CN107709156A - 用于控制涡轮螺旋桨发动机的具有可变倾角叶片的螺旋桨的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制涡轮螺旋桨发动机的具有可变倾角叶片的螺旋桨的设备，该设备包括用于控制螺旋桨的叶片的倾角的第一液压机械设备(10)和用于控制螺旋桨的旋转速度的第二液压机械设备(20)，其特征在于，所述设备包括单个机电致动器(30)，该单个机电致动器包括可移动致动器构件(31，36)，该可移动致动器构件被机械地连接至用于控制倾角的所述第一液压机械设备(10)以控制倾角设定点，以及被机械地连接至用于控制速度的所述第二液压机械设备(20)以控制速度设定点。

Description

用于控制涡轮螺旋桨发动机的具有可变倾角叶片的螺旋桨的 设备

技术领域

本发明涉及一种用于控制涡轮螺旋桨发动机的螺旋桨的设备。本发明具体地涉及一种用于控制具有可变倾角叶片的螺旋桨的设备，该具有可变倾角叶片的螺旋桨即为一种其叶片能够围绕该叶片的轴线枢转的螺旋桨。

背景技术

涡轮螺旋桨发动机具体地是在某航空器上使用的推进装置，并且包括燃气涡轮机和螺旋桨。目前，大多数涡轮螺旋桨发动机的螺旋桨是包括可变倾角叶片的螺旋桨。这些螺旋桨也被称为可变倾角螺旋桨。具有可变倾角叶片的螺旋桨配备有能够调整叶片的倾角角度的机构，该倾角角度即叶片的参考弦与该叶片的旋转平面之间的角度。控制叶片的倾角角度使得能够调整螺旋桨的特性，从而优化涡轮螺旋桨发动机在大的飞行包线内的性能。例如，对于航空器的起飞和爬升阶段，目的通常是提供较大的倾角，以便在高功率水平下保持合理的螺旋桨速度。对于巡航飞行阶段，目的通常是提供较低的倾角，以便在较低的功率水平下保持合理的螺旋桨速度。在着陆阶段，目的通常是提供负倾角，以使航空器减速并缩短其制动距离。因此，有必要提供一种使得能够在飞行期间改变螺旋桨的叶片的倾角的控制设备。

一般而言，取决于航空器的飞行阶段，包括可变倾角叶片的螺旋桨被控制处于两种运行模式下。对于低发动机速度，直接控制螺旋桨的倾角。在说明书通篇中，这种模式被称为“贝塔模式”。对于较高的发动机速度，螺旋桨的速度被控制在最佳运行点。在说明书通篇中，这种模式被称为“速度模式”。

因此，有必要提供用于贝塔模式的将倾角控制至倾角设定点的控制系统和用于速度模式的将螺旋桨速度控制至速度设定点的控制系统。这些倾角设定点和速度设定点是固定的，或者是通过外部机械线缆或电信号提供的。

目前，用于控制螺旋桨的系统有三个不同的组类：电气控制、利用伺服阀的电动液压控制和液压机械控制。

在实践中，电气控制和利用伺服阀的控制不能用于所有的应用场合，这或者是因为系统的总重量(利用伺服阀的控制尤其是这种情况)、所产生的成本(电气控制或利用伺服阀的控制尤其是这种情况)，或者是因为它们不够先进(电气控制尤其是这种情况)。

液压机械控制的原理是将油压施加至活塞，该活塞被刚性连接至驱动叶片围绕该叶片的轴线旋转的机构。活塞例如被容置在处于螺旋桨毂部中的缸体中，并限定出一个或两个压力室。当可以从活塞的任一侧施加压力时，参考双作用式螺旋桨。当只能从活塞的一侧施加压力时，参考单作用式螺旋桨。在这种情况下，活塞通过被设置在每个叶片根部的弹簧和平衡配重被复位。

一种用于控制具有可变倾角叶片的螺旋桨的设备以已知的方式包括用于将螺旋桨的叶片的倾角控制至倾角设定点的第一液压机械设备和用于将螺旋桨的旋转速度控制至速度设定点的第二液压机械设备。

用于控制倾角的第一液压机械设备通常使用由螺旋桨(其使得能够得到一组相同的(a copy of)叶片角度的)和机械连接连杆(其被驾驶员致动)致动的滑动件来设置倾角设定点。

