CN1995719A - 用于内径叶片围带的齿条和小齿轮可变叶片同步机构 - Google Patents

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Abstract

用于内径叶片围带的齿条和小齿轮可变叶片同步机构。一种可变叶片组件，它的内径叶片围带容纳一个用来协调可变叶片阵列的转动的同步机构。该内径叶片围带具有一个通过叶片围带周向上布置的齿轮轨道。一可变叶片阵列可转动地安装于叶片围带的内侧端部。每个叶片在其内侧端部具有一个小齿轮，其与齿轮通道相互作用。当其中一个可变叶片由一驱动源转动时，可变叶片阵列上的其他可变叶片通过齿条和小齿轮的相互作用而转动一个相同的量。

Description

用于内径叶片围带的齿条和小齿轮可变叶片同步机构
本发明是在美国政府的支持下根据美国海军所授权的合同号N00019-02-C-3003完成的，美国政府对本发明享有一定的权利。
相关申请的参考
本申请与下面列出的与本申请同一日提交的共同未决的申请相关：发明人J.Giaimo和J.TironeIII的“SYNCH RING VARIABLE VANE SYNCHRONIZINGMECHANISM FOR INNER DIAMETER VANE SHROUD”(代理人案卷号U73.12-003)；发明人J.Giaimo和J.TironeIII的“GEAR TRAIN VARIABLE VANESYNCHRONIZING MECHANISM FOR INNER DIAMETER VANE SHROUD”(代理人案卷号U73.12-004)；发明人J.Giaimo和J.TironeIII的“INNERDIAMETER VARIABLE VANE ACTUATION MECHANISM”(代理人案卷号U73.12-005)；和发明人J.Giaimo和J.TironeIII的“LIGHTWEIGHT CAST INNERDIAMETER VANE SHROUD FOR VARIABLE STATOR VANES”(代理人案卷号U73.12-006)。所有这些申请结合于此作为本申请的参考。
技术领域
本发明通常涉及燃气轮机(或燃气轮发动机)，尤其涉及用于这类燃气轮机中的可变静叶片(或可变定子叶片)组件。
背景技术
燃气轮机通过燃烧压缩空气中的燃料源来运行，以产生压力和密度提高了的加热后的燃气。此经加热后的燃气最终受压迫通过排气喷嘴，该排气喷嘴用来使排出的燃气速度逐级升高，且进而依次为驱动飞行器提供推力。此经加热后的燃气还可以用来驱动涡轮机使风扇转动，以向燃气轮发动机的压缩机部分提供空气。此外，此经加热后的燃气用来驱动涡轮，用以驱动压缩机部分内部的转子叶片，以提供用于燃烧的压缩空气。一个燃气轮机的压缩机部分典型地包括一系列转子叶片级和静叶片级。在每一级中，转子叶片推动空气经过静叶片。每个动叶片/静叶片级均使空气的压力和密度提高。静子(或定子)用于两个目的：它们将空气动能转化为压力能，和它们改变空气离开动叶片(或转子)的运动轨道以使其流入下一压缩级。
由燃气轮发动机驱动的飞行器的速度范围与压缩机部分内所产生的空气压力的程度直接相关。对于不同的飞行器的速度，通过燃气轮发动机中的空气流速也不相同。这样，在下级各压缩级的转子叶片上的空气入射角随着飞行器的速度的不同而变化。一种使燃气轮发动机在全速范围下，尤其是高速/高压范围内，实现更具效率的一个途径是使用能够优化在下级各压缩级转子上的空气流的入射角的可变静叶片。
可变静叶片典型地周向上设置在外径风扇缸和内径叶片围带之间。传统地，用来调节可变静叶片同步运动的机构一直设置于风扇缸之外。这些系统增大了压缩部分的总外径，而有时并不期望或允许这样做。对使用与可变静叶片一起使用来的固定静叶片的燃气轮机进行改型也并不总是可行的。对定位于风扇缸之外的可变叶片机构的改型会干扰设置于风扇缸外部的燃气轮机的其他外部部件。将这些外部部件重新设置常常是不可能或花费很高的。同步机构也给燃气轮机增加了相当的重量。这样就需要一种质量轻的可变叶片同步机构，其不增加压缩部分的径向尺寸并且不与燃气轮发动机的外部部件发生干扰。
发明内容
