ОТКРЫТЫЙ ВОЗДУШНЫЙ ВИНТ ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ
OPEN AIR PROPELLER FOR TURBINE MACHINE

Настоящее изобретение касается воздушного винта с лопастями с регулируемым углом установки для турбомашины с открытыми воздушными винтами (на английском языке “open rotor” или “unducted fan”).
Турбомашина этого типа содержит два соосных наружных воздушных винта противоположного вращения, соответственно передний и задний, которые приводятся во вращение турбиной турбомашины и проходят по существу радиально снаружи гондолы турбомашины.
Каждый воздушный винт содержит элемент ротора, содержащий по существу радиальные цилиндрические гнезда, распределенные вокруг продольной оси турбомашины, в которых установлены опорные площадки лопастей воздушного винта. Каждая лопасть содержит, например, замок с сечением в виде ласточкина хвоста, который вставляют в осевом направлении и который удерживается радиально в пазу, форма которого соответствует форме площадки.
Каждая площадка содержит по существу цилиндрическое тело, завинчиваемое в цилиндрический венец, который центрован и направляется при повороте в гнезде элемента ротора при помощи опорных подшипников качения типа роликоподшипников или шарикоподшипников.
Площадки и венцы могут поворачиваться в гнездах элемента ротора и приводятся во вращение вокруг осей лопастей соответствующими средствами таким образом, чтобы можно было регулировать угол установки лопастей.
Однако такой тип монтажа не является удовлетворительным, так как радиальное удержание лопастей в радиальных гнездах обеспечивают нитки резьбы для завинчивания площадок на венцах, и эти нитки резьбы могут быстро разрушаться, что ограничивает срок службы воздушного винта.
Заявитель уже предложил в своей заявке FR09/01343 выполнять зубцы, выступающие на наружной поверхности опорной площадки лопасти, при этом площадку вставляют в радиальное гнездо снаружи, и зубцы площадки взаимодействуют с взаимодополняющими зубцами внутренней поверхности венца, устанавливаемого изнутри гнезда.
Однако при таком выполнении демонтаж лопастей требует предварительного доступа к венцу радиальной блокировки площадки, установленному изнутри гнезда, что требует демонтажа элементов ступицы ротора. По этой причине невозможно производить простой и быстрый демонтаж лопастей на стоянке, например, когда самолет находится в аэропорту.
В некоторых случаях, например, если лопасть выполнена из композиционного материала из углеводородных волокон, замок лопасти невозможно выполнить в виде ласточкина хвоста, и, как правило, замок имеет цилиндрическую форму.
В заявке FR10/50234 заявителя цилиндрический замок лопасти имеет на своем внутреннем конце кольцевой фланец. Внутреннее кольцо подшипника установлено внатяг вокруг замка и содержит на своем нижнем конце кольцевой фланец, взаимодействующий с кольцевым фланцем замка для обеспечения радиального удержания замка. Внутреннее кольцо связано через шарики подшипника с двумя наружными кольцами, отстоящими друг от друга в осевом направлении и закрепленными посредством завинчивания в радиальном гнезде.
В этом варианте выполнения шарики подшипника вставляют один за другим изнутри гнезда в пространство между внутренним и наружным кольцами, что требует длительного времени для установки на место каждой лопасти. Кроме того, манипулирование каждым шариком подшипника может привести к попаданию между внутренним и наружным кольцами загрязняющих элементов, таких как абразивная пыль, которая может повредить шарики и дорожки качения.
Настоящее изобретение призвано предложить простое, эффективное и экономичное решение этих проблем.
