СИСТЕМА ВИНТОВ ПРОТИВОПОЛОЖНОГО ВРАЩЕНИЯ ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
SYSTEM OF COUNTER-ROTATING PROPELLERS FOR AIRCRAFT TURBINE MACHINE

Настоящее изобретение касается системы винтов противоположного вращения для турбомашины летательного аппарата.
Изобретение используется в турбомашинах для летательных аппаратов, например, типа турбореактивного или турбовинтового типа. Оно используется, в особенности, в турбомашинах "с открытым ротором", внутри которых свободная силовая турбина приводит в движение два винта противоположного вращения, непосредственно или косвенно через устройство механической трансмиссии, образующее редуктор и содержащее, в частности, эпициклоидальный передаточный механизм. В этих системах с винтами противоположного вращения винты не снабжены обтекателем на уровне их радиально наружных концов.
Известны турбомашины с системами винтов противоположного вращения, винты которых приводятся в движение устройством механической трансмиссии, представляющим собой обычно дифференциальный редуктор. Этот дифференциальный редуктор содержит особый эпициклоидальный передаточный механизм, центральная шестерня планетарной передачи которого приводится во вращение свободной силовой турбиной, водило сателлитов приводит в движение первый винт, а коронная шестерня приводит в движение второй винт. При этом следует отметить, что в зависимости от положения винтов противоположного вращения относительно свободной силовой турбины, которая приводит их в движение, первый винт является выходным винтом, а второй винт является входным винтом, или наоборот. Как бы там ни было, в отличие от простого эпициклоидального передаточного механизма коронная шестерня является не неподвижной, а подвижной.
В таком эпициклоидальном передаточном механизме два винта не могут испытывать одинаковые аэродинамические вращающие моменты. Уравнения механического равновесия сателлитов показывают, что эти два вращающих момента обязательно имеют постоянное передаточное отношение, зависящее от геометрических характеристик редуктора. Это передаточное отношение является обязательно отличным от единичного передаточного отношения. Действительно, передаточное отношение между моментом C1, приложенным к первому винту, и моментом С2, приложенным ко второму винту, выражается следующим образом:
С1/С2=(R+1)/(R-1);
при R, соответствующем передаточному отношению редукции, определяемому эпициклоидальным передаточным механизмом.
Таким образом, для достижения передаточного отношения моментов, близкого к единице, необходимо увеличить понижающее передаточное отношение R, которое, во всяком случае, по причинам механической реализуемости, не может превышать 10. Более того, увеличение понижающего передаточного отношения R неминуемо выливается в увеличение общей массы редуктора, что неблагоприятно влияет на турбомашину.
Вследствие неравного единице передаточного отношения между моментами один из двух винтов будет вызывать большее закручивание вторичного потока, чем второй винт, что выражается в остаточном закручивании выходного потока, ограничивающем, по существу, кпд тяги и увеличивающем отрицательным образом акустический уровень турбомашины. На деле, именно первый винт, приводимый в движение водилом сателлитов, является всегда более нагруженным в том, что касается вращающего момента.
Кроме того, эта разность между двумя вращающими моментами создает также повышенную нагрузку на средства, служащие для крепления турбомашины на летательном аппарате, эти средства должны, следовательно, иметь большие габариты для того, чтобы выдержать повышенную нагрузку, приложенную к ним.
Известная из уровня техники система винтов позволяет восполнить дефицит вращающего момента, получаемого вторым винтом, при этом второй винт приводится в движение вторым ротором свободной силовой турбины через коронную шестерню эпициклоидального передаточного механизма. Отсюда следует, что аэродинамический поток сильно выпрямляется на выходе системы винтов. Кроме того, средства, служащие для крепления турбомашины на летательном аппарате, менее нагружены механически и могут, следовательно, принять менее дорогостоящую концепцию в том, что касается габаритов и массы.
Для уменьшения шума турбомашины двигатель должен иметь достаточный зазор между входным и выходным винтами, что увеличивает длину турбомашины. Кроме того, когда винт снабжен системой изменения угла установки его лопастей, подача мощности (электрической или гидравлической) к системе изменения угла установки проходит через эпициклоидальный передаточный механизм. Таким образом, любая неисправность эпициклоидального передаточного механизма влияет на систему установки угла, которая требует специальных мер для исключения опасных ситуаций в полете.
