CN107835889A - 用于涡轮机的可变桨距扇叶控制环 - Google Patents

Abstract

一种用于涡轮的可变桨距扇叶控制环(44)，该控制环包括环形本体(42)，该环形本体构造成被安装成能够在涡轮机的环形壳体(16)上旋转，所述本体包括连接到杆(34)的装置(46)，该杆连接到所述叶片，其特征在于，该控制环进一步包括在轴向方向和/或螺旋方向上进行引导的第一装置(60，62，64)，该第一装置由所述本体支撑并且该第一装置包括至少一个基本上径向的指状物(60，62)，该指状物包括轴向地压抵所述壳体的至少一个第一表面(72，74)并在所述表面上滑动的装置(62)。

Description

用于涡轮机的可变桨距扇叶控制环

技术领域

本发明涉及一种用于涡轮发动机的可变桨距叶片控制环。

背景技术

现有技术特别地包括文献FR-B1-2885968、FR-A1-2928979、GB-A-2479064、US-A-2924375、EP-A2-1808579、FR-A1-2699595和WO-A1-2009/133297。

在本申请中，涡轮发动机的(纵向)轴线被限定作为其发动机的一个或多个转子的旋转轴线，并且特别是在双轴涡轮发动机的情况下被限定作为双轴涡轮发动机的低压和高压轴的转子的旋转轴线。诸如内部、外部、径向、轴向等术语是指部件相对于该轴线的位置。

涡轮发动机的可变定子叶片(VSV)通过外环形壳体(通常为涡轮发动机的压气机)支撑。每个叶片包括扇叶，扇叶在其径向外端部处连接到径向圆筒形枢轴，该径向圆筒形枢轴限定叶片的旋转轴线并且在外壳体的对应开口中被旋转地引导。每个叶片的扇叶的径向内端部通常包括第二圆柱形枢轴，该第二圆柱形枢轴沿着叶片的旋转轴线延伸并且在压气机的内部壳体的开口中被旋转地引导。

每个叶片的外枢轴的径向外端部通过杆连接到控制环，该控制环通过驱动器或类似的驱动装置围绕外壳体旋转。控制环包括环形本体，该环形本体的回转轴线对应于涡轮发动机的轴线。该本体包括用于联接到前述杆的装置，该装置通常包括基本上径向的开口环形行，该开口接纳固定到杆的第一端的销。杆的第二端部被固定到叶片的径向外枢轴。控制环的旋转通过该杆传递到叶片的外枢轴并致使外枢轴围绕其轴线旋转。该环可以进一步包括用于定心本体并且引导该本体围绕涡轮发动机的轴线旋转的衬垫，该衬垫由本体支撑并且通过径向抵接与壳体相配合。

涡轮发动机中的定子叶片的角桨距旨在使压气机的几何结构适于其工作点，并且特别是旨在优化涡轮发动机的效率和喘振裕度以及降低涡轮发动机在各种飞形形态中的燃料消耗。

这些叶片中的每一个叶片可以围绕其轴线在第一“打开”或“完全打开”位置与第二“关闭”或“几乎关闭”位置之间旋转，在第一“打开”或“完全打开”位置处，每个叶片基本上平行于涡轮发动机的纵向轴线延伸，从而最大化空气通过的截面，在第二“关闭”或“几乎关闭”位置处，叶片相对于涡轮发动机的轴线倾斜，从而减小空气通过叶片级的截面。

已经观察到在工作期间环的轴向翘曲的问题。在本申请中，翘曲被理解为环的不需要的变形。环的轴向翘曲直接通过角桨距误差表示，因而通过叶片的错误定位表示。因此，叶片的移位规律没有得到满足，这对系统的空气动力学性能有不利的影响。

在单驱动器(mono-vérin)驱动装置的情况下，即，当通过单个驱动器驱动环时，这种现象特别明显。然后观察到环的翘曲，该翘曲是通过环在在直径上与连接到驱动器的区域相对的区域中的显著变形来表示的。这种现象因为使用由具有高膨胀率的材料制成的壳体而进一步加重。这种类型的壳体在发动机推力下非常快速地膨胀。这些高膨胀通常通过使用具有铝制的本体的环来补偿。与钢相比变形更多的铝会使翘曲现象更明显。