В связи с этим объектом изобретения является открытый воздушный винт для турбомашины, содержащий лопасти воздушного винта, установленные с возможностью поворота вокруг своих осей в радиальных гнездах кольцевого элемента ротора, при этом каждая лопасть содержит замок с цилиндрическим телом, вставляемый снаружи в радиальное гнездо и направляемый при повороте вокруг своей оси в этом гнезде двумя подшипниками качения, отличающийся тем, что первый подшипник установлен на кольцевом бортике радиально внутреннего конца гнезда, тем, что второй подшипник установлен на кольцевом сегменте с цилиндрической юбкой, установленной в канавке цилиндрического тела, и стопорной гайкой, завинчиваемой на цилиндрической юбке сегмента и образующей опорную распорку на первом подшипнике, при этом второй подшипник закрыт снаружи кольцом, окружающим цилиндрическое тело замка лопасти и содержащим наружные кулачковые зубцы, взаимодействующие с внутренними кулачковыми зубцами гнезда для осевого удержания кольца в гнезде, и тем, что между кулачковыми зубцами гнезда и кулачковыми зубцами кольца вставлены средства блокировки, чтобы препятствовать повороту кольца и его осевому выходу из гнезда.
В отличие от известных технических решений первый подшипник качения устанавливают в собранном состоянии снаружи в гнездо на бортик радиально внутреннего конца гнезда. Второй подшипник тоже устанавливают в собранном состоянии вокруг замка, и он установлен на кольцевом сегменте, установленном в канавке и удерживается в нем гайкой, завинчиваемой на цилиндрической юбке кольцевого сегмента.
Узел, образованный лопастью, вторым подшипником, кольцевым сегментом и гайкой, вставляют в осевом направлении снаружи в радиальное гнездо. Радиальная блокировка лопасти в гнезде обеспечивает кольцо, не устанавливаемое изнутри гнезда, как в известных решениях, а снаружи этого гнезда. Кольцо содержит кулачковые зубцы, заходящие и блокируемые с радиальной опорой на дополняющие зубцы гнезда, чтобы выдерживать центробежные усилия, действующие на лопасть во время работы.
Понятно, что для осуществления монтажа кольца в гнездо снаружи сначала кольцо необходимо установить вокруг замка до установки второго подшипника вокруг замка лопасти. Таким образом, кольцо устанавливают, затем оставляют в положении ожидания вокруг замка до его крепления за счет кулачкового соединения в радиальном гнезде.
Таким образом, радиальное удержание лопастей обеспечивается не резьбой, а кулачковой системой, и операции монтажа и демонтажа предпочтительно осуществляют снаружи на крыле самолета, не трогая ступицу ротора, так как кольцо установлено снаружи.
Согласно другому отличительному признаку изобретения на наружном конце гнезда привинчена кольцевая крышка, окружающая замок лопасти, чтобы помешать осевому выходу средств блокировки. Крепление крышки завинчиванием не представляет сложности, так как ее используют только для обеспечения радиального удержания средств блокировки, а не для радиального удержания лопастей, и, следовательно, она не нагружается для передачи центробежных усилий, передаваемых лопастями во время работы.
Согласно еще одному отличительному признаку изобретения кольцевой сегмент состоит из двух частей, установленных встык в канавке тела лопасти.
Цилиндрическая юбка кольцевого сегмента может содержать, по меньшей мере, один зубец, выступающий в осевом направлении, вставляемый в углубление цилиндрического тела и выходящий в кольцевую канавку, блокируя поворот сегмента на цилиндрическом теле.
Предпочтительно между гайкой и кольцевым сегментом установлена стопорная шайба, которая взаимодействует за счет соответствия форм с гайкой и с сегментом, чтобы блокировать по повороту гайку на замке лопасти.
В частном варианте выполнения изобретения кольцо содержит три кулачковых зубца, равномерно распределенных вокруг его оси и имеющих, каждый, угловой размер примерно 60°.
Средства блокировки поворота кольца в гнезде могут содержать шпонки в виде секторов цилиндра, вставляемые поступательным движением в осевом направлении снаружи между кулачковыми зубцами кольца и кулачковыми зубцами гнезда. Каждую шпонку вставляют, например, поступательным движением в направлении, параллельном оси гнезда, между двумя последовательными зубцами кольца и между двумя последовательными зубцами гнезда. Эти шпонки взаимодействуют за счет упора в окружном направлении с окружными концами зубцов кольца и зубцов гнезда, чтобы сделать неподвижным по вращению кольцо в гнезде.
