МАЛОГАБАРИТНАЯ СИСТЕМА ВИНТОВ ПРОТИВОПОЛОЖНОГО ВРАЩЕНИЯ
PORTABLE CONTRA-PROPS SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение в целом касается системы винтов противоположного вращения для газотурбинного двигателя летательного аппарата.
Изобретение касается также газотурбинного двигателя для летательного аппарата, содержащего такую систему винтов противоположного вращения.
Изобретение предпочтительно применяется в газотурбинных двигателях для летательного аппарата, например типа турбореактивного двигателя или турбовинтового двигателя. В частности, его применяют для так называемых газотурбинных двигателей “open rotor”, внутри которых свободная силовая турбина вращает два винта противоположного вращения напрямую или опосредованно через механическое устройство трансмиссии, образующее редуктор и содержащее, в частности, эпициклоидную передачу. В этих системах винтов противоположного вращения винты не закрыты обтекателями на уровне своих наружных радиальных концов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Действительно, из предшествующего уровня техники известны газотурбинные двигатели с системой винтов противоположного вращения, при этом винты приводятся во вращение механическим устройством трансмиссии, обычно представляющим собой дифференциальный редуктор. Этот дифференциальный редуктор содержит специальную эпициклоидную передачу, планетарная шестерня которой приводится во вращение ротором свободной силовой турбины, водило которой вращает первый винт и коронная шестерня которой вращает второй винт. В этой связи необходимо отметить, что в зависимости от положения винтов противоположного вращения относительно вращающей их свободной силовой турбины первый винт является задним по потоку винтом, а второй винт - передним по потоку, или наоборот. В любом случае в отличие от простой эпициклоидной передачи коронная шестерня является не неподвижной, а подвижной.
Первый и второй винты обычно содержат, каждый, втулку, центрированную на продольной оси, наружную обечайку, расположенную с ней концентрично и участвующую в радиальном ограничении в наружном направлении главного кольцевого потока газотурбинного двигателя, а также соединительные стойки, соединяющие наружную обечайку с втулкой.
Кроме того, предусмотрен картер, установленный между свободной силовой турбиной и первым и вторым винтами. Этот картер содержит удлинитель картера в направлении ближайшего винта, этот удлинитель является опорой при вращении втулки этого винта.
При такой конфигурации большая часть винта и даже весь винт вынесен в осевом направлении из удлинителя картера, который обеспечивает его опору во время вращения. В результате этого получают консольный вынос, который сложно контролировать с механической точки зрения и который требует существенного удлинения удлинителя картера, в частности, чтобы удалить друг от друга подшипники качения для обеспечения приемлемого направления во вращении.
Это условие выражается в удлинении системы винтов в осевом направлении, что приводит к общему увеличению массы и габаритных размеров.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является, по меньшей мере, частичное устранение вышеупомянутых недостатков известных технических решений.
В связи с этим объектом настоящего изобретения является система винтов противоположного вращения для газотурбинного двигателя летательного аппарата, содержащая:
- свободную силовую турбину;
- первый винт и второй винт противоположного вращения, предназначенные для их приведения во вращение вокруг продольной оси системы винтов, при этом упомянутый первый винт расположен в данном направлении относительно упомянутого второго винта, при этом первый и второй винты содержат, каждый, втулку, центрованную по продольной оси, расположенную концентрично с ней внешнюю обечайку, участвующую в радиальном ограничении в наружном направлении главного кольцевого потока, а также соединительные стойки, соединяющие упомянутую наружную обечайку с упомянутой втулкой;
- механическое устройство трансмиссии, вращаемое упомянутой свободной силовой турбиной и вращающее упомянутые первый и второй винты; и
- картер, установленный между упомянутой свободной силовой турбиной и упомянутыми первым и вторым винтами, при этом последние расположены в данном направлении относительно картера, и турбина проходит в противоположном направлении относительно этого же картера, при этом картер содержит удлинитель картера в упомянутом данном направлении, являющийся опорой при вращении упомянутой втулки упомянутого второго винта.
Согласно изобретению, упомянутые соединительные стойки второго винта расположены в упомянутом противоположном направлении, проходя в радиальном направлении наружу.
Таким образом, отличительным признаком изобретения является отклонение соединительных стоек от второго винта таким образом, чтобы они приблизились к картеру, проходя в радиальном направлении наружу, что в целом позволяет приблизить лопасти к этому картеру.
Следствием этого приближения лопастей в направлении картера является уменьшение длины системы винтов в осевом направлении. В результате получают выигрыш в массе и в габаритных размерах.