本发明针对现有技术的这个问题提出了一种简单、有效且经济的解决方案。

发明内容

本发明提出了一种用于涡轮发动机的可变桨距叶片控制环，该控制环包括：

-环形本体，该环形本体具有回转轴线A并且构造成被安装成可围绕所述轴线和涡轮发动机的环形壳体旋转，所述本体包括用于联接到杆的装置，该杆用于连接到所述叶片，其特征在于，该环进一步包括：

-用于沿着所述轴线在轴向方向和/或螺旋方向上进行引导的第一装置，该第一装置由选自所述本体和所述壳体的元件中的第一元件支撑并且包括至少一个指状物，该指状物相对于所述轴线基本上是径向的并且包括轴向抵接装置，该轴向抵接装置被构造成通过(轴向)抵接来与所述元件的第二元件的至少一个第一表面配合以及通过滑动来与所述表面相配合。

因此，根据本发明的环被构造成通过轴向抵接与壳体相配合，以便限制或者甚至阻止前述的轴向翘曲。

根据本发明的环可以包括以下特征的一个或多个，该特征被彼此分开或者彼此组合地采用：

-该环进一步包括用于对本体进行定心并且引导本体围绕所述轴线旋转的第二装置，该第二装置由所述第一元件支撑并且包括径向抵接装置，该径向抵接装置被构造成通过(径向)抵接来与所述第二元件的第二表面配合以及通过滑动来与所述表面相配合；

-所述轴向抵接装置包括衬套，该衬套相对于所述轴线基本上是径向的；

-所述指状物包括基本上径向的销，该销穿过所述第一元件的开口并且该销的径向外端部带有螺纹并接纳螺母，以及该销的径向内端部支撑所述衬套；

-所述衬套被安装成在销的所述径向内端部上自由地旋转；

-所述衬套在径向外端部处包括环形颈圈；以及

-第一元件是所述本体并且第二元件是所述壳体。

本发明进一步涉及一种用于控制用于涡轮发动机的可变桨距叶片的系统，该系统包括具有回转轴线A的环形壳体、至少一个如之前所述的环和可变桨距叶片的至少一个环形行，该环被安装成可围绕所述轴线旋转，该可变桨距叶片相对于所述轴线基本上径向地延伸并且被连接到所述本体，以便环围绕壳体的旋转使所述叶片围绕基本上径向的轴线进行旋转，其特征在于，所述壳体包括至少一个凹槽，该凹槽用于容纳并引导所述至少一个指状物。

环的指状物与壳体的凹槽的配合使得前述轴向翘曲能够得到限制或者甚至被阻止。

根据本发明的系统可以包括以下特征的一个或多个，该特征被彼此分开或者彼此组合地采用：

-所述凹槽形成在壳体的凸台中；

-所述凹槽具有圆弧形的总体形状；

-所述凹槽由圆筒形部分中的两个周向表面界定，该周向表面被构造成与所述轴向抵接装置相配合；

-该系统包括用于驱动所述至少一个环以便使该环围绕壳体旋转的装置，并且其中：

·所述驱动装置包括单个驱动器，所述指状物和所述凹槽关于所述轴线基本上在直径方向上与所述驱动器相对；或者

·所述驱动装置包括相对于所述轴线在直径上相对的两个驱动器，指状物和凹槽的第一组位于两个制动器之间的中间位置并且关于所述轴线在直径方向上与指状物和凹槽的第二组相对；

