CN117615966A - 使涡轮机螺旋桨的叶片的桨距改变的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于使涡轮机螺旋桨的叶片的桨距改变的系统(40)，每个叶片(25)被安装成围绕桨距轴线(A)枢转，该系统包括控制装置和连接机构(50)，连接机构将控制装置连接到螺旋桨的每个叶片，对于螺旋桨的每个叶片，连接机构包括：‑联接部(54)，联接部具有连接到控制装置的第一端部(56)；以及‑偏心部(55)，偏心部具有第一端部(62)和第二端部(59)，偏心部的第一端部连接到叶片以使叶片围绕叶片的桨距轴线(A)旋转，偏心部的第二端部形成轭部(60)，轭部通过枢转连接而连接到联接部的第二端部(58)；偏心部的轭部(60)朝向叶片的桨距轴线(A)定向。

Description

使涡轮机螺旋桨的叶片的桨距改变的系统

技术领域

本发明涉及飞行器涡轮机的领域，特别地涉及这些涡轮机的包括可变桨距轮叶的推进螺旋桨。

背景技术

技术背景特别包括文献US 5 431 539 A、US2020/131917 A1以及FR 3 059364A1。

改变涡轮机螺旋桨的叶片的桨距或可变桨距是提高涡轮机在不同飞行条件下的性能和效率的一种方法。

具有至少一个无涵道式螺旋桨的涡轮机(也被称为“开式转子”或“无涵道式风扇”)都配备有这些桨距改变系统。在这类涡轮机中，存在具有两个对转式无涵道式螺旋桨(无涵道式风扇(Unducted Fan，UDF))的涡轮机，或者具有单个无涵道式螺旋桨(无涵道式单个风扇(Unducted Single Fan，USF))和整流器的涡轮机，整流器包括多个定子轮叶。

开式转子涡轮轴发动机主要包括在由飞行器结构承载的固定的圆筒形短舱内的共轴“气体发生器”部分和共轴“推进”部分。气体发生器部分可以布置在推进部分的上游或下游。术语“上游”和“下游”是相对于涡轮机中的气体的流通来限定的。推进部分包括两个共轴的对转式螺旋桨，分别为上游螺旋桨和下游螺旋桨，并且由气体发生器部分的涡轮(特别是低压涡轮)经由减速齿轮(例如通过周转齿轮系)驱动以反向旋转。螺旋桨在短舱外从驱动轴的纵向轴线大致径向地延伸。

一般来说，每个螺旋桨包括大致圆筒形的旋转壳体，旋转壳体承载外多边形环状毂部，外多边形环状毂部围绕纵向轴线被旋转地接纳在固定短舱中。毂部包括围绕纵向轴线围绕毂部的外周分布的径向圆柱形容纳部。具有径向轴线的轴被固定到叶片的根部，径向轴线垂直于涡轮机的纵向轴线，该轴被接纳在多边形环状部的容纳部中，并且还穿过在圆筒形壳体中的径向通道。

为了使得涡轮轴发动机能够在所遇到的各种飞行阶段中最佳地运行，对转式螺旋桨的叶片可以在环状部的径向容纳部中旋转。为此，叶片由适当系统驱动而围绕叶片的相应的枢转轴线(被称为桨距轴线)旋转，该适当系统使得叶片的桨距(即螺旋桨的桨距)能够在飞行期间变化。

用于使螺旋桨的叶片的桨距改变的系统覆盖了在两个极端位置(即“反向”极端位置和“顺桨”极端位置)之间的旋转角度范围，在“反向”极端位置，叶片例如沿着超出横向于涡轮轴发动机的轴线(飞行器向前移动的方向)的平面30°的方向延伸，从而以常规推力反向器的方式帮助飞行器制动，在“顺桨”极端位置，例如在发动机发生故障的情况下，叶片相对于飞行器向前移动的方向尽可能向后，从而提供尽可能小的阻力(抗力)。叶片在顺桨位置与反向位置之间的角度行程例如约为120°。