Другим следствием этого приближения является ограничение части второго винта, расположенной в виде консоли относительно удлинителя картера. Иначе говоря, специфический наклон соединительных стоек позволяет сместить центр масс второго винта к картеру, что уменьшает консольный вынос по сравнению с известными техническими решениями. За счет этого удлинитель картера, предназначенный для направления втулки второго винта, можно уменьшить в осевом направлении, учитывая, что необходимое расстояние между подшипниками качения тоже уменьшилось по сравнению с известными техническими решениями с более значительным консольным выносом. В результате получают дополнительный выигрыш в массе и в габаритах.
Изобретение можно применять для всех газотурбинных двигателей, в частности, для так называемых газотурбинных двигателей “open rotor”. В этом последнем случае изобретение можно применять независимо от того, находится система винтов за или перед газогенератором. В каждом из этих двух случаев внутри системы винтов можно предусмотреть размещение силовой турбины перед или за винтами противоположного вращения. Это же относится и к положению эпициклоидной передачи относительно винтов.
Предпочтительно упомянутое данное направление является выходным направлением. Таким образом, упомянутый первый винт является задним винтом, а упомянутый второй винт является передним винтом. Это специфическое расположение применяют, в частности, когда система винтов расположена за газогенератором газотурбинного двигателя, то есть когда этот двигатель имеет конструкцию, предусмотренную для создания толкающего усилия и называемую конструкцией “pusher”. Естественно, можно предусмотреть и обратную конструкцию, в которой упомянутое данное направление будет входным направлением, не выходя за рамки изобретения. В этом случае упомянутый первый винт будет передним винтом, и упомянутый второй винт будет задним винтом. Это второе решение применяют, в частности, когда система винтов расположена перед газогенератором газотурбинного двигателя, то есть когда он имеет конструкцию, обеспечивающую тяговое усилие и называемую конструкцией “puller”.
Независимо от конструкции, выбираемой среди вышеупомянутых конструкций, предпочтительно, по меньшей мере, один участок каждой соединительной стойки, принадлежащей второму винту, располагают в упомянутом противоположном направлении относительно подшипника качения, установленного между упомянутым удлинителем картера и упомянутой втулкой второго винта.
Аналогично, предпочтительно упомянутый второй винт содержит множество лопастей, каждая из которых установлена с возможностью управления по углу атаки вокруг поворотной оси, и эта поворотная ось находится в упомянутом противоположном направлении относительно подшипника качения, установленного между упомянутым удлинителем картера и упомянутой втулкой второго винта.
Обе описанные выше конфигурации, которые стали возможны за счет специфического наклона стоек второго винта, наглядно иллюстрируют обеспечиваемую настоящим изобретением возможность сконцентрировать массы этого второго винта ближе к картеру, который отделяет его от свободной силовой турбины.
Предпочтительно втулка упомянутого второго винта является опорой при вращении упомянутой втулки упомянутого первого винта.
Предпочтительно упомянутые соединительные стойки первого винта проходят в упомянутом данном направлении радиально наружу, даже если, не выходя за рамки настоящего изобретения, можно предусмотреть любую другую конфигурацию.
Предпочтительно на упомянутых соединительных стойках первого винта установлена первая промежуточная обечайка, участвующая в радиальном ограничении внутрь главного кольцевого потока, и на упомянутых соединительных стойках второго винта установлена вторая промежуточная обечайка, участвующая в радиальном ограничении внутрь главного кольцевого потока, при этом первая промежуточная обечайка находится в непрерывном продолжении упомянутой второй обечайки в упомянутом данном направлении.
Предпочтительно соединительные стойки первого винта и его соответствующие наружная и промежуточная обечайки образуют единую деталь, и соединительные стойки второго винта и его соответствующие наружная и промежуточная обечайки тоже образуют единую деталь. В альтернативном варианте каждый из этих двух моноблочных узлов можно выполнить из нескольких деталей, соединенных друг с другом.
Как было упомянуто выше, предпочтительно упомянутое данное направление является выходным направлением.
Предпочтительно упомянутое механическое устройство трансмиссии содержит эпициклоидную передачу, оборудованную планетарной шестерней, центрованной по упомянутой продольной оси и вращаемой ротором свободной силовой турбины, по меньшей мере, один сателлит, входящий в зацепление с упомянутой планетарной шестерней, водило, вращающее упомянутый первый винт, а также коронную шестерню, входящую в зацепление с каждым сателлитом и вращающую упомянутый второй винт.