Для устранения, по меньшей мере, некоторых из этих недостатков изобретение предлагает систему винтов противоположного вращения для турбомашины летательного аппарата, содержащую:
- свободную силовую турбину, содержащую первый ротор и второй ротор противоположного вращения относительно первого ротора;
- первый винт и второй винт противоположного вращения, предназначенные для осуществления вращения вокруг продольной оси системы винтов относительно статора этой системы; и
- устройство механической трансмиссии, содержащее эпициклоидальный передаточный механизм, содержащий планетарную шестерню, центрированную на упомянутой продольной оси и приводимую в движение упомянутым первым ротором свободной силовой турбиной, сателлиты, находящиеся в зубчатом зацеплении с упомянутой планетарной шестерней, водило сателлитов, приводящее в движение упомянутый первый винт, и коронную шестерню, находящуюся в зубчатом зацеплении с каждым сателлитом, при этом упомянутая коронная шестерня, приводимая в движение упомянутым вторым ротором, приводит в движение упомянутый второй винт.
Система характеризуется тем, что устройство механической трансмиссии расположено между первым винтом и вторым винтом. Таким образом, можно значительно уменьшить размеры турбомашины. Кроме того, так как необходимо сохранять необходимый зазор между винтами, можно увеличить размеры устройства механической трансмиссии таким образом, чтобы уменьшить ее сложность и, следовательно, стоимость. Таким образом, получают менее сложную турбомашину уменьшенного размера.
Благодаря изобретению, наличие эпициклоидального передаточного механизма позволяет разделить пополам количество ступеней в турбине и уменьшить ее средний радиус, что значительно уменьшает массу системы винтов.
Предпочтительно, первый винт расположен на выходе устройства механической трансмиссии, а второй винт расположен на входе устройства механической трансмиссии. Благодаря такой компоновке, конфигурация эпициклоидального передаточного механизма является оптимизированной, а турбомашина является компактной.
Предпочтительно также, первый ротор свободной силовой турбины является внутренним ротором, а второй ротор свободной силовой турбины является внешним ротором.
Предпочтительно, свободная силовая турбина соответствует турбине низкого давления двухвального газотурбинного двигателя.
Предпочтительно также, водило сателлитов жестко соединено с первым винтом, а коронная шестерня жестко соединена со вторым винтом и вторым ротором свободной силовой турбины.
Предпочтительно, водило сателлитов установлено с возможностью вращения относительно статора через подшипники водила сателлитов, а коронная шестерня установлена с возможностью вращения относительно статора через подшипники коронной шестерни. Каждый из винтов, таким образом, удерживается непосредственно статором, что ограничивает появление дисбаланса и вибраций.
Предпочтительно, каждый винт содержит механизм изменения шага лопастей винта, при этом каждый механизм установлен в статоре и смещен по оси относительно устройства механической трансмиссии. Механизм изменения шага, предпочтительно, установлен в статоре, что ограничивает вибрации, и, следовательно, его износ. Кроме того, так как питание мощностью механизма изменения шага отделено от устройства механической трансмиссии, это исключает нарушение питания мощностью механизма изменения шага в случае неисправности устройства механической трансмиссии.
Предпочтительно, эпициклоидальный передаточный механизм установлен внутри вала коронной шестерни, жестко соединенного с коронной шестерней, при этом вал коронной шестерни содержит внутреннюю круговую канавку, выполненную для сбора смазочного масла эпициклоидального передаточного механизма под действием центробежных сил. Таким образом, смазочное масло центрифугируется в вал коронной шестерни и собирается в круговой канавке, что облегчает возврат масла в двигатель для его поступления в воздушно-масляный теплообменник.
Предпочтительно также, круговая канавка выполнена на входе эпициклоидального передаточного механизма. Система циркуляции масла, предпочтительно, не проходит через эпициклоидальный передаточный механизм, что упрощает конструкцию такого механизма.
Предпочтительно также, в коронной шестерне выполнены также дренажные отверстия для того, чтобы направить смазочное масло, расположенное на выходе эпициклоидального передаточного механизма, в круговую канавку.
Изобретение касается также турбомашины для летательного аппарата, содержащей представленную выше систему винтов противоположного вращения. Предпочтительно, турбомашина является турбомашиной с открытым ротором.
