ВОЗДУШНЫЙ ВИНТ БЕЗ ОБТЕКАТЕЛЯ С ЛОПАСТЯМИ С ПЕРЕМЕННЫМ УГЛОМ УСТАНОВКИ ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ
PROPELLER WITHOUT FAIRING WITH BLADES WITH VARIABLE ANGLE FOR TURBOMACHINE

Предлагаемое изобретение относится к воздушному винту с лопастями с переменным углом установки для турбомашины с винтами без обтекателя (по-английски «open rotor» или «unducted fan»).
Турбомашина этого типа содержит два наружных соосных воздушных винта с противоположным вращением, соответственно передний и задний, каждый из которых приводится во вращение турбиной турбомашины и простирается по существу в радиальном направлении наружу относительно гондолы этой турбомашины.
Каждый из воздушных винтов содержит полигональный роторный элемент, который содержит по существу радиальные цилиндрические гнезда, расположенные вокруг продольной оси турбомашины, в которых монтируются опорные пластины лопастей воздушного винта. Каждая лопасть содержит, например, концевую часть с поперечным сечением в виде ласточкина хвоста, которая вставлена в паз, геометрически дополняющий пластину.
В уровне техники каждая пластина содержит по существу цилиндрическое тело, завинченное в цилиндрический обод, который центрируется и направляется при вращении в гнезде роторного элемента посредством упорных подшипников.
Пластины и ободы могут поворачиваться в гнезде роторного элемента и приводятся во вращение вокруг осей лопастей соответствующими средствами с тем, чтобы регулировать угол установки лопастей и оптимизировать его в зависимости от условий работы турбомашины.
В рабочем режиме лопасти воздушного винта подвержены воздействию очень значительных центробежных усилий, которые могут достигать 30000 даН, причем эти усилия передаются на роторный элемент посредством пластин, ободов и упорных подшипников и проходят по резьбе соединений пластин в ободах. Эта резьба не рассчитана на передачу таких усилий и подвержена опасности быстрого разрушения, что ограничивает, таким образом, продолжительность службы воздушного винта.
Задача изобретения состоит по существу в том, чтобы предложить простое, эффективное и экономичное решение обозначенной проблемы.
Предметом изобретения является воздушный винт вышеуказанного типа, в котором передача усилий между каждой опорной пластиной лопасти и ее ободом обеспечивается относительно прочными опорными кольцевыми поверхностями, в отличие от относительно хрупкой резьбы.
С этой целью предлагается воздушный винт без обтекателя с лопастями с переменным углом установки для турбомашины, при этом лопасти воздушного винта монтируются с возможностью вращения вокруг своих осей в радиальных гнездах кольцевого роторного элемента и каждая лопасть расположена на пластине с цилиндрическим телом, которое входит снаружи в радиальное гнездо роторного элемента и удерживается кольцевым ободом, установленным изнутри в гнездо и опертым на внутреннюю закраину гнезда посредством подшипника, отличающийся тем, что обод разделен на сектора и содержит радиально внутреннюю часть, закрепленную заведением секторов обода в кольцевую выемку в наружной поверхности тела пластины.
Согласно изобретению тело каждой опорной пластины лопасти удерживается в гнезде роторного элемента разделенным на сектора ободом, который заведен в кольцевую выемку в теле пластины и расположен на внутренней закраине гнезда роторного элемента посредством подшипника, так что прилагаемые в рабочем режиме к лопасти центробежные усилия воспринимаются частью обода, заведенной в кольцевую выемку пластины, и передаются подшипником на роторный элемент. Это позволяет существенным образом увеличить срок службы воздушного винта.
Согласно другому признаку изобретения разделенный на сектора обод включает в себя два, три или четыре и даже большее число секторов, которые соединены на теле пластины следующим образом. Тело пластины вставляется снаружи в гнездо роторного элемента за счет поступательного перемещения пластины вдоль оси гнезда. Каждый сектор обода вставляют в гнездо изнутри, между телом пластины и внутренней цилиндрической поверхностью гнезда, за счет поступательного перемещения вдоль оси гнезда до тех пор, пока он не оказывается расположенным на уровне кольцевой выемки тела пластины. Затем каждый сектор смещают путем поступательного радиального перемещения (относительно оси гнезда) снаружи внутрь, так что его внутренняя часть заходит в наружную кольцевую выемку в теле пластины. Теперь обод удерживается в радиальном направлении на пластине за счет опирания сторонами своей внутренней части на внутренних боковых стенках кольцевой выемки в пластине. Указанная выше внутренняя часть обода может быть образована внутренней кольцевой закраиной.
