叶片2a，2b，2c的叶片尖端整流罩(即尖端)的流线。由于螺旋桨的吸力，该流线被流的收缩约束。

因此，如果上游螺旋桨10的第二叶片2b，2c具有减小的长度，则经过其叶片尖端整流罩的流线具有比具有较大长度的第一叶片2a的半径小的半径。因此，如图3所示，在比由第一叶片2a产生的漩涡低的位置，由第二叶片2b，2c产生的漩涡撞击下游螺旋桨11。以这种方式，与不同的叶片2a，2b，2c关联的上游螺旋桨10的漩涡在不同的径向位置撞击下游螺旋桨11的相同叶片2(但是对于具有统一的叶片长度的上游螺旋桨10而言，冲击全部位于相同位置)，因此允许声源移相，致使辐射的声级降低。

这种构造应用在上游螺旋桨10的漩涡(完全地或者部分地)撞击下游螺旋桨11，即下游螺旋桨11要么未被修剪要么不充分地修剪的实例中。在优选的实施例中，下游螺旋桨11的所有叶片2具有相同的长度，而且尤其是具有上游螺旋桨10的第一叶片2a的长度。

优选地，第二叶片2b，2c简单地是缩短的第一叶片2a。换言之，叶片的设计没有修改；仅缩短端部。

这种修改不能太大以便不会修改螺旋桨10，11的空气动力学性能，但是必须充分地修改以使得声源移相。有利地，所述第二叶片2b，2c(如果第二叶片2b，2c存在多个长度，则具体为较短的第二叶片2b，2c)比第一叶片2a短0.5％到5％。

事实上，非对称的稳定状态计算可以确定：将上游螺旋桨10的第二叶片2b，2c的半径(相对于第一叶片2a)减小0.8％(但具有恒定的叶片间距)致使在巡航高度，在该叶片2b，2c上0.3％的推力损失以及在下游螺旋桨11的叶片2上可忽略不计的损失。因此上游螺旋桨10的一个叶片的效率降低0.02个点，下游螺旋桨的叶片的效率降低0.05个点，这些效率的降低是可接受的。

相同的对于起飞的计算给出了在该叶片2b，2c上1.3％的推力损失以及对于下游螺旋桨11的叶片2来说可忽略不计的损失。因此上游螺旋桨10的叶片的效率降低0.15％，下游螺旋桨11的叶片的效率不受影响。

如果推力损失过大，则可以为(相同的螺旋桨：上游螺旋桨，下游螺旋桨或者上游螺旋桨和下游螺旋桨两者的)所有叶片选择共同的间距以便恢复推力。

上游螺旋桨10的叶片2b，2c的长度的变化的一个额外的效果是修改在内叶片流中的漩涡的方位传播速度。事实上，第二叶片2b，2c的尖端的圆周速度Ui与半径的减小成比例地减小(Ui＝ΩRi，Ω是上游螺旋桨10的旋转速度，Ri是第二叶片2b，2c的半径)。除了空间的移相之外，速度的这种修改引起声源的暂时的移相。

因此从第二叶片2b，2c的尖端逃离的边缘漩涡的方位速度也减小。对于在第一叶片2a和第二叶片2b，2c之间的充分的长度变化，在螺旋桨10，11之间的漩涡的方位中的传播并因此与下游螺旋桨11的相互作用，不再是轴对称的。同样地，这种修改产生声源的暂时的移相。

除了引入源之间的额外的移相之外，还导致相互作用的周期的改变，并因此导致它们的在可听见的频谱内的频率的改变。假设声能守恒，则噪音级能够(以频率)局部地降低并且线宽(即声谱内的频峰)能够展开，甚至在较低的频率时分成不同的相互作用线。

叶片的组

根据有利的实施例，第一叶片2a和第二叶片2b，2c根据某些预定的模型来组织。具体地，期望上游螺旋桨10的两个连续的叶片2a，2b，2c具有不同长度，即第一叶片2a被第二叶片2b，2c隔开。

为了这个目的，上游螺旋桨10的叶片2a，2b，2c有利地分成n∈[2；+∞]组长度相等的叶片，n∈[2；+∞]组长度相等的叶片包括至少一组第一叶片2a和至少一组第二叶片2b，2c。所有组的叶片2a，2b，2c具有不同的叶片2a，2b，2c长度。为了方便起见，可以考虑第一组包括所有最长的叶片(第一叶片2a)并且其他n-1组是通过减少长度而分类的第二叶片2b，2c的组：第二组包括第二叶片中所有最长的叶片，第n组包括第二叶片中最短的叶片，等等。

叶片2a，2b，2c的组的这个数量n优选为2(图2b的实例)或者3(图2c的实例，其中具有两个第二叶片长度：叶片2b形成一组“中等”长度的第二叶片，叶片2c形成一组“短”长度的第二叶片)，但是这个数量n可以更大。应该注意的是，在至少三个组的实例中，与各个组关联的叶片的长度选定为在公称长度(第一叶片2a的长度)与最短的第二叶片2b，2c的长度(有利地，最短的第二叶片2b，2c的长度在第一叶片2a的长度的98.5％和99.5％之间)之间规律地分布。

用L_min和L_max表示这些长度，例如存在其中L_i是第i组的叶片的长度。

所有组的叶片2a，2b，2c可包括相等数量的叶片2a，2b，2c(如同图2b的实例，其中存在两个组具有6个叶片2a，2b，2c)，或者不同数量的叶片(如同图2c的实例，其中存在三个组，包括一组具有4个第一叶片2a，一组具有6个第二叶片2b以及一组具有2个第二叶片2c)。这允许两个邻近的叶片2a，2b，2c永远一个是j组的以及一个是j+1组的，j∈[1；n-1]，即两个邻近的叶片之间永远存在长度差异，但是最小的差异。

