DE60216700T2

DE60216700T2 - Elektrohydraulisches Gerät zur Steigungswinkelverstellung eines Flügels

Info

Publication number: DE60216700T2
Application number: DE60216700T
Authority: DE
Inventors: Michel Franchet; Daniel Kettler; Jean-Pierre Ruis
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2001-10-24
Filing date: 2002-10-21
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2022-10-22
Also published as: EP1306558B1; FR2831225A1; FR2831225B1; US6767187B2; US20030077173A1; EP1306558A1; DE60216700D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuervorrichtung zur Änderung der Steigung des Propellers, die einen elektrohydraulischen Aktuator verwendet. Sie ist auf jedwedes mit einem Propeller versehene System, z.B. Windkraftanlage oder Industrieventilator, wie auf Turbo-Prop- und Turbostrahltriebwerke anwendbar, die mit einem eine Vielzahl von Schaufeln oder Blättern mit variablem Einstellwinkel umfassenden Gebläse versehen sind.
STAND DER TECHNIK
Um die Leistungen zu erhöhen und um den Leistungsgrad des Motors einer Turbomaschine während all der Phasen ihres Betriebs, vom Abheben bis zur Landung, zu verbessern, ist bekannt, auf die Änderung der Steigung des Propellers oder des Gebläses zurückzugreifen. Dieses variable Einstellen ermöglicht ferner, die Drehzahl des Propellers oder des Gebläses zu verändern, um den gewünschten Schub zu erzielen, ohne diejenige der Turbine zu verändern, die im allgemeinen auf ihre kontinuierliche Maximaldrehzahl eingestellt ist; es ermöglicht sogar, während der Landung diesen Schub umzukehren, wodurch die herkömmlichen schweren und komplexen Schubumkehrsysteme ersetzt werden.
Die derzeitigen Vorrichtungen zum Steuern der Änderung der Steigung des Propellers umfassen im allgemeinen hydraulische Aktuatoren (Zylinder, der jeden Schaufelfuß antreibt), welche die erforderliche Kraft liefern, um den Propeller in die gewünschte Position zu bringen. Diese Vorrichtungen sind jedoch besonders komplex und sperrig und weisen außerdem erhebliche Probleme hinsichtlich der Zuverlässigkeit auf, die vor allem auf die Verwendung von Drehkupplungen oder -verbindungen zurückzuführen sind. Es ist nämlich wichtig, jegliches Entweichen des Hydraulikfluids in Richtung der Turbine zu vermeiden, was die Ursache für die Verschlechterung der Leistungen, sogar für einen Brand ist, und jedwedes Risiko einer Verschmutzung (Verunreinigung der Luftentnahmen) zu begrenzen. Das Patent US 5,897,293 veranschaulicht perfekt diese Art von hydraulischer Vorrichtung mit sehr zahlreichen Rohrleitungen, Hydraulikventilen und Drehverbindungen, die durch bzw. über den Körper und die Antriebswelle der Turbomaschine geführt oder gelagert werden müssen.
Die Steuerung der Propellersteigung kann auch mittels eines elektrischen Antriebssystems auf der Basis von Motoren mit Permanentmagneten oder Asynchronmotoren, die Schraube-Mutter-Systemen (siehe beispielsweise EP 0 154 808 ) oder Ritzeln, welche mit jeder Schaufel fest verbunden sind (beispielsweise FR 89 0641 und FR 2 712 250 ), zugeordnet sind, realisiert werden.
Derartige Systeme implizieren jedoch die Verwendung von sperrigen Motoren, um die hohen Leistungen zu gewährleisten, die für das schnelle Verstellen der Steigung des Propellers erforderlich sind, ohne dabei den Einstellmechanismus zu sehr zu verringern.
AUFGABE UND DEFINITION DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung schlägt vor, die Nachteile dieser Vorrichtungen des Standes der Technik mit einer Vorrichtung zur Steuerung der Propellersteigung zu beheben, die einfach, platzsparend und besonders zuverlässig ist. Ein Ziel der Erfindung besteht vor allem darin, eine Steuervorrichtung vorzuschlagen, die jegliches Risiko von hydraulischen Verlusten beseitigt.