Обод может содержать два сектора, каждый из которых имеет величину угловой протяженности примерно 180°, или три сектора с величиной угловой протяженности каждого из них примерно 120°, или четыре сектора с величиной угловой протяженности каждого из них примерно 90°.
Кольцевая часть обода предпочтительно вставлена в кольцевую выемку тела пластины с подгонкой в соединении с очень небольшим допуском.
Кроме того, сектора обода блокируются в кольцевой выемке тела пластины средствами фиксации, закрепленными на теле пластины изнутри гнезда.
В одном из вариантов осуществления изобретения обод содержит наружную поверхность в форме усеченного конуса, которая расширяется в направлении наружу и на которую налагается по существу геометрически дополняющая ее внутренняя поверхность в форме усеченного конуса кольца, которое вставляют изнутри в гнездо и прижимают к ободу гайкой, затянутой на теле пластины. Гайка удерживает кольцо с опорой на поверхность в форме усеченного конуса обода, который таким образом прижимается к дну кольцевой выемки в теле пластины. Эта гайка применяется исключительно для того, чтобы обеспечить опору и удержание в заданном положении кольца, и вовсе не для передачи усилий, передаваемых лопастью в рабочем режиме.
Блокировочная шайба может быть вставлена между кольцом и гайкой, причем эта шайба содержит первые средства, которые за счет геометрического замыкания взаимодействуют с дополняющими средствами тела пластины, и вторые средства, которые за счет геометрического замыкания взаимодействуют с дополняющими средствами гайки, чтобы воспрепятствовать вращению гайки относительно пластины.
В другом варианте, обод содержит наружную поверхность в форме усеченного конуса, которая расширяется в направлении наружу и на которую налагается по существу геометрически дополняющая ее внутренняя усеченно-коническая поверхность кольца, которое содержит внутреннюю резьбу для завинчивания на теле пластины.
Предпочтительно обод содержит цилиндрическую закраину, которая простирается в осевом направлении внутрь относительно оси гнезда и налагается на наружную цилиндрическую поверхность тела пластины. Таким образом, обод имеет в поперечном сечении по существу Г-образную форму, при этом одно плечо образовано его внутренней кольцевой частью, вставленной в кольцевую выемку пластины, а другое плечо образовано цилиндрической закраиной, опирающейся на тело пластины. В случае когда прилагаемые к лопасти центробежные усилия относительно велики, опирание внутренней цилиндрической закраины обода на наружную поверхность тела пластины гарантирует удержание внутренней части обода в кольцевой выемке пластины.
В смонтированном положении обод отделен от внутренней цилиндрической поверхности гнезда кольцевым зазором, радиальный размер которого относительно оси гнезда определяют в зависимости от внутреннего и наружного диаметра обода и величины угловой протяженности его секторов, так что внутренняя часть обода может выходить из кольцевой выемки тела пластины за счет смещения секторов обода в радиальных направлениях наружу относительно оси гнезда. С увеличением величины угловой протяженности секторов обода увеличивается радиальный размер этого кольцевого зазора.
Кроме того, пластина наложена на наружную сторону гнезда роторного элемента посредством другого подшипника.
Предлагаемое изобретение относится также к турбомашине, отличающейся тем, что она содержит, по меньшей мере, один вышеописанный воздушный винт.
Изобретение будет лучше понято и более очевидными будут другие детали, признаки и преимущества предлагаемого изобретения при прочтении нижеследующего описания, приводимого в виде неограничительного примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показаны:
Фиг.1 - частичный схематичный вид в осевом разрезе турбомашины с воздушными винтами без обтекателя;
Фиг.2 - частичный схематичный вид в разрезе воздушного винта без обтекателя согласно уровню техники, с изображением опорной пластины лопасти, на теле которой завинчен обод, центрируемый и направляемый в гнезде роторного элемента этого воздушного винта;
Фиг.3 - схематичный вид в перспективе роторного элемента воздушного винта согласно изобретению;
Фиг.4 - частичный схематичный вид в перспективе и с частичным вырезом роторного элемента с Фиг.3, в увеличенном масштабе, в гнезде которого смонтированы опорная пластина лопасти и обод согласно изобретению, при этом обод разделен на сектора и установлен и закреплен на теле пластины;
Фиг.5 - частичный схематичный вид в перспективе с пространственным разделением деталей и с частичным вырезом роторного элемента и обода с Фиг.4, при этом пластина для большей наглядности не представлена;
Фиг.6 - вид, соответствующий Фиг.4, с изображением варианта осуществления изобретения; и
Фиг.7 - вид, соответствующий Фиг.5, варианта осуществления с Фиг.6.
