CN114174168A - 用于具有可变节距叶片的螺旋桨的涡轮机模块和包括模块的涡轮机 - Google Patents

用于具有可变节距叶片的螺旋桨的涡轮机模块和包括模块的涡轮机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种涡轮机模块(1)，该涡轮机模块包括：‑旋转壳体(7‑8)，该旋转壳体支撑设置有多个叶片(5)的螺旋桨，‑用于使螺旋桨的叶片(5)的节距变化的系统，该系统包括控制装置，以及用于使螺旋桨的叶片的节距变化的机构，其特征在于，该系统由旋转壳体(7‑8)支撑，其中，该控制装置包括一环形排旋转致动器(16)，并且其中，用于使叶片的节距变化的机构包括同步环(11)，该同步环由致动器(16)的旋转输出轴(17)旋转驱动，该同步环(11)通过引导装置相对于旋转壳体(7‑8)旋转引导，并通过第一齿(13)与叶片(5)的小齿轮(14)啮合。

Description

用于具有可变节距叶片的螺旋桨的涡轮机模块和包括模块的 涡轮机
技术领域
本发明涉及一种用于涡轮机的可变节距螺旋桨，无论转子是否为罩式的。本发明更具体地侧重于用于控制这些螺旋桨的叶片的节距的机构。
背景技术
背景技术特别地包括文献US10288087B2和US8371105B2。
已知的是，无论双流发动机是涡轮螺旋桨发动机类型的还是具有无罩式螺旋桨的，均增加了双流发动机的涵道比，以提高双流发动机的推进效率并减小双流发动机的比耗量。该特性使得能够增加发动机的涵道比，但也具有在风扇或螺旋桨的速度减小的情况下工作以降低发动机的压缩比并因此产生空气动力学不稳定性，例如减小泵送余量的缺点。
解决这些不稳定性的一个解决方案是使用可变节距螺旋桨。因此，节距改变机构成为用于这些发动机的主要技术构件。
涡轮喷气发动机上的由风扇叶片组成的螺旋桨或开式转子类型的涡轮机上的螺旋桨(具有无罩式螺旋桨)包括大量叶片。另外，节距改变系统必须抵消由于叶片的大小和传输的动力而产生的高的力。此外，系统必须使得节距角在极端操作位置之间能够大范围变化。
除了每个叶片使用单独的致动器的系统(这造成了集成、致动器的动力供给和调节的复杂性的问题)之外，已知的各种系统使用同步环来改变作为整体的一环形排叶片或轮叶的节距。例如，文献FR-A1-2 937 678描述了一种使用由横向于纵向轴线的平面中的圆柱体驱动的旋转环形物的系统，而文献FR-A1-2 997 724描述了一种使用由纵向圆柱体轴向平移驱动的环形物的系统。
已知的系统提出了总体尺寸、调节的复杂性或者尤其是在液压致动器的情况下来将能量输送到各种致动器的各种问题。
本发明的目的是响应于在螺旋桨的毂部的空间中集成的问题，将能量输送到一个或多个致动器的问题，以及使得能够精确地调节叶片的节距和补偿任何制造间隙。
第二个目标是使安装节距改变机构对发动机的模块化及其维护的影响最小化。
该解决方案还旨在特别是在致动器故障的情况下来提高系统的可靠性。
发明内容
为此，本发明涉及一种用于具有纵向轴线的涡轮机的模块，该模块包括：
-旋转壳体，该旋转壳体可围绕纵向轴线旋转并支撑设置有多个叶片的螺旋桨，
-用于使螺旋桨的叶片的节距改变的系统，该系统包括：
○控制装置；以及
○用于使螺旋桨的叶片的节距变化的机构。
本发明的显著之处在于，所述系统由旋转壳体支撑，其中，所述控制装置包括围绕所述纵向轴线分布的一环形排旋转致动器，并且其中，用于使叶片的节距变化的所述机构包括同步环，该同步环可由致动器的旋转输出轴旋转地驱动，同步环可通过引导装置相对于所述旋转壳体旋转地引导，并通过第一齿与叶片的小齿轮啮合。
