FR2560639A1

FR2560639A1 - MEANS FOR CONTROLLING AIR

Info

Publication number: FR2560639A1
Application number: FR8502913A
Authority: FR
Inventors: Gary Craig Wollenweber; Wu-Yang Tseng; Thomas John Sullivan
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1984-03-02
Filing date: 1985-02-28
Publication date: 1985-09-06
Also published as: GB2155114B; FR2560639B1; CA1233125A; GB8505194D0; IT8519738A0; IT1183454B; JPH0585736B2; DE3507036A1; JPS60228731A; GB2155114A; SE458544B; SE8500989D0; SE8500989L

Abstract

MOYENS DE COMMANDE D'AIR PERMETTANT LE REFROIDISSEMENT D'UN MOYEN D'AUBE. ILS COMPORTENT: UNE PLATE-FORME 26 FIXEE RIGIDEMENT A UNE EXTREMITE RADIALEMENT INTERIEURE 28 DU PROFIL AERODYNAMIQUE; LA PLATE-FORME 26 ETANT GENERALEMENT PLACEE SUR UNE SURFACE ANNULAIRE ROTATIVE 16, ET CETTE SURFACE DEFINISSANT DES ESPACES EXTERIEUR 34 ET INTERIEUR 36, DE SORTE QUE DANS UNE PREMIERE POSITION UN BORD 38 DE LA PLATE-FORME 26 EPOUSE LA SURFACE 16 ET DANS UNE SECONDE POSITION LE BORD 38 EST DEPLACE RADIALEMENT VERS L'EXTERIEUR DE LA SURFACE 16 PERMETTANT AINSI AU FLUIDE DE COMMUNIQUER ENTRE LES ESPACES EXTERIEUR 34 ET INTERIEUR 36. APPLICATION AUX MOTEURS A TURBINE A GAZ.AIR CONTROL MEANS ALLOWING THE COOLING OF A DAWN MEANS. THEY INCLUDE: A PLATFORM 26 FIXED RIGIDLY TO A RADIALLY INNER END 28 OF THE AERODYNAMIC PROFILE; THE PLATFORM 26 BEING GENERALLY PLACED ON A ROTATING ANNULAR SURFACE 16, AND THIS SURFACE DEFINING EXTERIOR 34 AND INTERIOR SPACES 36, SO THAT IN A FIRST POSITION AN EDGE 38 OF THE PLATFORM 26 INTERVIEWS SURFACE 16 AND IN A SECOND POSITION EDGE 38 IS MOVED RADIALLY TOWARDS THE EXTERIOR OF SURFACE 16 THUS ALLOWING THE FLUID TO COMMUNICATE BETWEEN EXTERIOR 34 AND INTERIOR 36. APPLICATION TO GAS TURBINE ENGINES.

Description

Cette invention concerne de manière générale des moyens de commande d'airThis invention generally relates to air control means

pour moteur à turbine à gaz et, plus particulièrement, un moyen pour fournir de l'air au for a gas turbine engine and, more particularly, a means for supplying air to the

moyeu d'un profil aérodynamique rotatif. hub of a rotating aerodynamic profile.

Deux types de moteurs sont couramment disponibles et utilisés pour propulser les avions: la turbosoufflante et le turbopropulseur. L'unité fournissant de l'énergie est commune aux deux moteurs. Cette unité comporte classiquement un compresseur, une chambre de combustion, et une turbine le Two types of engines are commonly available and used to propel aircraft: the turbofan and the turboprop. The unit supplying energy is common to both engines. This unit conventionally comprises a compressor, a combustion chamber, and a turbine on

tout disposé en série. L'air comprimé provenant du compres- all arranged in series. Compressed air from the compressor

seur est mélangé avec le combustible et brûlé dans la cham- is mixed with the fuel and burned in the chamber.

bre de combustion pour fournir un courant de gaz à vitesse élevée qui se dilate dans la turbine et dont on extrait de l'énergie. Une partie de cette énergie est utilisée pour mettre en oeuvre le compresseur et le reste entraîne la combustion chamber to provide a high velocity gas stream that expands in the turbine and from which energy is extracted. Part of this energy is used to implement the compressor and the rest leads to the

soufflante ou l'hélice.blower or propeller.