Вначале рассматривается Фиг.1, на которой изображена турбомашина 10 с воздушными винтами без обтекателя (по-английски «open rotor» или «unducted fan»), которая с входа на выход в направлении потока газа внутрь турбомашины содержит компрессор 12, кольцевую камеру сгорания 14, турбину высокого давления 16 и две турбины низкого давления 18, 20, противоположного вращения, то есть они вращаются в двух противоположных направлениях вокруг продольной оси А турбомашины.
Каждая из этих задних турбин 18, 20 жестко связана при вращении с внешним воздушным винтом 22, 24, который простирается в радиальном направлении наружу гондолы 26 турбомашины, причем эта гондола 28 по существу цилиндрическая и простирается вдоль оси А вокруг компрессора 12, камеры сгорания 14, а также турбин 16, 18 и 20.
Воздушный поток 28, который входит в турбомашину, находится под давлением, смешивается с топливом и сжигается в камере сгорания 14, газообразные продукты сгорания проходят затем в турбины, чтобы привести во вращение воздушные винты 22, 24, которые дают большую часть тяги, генерируемой турбомашиной. Газообразные продукты сгорания на выходе из турбин выбрасываются через сопло 32 (стрелки 30), чтобы увеличить реактивную тягу.
Воздушные винты 22, 24 расположены соосно один за другим и содержат несколько лопастей, равномерно распределенных вокруг оси А турбомашины. Эти лопасти простираются по существу в радиальном направлении и выполнены с переменным углом установки, то есть они могут вращаться вокруг своих осей, с тем, чтобы оптимизировать свое угловое положение в зависимости от условий работы турбомашины.
В известной монтажной схеме, представленной на Фиг.2 и описанной в документе US А 5263898, каждый воздушный винт содержит роторный элемент, образованный полигональным кольцом 34, которое простирается вокруг оси А и содержит множество радиальных по существу цилиндрических гнезд 36, в которых расположены монтажные средства лопастей 38 воздушного винта.
Каждая лопасть 38 имеет на своем радиально внутреннем конце концевую часть 40 с поперечным сечением в виде ласточкина хвоста, которая вставлена и удерживается в пазе 42 пластины 44.
Пластина 44 содержит цилиндрическое тело 46 с наружной резьбой, чтобы завинтить его снаружи в обод 50, который вставлен в гнездо 36 полигонального кольца 34 изнутри, относительно продольной оси А турбомашины.
Пластина 44 и обод 50 центрируются и направляются при вращении в гнезде 36 посредством двух роликовых подшипников 52, 54. Гнездо 36 кольца разделено внутренней кольцевой закраиной 56 кольца на две части, соответственно радиально внутреннюю и наружную. Первый роликовый подшипник 52 монтируют радиально снаружи этой закраины 56, между этой закраиной 56 и пластиной 44. Второй роликовый подшипник 54 монтируют радиально с внутренней стороны закраины 56, между этой закраиной и ободом 50. Пластина 44 и обод 50 приводятся во вращение вокруг радиальной оси В гнезда 36 соответствующими средствами, которые не показаны, для обеспечения вращения лопасти 38 вокруг этой оси и оптимизировать угловую регулировку.
В рабочем режиме лопасти 38 подвержены значительным центробежным усилиям (до 30000 даН), которые передаются от лопастей на полигональное кольцо 34 посредством резьбы 48 пластин и ободов, которые в целом не рассчитаны на то, чтобы выдержать такие усилия. Можно увеличить допуск этих винтовых нарезок (так называемый «артиллерийский» шаг винта), чтобы они могли выдержать эти усилия, но механически опора на резьбу (независимо от ее формы) для передачи этих усилий не является лучшим решением для обеспечения долговечности и надежности, требуемых от деталей и узлов в самолетостроении.