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
- фиг. 1 - схематичный вид системы винтов по изобретению;
- фиг. 2 - вид в продольном разрезе системы винтов для летательного аппарата в соответствии с предпочтительным вариантом воплощения настоящего изобретения;
- фиг. 3 - вид системы винтов по фиг. 2 в увеличенном масштабе;
- фиг. 4 - вид системы винтов по фиг. 3 в увеличенном масштабе;
- фиг. 5 - схематичный вид в поперечном разрезе эпициклоидального передаточного механизма системы винтов по изобретению.
Классическим образом турбомашина содержит с входа на выход компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, камеру сгорания, турбину высокого давления и турбину низкого давления. Ниже термины "входной" и "выходной" определены относительно циркуляции газов в турбомашине, при этом газы циркулируют от входа к выходу. Кроме того, по условию настоящей заявки термины "внутренний" и "наружный" определены радиально относительно оси Х двигателя, изображенного на фиг. 1-4. Таким образом, цилиндр, проходящий по оси двигателя, содержит внутреннюю поверхность, обращенную к оси двигателя, и наружную поверхность, противоположную его внутренней поверхности.
Компрессор низкого давления и турбина низкого давления механически связаны валом низкого давления, образуя, таким образом, каскад низкого давления, тогда как компрессор высокого давления и турбина высокого давления механически связаны валом высокого давления, образуя каскад высокого давления. Турбомашина, таким образом, является так называемой двухвальной.
На фиг. 1 система 1 винтов противоположного вращения для турбомашины летательного аппарата по изобретению содержит свободную силовую турбину 30, содержащую первый ротор 31 и второй ротор 32 противоположного вращения относительно первого ротора 31, при этом первый винт 11 и второй винт 12 противоположного вращения предназначены для осуществления вращения относительно корпуса 33 турбомашины вокруг оси системы винтов, эта ось совпадает с осью Х турбомашины.
На фиг. 5 система 1 содержит устройство механической трансмиссии, выполненное в форме эпициклоидального передаточного механизма 20, образующего редуктор, содержащий планетарную шестерню 40, центрированную на упомянутой продольной оси Х и приводимую в движение упомянутым первым ротором 31 свободной силовой турбины, сателлиты 50, входящие в зубчатое зацепление с упомянутой планетарной шестерней 40, водило 51 сателлитов, приводящее в движение упомянутый первый винт 11, а также коронную шестерню 60, приводимую в движение упомянутым вторым ротором 32, входящим в зубчатое зацепление с каждым сателлитом 50 и приводящим в движение упомянутый второй винт 12, при этом устройство механической трансмиссии расположено между первым винтом 11 и вторым винтом 12.
На фиг. 1 первый винт 11 установлен на выходе эпициклоидального передаточного механизма 20, а второй винт 12 установлен на его входе. Таким образом, межвинтовое пространство между входным 12 и выходным 11 винтами использовано для размещения свободной силовой турбины 30 турбомашины, что позволяет, предпочтительно, уменьшить длину турбомашины и, таким образом, ее габаритные размеры.
В противоположность известному из уровня техники решению, в котором система винтов противоположного вращения расположена на выходе турбины низкого давления, в данном случае система винтов 1 встроена в турбомашину ближе к входу.
На фиг. 1 турбина низкого давления 30, соответствующая свободной силовой турбине, содержит первый ротор 31, образующий внутренний ротор турбины низкого давления, и второй ротор 32, образующий наружный ротор этой турбины, известный также специалистам под названием "внешний барабан". Турбина низкого давления 30, в данном случае, установлена в статоре турбомашины, известном специалисту под названием "выхлопной корпус". Выхлопной корпус 33 образует статорную часть системы винтов по изобретению и центрирован на оси Х турбомашины. Выхлопной корпус 33 проходит аксиально и внутри турбины низкого давления 30.
Первый винт 11, называемый выходным винтом, и второй винт 12, называемый входным винтом, выполнены каждый в форме колеса, содержащего радиальные лопасти, проходящие наружу. В данном примере система винтов 1 выполнена таким образом, что винты не снабжены окружающим их наружным радиальным обтекателем, как изображено на чертежах, при этом турбомашина выполнена с открытым ротором.
На фиг. 2 винты 11, 12 аксиально разнесены один от другого и между ними установлен эпициклоидальный передаточный механизм 20. Другими словами, турбомашина содержит по оси с входа к выходу входной винт 12, эпициклоидальный передаточный механизм 20 и выходной винт 11. Два винта 11, 12 выполнены с возможностью вращения в противоположных направлениях вокруг оси Х турбомашины, на которой они центрированы, при этом вращения осуществляются относительно корпус 33, который остается неподвижным. Два винта 11, 12 приводятся в движение эпициклоидальным передаточным механизмом 20.