用于控制速度的第二液压机械设备使用基于旋转平衡配重的速度控制器。

因此，在速度模式下，被发动机减速齿轮以与螺旋桨的速度成比例的速度旋转的旋转平衡配重系统驱动滑动件，该滑动件控制螺旋桨的活塞，并因此直接地或者通过液压放大器控制该螺旋桨的倾角。对平衡配重的复位弹簧进行的校准限定了速度设定点。例如可以通过下述方式来修改该速度设定点：利用机械线缆或者全或无电阀来调整对弹簧的校准。在贝塔模式下，与倾角设定点和相同倾角的组机械地关联的液压滑动件使得能够将倾角控制至预期的设定点。倾角设定点通过从驾驶舱控制的机械连接连杆被机械地传递至滑动件。

这个解决方案有两个缺点。首先，通过作用在复位弹簧上对速度设定点进行的控制是双变式的(2个可选的速度)，或者是通过机械连接连杆来实现的，该机械连接连杆不允许利用诸如发动机控制计算机之类的电子设备来进行控制。其次，倾角设定点由被连接至驾驶舱控制器的机械连接连杆控制，因此不允许利用电子控制计算机直接控制倾角。

因此，发明人试图改进具有可变倾角叶片的螺旋桨的液压机械控制器的原理。

发明目的

本发明的目的是克服用于控制具有可变倾角叶片的螺旋桨的已知设备的至少一些缺点。

特别地，在本发明的至少一个实施方式中，本发明的目的还在于提供一种用于控制具有可变倾角叶片的螺旋桨的设备，该设备不再需要被连接至驾驶舱以在贝塔模式下控制螺旋桨的机械连接连杆。

在本发明的至少一个实施方式中，本发明的目的还在于提供一种能够与电子控制计算机进行电交互的设备。

在本发明的至少一个实施方式中，本发明的目的还在于提供一种与现有技术的控制设备相比重量更轻且成本更低的设备。

发明内容

为此目的，本发明涉及一种用于控制航空器发动机(例如，涡轮螺旋桨发动机或开式转子发动机)的具有可变倾角叶片的螺旋桨的设备，该设备包括用于将螺旋桨的叶片的倾角控制至倾角设定点的第一液压机械设备和用于将螺旋桨的旋转速度控制至速度设定点的第二液压机械设备。

根据本发明的用于控制螺旋桨的设备的特征在于，该设备进一步包括单个机电致动器，该机电致动器包括可移动致动构件，该可移动致动构件被机械地连接至用于控制倾角的所述第一液压机械设备以控制倾角设定点，以及被机械地连接至用于控制速度的所述第二液压机械设备以控制速度设定点。

因此，根据本发明的控制设备包括单个机电致动器，该机电致动器使得能够控制速度设定点和倾角设定点。这种控制是通过被机械地连接至第一液压机械设备和第二液压机械设备的可移动致动构件来实施的。可以使用单个致动器是因为发明人已经认识到，速度模式和贝塔模式未用于相同的飞行阶段。因此，使用单个机电致动器即能够控制相应飞行阶段中的速度设定点和相应飞行阶段中的倾角设定点。机电致动器还被设计成接收电指令并由此致动可移动致动构件。因此，根据本发明的控制设备使得能够使用单个电指令来控制倾角设定点和速度设定点。换言之，根据本发明的设备意味着不再需要在驾驶舱中设置机械线缆，因为通过提供给机电致动器的电指令来直接控制贝塔模式和速度模式。使用本发明，还可以仅设置单个接口用于控制螺旋桨的两种运行模式。

有利地并且根据本发明，所述机电致动器的可移动致动构件被设计成在至少一个第一位置范围和在至少一个第二位置范围内移动，在该第一位置范围中，该可移动致动构件致动所述第一液压机械设备以确定倾角设定点，在该第二位置范围中，该可移动致动构件致动所述第二液压机械设备以确定速度设定点。

根据本发明的第一变型，这两个位置范围彼此分开，使得在第一位置范围内，可移动致动构件确定倾角设定点并使速度设定点保持固定不变；在第二位置范围内，可移动致动构件确定速度设定点并使倾角设定点保持固定不变。

换言之，根据该变型，可移动致动构件被设计成在其处于所述第一位置范围内时保持所述第二设备上的固定不变的速度设定点，以及在该可移动致动构件处于所述第二位置范围内时保持所述第一设备上的保持固定不变的倾角设定点。

