ПОВОРОТНАЯ ОПОРА В ВИДЕ СФЕРИЧЕСКОГО СВОДА ДЛЯ ЛОПАСТИ ВОЗДУШНОГО ВИНТА
PIVOT FOR AN AIR PROPELLER BLADE IN THE FORM OF A SPHERICAL CAP

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к общей области воздушных винтов. В частности, оно относится к поворотной опоре лопасти воздушного винта.
Уровень техники
Воздушный винт используют, в частности, в области авиации для обеспечения тяги летательного аппарата. В частности, речь идет об авиационных турбовинтовых двигателях с простым винтом или со сдвоенными винтами противоположного вращения.
Как правило, воздушные винты авиационного турбовинтового двигателя состоят, каждый, из множества некапотированных лопастей вентилятора. Эти лопасти вентилятора имеют изменяющийся шаг, то есть каждая лопасть может поворачиваться вокруг своей продольной оси (называемой осью установки угла поворота), чтобы адаптировать ориентацию своей передней кромки к режиму двигателя. Таким образом, ориентация лопастей вентилятора (говорят также о регулировке шага) представляет собой один из параметров, позволяющих управлять тягой турбовинтового двигателя.
Для этого, как правило, каждую лопасть винта устанавливают ее ножкой на поворотную опору, содержащую вращающийся кронштейн, расположенный радиально в отверстии ступицы винта и выполненный с возможностью поворота в этом отверстии вокруг продольной оси лопасти.
Каждая поворотная опора лопасти содержит также держатель лопасти, оснащенный ячейкой, предназначенной для установки в нее ножки лопасти, и по меньшей мере одно плечо, которое расположено в боковом направлении относительно поворотной оси поворотной опоры и на котором установлен груз, образующий противовес. В случае остановки двигателя центробежная сила, действующая на груз, находящийся на плече поворотной опоры, обеспечивает автоматическое флюгирование лопасти и ее удержание в этой ориентации.
Таким образом, основные функции поворотной опоры лопасти воздушного винта состоят в удержании лопасти (с преодолением аэродинамической и центробежной сил), удержании грузов флюгирования лопасти (в основном с преодолением центробежной силы) и в обеспечении направления лопасти по ориентации (в основном с преодолением сил инерции).
Как правило, поворотные опоры лопастей выполнены из металла, в частности из стали или из титана. Однако большое число лопастей, в частности, в случае турбовинтового двигателя со сдвоенными винтами противоположного вращения приводит к увеличению числа поворотных опор и, следовательно, полетной массы.
Поэтому существует потребность в реализации геометрии поворотной опоры лопасти, позволяющей получить выигрыш в массе, в частности, с учетом усилий, которыми действует центробежная сила на образующие противовес грузы.
Раскрытие изобретения
В связи с этим объектом изобретения является поворотная опора лопасти воздушного винта, содержащая вращающийся кронштейн, предназначенный для установки в радиальном направлении на ступице винта и выполненный с возможностью поворота вокруг поворотной оси, и держатель лопасти, содержащий гнездо, предназначенное для установки в нем ножки лопасти, и по меньшей мере одно плечо, которое расположено в боковом направлении относительно поворотной оси поворотной опоры и на котором установлен груз, образующий противовес, при этом согласно изобретению плечо и груз имеют общую геометрическую форму сферического свода.
Центробежная сила, действующая на плечо поворотной опоры лопасти, стремится его прогнуть. Общая форма сферического свода плеча и его груза позволяет повысить его конструктивную эффективность, обеспечивая лучшее распределение напряжений растяжения и сжатия, появляющихся в результате прогиба плеча. Это позволяет уменьшить массу поворотной опоры лопасти.
Кроме того, форма держателя лопасти в виде свода облегчает интегрирование поворотной опоры лопасти в гондолу (которая имеет цилиндрическую форму или форму с двойной кривизной). В частности, благодаря такой форме можно уменьшить радиальный габарит поворотной опоры лопасти.
Предпочтительно плечо и его груз имеют криволинейное сечение в продольной плоскости и криволинейное сечение в поперечной плоскости. В этом случае криволинейные сечения могут иметь, каждое, радиус кривизны, составляющий от 200 мм до 400 мм для лопасти воздушного винта турбовинтового двигателя и от 700 мм до 900 мм для лопасти воздушного винта турбовинтового двигателя со сдвоенными винтами противоположного вращения.
