JP6195621B2 - ブレードのピッチを制御するための装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、ファンロータのブレードのピッチを制御するための装置、およびこの種の装置を備えるファンに関する。

また、本発明は、この装置を使ってファンロータのブレードのピッチを制御するための方法に関する。

少なくとも１つのロータ、および可変ピッチブレードを備えるターボ機械ファンが、現時点での技術的水準において知られている。

幾何学的ピッチとは、ブレードのプロファイルの翼弦とエンジン回転軸とによって形成される角度である。

これは、ピボットによってブレードに結合されるラジアル軸と、軸方向変位がラジアル軸の回転を制御するコネクティングロッドと、すべてのコネクティングロッドが取り付けられる軸対称部品とを備える既知の装置を使用して実現され得る。

シリンダが、軸対称部品の軸方向変位を制御し、これにより、ブレード全部のピッチが均等に調整され得るようにコネクティングロッドの軸方向変位が生じる。

不均一な空気力学的流れが、特に、たとえば離陸時の航空機迎え角の影響、およびエンジン、翼、胴体、またはエンジンを航空機に連結するパイロンなどの他の要素の存在による伴流の影響を含む、さまざまな要因によりブレードに向けられる。

この不均一性により、ブレードに、より一般的にはピッチ制御装置に負荷が生じる。

また、ブレードは、航空機操縦に関連するジャイロ効果に起因する変形を受けやすい。

上に挙げた負荷および変形は、ブレードまたはピッチ制御装置などのファン部品の早期の機械的摩耗を引き起こす場合がある。

上流側プロペラロータおよび下流側プロペラロータを備えるファンの場合は、望ましくないカップリングが、上流側ロータのブレードと下流側ロータのブレードとの間に存在し得る。

このカップリングは、機械的であり、これは望ましくない機械的振動が増幅される場合があることを意味し、かつ騒音を伴い、これは音響振動の増幅を引き起こす。

本発明は、現時点での技術的水準の欠点を克服するために、ファンロータブレードのピッチを制御するための装置を開示するものであり、ピボットによってブレードに連結されるラジアル軸と、その軸方向変位がラジアル軸の回転を制御するコネクティングロッドとを備える装置であって、この装置は、ファン軸を中心にロータと共に回転移動する第１の部品であり、その上に各コネクティングロッドの１つの端部が固定される第１の部品と、第１の部品に連結される第２の部品と、軸方向並進で前記第２の部品を移動させ、その傾斜を変更することができる少なくとも３つのシリンダであり、第２の部品の並進および傾斜が、第１の部品の対応する並進および傾斜をもたらすシリンダを備え、それによって、第１の部品が回転すると、各コネクティングロッドが、その回転中にブレードのピッチを変更するために第１の部品の傾斜に依存する可変振幅の軸方向変位に従うことを特徴とする。

本発明は、少なくとも１つのロータ、および可変ピッチブレードを備えるターボ機械ファンであって、そのブレードのための前記ピッチ制御装置を備えることを特徴とする、ターボ機械ファンに関する。

最後に、本発明はまた、前記制御装置を利用して、ファンロータのブレードのピッチを制御するための方法であって、第１の部品の傾斜を変更するのにシリンダを制御することから成るステップを含み、それによって、第１の部品の回転中に、軸方向変位が、各コネクティングロッドに加えられ、その振幅が、可変であり、第１の部品の傾斜に依存し、ブレードピッチが、ファンの軸を中心にその回転中に変化することを特徴とする、方法に関する。