Bien que les augmentations de température soient un résultat du travail effectué dans le compresseur, les températures les plus élevées rencontrées dans le moteur Although the temperature increases are a result of the work done in the compressor, the highest temperatures encountered in the engine

sont celles de la chambre de combustion et de la turbine. are those of the combustion chamber and the turbine.

L'air comprimé pour refroidir ces composants est obtenu classiquement à partir du compresseur, de la canalisation de Compressed air for cooling these components is conventionally obtained from the compressor, the pipeline of

soufflante ou autrement est soutiré de l'atmosphère. blower or otherwise is drawn from the atmosphere.

Dans la plupart des moteurs entraînés par turbo- In most turbo-driven engines

soufflante ou turbopropulseurs, la soufflante ou l'hélice 2 - blower or turboprop, blower or propeller 2 -

est située généralement en avant du générateur de gaz. Ain- is located generally in front of the gas generator. AIN-

si, dans de telles applications, la structure de moyeu des aubes de ces propulseurs fonctionne dans un environnement à température relativement faible éliminant ainsi la nécessité d'un refroidissement de la structure de moyeu. Cependant, il est connu de situer le propulseur if, in such applications, the hub structure of the blades of these thrusters operates in a relatively low temperature environment thus eliminating the need for cooling of the hub structure. However, it is known to locate the thruster

généralement à l'arrière du générateur de gaz selon une con- typically at the back of the gas generator according to a

figuration dénommée "pusher". On a décrit de nouvelles con- figuration called "pusher". New concepts have been described

figurations "pusher" pour des moteurs entraînés par turbo- figurations "pusher" for turbo-driven engines

soufflante ou turbopropulseur. Du fait de la proximité blower or turboprop. Because of the proximity

étroite des aubes de propulseur avec la turbine et la cham- narrow propeller blades with the turbine and the chamber.

bre de combustion dans ces configurations, les structures de combustion in these configurations, the structures of

moyeu d'aube dans certaines conditions de vol seront soumi- dawn hub under certain flight conditions will be

ses à des températures relativement élevées; Les températures de l'air dans la zone du moyeu its at relatively high temperatures; Air temperatures in the hub area

varieront suivant les conditions de vol. Par exemple, pen- will vary according to flight conditions. For example,

dant les périodes de demandes en énergie relativement éle- periods of relatively high energy demand

vées, telles que le décollage, les températures dans la tur- such as take-off, temperatures in tur-

bine et la chambre de combustion sont élevées avec pour ré- and the combustion chamber are raised with

sultat des températures de structure de moyeu d'aube éle- the result of the dawn hub structure temperatures

vées. Les matériaux légers et peu coûteux et les structures de moyeu d'aube à pas variable ont fréquemment des limites Vees. Lightweight and inexpensive materials and variable pitch blade hub structures frequently have limitations

de température relativement basses. Ainsi,. le refroidisse- relatively low temperature. So,. the cooling

ment d'une structure de moyeu peut être nécessaire pendant les conditions de décollage à puissance élevée. A l'inverse, A hub structure may be required during high power take-off conditions. Conversely,

les températures se stabilisent à un niveau inférieur pen- temperatures stabilize at a lower level

dant les conditions de fonctionnement de croisière en régime cruising operating conditions

permanent et le refroidissement peut ne pas être nécessaire. permanent and cooling may not be necessary.

Puisque chaque fois qu'on utilise un système de refroidisse- Since every time a cooling system is used

ment le rendement est diminué, l'utilisation du refroidisse- the yield is reduced, the use of cooling

ment seulement lorsque nécessaire présente un intérêt cer- only when necessary is of particular interest

tain. Ainsi, des moyens pour faire automatiquement varier la quantité d'air de refroidissement nécessaire au moyeu de tain. Thus, means for automatically changing the amount of cooling air required for the hub of

telles aubes est souhaité.such blades are desired.