同步环的使用使得能够以同步的方式改变所有叶片的节距。
同步环可在旋转壳体上旋转地引导的事实使得包括旋转壳体和叶片的旋转机构的组件能够以减小的总体尺寸形成尽可能靠近叶片的功能组件。这便于该组件集成在涡轮机上。
另外，旋转壳体上的环的旋转引导有助于机构的刚性，以实现叶片的精确节距。除此之外，同步环通过枢轴上的齿轮驱动叶片的事实，由于齿轮啮合的精确性，该设备确保了叶片的节距的非常良好的相对误差。
此外，这些特性使得能够尽可能靠近叶片的安装接口，以锁定所有运动学并在紧急情况下阻止该叶片的位置。
就致动器的大小而言，可以通过调节齿圈及其齿的几何参数来使致动器必须提供的扭矩最小化。
最后，在同一同步轮上啮合的一环形排多个致动器的使用使得能够在一个致动器故障的情况下通过其他致动器继续操作。这提高了在故障情况下的可靠性。另一方面，在致动策略的范围内，该布置可以使得在提供动力的致动器之间能够旋转，以让其他致动器冷却。这对于电动致动器是重要的点。
优选地，同步环由属于旋转壳体并支撑叶片的毂部包围。
该布置对应于模块的紧凑布局，该模块更易于集成并更坚固，以确保叶片的节距的精确性。
有利地，同步环包括径向外周边边缘，该径向外周边边缘与由所述旋转壳体支撑的至少一个轴承配合，以形成所述旋转引导装置。
通过将引导装置转移到同步环的周边，施加到保持该同步环的横向力和扭矩分布在相对大的表区域上。这有助于设备的稳健性和刚性。
有利地，致动器的输出轴具有大致平行于所述纵向轴线的旋转轴线。
有利地，致动器由所述旋转壳体的壁支撑，该壁大致垂直于所述纵向轴线。
优选地，用于与叶片的所述小齿轮啮合的第一齿是截头圆锥形的。
有利地，叶片的小齿轮是圆锥形小齿轮，该圆锥形小齿轮直接附接到叶片的根部。
优选地，同步环包括第二齿，该第二齿是圆柱形的并与所述输出旋转轴啮合。
优选地，所述第二齿被定位在同步环的径向内周边边缘上。
本发明还涉及一种包括至少一个如上文所描述的模块的飞行器涡轮机。
附图说明
通过以下详细说明并且为了理解该说明对附图进行参照，本发明的其它特征和优点将变得很明显，在附图中：
[图1]图1示意性地示出了根据本发明的模块的轴向半截面；
[图2]图2以周向截面示意性地示出了使用本发明的螺旋桨的叶片的不同节距位置；
[图3]图3示出了使用图1的设备的开式转子类型的涡轮机的示意纵向半截面；以及
[图4]图4示出了使用图1的设备的具有罩式风扇的涡轮机的示意纵向半截面。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的设备1的实施例的总体视图，该设备通过从发动机部分(未示出)伸出的轴2围绕涡轮机的纵向轴线X被可旋转地驱动。轴2本身通过轴承4在涡轮机的固定壳体3上被可旋转地引导。螺旋桨被布置在发动机的前方。螺旋桨的叶片5围绕纵向轴线X被可旋转地驱动，并且被设计为各自围绕与螺旋桨一起旋转的径向轴线Y具有可变节距。盖6将设备本身与气流隔离开，螺旋桨的叶片5在该气流中工作。
设备1包括以纵向轴线X为中心的耳轴7，该耳轴将轴2连接到螺旋桨的毂部8，该毂部支撑叶片5。耳轴7包括装配到轴2上的大致圆筒形的中心部分7a。连接件9由花键制成，这使得耳轴7能够从轴2的前方安装/拆卸。该连接件由螺母保持在轴向位置。耳轴7包括与花键轴的连接件9大致对应的盘7b，该盘连接到毂部8。盘7b被定位在毂部8的前方。螺栓连接使得毂部8能够居中并附接在盘7b的周边上。毂部8是结构部件，该结构部件包括其周边周围的一环形排圆形外壳，该环形排圆形外壳具有已知且未详细说明的装置，例如滚柱轴承，该装置用于安装与叶片5围绕径向轴线Y一起旋转的枢轴10。耳轴7和毂部8形成将螺旋桨的叶片5连接到发动机的轴2的旋转壳体。