-所述凹槽具有中数半径，该中数半径基本上等于穿过叶片的所述旋转轴线的第一横向平面与穿过所述指状物的第二横向平面之间的轴向距离。

本发明进一步涉及一种涡轮发动机，其特征在于，该涡轮发动机包括如之前所述的至少一个环或如之前所述的至少一个系统。

附图说明

通过阅读下文中以非限制性示例的方式并且参照附图给出的描述，本发明将被更好的理解，并且本发明的进一步的细节、特征和优点将变得更加清楚，在附图中：

-图1为根据现有技术的用于控制涡轮发动机的可变桨距叶片的系统的轴向截面的局部示意性半视图；

-图2和图3为自下游方向的、分别从侧面和从前面观察的图1的系统的壳体的示意性透视图；

-图4为没有轴向翘曲(左侧)和具有轴向翘曲(右侧)的控制环的示意性透视图；

-图5为根据本发明的用于控制涡轮发动机的可变桨距叶片的系统的局部示意性透视图；

-图6为图5的系统的轴向截面的示意性半视图；

-图7为类似于图6的视图的并且示出了本发明的实施例的变型的视图。

具体实施方式

图1以轴向截面示意性地示出了涡轮发动机、特别是飞行器涡轮发动机的具有多个级的高压压气机10的一部分，每个级包括由涡轮发动机的转子(未示出)支撑的可动叶片12的环形行和形成整流器的固定叶片14的环形行，该固定叶片由涡轮发动机的定子的壳体16支撑，叶片14的角度取向是可调整的，以便优化压气机10中的气体流动。

每个叶片14包括扇叶18和径向外圆筒形枢轴20，该扇叶和该径向外圆筒形枢轴通过壳体16的相应容置部26中的垂直于叶片的轴线24延伸的圆盘或“板”22连接。圆盘的径向内部表面28与壳体的内部壁30对齐，以免阻碍气体流动。

在现有技术中，每个叶片14的圆筒形枢轴20在壳体16的径向圆筒形轴32内延伸，并且该圆筒形枢轴的径向外端部通过杆34连接到控制环36，控制环围绕壳体16并且被连接到驱动装置(在图1中未示出)，该驱动装置允许控制环围绕壳体16的纵向轴线在一个方向或另一个方向上旋转，以便使环形行的叶片14围绕其轴线24进行旋转。

叶片14可以围绕其轴线24在称为完全关闭位置的位置和称为完全打开位置的位置之间旋转。

在完全关闭位置，叶片14的扇叶18相对于涡轮发动机的纵向轴线倾斜，即，每个叶片的弦(将前缘连接到后缘的线)基本上垂直于涡轮发动机的纵向轴线。扇叶18一起限定出用于空气在管道中通过的最小截面。叶片14在涡轮发动机处于低速或怠速时进入该位置，于是在压气机中流动的空气流具有最小值。

在完全打开位置处，叶片14的扇叶18基本上平行于涡轮发动机的轴线延伸，即，每个叶片的弦基本上平行于涡轮发动机的纵向轴线。于是，用于空气在扇叶18之间通过的截面是最大的。叶片14在涡轮发动机处于全油门时进入该位置，于是在压气机中流动的空气流具有最大值。

壳体16可以在其外周边上包括用于定心并且引导环36的突出轨道38，该突出轨道在图1中由虚线示意性地示出。

壳体16支撑用于驱动环36的装置40。在图2和图3所示的实例中，驱动装置包括(单个)驱动器40(例如液压驱动器)，其包括固定到壳体16的本体和通过合适的装置连接到环36的活塞杆。在该实例中，驱动器40被安装在壳体16上，使得驱动器的活塞杆基本上平行于壳体16的回转轴线A(该回转轴线是涡轮发动机的轴线)延伸。

在工作期间，驱动器40使其活塞杆缩回或伸展，这使得环36围绕壳体16和轴线A进行旋转。该旋转伴随着环的轻微的轴向移位，环因此经历了沿着轴线A基本上螺旋的运动。该轴向移位通过围绕轴线24旋转的杆34施加。

图4在该附图的左侧示出了处于自由的、不受约束的位置的环36。该环36在横向平面中延伸，即，垂直于轴线A延伸。图4还在该附图的右侧示出了已遭受轴向翘曲的环36'。该环36'不再在横向平面中延伸。它是完全翘曲的。

借助于配备有用于沿着轴向方向和/或螺旋方向进行引导的装置的环，本发明能够限制或甚至防止这种现象，该装置包括至少一个基本上径向的指状物并且包括用于轴向抵接在壳体的至少一个表面上并用于在该表面上滑动的装置。