На фиг. 5 планетарная шестерня 40 эпициклоидального передаточного механизма 20 выполнена в форме колеса, наружная поверхность которого выполнена зубчатой и которое центрировано по оси Х турбомашины. На фиг. 3 и 4 планетарная шестерня 40 соединена на выходе с продольным планетарным валом 41, проходящем вдоль оси Х турбомашины.
Планетарный вал взаимосвязан во вращении с первым ротором 31 путем использования фланца 42 в виде усеченного конуса. Когда газы, выходящие из камеры сгорания, проходят через турбину низкого давления турбомашины, первый ротор 31 непосредственно приводит во вращение планетарную шестерню 40.
По-прежнему со ссылкой на фиг. 5 сателлиты 50 эпициклоидального передаточного механизма 20 выполнены в виде колес, наружная зубчатая поверхность которых находится в зацеплении с наружной зубчатой поверхностью планетарной шестерни 40. Каждый сателлит 50 установлен на сателлитном валу 51 с осью, эксцентрической относительно оси Х турбомашины. Эпициклоидальный передаточный механизм 20 снабжен водилом 52 сателлитов, центрированном на оси Х турбомашины, несущим сателлиты 50, вращающиеся на их сателлитных валах 51. Водило 52 сателлитов выполнено в форме продольного вала, коаксиального планетарному валу 41, при этом планетарный вал 41 установлен с возможностью вращения снаружи водила 52 с помощью подшипников 75, 76, которые ниже названы планетарными подшипниками 75, 76.
Планетарный вал 41 имеет относительно большой диаметр для размещения планетарных подшипников 75, 76 и водила 52 сателлитов. Возможно также предусмотреть большее количество сателлитов 50 (в данном случае двенадцать) меньшего размера между планетарной шестерней 40 и коронной шестерней 60, как изображено на фиг. 5. Эпициклоидальный передаточный механизм 20 изготовлен таким образом, что он обладает меньшим понижающим передаточным отношением для общих уменьшенных размеров и массой, меньшей по сравнению с эпициклоидальным передаточным механизмом из известного уровня техники.
Для двигателя из известного уровня техники малое понижающее передаточное отношение (порядка 4) могло бы вызвать дисбаланс между вращающим моментом на входном винте и вращающим моментом на выходном винте. В соответствии с изобретением этот недостаток вращающего момента, предпочтительно, компенсируется вторым ротором, как это будет детально представлено ниже.
Водило 52 сателлитов на выходе из эпициклоидального передаточного механизма 20 жестко соединено с первым винтом 11, как изображено на фиг. 1 и 2, для его непосредственного приведения во вращение. На фиг. 3 водило 52 сателлитов удерживается подшипниками 73, 74 водила сателлитов относительно корпуса 33 турбомашины. Так как выходной винт 11 удерживается непосредственно относительно корпуса 33, это ограничивает появление дисбалансов и вибраций, которые могут ощущать пассажиры летательного аппарата, на котором установлена турбомашина.
По-прежнему со ссылкой на фиг. 5 коронная шестерня 60 эпициклоидального передаточного механизма 20 выполнена в форме осевого цилиндра, содержащего зубцы, выступающие радиально внутрь турбомашины. Коронная шестерня 60 центрирована по оси Х турбомашины и является несомой валом 61 коронной шестерни на той же оси, при этом коронная шестерня 60 изнутри находится в зацеплении с сателлитами 50, как изображено на фиг. 5.
Вал 61 коронной шестерни проходит вперед из эпициклоидального передаточного механизма 20 и жестко соединен со вторым винтом 12 таким образом, чтобы непосредственно приводить его во вращение. На фиг. 4 изображено, что вал 61 коронной шестерни проходит вперед из эпициклоидального передаточного механизма 20, тогда как вал водила 52 сателлитов проходит назад из эпициклоидального передаточного механизма 20. Таким образом, выходной 11 и входной 12 винты находятся с одной и другой стороны эпициклоидального передаточного механизма 20. Вал 61 коронной шестерни установлен с возможностью вращения снаружи корпуса 33 турбомашины с помощью подшипников 71, 72 коронной шестерни.
Вал 61 коронной шестерни жестко соединен со вторым ротором 32 с использованием фланца. Таким образом, часть мощности передается непосредственно от второго ротора 32 на входной винт 12, не проходя через эпициклоидальный передаточный механизм 20.