为了制造节距改变机构，同步环11安装在耳轴7上。同步环11在此由盘11a形成，该盘在其背面支撑圆柱形突片11b。
同步环11安装在耳轴的盘7b和叶片5的枢轴10之间、在毂部8的下方。同步环11的盘11a的周边保持在轴承12中、在毂部8的下方，该轴承附接到耳轴7的盘7a的周边。该轴承12包括装置(在此未详细说明)，特别是槽和滚柱轴承，该装置保持同步环11以轴线X为中心并处于确定的轴向位置。同步环11的盘11a的外周边形成用于所述轴承10的滚柱轴承的轨道。因此，这些装置使得同步环11能够相对于耳轴7围绕纵向轴线X自由地旋转，同时承受该同步环所受到的力，以将该同步环保持在轴向位置。
同步环11的圆柱形突片11b在其自由端部支撑齿形环13。在此，支撑齿形环13的齿的表面是围绕轴线X的截头圆锥形的，该表面遵循圆锥体，该圆锥体的母线穿过轴线X和叶片5的枢轴10的轴线Y的平面之间的交点。齿形环13与圆锥形小齿轮14的齿啮合，该圆锥形小齿轮附接到每个叶片5的枢轴10的端部。支撑每个枢轴10的小齿轮14的齿的表面遵循以枢轴的轴线Y为中心的圆锥体，该圆锥体的母线穿过轴线X和叶片的枢轴的轴线Y的平面之间的交点。
同步环11与圆锥形小齿轮14的啮合的精确性使得能够以非常低的相对误差获得叶片到叶片节距的良好的精确性。
此外，同步环11的盘11a包括中心凹槽。盘在该中心凹槽的周边上支撑内轴向齿形环15。
该设备还包括具有平行于涡轮机的轴线X的轴线Z的一环形排旋转致动器16，该环形排旋转致动器中的一个如图1所示。旋转致动器16附接到耳轴7的盘7b、在该盘的前方。每个旋转致动器驱动输出轴17围绕其轴线Z旋转，该输出轴穿过耳轴的盘7b，并支撑与同步环11的盘11b的内齿形环15啮合的齿形轮18。
例如，与所示致动器相同的八个致动器16附接到耳轴的盘、在耳轴的前方以环的形式周向分布。致动器的数量及其大小可以根据设备的几何参数和针对每个致动器设定的单独的动力而变化。致动器的数量通常可以是三个、六个或十二个。
这些致动器是电动致动器。旋转动力传递装置19安装在耳轴7的后方、在轴2和涡轮机的固定壳体3之间。导线20将来自这些装置19的能量传输到致动器16。导线被电脉冲控制在其旋转轴线Z周围的位置。
替代地，可以使用液压致动器。在这种情况下，旋转液压传递设备必须安装在固定结构和设备之间，以为固定结构和设备提供动力并控制固定结构和设备。
该组件形成用于支撑螺旋桨的叶片5并控制节距角的模块，该模块的总体尺寸在螺旋桨的叶片5的毂部8的水平处减小到小的体积。
耳轴7和螺旋桨8的毂部形成以螺旋桨的轴2的速度旋转的壳体。控制致动器16，以根据期望的节距角使致动器的输出轴17以相同的速度和在给定方向上相同的量来旋转。输出轴17的旋转导致同步环11在旋转壳体的参考系中旋转，并且通过同步轮11在叶片5的枢轴10的小齿轮14上的啮合而导致每个叶片5围绕该叶片的枢轴10的轴线Y的节距的对应修改。
在一个致动器故障的情况下，通过使致动器的尺寸过大，该布置使得能够通过其他致动器继续操作。另一方面，在致动策略的范围内，该布置可以使得在提供动力的致动器之间能够旋转，以让其他致动器冷却。这对于电动致动器是重要的点。