Erreicht werden diese Ziele mittels einer elektrohydraulischen Steuervorrichtung zur Änderung der Steigung der Blätter eines Rotors einer Maschine, wobei die Blätter an einem Schaft angebracht sind, der durch eine Antriebswelle der Maschine drehangetrieben wird, und wobei jedes Blatt einen Fuß hat, der um eine Längsachse des Blattes schwenken kann, wobei die Antriebswelle selbst in bezug auf eine feste Struktur der Maschine drehangetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie einerseits einen Hydraulikzylinder, dessen Kolben fest mit einem Ring zur Steuerung und Synchronisierung verbunden ist, in welchen dezentrierte Zapfen eingreifen, die unter jedem der Füße der Blätter befestigt sind, und dessen Zylinderkörper durch einen Deckel verschlossen ist, der eine Hochdruckhydraulikpumpe (vorzugsweise mit Kolben) integriert, welche die beiden Seiten des Kolbens über Kanäle mit Hydraulikfluid versorgt, die in den Zylinderkörper des Zylinders integriert sind, und andererseits einen Elektromotor umfaßt, der gesteuert und mit Strom versorgt wird durch einen Stromgenerator, der einen Erreger, welcher fest mit der festen Struktur des Turbo-Prop-Triebwerks verbunden ist, und einen Anker, der fest mit der Antriebswelle der Turbomaschine verbunden ist, umfaßt.
Diese Struktur führt zu einer sehr vereinfachten, besonders kompakten und leicht zu verwendenden Steuervorrichtung. Die Risiken von Verlusten sind aufgrund des Nichtvorhandenseins von Rohrleitungen und Drehverbindungen stark begrenzt.
Der Stromerzeuger kann von einem Drehtransformator oder aber von einem Kollektorsystem mit glatten Ringen und Bürsten gebildet sein. Er wird über einen elektronischen Steuerkreis betätigt, der einerseits mit einer Vorrichtung zur Energieversorgung der Maschine und andererseits mit einem Rechner der Maschine verbunden ist und der eingerichtet ist, um die Versorgung des Elektromotors mit Strom, der durch die Energieversorgungsvorrichtung geliefert wird, derart zu modulieren, daß auf die Zeit und/oder die Betriebsdrehzahl sowie die Drehrichtung der Hochdruckhydraulikpumpe eingewirkt wird, um eine bestimmte Bewegung des Kolbens zu erhalten, die einem gewünschten Einstellwinkel der Blätter des Rotors entspricht.
Vorzugsweise umfaßt der Hydraulikzylinder einen linearen Sensor vom Typ LVDT, der von einem Zylinderrohr, das fest mit dem Zylinderkörper des Zylinders verbunden ist, und von einem Magnetanker, der fest mit einer Stange des Kolbens verbunden ist und sich linear in dem Rohr bewegen kann, gebildet ist.
Die Erfindung ist sowohl im Bereich eines Gebläses eines Turbostrahltriebwerks als auch eines Propellers eines Turbo-Prop-Triebwerks, einer Windkraftmaschine oder eines Industrielüfters oder -ventilators anwendbar. Vorteilhafterweise ist auf dem Gebiet der Luftfahrt der Rechner der vollberechtigte Rechner (FADEC) des Turbo-Prop-Triebwerks oder des Turbostrahltriebwerks.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Merkmale sowie die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden, zur Unterrichtung gegebenen und als nicht einschränkend zu verstehenden Beschreibung anhand der einzigen Figur, die einen axialen Teilschnitt des vorderen Teils eines Turbo-Prop-Triebwerks zeigt, der eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung der Propellersteigung umfaßt, besser hervorgehen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
In dem dargestellten Beispiel umfaßt das Turbo-Prop-Triebwerk eine(n) Propeller oder Luftschraube mit einer Vielzahl von Blättern 10, die an einem Schaft 12 angebracht sind, der durch die Hauptantriebswelle 14 des Turbo-Prop-Triebwerks (über erste Befestigungsmittel 16) drehangetrieben wird, wobei diese Antriebswelle selbst in bezug auf eine feste Struktur 18 des Turbo-Prop-Triebwerks durch einen Gaserzeuger über einen Drehzahlminderer (die beide nicht dargestellt sind) drehangetrieben wird. Jedes Blatt umfaßt einen Fuß oder Drehzapfen 20, der um seine Längsachse X drehbeweglich ist.