Предпочтительно между крышкой и кольцом вставляют другую стопорную шайбу, которая взаимодействует за счет соответствия форм с крышкой и кольцом, чтобы жестко соединять во вращении крышку на кольце.
Согласно другому отличительному признаку изобретения замок лопасти выполнен полым и содержит металлические усиления, закрепленные при помощи клея на его внутренней и наружной сторонах. Этот тип усилений можно, например, использовать в случае лопасти из композитного материала их углеродных волокон. В этом случае кольцевую канавку для установки цилиндрической юбки кольцевого сегмента выполняют на наружной поверхности наружного усиления.
Предпочтительно стенка замка лопасти имеет по существу постоянную толщину и содержит гофры, взаимодействующие с взаимодополняющими гофрами усилений. Эти гофры обеспечивают за счет соответствия форм лучшее крепление усилений на замках лопастей.
Объектом изобретения является также турбомашина, такая как авиационный турбовинтовой или турбореактивный двигатель, содержащий, по меньшей мере, один описанный выше воздушный винт.
Изобретение и его другие детали, преимущества и отличительные признаки будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве неограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - схематичный вид в осевом разрезе турбомашины с открытыми воздушными винтами.
Фиг. 2 - схематичный вид в разрезе по плоскости, проходящей через ось радиального гнезда, элемента ротора, в котором установлена и закреплена лопасть воздушного винта в соответствии с изобретением.
Фиг. 3 - схематичный вид в перспективе элемента ротора, показанного на фиг. 2.
Фиг. 4 - схематичный вид в перспективе в разборе различных деталей, показанных на фиг. 2, без элемента ротора.
Фиг. 5 - другой схематичный вид в перспективе в разборе и с частичным вырезом различных деталей, показанных на фиг. 2, без элемента ротора.
Фиг. 6-11 представляют схематичный вид в перспективе и с частичным вырезом элемента ротора, замка лопасти с установленным на ней подшипником качения, кольца блокировки и верхней крышки, показанных на фиг. 2, и иллюстрируют этапы монтажа этих элементов.
На фиг. 1 представлена турбомашина 10 с открытыми воздушными винтами, известная под английским названием “open rotor” или “unducted fan”, которая содержит от входа к выходу в направлении течения газов внутри турбомашины: компрессор 12, кольцевую камеру 14 сгорания, турбину 16 высокого давления и две турбины 18, 20 низкого давления противоположного вращения, то есть которые вращаются в двух противоположных направлениях вокруг продольной оси А турбомашины.
Каждая из этих выходных турбин 18, 20 приводит во вращение наружный воздушный винт 22, 24, проходящий радиально снаружи гондолы 26 турбомашины, причем эта гондола 26 является по существу цилиндрической и проходит вдоль оси А вокруг компрессора 12, камеры 14 сгорания и турбин 16, 18 и 20.
Воздушный поток 28, поступающий в турбомашину, сжимается, затем смешивается с топливом и сгорает в камере 14 сгорания, после чего газообразные продукты горения проходят в турбины и приводят во вращение воздушные винты 22, 24, обеспечивающие основную часть тяги, создаваемой турбомашиной. Выходящие из турбин отработавшие газы выбрасываются через реактивное сопло 32 (стрелки 30), увеличивая таким образом тягу.
Воздушные винты 22, 24 расположены соосно друг за другом и содержат множество лопастей, равномерно распределенных вокруг оси А турбомашины. Эти лопасти проходят по существу радиально и выполнены с возможностью регулирования угла установки, то есть могут поворачиваться вокруг своих осей для оптимизации своих угловых положений в зависимости от условий работы турбомашины.
Согласно изобретению и как показано на фиг. 2-5, каждый воздушный винт содержит элемент ротора, образованный многоугольным кольцом 34, которое расположено вокруг оси А турбомашины и содержит множество по существу цилиндрических радиальных гнезд 36, в которые вставлены замки лопастей воздушного винта.