La présente invention a pour objet de réaliser: - 3 - - un nouveau moyen de commande d'air perfectionné; The object of the present invention is to provide: - a new improved air control means;

un nouveau moyen perfectionné de refroidissement de structu- a new and improved way of cooling

re de moyeu d'une aube de propulseur; - un moyen automatique de variation de la quantité hub re of a propeller blade; an automatic means of varying the quantity

S d'air de refroidissement du moyeu d'une aube de propulseur. S air cooling hub a propeller blade.

Selon la présente invention on décrit des moyens de commande d'air utilisés dans un moteur à turbine à gaz comportant un profil aérodynamique rotatif à pas variable et According to the present invention there is described air control means used in a gas turbine engine comprising a variable pitch rotary aerodynamic profile and

des moyens de variation de pas du profil. Les moyens de com- means for varying the pitch of the profile. The means of communication

mande d'air comportent une plate-forme fixée rigidement à air supply shall comprise a platform rigidly

une extrémité radialement intérieure du profil aérodynami- a radially inner end of the aerodynamic profile

que. Cette plate-forme est placée de manière générale sur une surface rotative, laquelle définit des espaces extérieur than. This platform is generally placed on a rotating surface, which defines external spaces

et intérieur. Dans une première position un bord de la pla- and inside. In a first position, an edge of the

te-forme épouse pratiquement toute la surface. Dans une deu- you form almost all the surface. In one

xième position, le bord est déplacé radialement vers l'exté- position, the edge is moved radially outwards

rieur à partir de la surface, permettant ainsi au fluide from the surface, thus allowing the fluid

s'écouler entre les espaces extérieur et intérieur. flow between the outer and inner spaces.

La description qui va suivre se réfère aux figures The following description refers to the figures

annexées qui représentent respectivement: - figure 1, une vue d'un moteur turbopropulseur de which respectively represent: FIG. 1, a view of a turboprop engine of

type "pusher" comportant un mode de réalisation de la pré- type "pusher" comprising an embodiment of the pre-

sente invention; - figure 2, une vue en perspective d'une nacelle rotative et des aubes représentées figure 1 avec les aubes réglées à un grand pas; this invention; - Figure 2, a perspective view of a rotating nacelle and the blades shown in Figure 1 with the blades set at a large pitch;

- figure 3, une vue du moyeu d'une aube représen- 3, a view of the hub of a blade representing

tée figure 2; - figure 4, une vue en perspective semblable à celle de la figure 2 avec les aubes réglées à un petit pas; - figure 5, une vue du moyeu de l'aube représentée Figure 2; - Figure 4, a perspective view similar to that of Figure 2 with the blades set at a small pitch; - Figure 5, a view of the hub of the blade shown

figure 4.figure 4.

On peut utiliser cette invention dans tout moteur à turbine à gaz qui comporte un profil aérodynamique rotatif à pas variable là o l'on souhaite régler le flux d'air à - 4 - This invention can be used in any gas turbine engine that has a variable pitch rotary airfoil where it is desired to control the flow of air to the engine.

travers une surface rotative annulaire par rapport à laquel- through an annular rotating surface with respect to which

le le profil est positionné. A titre d'illustration, l'in- the profile is positioned. As an illustration, the

vention sera décrite pour une aube de propulseur sur une na- vention will be described for a propeller dawn on a

celle rotative.the rotating one.