Gemäß der Erfindung umfaßt die Vorrichtung zur Steuerung der Propellersteigung einen Hydraulikzylinder, dessen Kolben 22 über seine Stange 23 fest mit einem Ring zur Steuerung und Synchronisierung 24 verbunden ist, in Axialbohrungen 26 dessen dezentrierte Zapfen 28 eingreifen, die unter einem jeden der Füße der Blätter befestigt sind, und dessen zylinderförmiger Körper 30 durch einen Deckel verschlossen ist, in den eine Hochdruckhydraulikpumpe 32 vom Typ mit axialen oder radialen Kolben integriert ist.
Die Pumpe beaufschlagt die zwei Seiten des Kolbens 22 durch Kanäle 34, die in den zylindrischen Körper 30 des Zylinders integriert sind, mit Hydraulikfluid. Sie wird durch einen Elektromotor 36, vorzugsweise vom Typ asynchron oder mit Permanentmagneten angetrieben, um die Reibungen und den Verschleiß (also auch die Instandhaltung) auszuschalten, der über einen Stromerzeuger 38 gesteuert und mit Strom versorgt wird, dessen Erreger 40 an einem ersten Tragteil 42 befestigt ist, das mit der festen Struktur 18 des Turbo-Prop-Triebwerks fest verbunden ist, und dessen Anker 44 an einem zweiten Tragteil 46 befestigt ist, das gegenüber dem vorhergehenden angeordnet und mit der Antriebswelle 14 des Turbo-Prop-Triebwerks fest verbunden ist.
Ein elektronischer Steuerkreis 48, der einerseits über eine Leistungsverbindung 50 mit der (nicht dargestellten) Vorrichtung zur Versorgung des Turbo-Prop-Triebwerks mit elektrischer Energie verbunden ist, welche die für die Stromsteuerung des Elektromotors notwendige elektrische Leistung liefern wird, und der andererseits über eine elektrische Verbindung 52 mit dem (nicht dargestellten) vollberechtigten digitalen Rechner (oder FADEC – Full Authority Digital Electronic Computer) des Turbo-Prop-Triebwerks verbunden ist, der die für die Änderung der Propellersteigung erforderlichen Steuerinformationen liefern wird, ermöglicht eine Modulation der Stromversorgung des Elektromotors entsprechend den Flugverhältnissen des Flugzeugs und in Abhängigkeit von Informationen, die über (nicht dargestellte) Drehmoment- und Drehzahlgeber geliefert werden, die an der Antriebswelle 14 des Turbo-Prop-Triebwerks angeordnet sind, so daß auf die Betriebszeit und/oder -drehzahl sowie die Drehrichtung der Hydraulikpumpe 32 eingewirkt und die Bewegung des Kolbens 22 des Zylinders erzielt wird, die erforderlich ist, um den gewünschten Einstellwinkel der Propellerblätter (also den gewünschten Schub) zu gewährleisten. Eine Kontrolle des Drehwinkels des Blattes wird vorzugsweise durch einen linearen Sensor vom Typ LVDT (Linear Variable Differential Transformer) sichergestellt, der innerhalb des Zylinders angebracht und von einem mit dem Körper 30 des Zylinders fest verbundenen zylindrischen Rohr 54 und von einem Magnetanker 56, der mit der Stange 23 des Kolbens fest verbunden ist und der sich in diesem Rohr linear bewegen kann, gebildet ist. Ein Beispiel für einen solchen Sensor ist in der europäischen Patentanmeldung EP 1 081 390 gegeben. Dem Bewegen des Ankers in dem Rohr entspricht ein elektrischen Ausgangssignal, das durch den LVDT-Sensor an den Rechner geliefert wird und das für die Position der Stange des Zylinders repräsentativ ist, die selbst proportional zum Drehwinkel des Blattes ist. Vorzugsweise ist der Bewegungssensor redundanten Typs mit zwei unabhängigen Ausgangssignalen.