Замок 38 каждой лопасти является полым и содержит по существу цилиндрическое тело 40, вставляемое в радиальное гнездо 36 многоугольного кольца 34. На радиально внутреннем конце замка 38 выполнен кольцевой фланец 42. Цилиндрическое тело 40 содержит два металлических усиления 44, 46. Первое усиление 44 содержит на своем нижнем конце кольцевой фланец 48, и его вставляют радиальным поступательным движением внутрь замка таким образом, чтобы его фланец вошел в контакт с кольцевым фланцем 42 замка. Второе металлическое усиление 46 устанавливают снаружи замка и вокруг него, и его нижний конец располагают в положении осевого упора на кольцевой фланец 42 замка 38. Металлические усиления 44, 46 крепят на замке, например, при помощи клея.
Наружное металлическое усиление 46 содержит наружную кольцевую канавку 50 и два диаметрально противоположных углубления 52. Эти углубления 52 выполнены в нижнем бортике кольцевой канавки 50 и выходят внутрь этой канавки.
В кольцевой канавке 50 установлен кольцевой сегмент 54, который содержит цилиндрическую юбку 56, сопрягающуюся своим радиально наружным концом с радиальным кольцевым бортиком 58, содержащим четыре выреза 60, равномерно распределенные на его периферии. Внутренний конец цилиндрической юбки содержит два зубца 62, выступающих в осевом направлении внутрь гнезда и расположенных диаметрально противоположно друг другу. Эти зубцы 62 вставлены в углубления 52 наружного металлического усиления 46. Наружная поверхность цилиндрической юбки 56 содержит резьбу для завинчивания гайки 64 стопорения кольцевого сегмента 54 в кольцевой канавке 50.
Кольцевой сегмент 54 выполнен из двух частей 66, 68 для обеспечения его установки в кольцевой канавке 50 тела лопасти.
Предпочтительно кольцевой сегмент 54 изготавливают в виде единой детали, затем на наружной поверхности цилиндрической юбки 56 кольцевого сегмента 54 нарезают резьбу. После этого кольцевой сегмент 54 разрезают на две части с угловым размером 180°. Выполнение резьбы на моноблочном кольцевом сегменте 54 позволяет совместить резьбу каждой из двух частей 66, 68 сегмента 54, когда его устанавливают в кольцевой канавке 50 тела лопасти.
В осевом направлении между гайкой 64 и кольцевым бортиком 58 кольцевого сегмента 54 вставляют первую шайбу 70, которая содержит на своей наружной периферии первые лапки 72, загнутые наружу и заходящие в вырезы 60 кольцевого бортика 58 кольцевого сегмента 54, делая неподвижной шайбу 70 по отношению к кольцевому сегменту 54.
Первая шайба 70 содержит также на своей наружной периферии вторые лапки 74, загнутые внутрь и заходящие между зубцами наружной периферии гайки 64, делая неподвижной по вращению шайбу 70 по отношению к гайке 64, завинченной на сегменте 54.
Внутри радиального гнезда устанавливают первый шарикоподшипник 76, который опирается на кольцевой бортик 78 радиально внутреннего конца гнезда 36. Кольцо 80 подшипника 76 опирается на предварительно напряженную шайбу 82, вставленную между кольцевым бортиком 78 гнезда и подшипником 76. Эта предварительно напряженная шайба 82 ограничивает удары по кольцевому бортику гнезда и имеет толщину порядка 0,5-0,8 мм. Другое кольцо 84 подшипника 76 входит в контакт с радиально внутренним концом гайки 64 с одной стороны и с наружным металлическим усилением 46 замка лопасти с другой стороны. Наружная периферия кольцевого бортика 78 гнезда содержит кольцевую канавку 86, в которой установлена кольцевая уплотнительная прокладка (не показана), входящая в контакт с цилиндрическим телом замка лопасти. На внутренней стороне кольцевого бортика 78 гнезда тоже выполнена кольцевая канавка 88, которая содержит другую уплотнительную прокладку (не показана), взаимодействующую с внутренней кольцевой крышкой 90, завинченной изнутри на наружной периферии бортика 78. Эта внутренняя крышка 90 содержит центральное отверстие 96 для прохождения средств угловой установки лопасти.