本発明は、その回転中に、各ブレードのピッチを変更するのに使用され得る。特に、ブレードピッチは、回転の範囲内でその位置に応じて変化する。

したがって、ピッチ制御を適切に設定すると、装置およびファンは、特定の障害物（翼、胴体、等）による空気力学的流れの外乱を受けないことが保証される。

結果として、ファンは、よりロバストであり、より長い寿命を有する。

そのうえ、上流側ロータブレードと下流側ロータブレードとの間のカップリングが減少され、それにより、望ましくない機械的増幅および騒音増幅が低減される。

最後に、故障が生じた場合には、装置は、即座のエンジン停止を行う必要性を回避する低下運転モードを有する。

本発明の他の特徴および利点は、単に例示を目的として与えられ、決して限定的でなく、かつ添付の図面を参照して読まれるべきである次の説明から明らかになる。

ファンのロータブレードのピッチを制御するための装置の実施形態を示す図である。 装置および接続要素の一部の正面図である。 装置の一部の立体視を示す図である。 装置の一部の立体視を示す図である。 部品のうちの１つがシリンダによって傾斜された場合の装置の一部の立体視を示す図である。 部品のうちの１つがシリンダによって傾斜された場合の装置の一部の立体視を示す図である。 ロータの傾斜部品に対する装置の案内の実施形態を示す図である。 ファンにおける装置の取付け部品を示す図である。 ブレードピッチを制御するための方法の実施形態を示す図である。 それらの回転中にブレードピッチを変更するための制御を示す図である。 それらの回転中にブレードピッチを変更するための制御を示す図である。

図１〜図６は、ファン４ロータ３のブレードのピッチを制御するための装置１の１つの実施形態を示している。

装置１は、ブレード（図示せず）に接続されるラジアル軸６を備える。従来、ブレードの足部は、ピボットによってラジアル軸６に取り付けられる。ラジアル軸６は、その軸線を中心に回転することができる。

また、装置１は、各ブレードのためのコネクティングロッド８を備え、その軸方向変位は、その軸線を中心とするラジアル軸６の回転を制御する。コネクティング８の一部は、たとえばピボットリンクを通して、このためにラジアル軸６に接続される。

また、装置１は、第１の部品１０を備える。この第１の部品１０は、ファン４のロータ３に固定される。

したがって、第１の部品１０は、ファン４の軸１１を中心にロータ３と共に回転移動するということである。

コネクティングロッド８の他端３１は、第１の部品１０に固定される。

また、装置１は、第１の部品１０に連結される第２の部品１２を備え、その役割は、下記に開示される。

第１および第２の部品１０、１２は、通常、軸対称部品である。たとえば、第１の部品１０は環状であり、第２の部品１２はディスクである。

装置１は、前記第２の部品１２をファン４の軸１１を中心に軸方向並進で移動させ、その傾斜を変更することができる少なくとも３つのシリンダ１４を備える。したがって、第２の部品１２は、シリンダ１４によって制御される少なくとも３自由度を有する。これらのシリンダ１４は、たとえば、従来の油圧シリンダであってもよい。

シリンダ１４のいかなる制御もない場合は、第２の部品１２は、通常、半径方向平面（垂直な平面）に配置され、シリンダ１４は、この公称位置に対して第２の部品１２を傾斜させるように使用される。

１つの構成においては、これらのシリンダ１４は、互いから１２０°に配置される。一般に、シリンダ１４は、同じ平面に配置される。

第１の部品１０および第２の部品１２は、機械的に接続され、したがって、第２の部品１２の軸方向並進および傾斜は、第１の部品１０の対応する軸方向並進および傾斜を生じる。

たとえば図３および図４においては、３つのシリンダは、正確に同じ延長部品を有する。第１の部品１０および第２の部品１２は、半径方向平面に配置される。

図５および図６においては、シリンダのうちの１つ（シリンダ１４_Ａ）が、延長指令（たとえば、シリンダが１５０ｍｍの延長部品から２００ｍｍの延長部品に変化する）を受け取るが、他のシリンダ（１２Ｂ、１２Ｃ）は、それらの最初の延長部品を保持する。

結果として、第２の部品１２、およびしたがって第１の部品１０は、半径方向平面に対して傾斜される平面の方へ移動される。

第２の部品１２を傾斜させると、半径方向平面に対して第１の部品１０が傾斜する。結果として、第１の部品１０を傾斜させた後に、第１の部品は、半径方向平面から傾斜された平面で回転移動する。

この傾斜により、第１の部品１０が回転すると、各コネクティングロッド８は、可変振幅の軸方向変位を受ける。これは、コネクティングロッド８の端部３１が第１の部品１０に接続され、半径方向平面に対して傾斜される平面でそれ自体自由に回転できるということによる。したがって、回転中に、各コネクティングロッド８は、回転の間に変化する軸方向変位を有する。

コネクティングロッド８の軸方向変位の振幅は、第１の部品１０の傾斜に依存する。第１の部品１０の傾斜が大きければ大きいほど、それだけその振幅は回転の間に変化することになる。

この構成により、装置１は、その回転中にブレードのピッチを変更するのに使用され得る。

特に、各ブレードのピッチは、回転時のその位置に依存する。したがって、所与の瞬間において、ロータの異なるブレードは、回転の間にそれらの位置に依存する異なるピッチを有する。