Предпочтительно упомянутое водило неподвижно соединено с втулкой упомянутого первого винта, и упомянутая коронная шестерня неподвижно соединена с втулкой упомянутого второго винта.
Предпочтительно на каждой наружной обечайке установлено кольцо удержания лопастей соответствующего винта.
Предпочтительно первый и второй винт оборудованы, каждый, системой регулировки угла поворота их лопастей. Как известно, этими системами управляют таким образом, чтобы скорость вращения обоих винтов во время работы оставалась по существу постоянной, независимо от режима двигателя.
Объектом настоящего изобретения является также газотурбинный двигатель для летательного аппарата, содержащий описанную выше систему винтов противоположного вращения, при этом газотурбинный двигатель может быть, например, турбовинтовым двигателем, однако в альтернативном варианте он может быть и турбореактивным двигателем с вентилятором противоположного вращения. Естественно, в этом последнем случае вышеуказанное механическое устройство трансмиссии предназначено для приведения в движение вентилятора противоположного вращения турбореактивного двигателя. Предпочтительно, как было указано выше, изобретение применяется, в частности, для так называемых газотурбинных двигателей “open rotor”, в которых свободная силовая турбина вращает два винта противоположного вращения опосредованно через механическое устройство трансмиссии, представляющее собой редуктор и содержащее эпициклоидную передачу.
Другие преимущества и отличительные признаки настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего не ограничительного подробного описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Это описание представлено со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - схематичный вид в продольном разрезе газотурбинного двигателя для летательного аппарата согласно предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения.
Фиг. 2 - вид в разрезе вдоль линии II-II фиг. 1.
Фиг. 3а и 3b - частичный вид в перспективе под разными углами системы винтов противоположного вращения, которой оборудован газотурбинный двигатель, показанный на фиг. 1.
Фиг. 4 - увеличенный вид в разрезе части системы винтов противоположного вращения, показанной на предыдущих фигурах.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
На фиг. 1 показан газотурбинный двигатель типа “open rotor” согласно предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения.
На фигурах направление А соответствует продольному направлению или осевому направлению, параллельному продольной оси 2 газотурбинного двигателя. Направление В соответствует радиальному направлению газотурбинного двигателя. Кроме того, стрелкой 4 схематично показано направление движения летательного аппарата под действием тяги, создаваемой газотурбинным двигателем 1, причем это направление противоположно главному направлению потока газов внутри газотурбинного двигателя. Термины «передний», «входной», «задний», «выходной», используемые в дальнейшем тексте описания, следует рассматривать относительно упомянутого направления движения 4.
В передней части газотурбинный двигатель содержит воздухозаборник 6, продолженный в заднем направлении гондолой 8, которая в основном содержит наружный кожух 10 и внутренний кожух 12, центрованные по оси 2 и смещенные относительно друг друга в радиальном направлении.
Внутренний кожух 12 образует наружный радиальный картер для газогенератора 14, который классически содержит от входа к выходу компрессор низкого давления 16, компрессор высокого давления 18, камеру сгорания 20, турбину высокого давления 22 и турбину промежуточного давления 24. Компрессор 16 и турбина 24 соединены механически валом 26, образуя, таким образом, ротор низкого давления, тогда как компрессор 18 и турбина 22 соединены механически валом 28, образуя ротор более высокого давления. Следовательно, газогенератор 14 предпочтительно имеет классическую конструкцию, называемую двухроторной.
На выходе турбины промежуточного давления 24 находится система 30 винтов противоположного вращения, образующая приемник газотурбинного двигателя.
Эта система 30 содержит свободную силовую турбину 32, представляющую собой турбину низкого давления. Она содержит ротор 32а, образующий внутреннюю часть турбины, а также статор 32b, образующий наружную часть этой турбины, которая неподвижно соединена с неподвижным узлом картера 34 этой системы винтов, центрированной на продольной оси 2 системы. Как известно, этот статор 34 предназначен для неподвижного соединения с другими картерами газотурбинного двигателя. В этой связи следует отметить, что система 30 винтов предпочтительно выполнена таким образом, чтобы винты не имели охватывающего их наружного радиального обтекателя, как показано на фигурах.
Кроме того, на выходе турбины 32 противоположного вращения система 30 винтов содержит первый или задний винт 7, на котором установлены лопасти 7а. Аналогично, система 30 содержит второй или передний винт 9, на котором установлены лопасти 9а. Таким образом, винты 7, 9 смещены относительно друг друга в направлении 4 и находятся оба на выходе свободной турбины 32.