Figure 1 on a représenté un turbopropulseur du ty- pe "pusher" 10. Le mode de-réalisation représente des pales FIG. 1 shows a turboprop of the "pusher" type 10. The embodiment represents blades

d'hélice tournant en sens opposé 12 et 14 placées, respecti- propeller rotating in the opposite direction 12 and 14 placed respectively

vement, sur des surfaces ou nacelles 16 et 18 tournant en on surfaces or nacelles 16 and 18 rotating in

sens opposé respectivement, et reliées à des turbines tour- opposite direction respectively, and connected to tower turbines

nant en sens opposées 22 et 24. Il apparaîtra clairement de in opposite directions 22 and 24. It will be clear from

la discussion qui va suivre que la présente invention s'ap- the following discussion that the present invention is

plique également aux moteurs à turbine à gaz avec un seul also applies to gas turbine engines with a single

étage d'aube de propulseur. La configuration à contre-rota- propeller dawn stage. The counter-rotating configuration

tion décrite ici ne l'est qu'à titre d'exemple seulement. described here is only as an example only.

Le moteur 10 comporte un générateur de gaz pour produire des gaz de combustion qui entraînent en contre rotation les turbines 22 et 24. Chaque turbine 22 et 24 est The engine 10 comprises a gas generator for producing combustion gases which drive the turbines 22 and 24 against each other. Each turbine 22 and 24 is

reliée aux surfaces annulaires rotatives 16 et 18 respecti- connected to the rotating annular surfaces 16 and 18 respectively

vement.tively.

Chaque aube 12 et 14 comporte des moyens de varia- Each blade 12 and 14 has means for varying

tion de pas de manière à améliorer le rendement du moteur pendant toutes les phases de fonctionnement. Les figures 2 et 3 représentent de manière détaillée le moyen de commande step in order to improve the efficiency of the motor during all phases of operation. Figures 2 and 3 show in detail the control means

d'air avec les aubes 12 réglées au pas convenant pour le mo- of air with the blades 12 set at a pace suitable for the

de de fonctionnement en croisière du moteur. Une plate-forme en forme générale de disque 26 est fixée rigidement à l'aube 12 par le pied d'aubes 28 formant une partie, ou zone, des surfaces 16 et 18. Ainsi, lorsque lorsque l'aube 12 change cruising operation of the engine. A generally disk-shaped platform 26 is rigidly attached to the blade 12 by the blade root 28 forming a portion, or area, of the surfaces 16 and 18. Thus, when when the blade 12 changes

de pas par rotation autour d'un axe radial 50, la plate-for- by rotation about a radial axis 50, the platform

me 26 se déplace avec elle. Des moyens 30 pour modifier le pas d'un profil aérodynamique rotatif sont bien connus de la technique. Par exemple, des moyens mécaniques, hydrauliques me 26 moves with her. Means for changing the pitch of a rotating airfoil are well known in the art. For example, mechanical, hydraulic means

ou électriques ou pneumatiques sont disponibles pour provo- or electric or pneumatic are available to provoke

quer un couple sur la structure du moyeu 32 de l'aube 12 to couple a couple on the structure of the hub 32 of the dawn 12

pour fournir la force de manoeuvre nécessaire. to provide the necessary maneuvering force.

Les figures 2 et 3 représentent la plate-forme étant placée de manière générale sur la surface annulaire Figures 2 and 3 show the platform being placed generally on the annular surface

rotative 16. La surface 16 ainsi que la plate-forme 26 défi- 16. The surface 16 as well as the platform 26 defines

nit des espaces extérieur 34 et intérieur 36. La température dans l'espace 36 est généralement chaude du fait de sa pro- ximité avec la turbine 22. La température dans la zone 36 Nite outer 34 and inner 36 spaces. The temperature in the space 36 is generally hot because of its proximity to the turbine 22. The temperature in the zone 36

dépendra du mode de fonctionnement du moteur 10. Par exem- depending on the operating mode of the motor 10. For example,

ple, la turbine 22 fonctionne à une température plus élevée pendant le décollage que pendant le fonctionnement en régime the turbine 22 operates at a higher temperature during takeoff than during steady state operation.

permanent de croisière. A l'inverse de l'espace 36 qui com- permanent cruise. Unlike space 36 which compares

porte des températures élevées, l'espace 34 est généralement door high temperatures, space 34 is usually

à la température ambiante beaucoup plus faible. at room temperature much lower.