Предпочтительно по меньшей мере держатель лопасти выполнен из композиционного материала с органической матрицей. Выполнение основной части поворотной опоры винта из композиционного материала позволяет добиться существенного облегчения порядка 30-50% по сравнению с известной металлической поворотной опорой воздушного винта.
Держатель лопасти может содержать два противоположных плеча, расположенных в боковом направлении относительно поворотной оси и содержащих, каждое, груз, образующий противовес.
Согласно варианту выполнения плечо держателя лопасти сопрягается с гнездом через участок с криволинейным профилем. В данном случае соединение между плечом и центральной областью поворотной опоры, содержащей гнездо, является непрерывным, что еще больше способствует распределению напряжений растяжения и сжатия, появляющихся при прогибе плеча. В частности, когда держатель лопасти содержит два противоположных плеча, они сопрягаются с гнездом и проходят также от него в сторону входа и выхода. Таким образом, в случае использования композиционного материала для выполнения этого держателя лопасти, сечение композита является максимальным в области, где создаются наибольшие напряжения в результате прогиба плеча.
Согласно другому варианту выполнения плечо держателя лопасти сопрягается с гнездом через участок с прямолинейным профилем. По сравнению с предыдущим вариантом выполнения такое сопряжение через участок с прямолинейным профилем позволяет получить существенный выигрыш в массе.
Гнездо держателя лопасти может представлять собой ячейку, ориентированную в направлении, по существу перпендикулярном к плечу.
Объектом изобретения является также воздушный винт, содержащий множество лопастей, каждая из которых установлена в описанной выше поворотной опоре. Объектом изобретения является также турбовинтовой двигатель, содержащий по меньшей мере один такой воздушный винт.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - схематичный вид в продольном разрезе турбовинтового двигателя с некапотированными сдвоенными воздушными винтами, для которого применяют изобретение.
Фиг. 2 - схематичный вид, иллюстрирующий работу поворотной опоры лопасти воздушного винта.
Фиг. 3 и 4 - вид в перспективе сверху и снизу поворотной опоры лопасти воздушного винта согласно первому варианту выполнения изобретения.
Фиг. 5 - вид в продольном разрезе поворотной опоры, показанной на фиг. 3 и 4.
Фиг. 6 - вид в поперечном разрезе поворотной опоры, показанной на фиг. 3 и 4.
Фиг. 7 и 8 - вид в перспективе сверху и снизу поворотной опоры лопасти воздушного винта согласно второму варианту выполнения изобретения.
Фиг. 9 - вид в продольном разрезе поворотной опоры лопасти воздушного винта согласно третьему варианту выполнения изобретения.
Осуществление изобретения
Изобретение можно применять для любых авиационных турбовинтовых двигателей, оснащенных по меньшей мере одним винтом с лопастями с изменяющимся углом установки, и, в частности, авиационных турбовинтовых двигателей с некапотированными сдвоенными винтами противоположного вращения, таких как двигатель, показанный на фиг. 1.
Такой турбовинтовой двигатель 10 известен, и его подробное описание опускается. Как правило, он имеет продольную ось 12 и содержит кольцевую гондолу 14, расположенную коаксиально вокруг продольной оси. Кроме того, в направлении от входа к выходу турбовинтовой двигатель содержит компрессор 16, камеру 18 сгорания и турбину 20 с двумя роторами 22а, 22b противоположного вращения, причем эти различные элементы тоже расположены коаксиально вокруг продольной оси 12 турбовинтового двигателя.
Турбовинтовой двигатель 10 содержит также входной (или передний) воздушный винт 24а и выходной (или задний) воздушный винт 24b с лопастями 26 вентилятора с регулируемой ориентацией. Лопасти 26 вентилятора каждого воздушного винта 24а, 24b установлены, в частности, на вращающемся кольце 28а, 28b, центрованном по продольной оси 12 турбовинтового двигателя. Каждый ротор 22а, 22b турбины 20 поддерживает и приводит во вращение одно из вращающихся колец 28а, 28b, на котором установлен один из винтов 24а, 24b. В альтернативном варианте воздушные винты 24а, 24b могут приводиться во вращение одним и тем же ротором турбины через редуктор.
Лопасти 26 вентилятора двух воздушных винтов 24а, 24b имеют регулируемую ориентацию, то есть могут поворачиваться, каждая, вокруг своей продольной оси для адаптации ориентации своей передней кромки к режиму двигателя и/или к командам пилота.