第１の部品１０の並進は、コネクティングロッド８の共通の並進、およびしたがってラジアル軸６の回転を生じるので、この並進は、すべてのブレードのピッチを調整する。

第１の部品１０の傾斜は、回転時にブレードのサイクリックピッチ制御を生じる。第１の部品１０の所与の傾斜の場合、所与のブレードのピッチは、コネクティングロッド８の軸方向変位に応じて周期的に変化する。

１つの例示的な実施形態によれば、第２の部品１２は、機械的軸受１６によって第１の部品１０に接続される。

実際に、第２の部品１２は、ファンのケーシング（固定部）に接続されるが、第１の部品１０は、ファンロータ３に接続される。

たとえば、ボールベアリングが使用され得る。

第１の部品１０をロータ３に接続するために、装置１は、接続要素２２を備え、その１つの実施形態が、図１および図２に示されている。

接続要素２２は、第１の部品１０をファンの軸１１を中心に回転するロータ３に接続するために自在カップリング２１を備える。この自在カップリング２１は、ピン３５によって接続され、かつ第１の部品１０を取り囲む２つの環状部品３３、３４の形で、図２に略示されている。

そのうえ、接続要素２２には、ロータ３に対して第１の部品１０の軸方向案内を可能にするようにキーまたは溝２３が設けられる。これらのキー２３は、ロータ３に対して第１の部品１０の軸方向案内のために使用される。

１つの実施形態においては、キー２３は、傾斜シェル２６に対する軸方向案内に関係する。たとえば、これは、ファンオイルを含むチャンバの壁であってもよく、これは、ドレンを可能にするように傾斜しなければならない。

キー２３の上面および底面は、エンジン軸線に平行である。

また、シェル２６には、キー２３に対して相補形の溝３０が設けられる。これらの相補形の溝３０は、オイルドレン機能を実施するように（ファン４の軸１１に対して傾斜される）傾斜溝底面３２を有する（この機能は、部品２６の本来の機能である）。

キー２３に対して相補形の溝３０の頂部の表面３６は、他の表面３２は傾斜されるが、傾斜部品２６との協働を可能にするように水平である。

１つの例示的な実施形態によれば、キー２３は、自在カップリング２１の外側表面に配置される。

場合によっては、いくつかのファンの下流側に配置されるロータの場合のように、装置１、および特にシリンダ１４を固定するという問題が生じる。

これらの下流側ロータの場合は、ファン構造とのリンクになり得るものはない。なぜなら、このレベルの部品は、このようなリンクに必要な力に耐えることができないからである。たとえば、これは、油圧チャンネル、およびいくつかのセンサのための電力供給を含む、ファンダクト２０である場合があり、前記ダクト２０は、装置１によって加えられる力に耐えることができない。

したがって、固定座標系が再構築されなければならない。

これを実現するために、１つの例示的な実施形態によれば、装置１は、シリンダ１４をロータ３の構造に連結する接続軸受１８を備える。装置１によって加えられる軸方向および半径方向力は、この軸受１８によって耐えられる。

そのうえ、１つの実施例によれば、装置１はまた、シリンダ１４をファン４のダクト２０に接続する弾性ダンパー１９備える。このダンパー１９は、熱効果による軸方向変形を減衰させ、かつダクト２０と、軸受１８が固定されるロータ３の構造との間に配置されることが有利である。特に、たとえば金属ベローズであり得るこのダンパー１９は、軸方向負荷がダクト２０に加えられることを防ぎ、構成が静的に不確定であることを防ぐ。

したがって、ダクト２０は、装置１によるいかなる構造的負荷にも対抗しない。

装置１においては、少なくとも３つのシリンダ１４が取り付けられる。これらのシリンダ１４は、通常、先行技術による環状のシリンダよりも取り付けるのに簡単な従来のシリンダである。

１つの実施形態においては、ストッパ２９が、装置の故障率の増加を回避するために、第１の部品１０および／または第２の部品１２の傾斜を制限するように設けられる。たとえば、ストッパ２９は、自在カップリング２１に取り付けられ得る。あるいは、ストッパ２９は、第２の部品１２上の所定の位置に置かれてもよい。

傾斜を閾値、たとえばプラスまたはマイナス５°に制限することによって、ブレードピッチの変動振幅は、たとえばプラスまたはマイナス２°に制限される（これらの値は、例示に過ぎず、限定的なものではない）。