在本发明中，内径叶片围带内容纳一个同步机构，用以调节一可变叶片阵列的转动。内径叶片围带具有一个沿叶片围带周向上布置的齿轮轨道。一可变静叶片阵列可旋转地安装在静叶片围带的内侧端。每个静叶片在其内侧端具有一个小齿轮，该小齿轮与齿轮轨道相互作用。当单个的的可变叶片中的一个由一个驱动源来旋转时，该可变叶片阵列中的其他可变静叶片会由于齿条和小齿轮的相互作用而旋转一个同样的量。
附图说明
图1示出了一个应用本发明的燃气轮机(或燃气轮发动机)的静叶片部分(定子叶片区段)的局部剖视图；
图2A示出了图1中的在箭头A和C之间的静叶片部分的一段的剖视图，其中箭头B和C之间的内径叶片围带(或叶片罩)和风扇缸(或风扇壳体)被移出；
图2B示出了图1中在箭头A和B之间的内径叶片围带的一段的剖视图；
图3A示出了从图2A中D-D截面有利的角度显示本发明齿条和小齿轮机构的近观图；以及
图3B大致地示出了从图2A中的静叶片部分的中心有利的角度看去齿条和小齿轮机构的仰视图。
具体实施方式
图1示出了一个应用本发明的燃气轮机的静叶片部分(或定子叶片区段)10的局部剖视图。静叶片部分10包括风扇缸(或风扇壳体)12，叶片围带(或叶片套罩)14，可变叶片阵列16和驱动器(或致动器)18。叶片围带14包括前叶片围带部件20和后叶片围带部件22(或由它们组成)，它们形成了内径叶片槽(或叶片插座)24。位于前叶片围带部件20和后叶片围带部件22的每一个上的一半体槽或凹入部，一起形成槽24。在图1中，仅示出了一部分前叶片围带部件20，以便使槽24的内部能被看到。
可变叶片阵列16包括主动叶片(或驱动叶片)26和从动叶片(或随动叶片)28(或由它们组成)。主动叶片26和从动叶片28在内径叶片围带14内通道本发明的齿条和小齿轮可变叶片同步机构来连接。这样，当驱动器18使主动叶片26转动时，从动叶片28也旋转同样的量。
典型地，从动叶片28环绕着整个叶片围带14布置。为了清晰起见，图中只示出了可变叶片阵列16的一部分以便使槽24能够被看见。主动叶片26和从动叶片28在风扇缸12内的静叶片部分10的外径以及叶片围带14内的静叶片部分10的内径可转动地安装。在其他实施例中，主动叶片26的数目可以变化，且其数目可以仅为一个。在一个实施例中，可变叶片阵列16包括52个从动叶片28和2个主动叶片26。主动叶片26在结构上与从动叶片28类似，以组成可变叶片阵列16。在一个实施例中，主动叶片26是重型构造的形式，以承受由驱动器18所施加的力。
内径叶片围带14可以部件的尺寸小于内径叶片围带的整个圆周尺寸来构造。如图1所示的一个实施例中，前叶片围带部件20由约占整个内径叶片围带14的周长的六分之一(即60°)的各部分制成。在这样一种情况下，两部分具有9个半体槽24，而一个部分具有8个半体槽24。较小的前叶片围带部件20用来帮助在主动叶片26和从动叶片28被嵌入到槽24中时在它们的内径端下面定位前叶片围带部件20。在一个用于开缝(或分开)式风扇缸设计的实施例中，后叶片围带22由约占内径叶片围带14的周长的一半(即180°)的各部分制成，在此情况下，每一部分均具有26个半体槽24。本发明的齿条和小齿轮可变叶片同步机构以各较小的段构成，如用于开缝风扇缸设计中的约占一半(即180°)的各段。另外，在其它实施例中，用于全环风扇缸设计中，随同齿条和小齿轮可变叶片同步机构一起，前叶片围带部件20和后叶片围带部件22可以做成整环(即360°)。
静叶片部分10在一个燃气轮机的一个压缩机部分中典型地位于一个转子叶片部分的下游或后面。空气由前述的转子叶片部分或一个风扇被迫压到静叶片部分10中。典型地，穿过静叶片部分10的空气前进到一个附加的转子叶片部分。主动叶片26和从动叶片28在其各自的径向活动范围内转动以便控制流经燃气轮机的压缩机部分的空气流。本发明的齿条和小齿轮可变叶片同步机构使它们的转动协调。
图2A示出了图1中在箭头A和C之间的静叶片部分10的剖视图，其中在箭头B和C之间的内径叶片围带和风扇缸被移出。内径叶片围带14包括前叶片围带部件20和后叶片围带部件22。前叶片围带部件20和后叶片围带部件22一起形成槽24，用来接纳从动叶片28上的内径耳轴30。从动叶片28包括用于在风扇缸12的轴套(或轴衬)中转动的外径耳轴32(见图1)。本发明的齿条和小齿轮可变叶片同步机构设置在内径叶片围带14中。齿条和小齿轮同步机构包括齿条34，其可以从槽24看到。齿条34可滑动地定位在后叶片围带部件22中，处在可以与内径耳轴30相互作用的高度。