根据另一个变型，两个位置范围互连，使得无论位置如何，可移动致动构件均作用于速度设定点和倾角设定点。

有利地并且根据本发明，可移动致动构件被设计成在至少一个被称为中立范围的第三位置范围内移动，在该第三位置范围内，该可移动致动构件不在两个液压机械设备中的任一个上施加任何显著的作用。

根据该变型，可移动致动构件可以在中立范围内移动，在该中立范围中，该可移动致动构件对速度设定点和倾角设定点没有显著的影响。

有利地并且根据本发明，第二液压机械设备包括液压滑动件，该液压滑动件被设计成以液压的方式控制螺旋桨倾角并被连接至平衡配重和所述平衡配重的复位弹簧，该平衡配重被设计成以与螺旋桨的速度成比例的速度被机械地驱动，并且机电致动器的可移动致动构件被设计成作用于平衡配重的所述复位弹簧的应力。这种对平衡配重的复位弹簧的应力的作用使得能够对速度设定点进行调整。

有利地并且根据本发明，第一液压机械设备包括至少一个液压滑动件，该液压滑动件被设计成以液压的方式控制螺旋桨倾角并且被与一组相同的螺旋桨倾角相关的连接连杆机械地驱动，所述机电致动器的可移动致动构件被设计成作用于所述液压滑动件以调整螺旋桨的倾角设定点。

有利地并且根据本发明，机械地连接至所述第一液压机械设备和第二液压机械设备的可移动致动构件包括至少一个凸轮，该凸轮具有取决于每个凸轮的角位置确定第一液压机械设备和第二液压机械设备的致动规则的轮廓。

有利地并且根据本发明，所述机电致动器选自包括步进电机、直流电机或者单轨或冗余转矩电机的组。

本发明还涉及一种为涡轮螺旋桨类型或开式转子类型的航空器发动机，或者更一般地为配备有可变倾角叶片的涡轮螺旋桨类型或开式转子类型的航空器发动机，该航空器发动机配备有根据本发明的控制设备。

本发明还涉及一种控制设备和一种配备有这种类型的控制设备的航空器发动机，其特征在于在前文或后文中描述的特征中的一些特征或全部特征的组合。

附图说明

通过阅读纯粹以非限制性的方式并参照附图提供的如下描述，本发明的其它目的、特征和优点将变得显而易见，在附图中：

-图1是根据本发明的控制设备的操作原理的示意图；

-图2是根据本发明一个实施方式的控制设备的示意图，该控制设备使用线性机电致动器；

-图3是作为根据本发明的一个实施方式的控制设备之可移动致动构件的位置的函数的设定点变化曲线的示意图；

-图4a、图4b和图4c是根据本发明的另一个实施方式的控制设备的示意图，该控制设备在不同的操作模式下使用旋转机电致动器；

-图5是根据本发明的另一个实施方式的控制设备的示意图，该控制设备使用包括两个独立的凸轮的旋转机电致动器。

具体实施方式

在附图中，为了说明和清楚起见，没有严格遵守尺度和比例。贯穿参考附图的以下描述，相同、相似或类似的元件由相同的附图标记表示。

根据本发明，用于控制涡轮螺旋桨发动机的具有可变倾角叶片的螺旋桨的设备包括用于控制螺旋桨的叶片的倾角的第一液压机械设备，该第一液压机械设备在下文中提及时被表达为“第一设备”，并且在附图中带有附图标记10。该控制设备还包括用于控制螺旋桨的旋转速度的第二液压机械设备，该第二液压机械设备在下文中提及时被表达为“第二设备”并且在附图中带有附图标记20。

未对第一设备和第二设备进行详细描述，原因是本发明实质上在于用于这些设备的控制装置，而非本领域技术人员已知的这些设备本身。此外，这些第一设备和第二设备可以使用诸如滑动件、活塞、平衡配重等的共用装置，即使该第一设备和第二设备在附图中为了说明和清楚的目的被示出为两个单独的设备亦如此。

第一设备10和第二设备20被设计成以液压机械的方式作用于螺旋桨的倾角，并间接地作用于螺旋桨的速度。

根据本发明的设备进一步包括机电致动器30，该机电致动器包括被机械地连接至第一设备10和第二设备20的可移动致动构件31。

根据图1和图2所示的实施方式，致动器30是线性致动器。

根据图1的实施方式，可移动致动构件31是可移动的杆。该可移动的杆可以被移动，以便例如通过被容置在缸体12中并且被弹簧13加压的活塞11来致动第一设备10，或者例如通过被容置在缸体22中并且被弹簧23加压的活塞21来致动第二设备20。根据特殊的实施方式，活塞11和活塞21、缸体12和缸体22以及弹簧13和弹簧23可以被容置在设备10和设备20中。