Оба винта 7, 9 предназначены для вращения в противоположных направлениях вокруг оси 2, по которой они центрованы, при этом вращение происходит относительно статора 34, который остается неподвижным.
Для приведения во вращение этих двух винтов 7, 9 предусмотрено механическое устройство 13 трансмиссии, образующее редуктор и содержащее, в частности, эпициклоидную передачу 15.
Как показано на фиг. 1 и 2, передача 15 содержит планетарную шестерню 17, центрированную на продольной оси 2, установленную на планетарном валу 19 с этой же осью, неподвижно соединенном в сторону входа с ротором 32а через фланец 38. Таким образом, ротор 32а напрямую вращает планетарную шестерню 17, которая выполнена в виде зубчатого колеса с наружными зубьями.
Передача 15 содержит также сателлит 21 и предпочтительно несколько сателлитов, как показано на фиг. 2. Каждый сателлит 21 установлен на сателлитном валу 23 с осью, смещенной относительно оси 2, и выполнен в виде зубчатого колеса с наружными зубьями.
Кроме того, передача 15 оборудована водилом 25, центрированном на продольной оси 2, в котором с возможностью вращения установлен каждый из сателлитов 21 при помощи валов 23, соответственно. Водило 25 установлено на валу 29 водила с той же осью, неподвижно соединенном с первым винтом 7, как показано на фиг. 1, с возможностью прямого приведения во вращение этого винта.
Наконец, передача 15 содержит коронную шестерню 31, центрированную на оси 2, установленную на валу 33 коронной шестерни с той же осью, причем эта коронная шестерня 31 зацепляется с каждым сателлитом 21. Вал 33 проходит в сторону выхода, будучи неподвижно соединенным с вторым винтом 9 и вращая его напрямую. Например, этот вал 33 находится вокруг вала 29 водила и является с ним концентричным. Коронная шестерня 31 выполнена в виде зубчатого колеса с внутренними зубьями.
В описанном предпочтительном варианте, в котором каждый винт оборудован системой регулировки угла поворота его лопастей, эпициклоидная передача 15 находится напротив и внутри картера 42, установленного между свободной силовой турбиной 32 и винтами 7, 9. На этом картере 42, называемом также выпускным картером или “static frame”, установлен узел 44 подвески двигателя, предназначенный для обеспечения крепления газотурбинного двигателя на конструкции летательного аппарата, как показано, в частности, на фиг. 2, 3а и 3b. Как правило, механическое устройство трансмиссии устанавливают в ступице картера 42.
Картер 42, за которым находятся винты и перед которым находится силовая турбина 32, содержит удлинитель 46 картера, проходящий в заднем направлении относительно центрального участка этого картера. Этот удлинитель 46 выполнен в виде полого цилиндра, центрированного на оси 2, который является опорой при вращении для втулки 48b второго винта, причем эта втулка 48b совпадает с валом 33 коронной шестерни, как показано на фиг. 1. Этот упор при вращении происходит через два подшипника 50 качения, отстоящие друг от друга в направлении А и установленные между удлинителем 46 и втулкой 48b. Для повышения жесткости и улучшения механического крепления удлинителя 46 его соединяют с центральным участком картера 42 через усилительные нервюры 52, распределенные вокруг этого удлинителя и проходящие, каждая, в радиальном направлении.
Второй винт 9 содержит также наружную обечайку 56b, расположенную концентрично с втулкой 48b и участвующую в радиальном ограничении наружу главного кольцевого потока 58.
Кроме того, он содержит также множество соединительных стоек 60b, соединяющих наружную обечайку 56b с втулкой 48b. Одним из отличительных признаков настоящего изобретения является то, что каждая стойка 60b проходит от внутреннего радиального конца, неподвижно соединенного с участком втулки 48b, выступающим в заднем направлении от удлинителя 46 картера, к наружному радиальному концу, неподвижно соединенному с обечайкой 56b, проходя в сторону входа. В разрезе, показанном на фиг. 1, угол между стойками 60b и направлением В может составлять от 20 до 50°.
Кроме того, на соединительных стойках 60b второго винта установлена вторая промежуточная обечайка 62b, расположенная между втулкой 48b и наружной обечайкой 56b, причем эта обечайка 62b участвует в радиальном ограничении внутрь главного кольцевого потока 58. Естественно, втулка 48b, стойки 60b, выполненные в виде звезды, как показано на фиг. 3а и 3b, и обечайки 62b, 56b образуют единый узел, неподвижно соединенный во вращении вокруг оси 2.