图2B示出了图1中在箭头A和B之间的内径叶片围带部件14的一段的局部剖视图。齿条和小齿轮同步机构包括齿条34和齿轮轨道36。齿轮轨道36位于后叶片围带部件22的一个前表面上。从动叶片28的内径耳轴30被插入到内径叶片围带14的槽24中。前叶片围带部件20的剖开部分示出了槽24的内部。槽24具有与内径耳轴30相配合的形状，以便内径耳轴30锁定在组装好的内径叶片围带14中，并使其保持能够在槽24内转动。齿轮轨道36切入后叶片围带部件22，处在穿过槽24的高度，这样在此高度齿条34与内径耳轴30相互作用。齿条34以其面向前进方向的齿可滑动地设于齿轮轨道36上，这样它们可以与内径耳轴30的小齿轮相互作用。在一个实施例中，齿条34与齿轮轨道36在内径叶片围带14的整个圆周上延伸，以形成一个单一连续的齿条轨道段(即360°)。在其他实施例中，齿条34与齿轮轨道36可以各较小的段构成，比如用在开缝风扇缸设计中的约占一半(180°)的各段。
图3A示出了从图2A中D-D线的有利角度表示的本发明齿条和小齿轮机构的放大图。前叶片围带部件20和后叶片围带部件22包括(或构成)内径叶片围带14。齿条34包括齿条齿42。内径耳轴30包括小齿轮38，该小齿轮包括弓形轮齿段40。内径耳轴30还包括扣状部件44，其用来可枢转地将从动叶片28保持于槽24内。
小齿轮38位于内径耳轴30的面向后的部分上。小齿轮38沿内径耳轴30设置，从而小齿轮38可嵌入到齿轮轨道36。小齿轮38包括与齿条齿42相互作用的弓形齿段40。齿条34可在齿轮轨道36上自由滑动，该齿轮轨道伸展到叶片围带14的圆周上。齿条34能够在齿轮轨道36内的叶片围带14的整个圆周内连续地旋转。齿条齿42布置在齿条34的整个面向前方(或前向)圆周上。
图3B近似以地示出了从图2A中静叶片部分10的中心有利的角度看去的齿条和小齿轮机构的仰视图。内径叶片围带14包括前叶片围带部件20和后叶片围带部件22(或由它们构成)，它们围绕内径耳轴30和齿条34夹紧。当前叶片围带部件20和后叶片围带部件22以及齿条和小齿轮型同步机构结合在一起时，齿条齿42和弓形轮齿部件40啮合在一起。任何时候弓形齿段40都只有一部分齿与齿条齿42相啮合。这样就使得从动叶片28能够转动并一直维持轮齿的相互作用。在图3B所示的实施例中，当从动静叶片28位于它们的中心位置或零度位置时，朝向弓形齿段40的中心设置的齿与齿条齿42相啮合。该中心位置的设定可根据设计要求以及根据连接到驱动器18时的它们的取向来改变。
齿条34可滑动地安装于内径叶片围带14内。当主动叶片26由驱动器18旋转时，齿条34使从动叶片28同步转动。举例说明，如果使主动叶片28沿顺时针方向旋转(如图3B所示)，齿条34将会被推向左边。齿条34随即通过齿条齿42和弓形齿段40将小齿轮38推向左边。这就使静叶片阵列16的从动静叶片28在顺时针方向上转动一个相同的量。这样，采用齿条和小齿轮型可变叶片同步机构，静叶片部分10的出口空气流动方向就可以被控制以流入燃气轮机的下一级。
齿条34和小齿轮38可以类似地连接所有从动静叶片28，这样选择主动叶片26可由从动叶片28中的任意叶片阵列制成。在一个实施例中，被选作主动叶片的从动叶片28因为要承受由驱动器18所施加的力所以是重型构造的形式。
主动叶片26和从动叶片28转动的量由驱动冲程的长度，所采用的齿数，弓形齿段40的曲率以及其他一些现有技术中已知的因素所决定。本发明可根据这些因素的不同而作出调整以满足特殊的设计要求。
尽管已经参照优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员会想到在形式和细节上可以进行各种变化，而这些变化并没有脱离本发明的精神和范围。

Claims (22)

1.一种用于涡轮发动机的可变叶片围带机构，所述可变叶片围带机构包括：
用以接纳可变叶片阵列的内径端部的内径叶片围带；
同步机构，所述同步机构定位于所述内径叶片围带内，以与所述可变叶片阵列的所述内径端部相互作用，从而调节包括所述可变叶片阵列的各个可变叶片的转动。
2.如权利要求1所述的可变叶片围带，其特征在于，所述同步机构包括：