叶片2a，2b，2c的组的分配也可以是不同变型的目的，优选地对于每m∈[n；+∞]个连续的叶片，采用其自身重复的模型的形式。

在一个最佳的模式中，叶片2a、2b、2c围绕上游螺旋桨10设置以便n个连续的叶片2a，2b，2c(即n个叶片的序列)的每个子集合包括来自于每个组的一个叶片2a，2b，2c，换言之，上游螺旋桨10符合具有等于组的数量n的阶次的模型(即模型每n个叶片重复，换言之m＝n)。例如，叶片2a，2b，2c的顺序可以符合1，2，……，n；1，2，……，n；1，2，……，n，等等的模型。这就是图2b的实例：叶片的顺序是2a，2b，2a，2b，等等。

应该注意的是，如果n>2，则在编号为n的(最短)叶片和编号为f的(最长)叶片之间可能存在长度的相当大的不连续性，这是为何更复杂的模型(但是永远遵循具有n阶的模型(例如，如果n＝5：则1，3，5，4，2))是可行的原因。

平衡

优选地，上游螺旋桨10配置为避免任何不平衡。在最简单的实例中，上游螺旋桨10包括2kn，k∈N^*个叶片2a，2b，2c，其中n仍然是组的数量，每个组包括偶数(2k)个叶片(然后不论n的奇偶性，必然具有偶数个叶片)。

然后两个径向相对的叶片2a，2b，2c在上游螺旋桨10上选定以便属于相同的组(因此尽管叶片2a，2b，2c的长度改变，但是不存在不平衡)。

应该注意的是，如果这2kn个叶片以包括来自于每个组的一个叶片2a，2b，2c的n个叶片的顺序来组织，(换言之，在具体实例中，序列的数量是偶数)，然后序列的数量是2k，并且两个径向相对的叶片2a，2b，2c自动地属于相同的组(并因此实现平衡)。

应该注意的是，符合图2c的螺旋桨10遵守该分配原则，这使得避免使用任何平衡物成为可能。

如果上游螺旋桨10包括(2k+1)n，k∈N个叶片2a，2b，2c，其中n仍然是组的数量，则每个组包括奇数(2k+1)个叶片(其包括提供2k+1个序列的n个叶片的具体实例)，优选的构造取决于n的奇偶性，但是需要至少一个与第一叶片2a径向相对地设置的平衡物。

如果n是偶数，则叶片2a，2b，2c的总数仍然是偶数，这意味着每个叶片具有径向相对的叶片，但是不可能保证两个径向相对的叶片2a，2b，2c永远属于相同的组。换言之，必须存在至少一对径向相对的包括第一叶片2a和第二叶片2b，2c的叶片。然后如果有必要，则第二叶片2b，2c配备有平衡物。

如果n是奇数，则叶片2a，2b，2c的总数是奇数，这意味着没有径向相对的叶片2a，2b，2c，因此使用平衡物。在这个实例中，平衡物将分布在几个径向相对的叶片之间。

在另一实施例中，平衡物可位于在旋翼中的其他位置。

Claims (14)

1.一种涡轮机(1)，包括至少两个无涵道螺旋桨(10，11)，所述至少两个无涵道螺旋桨包括一个上游螺旋桨(10)和一个下游螺旋桨(11)，所述上游螺旋桨(10)包括多个叶片(2a，2b，2c)，所述多个叶片中的至少一个第一叶片(2a)具有不同于至少一个第二叶片(2b，2c)的尖端半径。

2.根据权利要求1所述的涡轮机，其中所述上游螺旋桨(10a)的两个连续的叶片(2a，2b，2c)具有不同的尖端半径。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的涡轮机，其中所述上游螺旋桨(10)的所述叶片(2a，2b，2c)分成n∈[2；+∞]组尖端半径相等的叶片，所述n∈[2；+∞]组尖端半径相等的叶片包括至少一组第一叶片(2a)和至少一组第二叶片(2b，2c)。

4.根据权利要求3所述的涡轮机，其中所有组的叶片(2a，2b，2c)具有不同的叶片(2a，2b，2c)尖端半径。

5.根据权利要求3和4中任一项所述的涡轮机，其中所有组的叶片(2a，2b，2c)包括相等数量的叶片(2a，2b，2c)。

6.根据权利要求5所述的涡轮机，其中所述叶片(2a，2b，2c)围绕所述上游螺旋桨(10)设置以便n个连续的叶片(2a，2b，2c)的每个子集合包括来自于每个组的一个叶片(2a，2b，2c)。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的涡轮机，其中所述上游螺旋桨(10)包括2kn，k∈N^*个叶片(2a，2b，2c)，所述上游螺旋桨(10)上的两个径向相对的叶片(2a，2b，2c)属于相同的组。

8.根据权利要求3至6中任一项所述的涡轮机，其中所述上游螺旋桨(10)包括(2k+1)n，k∈N个叶片(2a，2b，2c)，所述涡轮机(1)包括至少一个与第一叶片(2a)径向相对地设置的平衡物。

9.根据权利要求3至8中任一项所述的涡轮机，其中叶片(2a，2b，2c)的组的数量n为2或者3。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的涡轮机，其中所述第二叶片(2b，2c)是缩短的第一叶片(2a)。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的涡轮机，其中所述第二叶片(2b，2c)比所述第一叶片(2a)短0.5％到5％。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的涡轮机，其中所述下游螺旋桨(11)包括具有所述第一叶片(2a)的所述尖端半径的多个叶片(2)。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的涡轮机，其中所述螺旋桨(10，11)是反向旋转的。

14.根据权利要求1至12中任一项所述的涡轮机，其中所述下游螺旋桨(11)是固定的。