Для этого, как показано на фиг. 2, каждая лопасть 26 вентилятора установлена на поворотной опоре 30, предназначенной для установки в радиальном направлении на соответствующем вращающемся кольце 28а, 28b и выполненной с возможностью поворота в этом отверстии вокруг поворотной оси Z поворотной опоры. Поворот поворотной опоры 30 относительно вращающегося кольца 28а, 28b приводит к изменению ориентации передней кромки соответствующей лопасти вентилятора. Это поворот осуществляют при помощи известных приводных средств типа гидравлических или электрических.
R
A
I
В случае неисправности двигателя предпочтительно необходимо, чтобы каждая лопасть 26 вентилятора могла автоматически флюгироваться, то есть занять положение по существу с нулевым углом атаки по отношению к относительному ветру V. Кроме того, предусмотрены пассивные средства для удержания лопастей 26 вентилятора в положении флюгирования даже в случае отказа приводных средств поворота поворотных опор 30. Действительно, центр тяги L каждой лопасти может сместиться относительно поворотной оси Z поворотной опоры 30, что приводит к появлению аэродинамического момента M, который стремится повернуть лопасть. Кроме того, появляется также инерционный момент M в результате смещения центра тяжести G лопасти относительно поворотной оси Z.
A
I
C
A
I
R
Чтобы нейтрализовать эти моменты M и M и удерживать лопасть в положении флюгирования, как правило, устанавливают грузы 32, образующие противовес, на свободном конце плеч 34, расположенных в боковом направлении относительно поворотной оси Z. Эти плечи ориентированы по существу перпендикулярно к корытцу и к спинке лопасти 30 (угол α составляет +/-30° по отношению к плоскости, нормальной к ячейке поворотной опоры, в которой установлена ножка лопасти) таким образом, чтобы, когда винт вращается вокруг своей оси вращения О, центробежные силы F, действующие на грузы 32, стремились совместить главное направление Y плеч 34 с тангенциальным направлением Y' винта, что позволяет нейтрализовать аэродинамический и инерционный моменты M и M и опять расположить лопасть на одной линии с направлением относительного ветра V.
На фиг. 3 и 4 в перспективе показана поворотная опора 30 лопасти воздушного винта согласно первому варианту выполнения изобретения.
В этом варианте выполнения поворотная опора 30 лопасти воздушного винта содержит вращающийся кронштейн 36 и держатель 38 лопасти. Вращающийся кронштейн 36 выполнен в виде полого цилиндра с центром на поворотной оси Z поворотной опоры. Этот вращающийся кронштейн 36 предназначен для установки в радиальном направлении на соответствующем вращающемся кольце турбовинтового двигателя и выполнен при этом с возможностью поворота вокруг поворотной оси Z.
Что касается держателя 38 лопасти, то он содержит, в частности, гнездо, например ячейку 40 в виде канавки, которая предназначена для установки в ней ножки лопасти, и два противоположных плеча 34 (а именно, плечо 34 корытца и плечо 34b спинки), выполненных в боковом направлении относительно поворотной оси Z, начиная от ячейки.
В примерах, представленных на фигурах, гнездо для ножки лопасти имеет форму канавки. Разумеется, можно предусмотреть другие типа гнезда в зависимости от выбранного применения, в частности цилиндрическое гнездо, если ножка лопасти имеет цилиндрическую форму.
Плечи 34 выполнены в направлении Y, перпендикулярном к поворотной оси Z, и ячейка 40 выполнена в направлении X, перпендикулярном к поворотной оси Z и к направлению Y плеч 34а, 34b. Кроме того, на свободном конце каждого плеча установлен груз 32, образующий противовес.
Согласно изобретению каждое плечо 34а, 34b и его груз 32 имеют общую геометрическую форму сферического свода.
В данном случае под «формой сферического свода» следует понимать, что каждое плечо и установленные на нем груз имеют форму части сферы, которая была усечена плоскостью (отличной от центральной плоскости).
Иначе говоря, плечо и его груз имеют форму свода с вогнутостью внутрь (то есть к вращающемуся кронштейну 36) с двойной кривизной.
C1
Таким образом, как показано на фиг. 5, где поворотная опора 30 показана в продольном разрезе (то есть в плоскости, образованной поворотной осью Z и направлением Y плеч 34), каждое плечо 34а, 34b и его груз 32 имеют криволинейное сечение с первым радиусом R кривизны.
Точно так же на фиг. 6 показана поворотная опора лопасти воздушного винта в первом варианте выполнения в поперечном разрезе, то есть в плоскости, образованной поворотной осью Z и направлением X ячейки 40 (фиг. 6 представляет собой также вид в разрезе по линии VI-VI фиг. 5).