一般来说，一种用于使螺旋桨的叶片的桨距改变的系统包括控制装置和连接机构，连接机构将控制装置连接到螺旋桨的每个叶片，以确保叶片的期望的成角度的枢转。

已经提出了各种解决方案来改变“开放转子”类型或其他类型的涡轮轴发动机的螺旋桨的叶片的桨距。

例如，从文献FR 2 908 451获知了一种涡轮轴发动机，在该涡轮轴发动机中，用于使每个螺旋桨的叶片的定向改变的系统有利地包括单个环形汽缸，单个环形汽缸通过其汽缸部分安装在螺旋桨的环状毂部上，同时单个环形汽缸的活塞通过系统的与汽缸相关联的连接机构而连接到各个叶片的根部。由于环形汽缸的流体控制，活塞的移动通过改变叶片的桨距而确保了叶片的通过连接机构进行的期望的成角度的枢转。

还从文献WO 2013/050704获知了用于飞行器螺旋桨涡轮机的另一桨距改变系统，该桨距改变系统包括单个环形汽缸和连接机构，单个环形汽缸相对于螺旋桨的毂部布置在固定壳体或内转子上，连接机构包括传动轴承，传动轴承在一侧附接到汽缸的可移动部分，在另一侧与连接装置配合，连接装置用于将该机构连接到旋转毂部的叶片，使得旋转驱动机构的传动轴承将固定汽缸的可移动部分的平移移位传递到用于连接旋转机构的连接装置，以改变螺旋桨的叶片的定向。

图1示出了用于使螺旋桨的叶片的桨距改变的桨距改变系统。在该示例中，汽缸的茎状部处于其延伸位置，茎状部的延伸位置对应于叶片的顺桨位置。图2和图3示出了连接机构的沿着涡轮轴发动机的纵向轴线的更详细的视图(图2)和横截面(图3)。

连接机构1包括铰接式连接杆2，连接杆围绕环形汽缸3分布，并且在一侧连接到活塞4，在另一侧连接到径向轴5，径向轴分别固定到螺旋桨的叶片的根部，以由于连接机构的连接杆的平移运动而引起径向轴和相关联的叶片的旋转。这种类型的具有连接杆的连接机构保证了使用中的安全且可靠的运行，零件不会彼此滑动和/或摩擦。

更具体地，为了进行这种运动学连接，每个连接杆2包括联接部6和偏心部7。联接部6的一个端部连接到活塞4，另一个端部经由轭部8连接到偏心部7的一个端部，而偏心部的另一个端部连接到固定在螺旋桨的叶片的根部上的径向轴5。轭部8使得能够通过具有轴线X的枢转连接将联接部6连接到偏心部7，轴线X平行于相关联的叶片的径向桨距轴线A。轭部8是U形的并且旨在接纳轴线X以形成枢转连接。轭部从桨距轴线朝外。换言之，轭部包括通过中心部分连接的两个臂，中心部分比敞开部分距桨距轴线更近，敞开部分被限定在两个臂的自由端部之间。

通过将联接部连接到偏心部，汽缸的平移运动通过杠杆臂效应转化为叶片的旋转运动，以将必要的扭矩传递给螺旋桨的叶片，从而驱动螺旋桨的叶片旋转。

然而，偏心部的最大旋转角度(以α表示)(对应于叶片的顺桨位置)因此受到剩余间隙(以J表示)(靠近图3所示的轭部的机加工部)的限制。

发明内容

本发明的目的是弥补这些缺点，并提出一种用于使螺旋桨的叶片的桨距改变的系统，该系统的轭部的设计使得能够优化偏心部的角度轨迹的范围，以轴向地优化螺旋桨的运动控制的总尺寸。

为此，本发明涉及一种用于使涡轮机的螺旋桨的叶片的桨距改变的系统，每个叶片被安装成围绕桨距轴线枢转，该系统包括控制装置和连接机构，连接机构将控制装置连接到螺旋桨的每个叶片，对于螺旋桨的每个叶片，连接机构包括：

-联接部，联接部具有连接到控制装置的第一端部；以及

-偏心部，偏心部具有第一端部和第二端部，偏心部的第一端部连接到叶片以驱动叶片围绕叶片的桨距轴线旋转，偏心部的第二端部形成轭部，轭部通过枢转连接而连接到联接部的第二端部。

根据本发明，偏心部的轭部是U形的以接纳枢转连接的轴线，并且偏心部的轭部包括通过中心部分连接的两个臂，中心部分比轭部的敞开部分距桨距轴线更远，轭部的敞开部分与中心部分相对并且被限定在两个臂的自由端部之间，使得偏心部的轭部朝向叶片的桨距轴线定向。