したがって、３つのシリンダ１４のうちの１つに故障がある場合には、低下運転モードが生じるが、これは、ピッチの変動振幅が制限されるので、エンジン停止を必要としない。

シリンダ１４は、制御ユニットによって制御され、これは、たとえば航空機コンピュータに一体化され得る。制御ユニットは、下記に開示されるピッチ制御方法の実施形態を実施するようにプログラムされ得る。

特に、装置１は、二重反転プロペラを備えるオープンロータ型ファン４に使用され得る。この場合は、第１の装置が、上流側プロペラのロータブレードのピッチを設定するように使用され、第２の装置は、下流側プロペラのロータブレードのピッチを設定するように使用される。

制御方法
１つの実施形態においては、ブレードのピッチを制御するための方法は、第１の部品１０の傾斜を変更するのにシリンダ１４を制御することから成るステップＥ１を含む。

第１の部品１０の回転中に、各コネクティングロッド８は、第１の部品１０の傾斜に依存する可変振幅の軸方向変位に沿って移動される。

結果として、ブレードピッチは、ファン４の軸１１を中心にブレードの回転中に変化する。

シリンダ１４によって加えられる制御は、第２の部品１２の傾斜を通して、第１の部品１０の傾斜を選択する。

この制御は、たとえば飛行条件に応じて、または航空機の状態に応じて飛行中に変化し得る。

また、第２の部品１２にシリンダ１４によって加えられる並進制御は、ロータ３のすべてのブレードのピッチに共通の変更を加える。

制御の略例が、図１０に示されている。第２の部品１２に加えられるシリンダ１４による並進指令は、すべてのブレードに４５°のピッチを加える（曲線３９）。

第２の部品１２を傾斜すると、第１の部品１０の傾斜が生じ、この第１の部品１０の傾斜は、その回転の間にブレードの位置に応じて各ブレードのピッチの正弦波形の変動を導く（曲線４０）。

回転中にブレードのピッチの周期的変化を制御する第１の部品１０の傾斜は、ファン４の上流側の障害物、たとえば翼または胴体などの存在による、圧力および揚力損失を低減するように選択される。

障害物に起因する揚力の損失は、シミュレーションによってまたは試験によって知られ得る固定されたプロファイルによって揚力の損失を作り出す。ブレードピッチは、これらの損失が生じる領域において揚力の損失を補償するように、これらのデータから選択される。

図１１に示される１つの実施形態においては、マルチサイクリックまたはサブサイクリック制御が適用される。

１つの実施例によれば、本方法は、ロータ３の回転速度よりも高い周波数で装置１の第１の部品１０の傾斜を変動させることから成るステップを含む（曲線４１）。特に、これは、いわゆるマルチサイクリック制御であることができ、換言すれば、変動周波数は、ロータ回転周波数の倍数である。

１つの実施例によれば、本方法は、ロータ３の回転速度よりも低い周波数で装置１の第１の部品１０の傾斜を変動させることから成るステップを含む（曲線４２）。特に、これは、いわゆるサブサイクリック制御であることができ、換言すれば、変動周波数は、ロータの回転周波数の分数である。

特に、これらのブレードピッチ制御は、望ましくない音響および／または機械的増幅を低減することができる。

特に、各プロペラの空気音響対称性が破壊され、上流側プロペラと下流側プロペラとの間の干渉雑音が低減され得る。

上流側ロータ３および下流側ロータ３を備えるファン４の場合は、１つの実施形態において、本方法は、ファン４の下流側ロータ３のブレードのピッチの周期的変化と異なる、回転中のファン４の上流側ロータ３のブレードのピッチの周期的変化を得ることから成るステップＥ２_１を含むことができる。

これは、下流側のロータのもう１つの装置１の第１の部品１０の傾斜と異なる、上流側に配置されるロータの装置１の第１の部品１０の傾斜を与えることによって行われ得る。

結果として、上流側ブレードと下流側ブレードとの間の空気音響結合が低減され、これは、ブレード間の干渉雑音、および機械的振動の増幅を低減することができる。

１つの例示的な実施形態によれば、このステップＥ２_１は、公称位置を中心に、上流側ロータまたは下流側ロータの第１の部品１０の傾斜を変動させることから成るステップＥ２_２を含む。