根据另一实施方式，如图2所示，可移动致动构件31由第一杆32形成，该第一杆被致动器所接收到的电指令以及被分别连接至活塞11、21的两个杆33、34通过连接杆14、24直接致动，该连接杆被安装成围绕各自的枢转销15、25枢转。因此，可移动的杆32的移动造成通过杆33、34的连接杆14、24和通过枢转销15、25沿所述杆的移动方向对倾角设定点或对速度设定点进行调整。例如，如果杆32向图2中的左侧移动，则连接杆14围绕枢转销15枢转，使得其上端部与杆33的端部33a发生机械接触，并因此使与杆33刚性连接的活塞11移动，从而使得能够调整倾角设定点。例如，如果杆32在图2中向右移动，则连接杆24围绕枢转销25枢转，使得其下端部与杆34的端部34a发生机械接触并且因此使与杆34刚性连接的活塞21移动，从而使得能够调整速度设定点。

图1和图2中的构造使得能够形成第一位置范围A和第二位置范围B，在该第一位置范围中，可移动致动构件31致动第一液压机械设备10以确定倾角设定点，在该第二位置范围中，可移动致动构件31致动第二液压机械设备20。

在图1中，致动构件31所处的位置在位置范围A中。事实上，应当注意，致动构件31与活塞11接触，并且直接作用于活塞，使得该致动构件按照用于螺旋桨的倾角的指令进行动作。如果致动构件31被朝向活塞21致动，则构件将处于第二位置范围B中的位置，在该位置处，该致动构件致动所述第二液压机械设备20以确定速度设定点。

还应注意的是，图1中的构造使得能够形成位置范围C，在该位置范围中，致动构件31不作用于两个活塞11或21中的任一个，使得倾角和速度在该中立区域中均不被控制。

图3是一示意图，被由此限定在其中的不同范围A、B和C被示出为与可移动致动构件31的路线D以及与相关的速度设定点V和倾角设定点P相关联。在可移动致动构件的路线D上，速度设定点V和倾角设定点P分别处于极限值Vmax和Vmin之间以及处于Pmax和Pmin之间。

根据如图4a、图4b和图4c所示的另一实施方式，可移动致动构件包括凸轮36，凸轮36具有取决于凸轮36的角位置而确定第一液压机械设备和第二液压机械设备的致动规则的轮廓。所述凸轮36被安装为围绕轴37枢转。此外，凸轮36具有被分成三个主要部段的轮廓，其中一个部段41为圆弧形，称为固定不变部段，一个部段43为非圆形并且被称为速度部段，以及一个部段42为非圆形并且被称为倾角部段。部段42、43形成控制部段。此外，第一设备和第二设备的两个活塞11、21被布置成与凸轮36接触。取决于凸轮的角位置，每个活塞可以由于凸轮轮廓的部段中的一个部段或另一部段而进行移动。

当凸轮围绕轴37枢转以使圆弧形状的部段41抵接第一设备或第二设备的活塞时，该设备保持处于固定不变的位置。事实上，当凸轮保持使部段41与活塞接触时，轴37与轮廓的面对活塞的端部分开的距离保持固定不变。因此，面对凸轮的活塞受到的压力保持固定不变。换言之，当活塞保持与该圆弧形部段接触时，该活塞的位置不变。因此，这事实上对于指令而言是固定不变的部段。该部段可以具有大于由两个活塞形成的角度(这里为90°)的角度范围，以便产生下述角度范围：在该角度范围中，致动器的移动对位置设定点或倾角设定点均没有影响。这是上述的中立区域。

相反，当凸轮围绕轴37枢转以使控制部段42、43面对活塞并且与该活塞接触时，凸轮的任何旋转均导致该面对的活塞的平移移动。实际上，鉴于轮廓不再是圆形的，轴37与轮廓的面对活塞的端部分开的距离改变。