В представленном предпочтительном варианте выполнения для ограничения консольного выноса на уровне удлинителя 46 картера предусматривают, чтобы, по меньшей мере, один участок каждой соединительной стойки 60b находился перед находящимся наиболее близко к выходу подшипником 50 качения. С учетом специфического наклона стоек 60b речь идет о радиально наружном участке этих стоек. Кроме того, на фиг. 1 показано, что каждая лопасть 9а установлена таким образом, чтобы можно было управлять углом ее атаки вокруг ее поворотной оси 64b при помощи ее системы регулировки угла поворота (не показана). Опять же с целью ограничения консольного выноса предусмотрено, чтобы эта поворотная ось 64b и, в целом, поперечная плоскость, содержащая все оси 64b лопастей 9а, находилась перед находящимся наиболее близко к выходу подшипником 50 качения.
Вал 33 коронной шестерни выполнен в виде полого цилиндра, центрованного по оси 2, который является опорой при вращении для втулки 48а первого винта, причем втулка 48а совпадает с валом 29 водила, как показано на фиг. 1. Это вращение происходит чрез два подшипника 66 качения, отстоящие друг от друга в направлении А и установленные между двумя втулками 48b, 48а.
Первый винт 7 содержит также наружную обечайку 56а, расположенную концентрично с втулкой 48а и участвующую в радиальном ограничении наружу главного кольцевого потока 58. Она находится в заднем аэродинамическом продолжении наружной обечайки 56b второго винта.
Кроме того, он содержит также множество соединительных стоек 60а, соединяющих наружную обечайку 56а с втулкой 48а. В данном случае каждая стойка 60а проходит от внутреннего радиального конца, неподвижно соединенного с участком втулки 48а, выступающим в заднем направлении полой втулки 48b, к наружному радиальному концу, неподвижно соединенному с обечайкой 56а, проходя в сторону выхода. В разрезе, показанном на фиг. 1, угол между стойкой 60а и направлением В может составлять от 20 до 50°. Вместе с тем, можно предусмотреть любую другую конфигурацию, при этом наклоны, выбираемые для стоек 60а, 60b, зависят, в частности, от необходимого расстояния между лопастями 9а и 7а в направлении А, в частности, чтобы соблюдать требования снижения шума. Например, стойки 60а могут иметь наклон в сторону входа так же, как и соединительные стойки 60b.
Кроме наклона в осевом направлении, соединительные стойки можно также зафиксировать относительно потока в тангенциальном направлении, чтобы снизить создаваемое ими сопротивление.
Кроме того, на соединительных стойках 60а первого винта установлена первая промежуточная обечайка 62а, расположенная между втулкой 48а и наружной обечайкой 56а, при этом обечайка 62а участвует в радиальном ограничении внутрь главного кольцевого потока 58. Она находится в заднем аэродинамическом продолжении промежуточной обечайки 62b второго винта. Естественно, втулка 48а, стойки 60а, расположенные в виде звезды, как показано на фиг. 3а и 3b, и обечайки 62а, 56а образуют единый во вращении вокруг оси 2 узел. Например, следует отметить, что на фиг.3а и 3b для большей ясности наружные обечайки 56а, 56b показаны с разрывом, тогда как промежуточные обечайки 62а, 62b специально не показаны.
На фиг. 4 видно, что на наружной обечайке 56b второго винта, которая проходит между картером 42 и обечайкой 56а из одной или нескольких соединенных друг с другом частей, установлено кольцо 68b удержания лопастей 9а. Это кольцо 68b, содержащее множество отверстий, каждое из которых предназначено для захождения в него ножки лопасти 9а, в основном расположено спереди относительно наружных радиальных концов соединительных стоек 60b. Аналогично, на наружной обечайке 56а первого винта, которая проходит в сторону выхода от обечайки 56b из одной или нескольких соединенных друг с другом частей, установлено кольцо 68а удержания лопастей 7а. Это кольцо 68а, содержащее множество отверстий, каждое из которых предназначено для захождения в него ножки лопасти 7а, в основном расположено напротив наружных радиальных концов соединительных стоек 60а.
Согласно частному варианту выполнения, первый моноблочный узел образован соединительными стойками 60а и наружной обечайкой 56а и промежуточной обечайкой 62а, и точно так же второй моноблочный узел образован соединительными стойками 60b и наружной обечайкой 56b и промежуточной обечайкой 62b.
Разумеется, специалист может вносить различные изменения в описанное выше изобретение, представленное исключительно в качестве не ограничительного примера.