たとえば、公称位置は、傾斜に、およびしたがってブレードのピッチに対応するように選択され、これは、上記に開示されたように、所与の障害物の空気力学的影響を低減することができる。

また、この公称位置を中心とする傾斜の変動は、上流側ブレードと下流側ブレードとの間の干渉雑音をまた低減するように行われ、この変動は、（たとえば、上流側の変動の存在および下流側の変動の非存在により、あるいは上流側と下流側との間の異なる変動の選択により）上流側および下流側で異なる。したがって、上流側および下流側ブレードの機械的および音響結合が低減されるか、または除去さえされる。

理解され得るように、本発明は、ファンブレードに影響を及ぼす不均一な空気力学的流れの、およびブレードに起因する騒音の有害な影響を低減することができる。

Claims (13)

1. ブレードに連結されるラジアル軸（６）と、その軸方向変位がラジアル軸（６）の回転を制御するコネクティングロッド（８）とを備えるファン（４）ロータ（３）のブレードのピッチを制御するための装置（１）であって、
   ファン（４）軸（１１）を中心にロータ（３）と共に回転移動する第１の部品（１０）であり、その上に各コネクティングロッド（８）の１つの端部が固定される第１の部品（１０）と、
   第１の部品（１０）に連結される第２の部品（１２）と、
   軸方向並進で前記第２の部品（１２）を移動させ、その傾斜を変更することができる少なくとも３つのシリンダ（１４）であり、第２の部品（１２）の並進および傾斜が、第１の部品（１０）の対応する並進および傾斜をもたらすシリンダを備え、
   それによって、第１の部品（１０）が回転すると、各コネクティングロッド（８）が、その回転中にブレードのピッチを変更するために第１の部品（１０）の傾斜に依存する可変振幅の軸方向変位に従うことを特徴とする、装置。
2. 第２の部品（１２）が、機械的軸受（１６）によって第１の部品（１０）に接続される、請求項１に記載の装置。
3. シリンダ（１４）をロータ（３）に連結する接続軸受（１８）を備える、請求項１または２のいずれか一項に記載の装置。
4. シリンダ（１４）をファン（３）のダクト（２０）に連結する弾性ダンパー（１９）をまた備える、請求項３に記載の装置。
5. 第１の部品（１０）が、自在カップリング（２１）を備える接続要素（２２）によってロータ（３）に連結される、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 接続要素（２２）がまた、ロータ（３）に対して第１の部品（１０）の軸方向案内のためのキー（２３）を備える、請求項５に記載の装置。
7. キー（２３）に対して相補形の溝（３０）を備え、その１つの表面（３２）が、ロータの傾斜部品（２６）との協働を可能にするように傾斜される、請求項６に記載の装置。
8. 第１の部品（１０）および／または第２の部品（１２）の傾斜を制限するストッパ（２９）を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 少なくとも１つのロータ（３）、および可変ピッチブレードを備えるターボ機械（５）のファン（４）であって、請求項１から８のいずれか一項に記載のそのブレードのピッチを設定する制御装置を備えることを特徴とする、ターボ機械（５）のファン（４）。
10. 請求項１から８のいずれか一項に記載の制御装置（１）を用いて、ファン（４）ロータ（３）のブレードのピッチを制御するための方法であって、第１の部品（１０）の傾斜を変更するのにシリンダ（１４）を制御することから成るステップ（Ｅ１）を含み、それによって、第１の部品（１０）の回転中に、各コネクティングロッド（８）が、第１の部品（１０）の傾斜に依存する可変振幅の軸方向変位に沿って移動され、ブレードピッチが、ファン（４）の軸（１１）を中心にその回転中に変化することを特徴とする、方法。
11. ファン（４）の下流側に配置されるロータのもう１つの装置（１）の第１の部品（１０）の傾斜と異なる、ファン（４）の上流側に配置されるロータの装置（１）の第１の部品（１０）の傾斜を与えることから成るステップ（Ｅ２_１）を含む、請求項１０に記載の方法。
12. このステップ（Ｅ２_１）が、公称位置を中心に、装置（１）、または上流側ロータ、または下流側ロータの第１の部品（１０）の傾斜を変動させることから成るステップ（Ｅ２_２）を含む、請求項１１に記載の方法。
13. ロータ（３）の回転速度よりも高いかまたは低い周波数で装置（１）の第１の部品（１０）の傾斜を変動させることから成るステップを含む、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の方法。

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