Таким образом, второй ротор 32 непосредственно участвует в приведении в движение коронной шестерни 60 и, таким образом, в приведении в движение входного винта 12. Это позволяет получить единичное передаточное отношение между вращающими моментами, передаваемыми соответственно на выходной винт 11 и входной винт 12, для получения лучшего кпд турбомашины.
На фиг. 1 изображено, что каждый винт снабжен механизмом изменения шага его лопастей. Каждая система предпочтительно размещена в полости, выполненной снизу каждого винта. Подача мощности на каждый механизм (электрической или гидравлической) осуществляется через выпуклость, выступающую в сторону выхода из выхлопного корпуса 33. Эпициклоидальный передаточный механизм 20 смещен по оси относительно механизмов 70 изменения шага винтов 11, 12. Таким образом, в случае повреждения эпициклоидального передаточного механизма 20 или его перегрева отсутствуют отрицательные последствия для механизмов изменения шага винтов.
Учитывая значительную мощность, передаваемую редуктором, необходимо отвести от него значительное количества тепла. Для этого система смазки позволяет охладить редуктор, и расход масла составляет примерно 500 литров в час.
Вследствие перемещения редуктора к входу двигателя необходимо изменить систему смазки редуктора. В известном уровне техники система смазки должна была бы пройти через водило сателлитов редуктора, что имело бы отрицательные стороны.
На фиг. 3 и 4 редуктор размещен внутри вращающегося вала 61 коронной шестерни, которая омывается смазочным маслом. Смазочное масло редуктора под действием центробежных сил отбрасывается к внутренней поверхности вала 61 коронной шестерни. Таким образом, масло "центрифугируется".
Для облегчения сбора смазочного масла предусмотрена круговая сборочная канавка 62 в вале 61 коронной шестерни, проходящая поперек оси двигателя и выполненная на входе эпициклоидального передаточного механизма 20 во внутренней поверхности вала 61 коронной шестерни, при этом канавка 62 имеет радиальное отверстие, ориентированное внутрь.
Для обеспечения того, чтобы смазочное масло, расположенное на выходе редуктора, достигало сборочной канавки 62, в коронной шестерне выполнены дренирующие отверстия 64. На фиг. 4 в особенности видно, что дренирующие отверстия 64 проходят в коронной шестерне и выходят с одной и другой стороны последней так, чтобы обеспечить сообщение объема вала 61 коронной шестерни, расположенного на выходе редуктора, с его объемом, расположенном на входе. Дренирующие отверстия 64 проходят в данном случае наклонно с входа на выход внутрь двигателя для облегчения циркуляции смазочного масла к входному объему под действием центробежных сил.
Для облегчения сбора смазочного масла круговая канавка 62 выполнена в кольцевой чашеобразной выемке вала 61 коронной шестерни, определяющей входной наклонный уклон 62а, проходящий наружу от входа к выходу, и выходной наклонный уклон 62b, проходящий внутрь от входа к выходу. Таким образом, смазочное масло направляется по наклонным уклонам 62а, 62b для сбора в круговой канавке 62. Возврат масла обеспечивается множеством трубок 63, которые, с входа на выход, проходят продольно в выхлопном корпусе 33, пересекая его радиально под прямым углом к круговой канавке 62 и открываясь в упомянутой круговой канавке 62. Конец трубок 63 в данном случае открыт и ориентирован по касательной, то есть перпендикулярно радиальному направлению так, чтобы смазочное масло, собранное в круговой канавке 62, направлялось в трубки 63 при вращении вала 61 коронной шестерни. Трубки 63, в данном случае три, позволяют вычерпывать смазочное масло в круговой канавке 62.
После сбора смазочное масло направляется на вход двигателя по трубкам 63 в воздушно-масляный теплообменник, который, предпочтительно, размещен в коробке привода агрегатов двигателя. Предпочтительным образом, так как часть мощности (примерно 20%) поступает непосредственно со второго ротора 32 на входной винт 12 без прохода через эпициклоидальный передаточный механизм 20, тепло, создаваемое внутри редуктора, является, вследствие этого, меньшим по сравнению с двигателем из известного уровня техники. Это позволяет, предпочтительно, уменьшить расход масла для охлаждения эпициклоидального передаточного механизма 20 и, следовательно, уменьшить размеры воздушно-масляного теплообменника и, вследствие этого, его лобовое сопротивление.