Die Stromversorgungsmittel können von einem herkömmlichen System mit einem Kollektor mit glatten Ringen (welcher die Ankerfunktion übernimmt), der an dem zweiten Tragteil 46 angebracht und fest mit der Antriebswelle 14 verbunden ist, und mit Bürsten (welche die Erregerfunktion übernehmen), die an dem ersten Tragteil 42 angebracht und fest mit der festen Struktur 18 verbunden sind, gebildet sein. Diese Mittel können vorzugsweise auch von einem Drehtransformator gebildet sein, der eine Erregerspule, die an dem ersten Tragteil 42 angebracht und fest mit der festen Struktur 18 verbunden ist, sowie eine sekundäre Spule umfaßt, die an dem zweiten Tragteil 46 angebracht und fest mit der Antriebswelle 14 verbunden ist, wodurch ein Stromgenerator gebildet wird.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung sieht schematisch folgendermaßen aus.
Die Steuervorrichtung wird dann betätigt, wenn der Pilot während einer Flugphase des Flugzeugs vor allem die Änderung des Schubs seines Gerätes wünscht. Hierfür richtet der FADEC an den elektronischen Steuerkreis einen Befehl, der in dem Erreger des Generators einen Erregerstrom erzeugen wird, welcher in dem gegenüberliegenden Sekundärteil oder Anker, der über die Antriebswelle des Propellers drehangetrieben wird, ein elektrisches Feld erzeugen wird. Dieses in dem Anker des Generators in Strom umgewandelte elektrische Feld wird dann direkt den Elektromotor versorgen. Der Erregerstrom wird mehr oder weniger moduliert, um das Magnetfeld und folglich die Drehzahl des Elektromotors zu variieren, der seinerseits auf die Drehzahl der Hydraulikpumpe einwirken wird. Um den Elektromotor in die eine oder andere Richtung antreiben zu können, sind der Erreger wie der Anker des Stromgenerators vorzugsweise jeweils von zwei Paaren konzentrischer Spulen gebildet, die für jede Drehrichtung getrennt erregt werden.
Das in der Pumpe 32 vorhandene Hydraulikfluid, das abwechselnd an einer Seite des Kolbens 22 angesaugt und an der anderen Seite zurückgedrängt wird, zirkuliert seinerseits im geschlossenen Kreislauf in der Pumpen-Zylinder-Anordnung, wobei die Volumenänderungen des Fluids, die auf dessen Verdichtbarkeit oder dessen Ausdehnung zurückzuführen sind, herkömmlicherweise durch einen in diese Hochdruckhydraulikpumpe integrierten Akkumulator 58 kompensiert werden. Einer hohen Drehzahl des Elektromotors entspricht eine hohe Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens, wobei die Betriebszeit die Länge der Bewegung, also den Wert des Einstellwinkels sicherstellt.
Man wird feststellen, daß zur weiteren Masse- und Platzeinsparung die durch die Hydraulikpumpe und den Elektromotor gebildete Anordnung vorteilhafterweise durch eine integrierte Elektropumpe mit Kolben ersetzt werden kann, wobei das Pumpengehäuse dann als Rotor (vorzugsweise Permanentmagnet- oder Asynchronrotor) dient. Darüber hinaus sind alle Komponenten der Elektropumpe und des Akkumulators in der Achse des Zylinders angeordnet, so daß eine perfekte Achsensymmetrie erzielt wird, was einen unwuchtfreien Antrieb oder zumindest einen leicht auszugleichenden Antrieb ermöglicht.
Diese mit der Kompaktheit der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung verbundene Vereinfachung der Verlegung der Steuerungen durch Freischaffen von Raum in dem Körper der Turbomaschine bietet ferner die Gelegenheit, die Struktur des Motors (beispielsweise Gehäuse, Untersetzungsgetriebe, Propellerwelle) erneut vollständig zu betrachten und folglich zusätzliche Masse- und Kosteneinsparungen zu schaffen.