Les moyens de commande d'air de la présente inven- The air control means of the present invention

tion fournissent des quantités variables d'air de refroidis- provide variable amounts of cooling air.

sement à la structure de moyeu 32 selon le réglage de pas de l'aube 12. Comme représenté figures 2 et 3, la plate-forme 26 a une forme de section droite généralement circulaire lorsqu'on la regarde radialement et est placée par rapport à In FIG. 2 and 3, the platform 26 has a generally circular cross-sectional shape when viewed radially and is placed relative to the hub structure 32 according to the pitch setting of the blade 12.

la surface annulaire rotative 16. Dans cette première posi- the rotating annular surface 16. In this first position,

tion, la plate-forme 26 épouse pratiquement la surface 16. the platform 26 substantially marries the surface 16.

Ainsi, dans le sens périphérique, la surface au périmètre de la plateforme 26 suit généralement le contour de la surface Thus, in the peripheral direction, the surface at the perimeter of the platform 26 generally follows the contour of the surface

16. Dans le mode de réalisation représenté figure 2, la sur- 16. In the embodiment shown in FIG.

face 16 est de manière générale cylindrique. Cependant, l'invention s'applique également aux surfaces coniques ainsi face 16 is generally cylindrical. However, the invention also applies to conical surfaces as well

qu'aux surfaces ne comportant pas de pente linéaire. surfaces that do not have a linear slope.

Les figures 4 et S représentent -les moyens de com- FIGS. 4 and 5 represent the means of

mande tels que représentés en figure 2 et 3 avec la plate forme 26 que l'on a fait tourner au moyen d'une modification du pas de l'aube 12 de manière à exposer le bord 38 de la dite plate-forme. Ainsi qu'il apparaîtra de manière évidente de la géométrie, le bord 38 est déplacé radialement vers Means as shown in FIGS. 2 and 3 with the platform 26 which has been rotated by means of a modification of the pitch of the blade 12 so as to expose the edge 38 of said platform. As will be evident from the geometry, the edge 38 is moved radially towards

l'extérieur à partir de la surface 16 et définit une ouver- the outside from the surface 16 and defines an opening

ture 40 entre eux. L'ouverture 40 permet ainsi au fluide 40 between them. The opening 40 thus allows the fluid

depasser entre les espaces extérieur 34 et intérieur 36. to pass between the outside spaces 34 and inside 36.

- 6 - Ceci permet à l'air de refroidissement 41 de pénétrer dans - 6 - This allows the cooling air 41 to enter

l'es- pace 36 et de refroidir la structure de moyeu 32. space 36 and cool the hub structure 32.

Lors du fonctionnement en régime permanent du mo- During steady-state operation of the

teur 10, comme par exemple pendant le régime de croisière, le pas de l'aube 12 sera tel que la plate-forme 26 et le bord 38 épouseront pratiquement la surface 16. Pendant le mode de fonctionnement à puissance plus élevée du moteur 10, on réglera l'aube 12 avec un pas plus petit, représenté en 10, as for example during the cruising speed, the pitch of the blade 12 will be such that the platform 26 and the edge 38 substantially match the surface 16. During the higher power operating mode of the engine 10, we will adjust the blade 12 with a smaller step, represented in

figure 4, exposant ainsi le bord 38 et l'ouverture 40. Ain- FIG. 4, thus exposing the edge 38 and the opening 40.

si, alors que l'ouverture 40 est pratiquement fermée pendant if, while the opening 40 is practically closed during

le régime de croisière, une quantité accrue d'air de refroi- cruising speed, an increased amount of cooling air

dissement est disponible pendant les périodes de fonctionne- is available during the operational periods

ment du moteur à température plus élevée. motor at higher temperature.