C2
В этой поперечной плоскости плечо 34b спинки и его груз 32 тоже имеют криволинейное сечение со вторым радиусом R кривизны. Хотя на фигурах это и не показано, плечо 32b корытца и его груз тоже имеют криволинейное сечение в этой поперечной плоскости.
C1
C2
Для поворотной опоры, в которой расстояние между центрами тяжести грузов 32 и поворотной осью Z составляет от 100 мм до 300 мм, радиусы R и R кривизны составляют от 200 мм до 400 мм (для лопасти воздушного винта турбовинтового двигателя) и от 700 мм до 900 мм (для лопасти воздушного винта турбовинтового двигателя со сдвоенными винтами противоположного вращения).
Следует отметить, что, если поворотная опора имеет два плеча, оснащенных грузами, отклонение между радиальными расстояниями центров тяжести двух грузов относительно поворотной оси Z должно быть минимальным.
C1
Кроме того, в случае присутствия двух плеч радиальное положение грузов предпочтительно должно быть разным, чтобы избегать любого столкновения между поворотными опорами во время их вращения относительно друг друга. Иначе говоря, радиусы R кривизны будут отличаться для плеча корытца 34а и плеча спинки 34b одной поворотной опоры.
В первом варианте выполнения оба плеча 34а, 34b держателя 38 лопасти сопрягаются с ячейкой 40 через участки 42 с криволинейным профилем.
Таким образом, сопряжение между плечами 34а, 34b и центральной областью поворотной опоры, содержащей ячейку 40, является непрерывным, что лучше способствует распределению напряжений растяжения и сжатия, появляющихся в результате прогиба плеч. В частности, плечи сопрягаются с ячейкой и проходят также на ее входе и на ее выходе, сохраняя свою двойную кривизну (в плоскостях X-Z и Y-Z).
Таким образом, в случае применения композиционного материала для изготовления этого держателя лопасти сечение композита будет максимальным в области, где появляются наибольшие напряжения в результате прогиба плеч.
Следует отметить, что плечи могут быть элементами, устанавливаемыми на держателе лопасти, например, при помощи соединения типа болтов или за счет взаимодействия охватываемой/охватывающей форм.
На фиг. 7 и 8 представлен вид в перспективе поворотной опоры 30' лопасти воздушного винта согласно второму варианту выполнения.
Эта поворотная опора 30' отличается от описанной выше тем, что оба плеча 34а, 34b держателя 38 лопасти сопрягаются с ячейкой 40 через участки 44 с прямолинейным профилем. Иначе говоря, центральная область поворотной опоры, содержащая ячейку 40, является усеченной по сравнению с областью, показанной на фиг. 5 и 6. Таким образом, по сравнению с предыдущим вариантом выполнения поворотная опора 30' лопасти имеет облегченную массу.
На фиг. 9 в продольном разрезе показана поворотная опора 30'' лопасти воздушного винта согласно третьему варианту выполнения. В этом варианте выполнения держатель 38 лопасти имеет только одно плечо 34. Другие признаки идентичны признакам одного или другого описанных выше вариантов выполнения. В частности, в данном случае плечо 34 и его груз 32 тоже имеют общую геометрическую форму сферического свода.
Согласно предпочтительному признаку, общему для всех описанных вариантов выполнения, по меньшей мере держатель лопасти (и, возможно, также вращающийся кронштейн) выполнен из композиционного материала с органической матрицей.
Как правило, применяемый композиционный материал с органической матрицей содержит волокна, погруженные в органическую матрицу и, в частности, в полимерную матрицу. Этими волокнами могут быть, в частности, карбоновые волокна, стекловолокна, полиамидные или полиэтиленовые волокна и т.д. Эти волокна могут быть сгруппированы в однонаправленные слои, выполняемые посредством двухмерного или трехмерного тканья и/или посредством плетения. Они погружены в органическую матрицу, в частности полимерную матрицу, которая может представлять собой термореактивную смолу, такую как эпоксидная смола или другие термореактивные смолы, лучше адаптированные к высоким температурам.
Можно обратиться к французским патентным заявкам №1354427 и №1354428, поданным на имя заявителя 17 мая 2013 года, содержание которых приведено в настоящей заявке в качестве ссылки. Эти патентные заявки раскрывают различные варианты выполнения поворотной опоры лопасти воздушного винта, по меньшей мере частично изготавливаемой из композиционного материала с органической матрицей.