该组件的运动学使得能够在大的角度范围内调节节距角。图2示出了叶片5的不同角度位置，即用于顺桨C1、爬升C2、起飞C3、地面C4和反推力C5操作模式。节距角在极端位置之间的变化大于90°。
此外，如果需要，组件的刚性，特别是由于用于可旋转地引导耳轴7上的同步环11的轴承和通过在齿13和15上啮合的连接件，使得能够锁定整个运动学并在紧急情况下阻止叶片5的节距位置。在此不描述在致动器故障的情况下安装在耳轴7上以执行该锁定功能的附加装置。
上述设备例如可以安装在“开式转子”类型的涡轮机21上。因此，图3示出了被布置在这种涡轮机21的上游的螺旋桨22下方的设备1，在该螺旋桨的后方具有固定叶片环23，该固定叶片环对穿过螺旋桨22和发动机24本身的流进行整流(未详细说明)，该发动机通过轴2驱动螺旋桨22。类似地，参照图4，设备1可安装成驱动双流涡轮机26的罩式风扇25，该涡轮机的发动机27未详细说明。

Claims (9)

1.一种用于具有纵向轴线(X)的涡轮机的模块(1)，所述模块包括：
-旋转壳体(7-8)，所述旋转壳体能够围绕所述纵向轴线(X)旋转并支撑设置有多个叶片(5)的螺旋桨，
-用于使所述螺旋桨的所述叶片(5)的节距改变的系统，所述系统包括：
ο控制装置；以及
ο用于使所述螺旋桨的所述叶片的所述节距变化的机构，
其特征在于，所述系统由所述旋转壳体(7-8)支撑，其中，所述控制装置包括围绕所述纵向轴线(X)分布的一环形排旋转致动器(16)，并且其中，用于使所述叶片的所述节距变化的所述机构包括同步环(11)，所述同步环能够由所述致动器(16)的旋转输出轴(17)旋转地驱动，所述致动器(16)的所述输出轴(17)具有大致平行于所述纵向轴线(X)的旋转轴线(Z)，所述同步环(11)能够通过引导装置相对于所述旋转壳体(7-8)被旋转地引导，并通过第一齿(13)与所述叶片(5)的小齿轮(14)啮合。
2.根据权利要求1所述的模块(1)，其中，所述同步环(11)由属于所述旋转壳体并支撑所述叶片(5)的毂部(8)包围。
3.根据权利要求1或2所述的模块(1)，其中，所述同步环(11)包括径向外周边边缘，所述径向外周边边缘与由所述旋转壳体(7-8)支撑的至少一个轴承(12)配合，以形成所述旋转引导装置。
4.根据前述权利要求中任一项所述的模块(1)，其中，所述致动器(16)由所述旋转壳体的壁(7b)支撑，该壁(7b)大致垂直于所述纵向轴线(X)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的模块(1)，其中，用于与所述叶片(5)的所述小齿轮(14)啮合的所述第一齿(13)是截头圆锥形的。
6.根据前述权利要求中任一项所述的模块(1)，其中，所述叶片(5)的所述小齿轮(14)是圆锥形小齿轮，所述圆锥形小齿轮直接附接到所述叶片(5)的根部。
7.根据前述权利要求中任一项所述的模块(1)，其中，所述同步环(11)包括第二齿(15)，所述第二齿是圆柱形的并与所述输出旋转轴(17)啮合。
8.根据权利要求7所述的模块(1)，其中，所述第二齿(15)被定位在所述同步环(11)的径向内周边边缘上。
9.一种飞行器发动机(21，26)，所述飞行器发动机包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的模块(1)。
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