本发明的在图5和图6中所示的实施例中，环44的本体42包括：

-第一径向通孔46，该第一径向通孔用于容纳由杆34的第一端部支撑的第一圆柱形销48，该杆的第二端部被安装在叶片的径向外枢轴20上；

-第二径向通孔50，该第二径向通孔用于容纳用于支撑衬垫54的第二销52，每个销52具有径向取向并且包括连接到衬垫54的径向内端部和接纳螺母56的带有螺纹的径向外端部，该螺母旨在与本体42的外周发生抵接，衬垫54与壳体16的轨道，例如图1中虚线所示的那些轨道38，发生抵接；以及

-第三径向通孔58，该第三径向通孔用于容纳用于支撑衬套62的第三销60，每个销60具有径向取向并且包括连接到衬套62的径向内端部和接纳螺母64的带有螺纹的径向外端部，该螺母旨在与本体42的外周发生抵接。

每个衬套62(图6中更加明显可见)具有总体圆筒形的形状并且在其径向外端部处包括外环形颈圈66。所述衬套包括中心孔，销60的径向内端部从该中心孔穿过。所述衬套被安装在销60上以便能够围绕销的轴线自由地旋转。由销60和衬套62形成的组件形成前述的指状物。

图7示出了实施例的一个变型，在该变型中，衬套62'在其径向外端部处没有颈圈。

衬套62接合在壳体16的呈圆弧形的凹槽68中。凹槽68形成在壳体16的凸台70中。所述凹槽径向向外显露并且包括在圆筒部分中并面向彼此的两个周向表面72、74，衬套62能够通过轴向抵接和滑动与该表面相配合。表面72、74围绕同一轴线延伸，在该情况下，该轴线基本上位于穿过叶片的轴线24的横向平面P1中。表面72、74的圆周端彼此连接。凹槽68围绕前述轴线具有大约30°至60°的角度范围。所述凹槽具有在前述轴线和穿过该凹槽的中心的假想线(即，表面72、74之间的中线)之间测得的中数半径(median radius)R，该半径R基本上等于横向平面P1与平行于P1并穿过销60的平面P2之间的距离。该距离基本上等于杆34的作用部分的长度，该长度在所述杆的销48的轴线与叶片的和所述杆相连的枢轴20的轴线之间测得。

凸台70包括径向外表面76，该径向外表面限定凹槽68的周向边缘，衬套的颈圈66可通过抵接和/或通过滑动与该径向外表面相配合。

在前述的用于驱动环44的包括单个驱动器的装置的实例中，环44可配备有单个指状物或销60。销60和凹槽68优选地在直径方向上与驱动器相对。

在前述包括两个在直径方向上相对的驱动器的驱动装置的实例中，环44优选地配备有两个在直径方向上相对的指状物或销60。销60和驱动器优选地围绕涡轮发动机的轴线均匀地分布，以提供均衡系统(isostatic system)。

在工作期间，通过驱动一个或多个驱动器使环44围绕壳体16旋转。所述环通过与壳体16的轨道38配合的衬垫54而被定心并且被引导成关于壳体16旋转。杆34围绕轴线24旋转并迫使环44在给定的行程范围内轴向移位。在该行程范围内，衬套62通过抵接并且通过滑动与凹槽68的表面72、74配合，以防止环44的轴向翘曲。表面72、74可以包括例如T800型的抗磨损涂层，以限制与衬套62的任何摩擦。衬套62与凹槽68的配合并不妨碍环44和壳体16在工作期间的热膨胀(并且不会被该热膨胀阻碍)。

在附图所示的示例中，如权利要求中所限定的第一元件和第二元件分别是环的本体和壳体。在实施例的变型(未示出)中，如权利要求中所限定的第一元件和第二元件分别是壳体和环的本体。换句话说，一个或多个指状物由壳体支撑并通过轴向抵接与环的本体的一个或多个凹槽相配合。

Claims (13)