通过使偏心部的轭部(在下文也称为内轭部)朝向叶片的桨距轴线定向，增大了通过联接部进行的运动学控制的行进路径。这使得联接部与偏心部之间的连接中的切向间隙移动，使得偏心部的行程不再受到限制。

这种类型的连接使得能够保持完整的角度轨迹，而不会在联接部与偏心部之间的连接处受到潜在干扰的阻碍。

有利地，偏心部可以具有朝向联接部定向的曲率以进一步减小偏心部的最小可能旋转角度。

类似地，联接部的朝向桨距轴线的曲率也将通过增大切向间隙来减小该最小可能角度。

本发明还涉及一种飞行器涡轮机，该飞行器涡轮机包括配备有叶片的至少一个螺旋桨以及如上所述的用于使叶片的桨距改变的桨距改变系统。

涡轮机可以为“开式转子”型，即螺旋桨是无涵道式的。

本发明还适用于USF型(即具有单个无涵道式螺旋桨以及包括多个定子轮叶的整流器的)涡轮机。

附图说明

通过以非限制性示例的方式并且参照附图做出的以下描述，本发明将被更好地理解，并且本发明的其它细节、特征以及优点将变得更清楚，在附图中：

-已经描述过的图1示出了根据现有技术的示例的用于使螺旋桨的叶片的桨距改变的系统；

-已经描述过的图2示出了用于配备图1的桨距改变系统的连接机构的放大视图；

-已经描述过的图3示出了用于配备图2所示的桨距改变系统的连接机构的径向横截面视图；

-图4示出了涡轮机的示例的示意性轴向横截面，该涡轮机具有根据本发明的用于使螺旋桨的叶片的桨距改变的系统；

-图5示出了用于配备根据本发明的桨距改变系统的连接机构的透视图；

-图6示出了在图5中示出的连接机构的俯视图；

-图7示出了用于“开式转子”型涡轮轴发动机的根据本发明的连接机构在两个极端位置之间运行的运动学的俯视图；

-图8A和图8B示出了用于USF型涡轮轴发动机的根据本发明的连接机构在两个极端位置之间运行的运动学；

-图9示出了用于“开式转子”涡轮轴发动机的根据本发明的连接机构的另一个实施例。

在不同的实施例中具有相同功能的元件在附图中具有相同的附图标记。

具体实施方式

图4示出了一种涡轮机，例如具有无涵道式风扇的涡轮轴发动机，该涡轮机旨在配备到被称为“开式转子”的飞行器。然而，本发明可以应用于其他类型的涡轮机。

涡轮机10包括布置有气体发生器的短舱12，气体发生器从上游到下游包括压缩机组件13、燃烧室14以及涡轮组件15。喷嘴18被布置在气体发生器的下游。

压缩机组件13可以包括一个或两个压缩机，这取决于单级气体发生器或两级气体发生器的架构。涡轮组件15可以包括高压涡轮和低压涡轮，或者包括两个涡轮(高压涡轮和中压涡轮)和低压涡轮。气体发生器围绕具有纵向轴线Z的转子轴驱动低压涡轮机。

涡轮机包括具有上游螺旋桨16和下游螺旋桨17的成对的对转式螺旋桨。这两个螺旋桨(即，上游螺旋桨16和下游螺旋桨17)由低压涡轮通过机械传动装置19以对转的方式驱动旋转。上游螺旋桨16和下游螺旋桨17与涡轮机10的纵向轴线Z同轴地安装，并且布置在垂直于纵向轴线Z的平行的径向平面中。在本示例中，螺旋桨16、17被安装在气体发生器的下游。在此示意性地示出的机械传动装置19可以包括差动式减速齿轮或行星齿轮系容纳部。上游螺旋桨16和下游螺旋桨17当然可以由低压涡轮直接驱动。

根据上述构造，进入涡轮机的空气流(以F表示)在压缩机组件13中被压缩，然后与燃料混合并在燃烧室14中燃烧。所产生的燃烧气体然后穿过涡轮15，以经由机械传动装置19驱动对转式螺旋桨16和17，对转式螺旋桨提供大部分推力。燃烧气体通过喷嘴18排出，这对涡轮机10的推力产生贡献。气体穿过主气体流导管20，主气体流导管在涡轮机中在短舱2与中心壳体21之间大致轴向地延伸，中心壳体与气体发生器相关联。