Второй подшипник 94 опирается своим внутренним кольцом 95 на наружную поверхность кольцевого бортика 58 кольцевого сегмента 54. Наружное кольцо 96 этого второго подшипника опирается на внутреннюю поверхность радиального кольцевого бортика 98 кольца 100, закрывающего второй подшипник 94. Кольцевой бортик 98 кольца 100 содержит кольцевую канавку 102 на своей внутренней периферии, в которую установлена кольцевая уплотнительная прокладка (не показана), взаимодействующая с верхним концом тела замка лопасти.
Кольцо 100 имеет верхнюю часть 104, содержащую на своей внутренней периферии множество вырезов 106, равномерно распределенных вокруг оси кольца 100. На наружной цилиндрической поверхности кольца выполнены кулачковые зубцы 108, выступающие радиально наружу. Эти зубцы 108 выполнены в количестве трех в варианте выполнения, показанном на фигурах, и имеют, каждый, угловой размер примерно 60°.
Радиальное гнездо тоже содержит три кулачковых зубца 112, равномерно распределенные вокруг оси D радиального гнезда. Эти зубцы 112 выполнены на внутренней цилиндрической поверхности гнезда и имеют, каждый, угловой размер примерно 60°.
Когда турбомашина не работает, кольцо 100 опирается в осевом направлении на кольцевой заплечик 110 гнезда, и между кулачковыми зубцами 108 кольца 100 и кулачковыми зубцами 112 радиального гнезда остается осевой зазор. Этот осевой зазор необходим для монтажа кольца 100 в радиальное гнездо. Во время работы центробежная сила толкает кулачковые зубцы 108 кольца 100 в положение осевой опоры на кулачковые зубцы 112 радиального гнезда.
Между кулачковыми зубцами 108 кольца 100 и кулачковыми зубцами 112 гнезда в осевом направлении вставлены шпонки 114 блокировки, такие как сектора цилиндра, которые приходят в положение осевого упора в заплечик 110 гнезда. В варианте выполнения, показанном на фигурах, шпонки 114 проходят в угловом направлении примерно на 60°, и их осевой размер является достаточным, чтобы шпонки зашли в окружном направлении между кулачковыми зубцами 108 кольца 100 и кулачковыми зубцами 112 гнезда.
На радиально наружном конце гнезда привинчена кольцевая крышка 116, которая содержит вырезы 118, равномерно распределенные на ее внутренней периферии.
Между кольцом 100 и крышкой 116 вставлена вторая шайба 120, которая содержит первые лапки 122, загнутые наружу в вырезы 118 крышки 116, и вторые лапки 124, загнутые внутрь в вырезы 106 кольца 100. Таким образом, крышка 116 является неподвижной по вращению на кольце 100, которое, в свою очередь, является неподвижной по вращению в гнезде шпонками 114 блокировки.
На наружной периферии гнезда и на верхней части кольца выполнены кольцевые канавки 126, в которых устанавливают кольцевые уплотнительные прокладки (не показаны), взаимодействующие с внутренней поверхностью наружной кольцевой крышки 116.
Монтаж лопасти в радиальное гнездо многоугольного кольца 100 осуществляют следующим образом (см. фиг. 6-11).
В первую очередь вокруг замка 38, начиная с ее нижнего конца, поступательным движением сажают наружную кольцевую крышку 116, вторую шайбу 120 и кольцо 100 блокировки, которые оставляют в ожидании дальнейшего использования. Вокруг замка лопасти устанавливают второй подшипник 94 в сборе. Две части 66, 68 кольцевого сегмента располагают встык в кольцевой канавке наружного металлического усиления 46 таким образом, чтобы зубцы 62 цилиндрической юбки 56 зашли в углубления 52 канавки 50, чтобы сделать неподвижным по вращению кольцевой сегмент 54 в кольцевой канавке (фиг. 6). Вокруг замка устанавливают первую шайбу 70, и гайку 64 завинчивают на цилиндрической юбке 56 кольцевого сегмента. Первые и вторые лапки 72, 74 первой шайбы 70 загибают, чтобы сделать неподвижной по вращению гайку 64 на кольцевом сегменте 54 (фиг. 7).