具有一列齿且可转动地位于齿轮轨道内的齿条，所述齿条轨道在周向上通过所述内径叶片围带内布置；
多个小齿轮，所述小齿轮位于所述可变叶片阵列的所述内径端部，使得所述小齿轮和所述齿条的所述列的齿在齿轮通道内相啮合。
3.如权利要求2所述的可变叶片围带，其特征在于，所述内径叶片围带包括前叶片围带部件和后叶片围带部件。
4.如权利要求3所述的可变叶片围带，其特征在于，所述前叶片围带部件和所述后叶片围带部件包括用于容纳所述可变叶片阵列的所述内径端部的槽。
5.如权利要求3所述的可变叶片围带，其特征在于，所述后叶片围带部件包括所述齿轮轨道。
6.一种可变叶片组件，它包括：
包括齿条通道的内径叶片围带；
主动叶片，所述主动叶片包括：
用于在所述内径叶片围带内转动的内径端部；和与所述齿条通道相互作用的小齿轮；
多个从动叶片，其中每个所述从动叶片包括：
用于在所述内径叶片围带内转动的内径端部；和
与所述齿条通道相互作用的小齿轮；以及
可滑动地设于所述齿条通道内的齿条，其与所述主动叶片及所述从动叶片的小齿轮相互作用，这样当所述主动叶片转动一定量时，所述多个动叶片通过所述齿条转动相同的量。
7.如权利要求6所述的可变叶片组件，其特征在于，所述内径叶片围带包括前叶片围带部件和后叶片围带部件
8.如权利要求7所述的可变叶片组件，其特征在于，所述后叶片围带部件包括所述齿条通道。
9.如权利要求7所述的可变叶片组件，其特征在于，所述前叶片围带部件和所述后叶片围带部件包括用来容纳所述主动叶片和所述多个从动叶片的所述内径端部的槽。
10.一种燃气轮机中的静叶片部分，所述静叶片部分包括：
具有齿轮轨道的内径叶片围带；
外径风扇缸；
主动叶片，其包括：
用于在所述叶片围带内转动的第一内径端部；
在所述风扇缸内转动的第一外径端部；和
用于在所述齿轮轨道内转动的第一弓形齿段；
用于使所述主动叶片的所述外径端部转动的驱动器；
多个从动叶片，每个所述从动叶片包括：
用于在所述风扇缸内转动的第二外径端部；
用于在所述叶片围带内转动的第二内径端部；和
用于在所述齿轮通道内转动的第二弓形齿段；以及
齿条，所述齿条具有一列可转动地设于所述齿轮轨道内的齿，以与所述第一弓形齿段和所述第二弓形齿段相互作用，使得当所述主动叶片由所述驱动器转动一定量时，所述从动叶片通过所述齿条和所述第二弓形齿段转动相同的量。
11.如权利要求10所述的静叶片部件，其特征在于，所述内径叶片围带包括前叶片围带部件和后叶片围带部件。
12.如权利要求10所述的静叶片部件，其特征在于，所述后叶片围带部件包括所述齿轮轨道。
13.如权利要求12所述的静叶片部件，其特征在于，所述前叶片围带部件和所述后叶片围带部件包括用于容纳所述第一内径端部和所述第二内径端部的槽。
14.如权利要求12所述的静叶片部件，其特征在于，所述第一内径端部和所述第二内径端部包括用于在所述内径叶片围带中转动的扣状部件。
15.一种可变叶片组件，它具有多个周向上布置于内径叶片围带和外径风扇缸之间的可转动的静叶片，所述可变叶片组件的特征在于：
装在每个所述可转动的静叶片的内径端部内的小齿轮；和
周向布置的齿条，其与所述小齿轮啮合，以使所述多个可转动的静叶片同步地转动。
16.如权利要求15所述的可变叶片组件，其特征在于，所述内径叶片围带包括前叶片围带部件和后叶片围带部件。
17.如权利要求16所述的可变叶片组件，其特征在于，所述后叶片围带部件包括所述齿条。
18.如权利要求16所述的可变叶片组件，其特征在于，所述前叶片围带部件和所述后叶片围带部件包括用于容纳所述可变叶片的内径端部的槽。
19.一种用于具有外径风扇缸和内径叶片围带的燃气轮机中的可变叶片，所述可变叶片包括：
叶片部；
用于在所述外径风扇缸内转动的外径端部；
用于在所述内径叶片围带内转动的内径端部；以及
沿所述内径端部的侧边定位的小齿轮。
20.如权利要求19所述的可变叶片，其特征在于，所述内径端部包括在用于在所述内径叶片围带内转动的内径耳轴。
21.如权利要求19所述的可变叶片，其特征在于，所述外径端部包括用于在所述外径风扇缸内转动的外径耳轴。
22.如权利要求19所述的可变叶片，其特征在于，所述内径端部包括用于可转动地将所述可变叶片锁定在所述内径叶片围带内的扣状部件。
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