Изобретение предлагает решение этой проблемы благодаря разделению обода на сектора и заведению секторов обода в кольцевую выемку в теле пластины.
На Фиг.3-5 представлен способ осуществления заявленного воздушного винта без обтекателя, причем лопасти этого воздушного винта не показаны для большей наглядности и они смонтированы на соответствующих опорных средствах аналогичным образом, что и в известном уровне техники.
Полигональное кольцо 134 воздушного винта согласно изобретению полностью представлено на Фиг.3. Оно содержит по существу радиальные цилиндрические гнезда 136, например, в количестве двенадцати, в каждом из которых предусмотрен монтаж пластины и обода, как это поясняется более детально в дальнейшем описании.
Полигональное кольцо 134 содержит множество полостей 158, равномерно распределенных вокруг оси С кольца и образованных в цилиндрической стенке кольца, с тем, чтобы облегчить его. Каждая полость 158 расположена между двумя последовательными радиальными гнездами 136.
На Фиг.4 и 5 представлены частичные виды в увеличенном масштабе этого полигонального кольца 134, в котором осевой разрез произведен по существу посередине цилиндрического гнезда 136 кольца.
Как и в уровне техники, гнездо 136 кольца разделено внутренней кольцевой закраиной 156 кольца на две части, соответственно радиально внутреннюю и наружную. Первый подшипник 152 в виде шарикоподшипника на представленном примере установлен в радиальном направлении снаружи этой закраины 156, между этой закраиной и пластиной 144, чтобы направлять и центрировать ее при вращении. Второй подшипник 154, который также представляет здесь шарикоподшипник, установлен радиально с внутренней стороны закраины, между этой закраиной и ободом 150, чтобы направлять и центрировать его при вращении.
Пластина 144 помещается на наружной боковой стороне закраины 156 посредством подшипника 152, а обод 150 помещен на внутренней боковой стороне этой закраины 156 посредством подшипника 154.
Согласно изобретению обод 150 разделен на сектора и содержит кольцевую закраину 160, которая простирается в радиальном направлении внутрь относительно оси D гнезда и вставлена в кольцевую выемке 162, выступая наружу из тела пластины 144. Монтаж секторов обода 150 в кольцевой выемке пластины поясняется ниже более детально.
В представленном примере обод содержит два сектора, один из которых виден на Фиг.5.
Ширина или осевой размер (замеряемый вдоль оси D) закраины 160 обода 150 равен или превышает ширину или осевой размер (замеряемый вдоль этой же оси) кольцевой выемки 162 пластины 144, так что закраина 160 вставлена в кольцевую выемку 162 с подгонкой в соединении с очень небольшим допуском, либо с небольшим натягом.
Кроме того, внутренний диаметр закраины 160 обода 150 по существу равен или меньше внутреннего диаметра кольцевой выемки 162, так что в показанном на Фиг.4 смонтированном положении, эта закраина 160 своей радиально внутренней стороной (относительно оси D) опирается на дно кольцевой выемки 162.
Обод 150 имеет дополнительно на своей наружной периферии наружную усеченно-конусную поверхность 164, которая расширяется в радиальном направлении наружу, относительно оси С кольца 134, и взаимодействует с внутренней усеченно-конической поверхностью 166, по существу геометрически дополняющей моноблочное кольцо 168, которое прижимается в направлении наружу (относительно оси С) гайкой 170, затянутой на теле пластины. Таким образом, кольцо 168 прилегает к ободу 150 посредством гайки 170. Затягивание гайки 170 на теле пластины 144 приводит к смещению усеченно-конической поверхности 166 кольца 168 на усеченно-конической поверхности 164 обода 150, который таким образом прижимается в радиальном направлении внутрь относительно оси D гнезда. Это позволяет удерживать внутреннюю закраину 160 обода 150 в положении опоры ко дну кольцевой выемки 162 пластины 144.
Между кольцом 168 и гайкой 170 вставлена блокировочная шайба 172, которая исключает вращение этой гайки относительно пластины 144.
На своей внутренней периферии эта шайба 172 имеет первые лапки 174, которые заходят в пазы 176, имеющие форму, дополняющую тело пластины, чтобы воспрепятствовать вращению шайбы относительно пластины. Кроме того, шайба 172 на своей наружной периферии имеет вторые лапки 178, которые выполнены с возможностью загиба и предназначены для того, чтобы заходить в пазы 180, имеющие форму, дополняющие форму наружной периферии гайки 170, чтобы воспрепятствовать вращению шайбы на гайке 170.