Кроме того, в радиальное гнездо устанавливают предварительно напряженную шайбу 82, и на кольцевой бортик 78 устанавливают первый подшипник 76 в собранном состоянии.
После этого замок лопатки вводят в осевом направлении в радиальное гнездо (фиг. 8), при этом гайка 64 образует опорную распорку на первом подшипнике 76. Кольцо 100 блокировки позиционируют в угловом направлении таким образом, чтобы его кулачковые зубцы 108 зашли в осевом направлении между кулачковыми зубцами 112 гнезда (фиг. 9). Затем кольцо 100 блокировки вводят в осевом направлении до положения осевого упора в кольцевой заплечик 110 гнезда, после чего его поворачивают на угол 60°, соответствующий угловому размеру кулачковых зубцов, чтобы обеспечить осевую блокировку кольца 100 в радиальном гнезде (фиг. 10). В осевом направлении снаружи между кулачковыми зубцами 108 кольца 100 и кулачковыми зубцами 112 гнезда устанавливают шпонки 114 блокировки в количестве трех, чтобы сделать неподвижным по вращению кольцо 100 в радиальном гнезде (фиг. 4 и 11), причем эти шпонки 114 тоже приходят в положение осевого упора на кольцевой заплечик 110 гнезда.
Наконец, снаружи гнезда привинчена наружная крышка 116, после чего лапки 122, 124 второй шайбы загибают, чтобы сделать неподвижной по вращению крышку 116 на кольце 100 (фиг. 2).
Согласно изобретению все детали, необходимые для крепления замка лопасти в ее радиальном гнезде, устанавливают снаружи гнезда, что делает возможным быстрый демонтаж лопастей на крыле во время стоянки самолета. Кроме того, подшипники качения 76, 94 устанавливают в собранном виде, а не шарик за шариком, как в известных решениях, что ограничивает риск попадания абразивных элементов в подшипники.
Во время работы центробежные усилия лопастей передаются за счет опоры кулачковых зубцов 108 кольца 100 на кулачковые зубцы 112 гнезда, а не через нитки резьбы, что позволяет увеличить срок службы собранного таким образом воздушного винта.
В варианте выполнения изобретения замок лопасти имеет по существу постоянную толщину и содержит гофры, взаимодействующие с взаимодополняющими гофрами металлических усилений, чтобы добавить сцепления между замком лопасти и внутренним и наружным металлическими усилениями. Радиус кривизны гофров предпочтительно превышает 4 мм.
Лопасти можно выполнять путем тканья композиционного материала из углеродных волокон.
В варианте, описанном со ссылками на фигуры, кольцо 100 содержит только один кольцевой ряд кулачковых зубцов 108. Однако изобретение охватывает также варианты, в которых кольцо 100 блокировки содержит два кольцевых ряда кулачковых зубцов 108, отстоящих друг от друга и взаимодействующих, каждый, с кольцевым рядом кулачковых зубцов гнезда. В первой конфигурации оба ряда кулачковых зубцов участвуют одновременно в радиальном удержании лопасти. Во второй конфигурации зубцы одного из рядов опираются на зубцы одного ряда гнезда, тогда как кулачковые зубцы другого ряда немного отстоят в осевом направлении при монтаже от кулачковых зубцов другого ряда гнезда и предназначены для обеспечения радиального удержания и передачи центробежных усилий лопасти в случае поломки зубцов первого ряда кольца блокировки. Этот тип конфигурации детально описан в более ранней заявке № FR 09/04126 заявителя.
Чтобы во время работы выдерживать центробежные усилия порядка 30 тонн, кулачковые зубцы 108 кольца 100 блокировки, показанного на фигурах, имеют осевую толщину порядка 12 мм. В случае, когда кольцо 100 блокировки содержит два ряда кулачковых зубцов, находящихся в одновременном положении опоры, осевая толщина кулачковых зубцов уменьшена вдвое и составляет примерно 6 мм.