La nacelle 16 tourne dans le sens indiquée par la flèche 42. Ainsi, la direction du flux d'air par rapport à la nacelle 16 du fait de la rotation de la nacelle 16 est représentée par la flèche 44. La direction de l'air sur la nacelle 16 du fait du déplacement vers l'avant du moteur 10 est généralement axialement vers l'arrière comme représentée The nacelle 16 rotates in the direction indicated by the arrow 42. Thus, the direction of the air flow with respect to the nacelle 16 due to the rotation of the nacelle 16 is represented by the arrow 44. The direction of the air on the nacelle 16 due to the forward displacement of the engine 10 is generally axially rearward as shown

par la flèche 43. Le déplacement relatif de l'air par rap- by arrow 43. The relative displacement of air by

port à la plate-forme 26 est représenté par la flèche 46, qui est le vecteur-somme des flèches 43 et 44. Il apparaîtra port to the platform 26 is represented by the arrow 46, which is the vector-sum of the arrows 43 and 44. It will appear

clairement de ce qui vient d'être dit précédemment que l'ou- clearly from what has just been said above that the

verture 40 regarde pratique vers l'avant par rapport à la direction 46 de l'air. Cette orientation permet d'obtenir 40 looks practical forward with respect to the 46 direction of the air. This orientation makes it possible to obtain

une augmentation de la pression de l'air disponible contri- an increase in the available air pressure contributes

buant ainsi à augmenter les vitesses d'écoulement d'air pour thus buoyant to increase the air flow rates for

refroidir le moyen.cool the way.

Il apparaîtra clairement à l'homme de l'art que la It will be clear to those skilled in the art that the

présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisa- present invention is not limited to the modes of

tion spécifiques décrits et représentés ici. Pas plus que l'invention n'est limitée aux moyens de commande d'air pour hélices ou aubes de turbosoufflante. Plutôt l'invention specific conditions described and represented here. Nor is the invention limited to the air control means for propellers or turbofan blades. Rather the invention

s'applique aussi aux moyens de commande d'air pour tous pro- also applies to the air control means for all

fils aérodynamiques rotatifs à pas variable. rotary aerodynamic threads with variable pitch.

-7--7-

Claims

CLAIMS -

1. In a gas turbine engine having a rotary variable pitch aerodynamic profile, comprising means

to vary the pitch of said profile, control means

of air, characterized in that they comprise:

- a platform (26) fixed rigidly to an

radially inner trough (28) of the airfoil; the platform (26) being generally placed on a rotatable annular surface (16), and this surface defining external (34) and interior (36) spaces,

so that in a first position an edge (38) of the

form (26) matches the surface (16) and in a second

the edge (38) is moved radially outwardly of the surface (16) thereby allowing the fluid to communicate

between the outer (34) and inner (36) spaces.

2. Air control means according to the claim

1, characterized in that the aerodynamic profile is a

thruster and that the first position corresponds to

at a dawn step for steady state operation

permanent engine.

3. Air control means according to the claim

1, characterized in that the edge (38) and the surface (16) de-

end between them an opening (40), which is practically

closed in the first position and open in the

second position.

4. Air control means according to the claim

3, characterized in that the aerodynamic profile is a

be of thruster and in that the second position is practically a step of dawn for the operating regime

high engine.

5. In a gas turbine engine having a rotating aerodynamic profile with variable pitch, and means for varying the pitch of this profile, air control means, characterized in that they comprise:

È, 5 - a platform (26) fixed rigidly to an ex-

Radially inner trough (28) of the aerodynamic profile; the platform being generally placed on a rotatable annular surface (16), the surface defining outer (34) and inner (36) spaces so that in a first position the platform (26) substantially conforms to the surface (16), and in a second position an edge (38) of the platform (26) is moved radially outwardly from the surface (16) thereby allowing the flow of air from space outside (34) to

the interior space- (36).

An air control means according to claim 1, characterized in that the aerodynamic profile is a propeller and the edge (38) and the surface

(16) define between them an opening (40) which is practically

closed in the first position and open in the

second position.

7. An air control means according to claim 6, characterized in that the opening (40) in the second position looks substantially forward with respect to the

relative displacement of the air.