在本示例中，上游螺旋桨16包括圆筒形壳体，圆筒形壳体能相对于涡轮机的短舱12围绕具有纵向轴线Z的转子轴旋转。该壳体还连接到机械传动装置19的对应部分。壳体包括多边形环状部21，在多边形环状部中形成径向容纳部22和径向通道，径向容纳部22和径向通道同轴并且各自由具有径向轴线Y的轴23(以下被称为径向轴23)穿过，径向轴连接到对应螺旋桨16、17的叶片25的根部24。叶片25从短舱12径向向外延伸。径向容纳部22(在这种情况下是圆柱形的)围绕多边形环状部21的外周均匀地分布并且接纳叶片25的根部24。

上游螺旋桨和下游螺旋桨的叶片25为可变桨距型的，即，叶片可以通过用于改变叶片的桨距的系统40来围绕叶片的径向轴线(被称为桨距轴线A)定向，使得叶片根据涡轮机的运行条件和相关的飞行阶段而占据最佳角位置。

在该描述中，将仅描述用于使与上游螺旋桨16相关联的叶片的桨距改变的系统40。下游螺旋桨17可以配备有类似的或不同的用于使叶片的桨距改变的桨距改变系统。

这种桨距改变系统包括控制装置和连接机构50，连接机构将控制装置连接到螺旋桨16的每个叶片25。

控制装置在此不详述。控制装置包括具有固定体和可移动体的致动器，可移动体能相对于固定体沿着纵向轴线Z平移移动，可移动体例如为沿着涡轮轴发动机的纵向轴线Z进行线性运动的环形汽缸3(如图1所示)。连接机构50将汽缸连接到螺旋桨的叶片25的根部24。

连接机构50围绕致动器布置。致动器被布置成使连接机构50轴向移位，连接机构连接到叶片根部的径向轴23，使得连接机构50的轴向移位导致叶片改变桨距。径向轴23在径向容纳部22中围绕径向轴线A旋转。

优选地，桨距改变系统40包括负载传递轴承，负载传递轴承被布置成将连接机构50连接到可移动体，以确保由致动器的可移动体施加的轴向力的传递。

连接机构50还包括一组铰接式连接杆52，铰接式连接杆围绕致动器规则地分布并且旨在经由径向轴23作用于叶片25的根部24，以驱动根部围绕其径向轴线A旋转。连接杆52与叶片25的数量相同。

参照图5至图9，图5至图9更详细地示出了根据本发明的与叶片相关联的连接机构50，与叶片相关联的每个连接杆52包括联接部54和偏心部55。

联接部54的第一端部56围绕铰接轴线57连接到致动器，铰接轴线平行于叶片的径向轴线A。联接部54的另一端部58经由轭部60通过经由与上述轴线平行的铰接轴线61进行的枢转连接来连接到偏心部55的第一端部59。

偏心部55的另一端部62连接到径向轴23，径向轴固定到螺旋桨的叶片25的根部24。

轭部60使得能够通过具有轴线X的枢转连接将联接部54连接到偏心部55，轴线X平行于相关联的叶片的径向轴线A。轭部60是U形的并且旨在接纳轴线X以形成枢转连接。轭部指向桨距轴线A。换言之，轭部包括通过中心部分65连接的两个臂64，中心部分65比敞开部分66距桨距轴线A更远，敞开部分被限定在两个臂64的自由端部之间并且与中心部分65相对。

偏心部55的轭部60朝向径向桨距轴线A的定向使得能够释放偏心部围绕径向轴线A的旋转角度。

这种构造使得能够将联接部54与偏心部55之间的剩余间隙(图6中以J表示)移动到不受偏心部的轨迹所约束的区域中。在图5和图6所示的示例中，联接部54完全在偏心部55下方通过。

因此，偏心部的最小旋转角度(对应于叶片的顺桨位置)不再受联接部54与偏心部55之间的切向碰撞的限制，而是受到由与发动机轴(axe)对准的偏心部所限定的“无反冲(non-rebroussement)”角度的限制，该角度在实践中被限制为5°。例如，在“开式转子”型涡轮轴发动机上，如图7所示，与针对顺桨位置而延伸的汽缸对应的切向碰撞角为38.3°，即当剩余间隙J为5mm时不得下降的最小角度。