在图4a中，凸轮36被定向成使得每个活塞均与部段41接触。这是致动器的中立区域，其不作用于螺旋桨的速度或倾角。

在图4b中，凸轮36被定向成使得速度部段43与第二设备20的活塞21接触。因此，在该整个位置范围内，凸轮36确定速度设定点。当部段43面对设备20的活塞21时，固定不变部段41面对设备10的活塞11，使得在该整个部段上，倾角设定点不受凸轮的旋转影响。

在图4c中，凸轮36被定向成使得速度部段42与第一设备10的活塞11接触。因此，在该整个位置范围内，凸轮36确定倾角设定点。当部段42面对设备10的活塞11时，固定不变部段41面对设备20的活塞21，使得在该整个部段上，速度设定点不受凸轮的旋转影响。

根据该实施方式的有利变型，机电致动器驱动两个单独的凸轮，每个凸轮被设计成仅作用于一个设定点。

例如，并且如图5所示，致动器包括被设计成作用于倾角设定点的第一凸轮36a和被设计成作用于速度设定点的第二凸轮36b。在图5中，为了说明和清楚的目的，从侧面示出了凸轮。每个凸轮都有特定的轮廓，该轮廓决定了该凸轮能够控制的设定点的控制规则。

本发明不仅限于所描述的实施方式。特别地，根据图4a、图4b和图4c中的实施方式，部段42和部段43具有相同的轮廓。也就是说，根据其它的实施方式，每个速度部段和倾角部段均可具有不同的轮廓以便确定特定的控制规则。因此，可以取决于与控制设备所用于的螺旋桨的类型相关的具体要求来调整控制规则。

Claims (9)

1.用于控制航空器发动机的具有可变倾角叶片的螺旋桨的设备，所述设备包括用于将所述螺旋桨的叶片的倾角控制至倾角设定点的第一液压机械设备(10)和用于将所述螺旋桨的旋转速度控制至速度设定点的第二液压机械设备(20)，其特征在于，所述设备包括单个机电致动器(30)，所述单个机电致动器包括可移动致动构件(31，36)，所述可移动致动构件被机械地连接至用于控制倾角的所述第一液压机械设备(10)以控制所述倾角设定点，以及被机械地连接至用于控制速度的所述第二液压机械设备(20)以控制所述速度设定点。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述机电致动器的可移动致动构件(31，36)被设计成在至少一个第一位置范围内和在至少一个第二位置范围内移动，在所述至少一个第一位置范围内，所述可移动致动构件致动所述第一液压机械设备(10)以确定倾角设定点，在所述至少一个第二位置范围内，所述可移动致动构件致动所述第二液压机械设备(20)以确定速度设定点。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述可移动致动构件(31，36)被设计成在其处于所述第一位置范围内时保持所述第二设备(20)上的固定不变的速度设定点，以及在所述可移动致动构件处于所述第二位置范围内时保持所述第一设备(10)上的固定不变的倾角设定点。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的设备，其特征在于，所述可移动致动构件(31，36)被设计成在至少一个被称为中立范围的第三位置范围内移动，在所述至少一个第三位置范围内，所述可移动致动构件不对两个液压机械设备中的任何一个施加任何显著的作用。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述第二液压机械设备(20)包括液压滑动件，所述液压滑动件被设计成以液压的方式控制螺旋桨倾角并且被连接至平衡配重和所述平衡配重的复位弹簧，所述平衡配重被设计成以与所述螺旋桨的速度成比例的速度被机械地驱动，以及，所述机电致动器的可移动致动构件(31，36)被设计成作用于所述平衡配重的复位弹簧的应力。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述第一液压机械设备(10)包括至少一个液压滑动件，所述液压滑动件以液压的方式控制所述螺旋桨倾角，并且被与所述螺旋桨的一组相同的倾角相关的连接连杆机械地驱动，以及，所述机电致动器的可移动致动构件(31，36)被设计成作用于所述液压滑动件。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其特征在于，被机械地连接至所述第一液压机械设备和所述第二液压机械设备的所述可移动致动构件包括至少一个凸轮(36)，所述凸轮具有取决于每个凸轮(36)的角位置确定所述第一液压机械设备和所述第二液压机械设备的致动规则的轮廓。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，其特征在于，所述机电致动器(30)选自包括步进电机、直流电机或者单轨或冗余转矩电机的组。

9.涡轮螺旋桨类型或开式转子类型的航空器发动机，或者更一般地，配备有可变倾角叶片的涡轮螺旋桨类型或开式转子类型的航空器发动机，所述航空器发动机配备有根据权利要求1至8中任一项所述的设备。