Шайбу 172 вводят в гнездо 136 перемещением вдоль оси D изнутри и гайку 170 затягивают на теле пластины 144 изнутри.
В непоказанном варианте указанные выше кольцо и гайка могут быть изготовлены в виде единой детали. В этом случае кольцо завинчивают на теле пластины 144 и своей внутренней усеченно- конической поверхностью оно упирается в усеченно-коническую поверхность обода.
Пластину 144 и обод 150 монтируют в гнезде 136 роторного элемента 134 следующим образом. Подшипник 152 устанавливают в гнезде 136 снаружи, он таким образом опирается на наружную боковую сторону внутренней закраины 156 гнезда. Пластина 144 выравнивается по оси D гнезда, затем смещается поступательно вдоль этой оси снаружи до тех пор, пока ее тело не зайдет в гнездо 136 и не упрется своим радиально наружным концом в подшипник 152. Второй подшипник 154 устанавливают в гнездо 136 изнутри, он таким образом опирается на внутреннюю боковую сторону закраины 156 гнезда. Сектора обода 150 помещают друг за другом изнутри в кольцевой проход 182, проходящий между телом пластины 144 и внутренней цилиндрической поверхностью 184 гнезда 136 до тех пор, пока они не окажутся расположенными на уровне кольцевой выемки 162 пластины. Поверхность 184 простирается здесь от внутренней закраины 156 до радиально внутреннего конца гнезда 136. Каждый сектор обода 150 смещается затем поступательно в радиальном направлении внутрь (относительно оси D), так что его внутренняя закраина 160 заходит в кольцевую выемку 162 и опирается на дно этой кольцевой выемки 162.
Вышеуказанный кольцевой проход 182 имеет достаточный радиальный размер F (относительно оси D), чтобы обеспечить установку каждого сектора обода 150 поступательным перемещением изнутри вдоль оси D. Этот радиальный размер F (Фиг.4) по существу определяют в зависимости от внутреннего и наружного диаметров обода и величины угла его секторов. Кроме того, в смонтированном положении на Фиг.4 вокруг секторов обода 150 необходим кольцевой зазор, чтобы кольцевую закраину 160 вывести из кольцевой выемки 162 при смещении секторов обода наружу в поступательном радиальном перемещении относительно оси D. Зазор имеет радиальный размер Е относительно оси D (Фиг.5).
В особом примере осуществления изобретения обод 150 имеет внутренний диаметр 69 мм (соответствующий внутреннему диаметру его внутренней закраины 160) и наружный диаметр 74,5 мм. Когда сектора обода имеют каждый из них величину угловой протяженности 90°, радиальный размер Е зазора должен составлять примерно 7,5 мм. Когда величина их угловой протяженности 120°, этот размер Е составляет примерно 10 мм, и при величине угловой протяженности 180°, размер Е составляет примерно 28 мм.
В рабочем режиме центробежные силы, которым подвержены лопасти воздушного винта, передаются на полигональное кольцо 134 посредством пластин 144, ободов 150, а также подшипников 154. Передача усилий между пластинами и ободами обеспечивается опорой радиально внутренней боковой стенки кольцевой выемки 162 на радиально внутреннюю сторону закраины 160 обода (в направлении, параллельном оси D), при этом кольцевая выемка 162 и закраина 160 выполнены с возможностью выдерживать вышеуказанные усилия.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения, представленном на Фиг.6 и 7, только обод 150 отличается от представленного на Фиг.4 и 5, причем этот обод содержит дополнительно цилиндрическую закраину 186, которая простирается внутрь вдоль оси D. Эта закраина 186 своей внутренней цилиндрической поверхностью оперта на наружную цилиндрическую поверхность 188 тела пластины, которая простирается между кольцевой выемкой 162 и радиально внутренним концом этого тела. Этот упор позволяет удерживать в заданном положении внутреннюю закраину 160 обода 150 в кольцевой выемке 162 пластины, когда к лопасти приложены значительные центробежные усилия.
В еще одном непредставленном варианте число секторов обода равно трем или четырем и даже большему числу.