Mit der Erfindung erfolgt der Zugang zu der Hydraulikpumpe und zu dem elektrischen Antriebsmotor (oder zu der integrierten Elektropumpe) aufgrund ihres modularen Aufbaus einfach und schnell, was die Instandhaltung (Kontrolle oder Ausbau) bei gleichzeitiger Kostensenkung erleichtert. Wenn sich die Versorgung mittels Drehtransformator als verhältnismäßig komplexer erweist, weist sie ferner den Vorteil auf, daß sie – im Gegensatz zu einer Versorgung über Kollektoren und Bürsten, von einfacherer Struktur, die auch den Vorteil aufweist, massenmäßig leichter zu sein – ohne Reibung und folglich ohne Verschleiß erfolgt. Man wird jedoch feststellen, daß – zum Vorteil dieser zweiten Lösung – die Drehgeschwindigkeit der Propeller, beispielsweise bei einem großen Turbo-Prop-Triebwerk relativ gering ist (zwischen 1000 und 1500 U/Min.) und folglich der Verschleiß im Prinzip verringert ist. Es sei zudem angemerkt, daß die Anzahl der Bürsten zur Sicherheit auch verdoppelt werden kann.

Claims

Elektrohydraulische Steuervorrichtung zur Änderung der Steigung der Blätter eines Rotors einer Maschine, wobei die Blätter (10) an einem Schaft (12) angebracht sind, der durch eine Antriebswelle der Maschine (14) drehangetrieben wird, und wobei jedes Blatt einen Fuß (20) hat, der um eine Längsachse des Blattes schwenken kann, wobei die Antriebswelle selbst in bezug auf eine feste Struktur der Maschine (18) drehangetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie einerseits einen Hydraulikzylinder, dessen Kolben (22) fest mit einem Ring zur Steuerung und Synchronisierung (24) verbunden ist, in welchen dezentrierte Zapfen (28) eingreifen, die unter jedem der Füße der Blätter befestigt sind, und dessen Zylinderkörper (30) durch einen Deckel verschlossen ist, der eine Hochdruckhydraulikpumpe (32) integriert, die die beiden Seiten des Kolbens durch Kanäle (34) mit Hydraulikfluid versorgt, die in den Zylinderkörper des Zylinders integriert sind, und andererseits einen Elektromotor (36) umfaßt, der gesteuert und mit Strom versorgt wird durch einen Stromgenerator (38a, 38b), der einen Erreger (40), der fest mit der festen Struktur der Maschine verbunden ist, und einen Anker (44), der fest mit der Antriebswelle der Maschine verbunden ist, umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromgenerator durch einen elektronischen Steuerkreis (48) betätigt wird, der einerseits mit einer Energieversorgungsvorrichtung der Maschine und andererseits mit einem Rechner der Maschine verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schaltkreis eingerichtet ist, um die Versorgung des Elektromotors mit Strom, der durch die Energieversorgungsvorrichtung geliefert wird, derart zu modulieren, daß auf die Betriebszeit und/oder -drehzahl und die Drehrichtung der Hochdruckhydraulikpumpe eingewirkt wird, um eine bestimmte Bewegung des Kolbens zu erhalten, die einem gewünschten Einstellwinkel der Blätter des Rotors entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckhydraulikpumpe vom Typ mit axialen oder radialen Kolben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromgenerator von einem Drehtransformator gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromgenerator von einem System mit Kollektor mit glatten Ringen und Bürsten gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydraulikzylinder einen linearen Sensor vom LVDT-Typ umfaßt, der von einem Zylinderrohr (54), das fest mit dem Zylinderkörper des Zylinders verbunden ist, und von einem Magnetanker (56), der fest mit einer Stange (23) des Kolbens verbunden ist und sich linear in dem Rohr bewegen kann, gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor ein Propeller eines Turbo-Prop-Triebwerks ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor ein Gebläse eines Turbostrahltriebwerks ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner der vollberechtigte Rechner (FADEC) des Turbo-Prop-Triebwerks oder des Turbostrahltriebwerks ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor ein Propeller einer Windkraftmaschine ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor ein Propeller eines Industrielüfters ist.