由于本发明，最小角度摆脱了这种约束，因此当汽缸处于缩回位置时，偏心部可以在机械上尽可能靠近发动机轴移动。因此，当汽缸处于伸展位置时，联接部与汽缸之间的连接的总尺寸(以L表示)在机械上被减小到最小，如图7所示。

作为比较，假设最小角度为5°，在“开式转子”型涡轮轴发动机上使用这种类型的轭部导致联接部的长度的轴向增加为22mm，这使得能够减少汽缸的冲程和联接部的长度，从而节省轴向总尺寸。

图8A和图8B分别以俯视图和横截面示出了USF型涡轮轴发动机的连接机构50在螺旋桨的叶片可以占据的两个极端位置之间的运行运动学。与“开式转子”涡轮轴发动机的运动学相比，这种类型的涡轮轴发动机的运动学是反向的：汽缸缩回对应于“顺桨”位置，而汽缸伸出对应于“反向”位置。

当系统50处于图8A和图8B中以虚线示出的位置(在该位置中，环形控制汽缸处于缩回位置)时，螺旋桨的叶片处于顺桨位置，即大约处于涡轮轴发动机的延伸部中，以提供尽可能小的阻力(抗力)。例如，在发动机出现故障的情况下，使用螺旋桨的叶片的这种顺桨位置。

当期望改变螺旋桨的叶片的方向时，桨距改变系统40起作用，并且为此环形汽缸被控制，使得汽缸的可移动部分根据桨距改变系统施加的选定行程而平移移动。在图8A和图8B以实线示出的示例中，可移动部分移动直到可移动部分处于最大伸展位置，最大伸展位置对应于叶片的反向位置。

如图8A和图8B所示，当连接机构50沿箭头平移移动时，联接部54通过铰接部57被拉动，并且经由轭部60的枢转连接部61驱动偏心轮55，偏心轮以常规连接杆-曲柄连接的方式限定了杠杆臂以便于其旋转。因此，偏心轮55围绕径向轴A的几何轴线枢转，偏心轮被固定到径向轴，使得叶片的根部在多边形环状部中在根部相应的容纳部中旋转。

此外，为了进一步减小最小切向碰撞角，可以使偏心部和/或联接部弯曲。特别地，偏心部可以具有指向联接部的曲率C1。替代地，联接部可以具有朝向桨距轴线定向的曲率C2。

两种类型的曲率C1和C2如图9所示。

Claims (6)

1.一种用于使涡轮机的螺旋桨的叶片的桨距改变的系统(40)，每个叶片(25)被安装成围绕桨距轴线(A)枢转，所述系统包括控制装置和连接机构(50)，所述连接机构将所述控制装置连接到所述螺旋桨的每个叶片，对于所述螺旋桨的每个叶片，所述连接机构包括：

-联接部(54)，所述联接部具有连接到所述控制装置的第一端部(56)；以及

-偏心部(55)，所述偏心部具有第一端部(62)和第二端部(59)，所述偏心部的第一端部连接到所述叶片以驱动所述叶片围绕所述叶片的桨距轴线(A)旋转，所述偏心部的第二端部形成轭部(60)，所述轭部通过枢转连接而连接到所述联接部的第二端部(58)；

其特征在于，所述偏心部的轭部(60)是U形的以接纳所述枢转连接的轴线，并且所述偏心部的轭部包括由中心部分(65)连接的两个臂(64)，所述中心部分比所述轭部的敞开部分(66)距所述桨距轴线(A)更远，所述轭部的敞开部分与所述中心部分(65)相对并且被限定在所述两个臂(64)的自由端部之间，使得所述偏心部的轭部朝向所述叶片的桨距轴线(A)定向。

2.根据权利要求1所述的桨距改变系统，其中，所述偏心部(55)具有朝向所述联接部(54)定向的曲率。

3.根据权利要求1或2所述的桨距改变系统，其中，所述联接部(54)具有朝向所述桨距轴线(A)定向的曲率。

4.一种用于飞行器的涡轮机(10)，所述涡轮机包括配备有叶片的至少一个螺旋桨(16，17)以及根据前述权利要求中任一项所述的用于使叶片的桨距改变的系统(40)。

5.根据以上权利要求所述的涡轮机，其中，所述螺旋桨是无涵道式的。

6.根据以上权利要求所述的涡轮机，所述涡轮机包括具有多个定子轮叶的整流器。