1.一种用于涡轮发动机的可变桨距叶片(14)控制环(44)，包括：

-环形本体(42)，所述环形本体具有回转轴线A并且构造成被安装成能够围绕所述轴线和所述涡轮发动机的环形壳体(16)旋转，所述本体包括用于联接到杆(34)的装置(46)，所述杆用于连接到所述叶片，其特征在于，所述环进一步包括：

-用于沿着所述轴线在轴向方向和/或螺旋方向上进行引导的第一装置(60，62，64)，所述第一装置由选自所述本体和所述壳体的元件中的第一元件支撑并且包括至少一个指状物(60，62)，所述指状物相对于所述轴线基本上是径向的并且包括轴向抵接装置(62)，所述轴向抵接装置被构造成通过抵接来与所述元件中的第二元件的至少一个第一表面(72，74)配合以及通过滑动来与所述表面相配合。

2.根据权利要求1所述的环(44)，其中，所述环进一步包括用于对所述本体(42)进行定心并且引导所述本体围绕所述轴线旋转的第二装置(52，54，56)，所述第二装置由所述第一元件支撑并且包括径向抵接装置(54)，所述径向抵接装置被构造成通过抵接来与所述第二元件的第二表面配合以及通过滑动来与所述表面相配合。

3.根据权利要求1或2所述的环(44)，其中，所述轴向抵接装置包括衬套(62)，所述衬套相对于所述轴线基本上是径向的。

4.根据前一项权利要求所述的环(44)，其中，所述指状物包括基本上径向的销(60)，所述销穿过所述第一元件的开口(58)并且所述销的径向外端部带有螺纹并接纳螺母(64)，并且所述销的径向内端部支撑所述衬套(62)。

5.根据前一项权利要求所述的环(44)，其中，所述衬套(62)被安装成在所述销(60)的所述径向内端部上自由地旋转。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的环(44)，其中，所述衬套(62)在径向外端部处包括环形颈圈(66)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的环(44)，其中，所述第一元件是所述本体并且所述第二元件是所述壳体。

8.一种用于控制用于涡轮发动机的可变桨距叶片(14)的系统，包括：具有回转轴线A的环形壳体(16)、至少一个根据前述权利要求中任一项所述的环(44)和可变桨距叶片(14)的至少一个环形行，所述环被安装成围绕所述轴线和所述壳体旋转，所述可变桨距叶片相对于所述轴线基本上径向地延伸并且被连接到所述本体，以便所述环围绕所述壳体的旋转使所述叶片围绕基本上径向的轴线(24)进行旋转，其特征在于，所述壳体包括至少一个凹槽(68)，所述凹槽用于容纳并引导所述至少一个指状物(60，62)。

9.根据前一项权利要求所述的系统，其中，所述凹槽(68)形成在所述壳体(16)的凸台(70)中。

10.根据权利要求7或8所述的系统，其中，所述凹槽(68)具有圆弧形的总体形状并且由圆筒形部分中的两个周向表面(72、74)界定，所述周向表面被构造成与所述轴向抵接装置(62)配合。

11.根据权利要求7至9中任一项所述的系统，其中，所述系统包括用于驱动所述至少一个环(44)以便使所述环围绕所述壳体(16)旋转的装置(40)，并且其中：

-所述驱动装置包括单个驱动器，所述指状物(60，62)和所述凹槽(68)关于所述轴线基本上在直径方向上与所述驱动器相对；或者

-所述驱动装置包括关于所述轴线在直径方向上相对的两个驱动器，指状物和凹槽的第一组位于所述两个制动器之间的中间位置并且关于所述轴线在直径方向上与指状物和凹槽的第二组相对。

12.根据权利要求7至10中任一项所述的系统，其中，所述凹槽(68)具有中数半径(R)，所述中数半径基本上等于穿过所述叶片的所述旋转轴线(24)的第一横向平面(P1)与穿过所述指状物(60，62)的第二横向平面(P2)之间的轴向距离。

13.一种用于飞行器的涡轮发动机，所述涡轮发动机包括至少一个根据权利要求1至6中任一项所述的环(44)或者根据权利要求7至11中任一项所述的系统。