УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ РЕГУЛИРОВКИ УГЛА УСТАНОВКИ ЛОПАСТЕЙ
DEVICE AND METHOD FOR CONTROLLING PITCH OF BLADES

Область техники
Изобретение относится к устройству для регулировки угла установки лопастей ротора вентилятора, а также к вентилятору, содержащему такое устройство.
Изобретение также относится к способу регулировки лопастей ротора вентилятора с использованием этого устройства.
Предшествующий уровень техники
Известны вентиляторы газотурбинных двигателей, содержащие по меньшей мере один ротор и лопасти с регулируемым углом установки.
Геометрический угол установки является углом, образованным хордой профиля лопасти и осью вращения двигателя.
Известно устройство, содержащее радиальный вал, связанный с лопастью посредством шкворня, тягу, осевое перемещение которой управляет вращением радиального вала, и осесимметричную деталь, с которой связаны все тяги.
Силовой цилиндр управляет осевым перемещением тяг и позволяет равномерно регулировать угол установки всех лопастей.
Однако лопасти встречают неоднородный аэродинамический поток по причине различных факторов, которые включают в себя, в частности, влияние угла наклона летательного аппарата, например, на взлете, и влияние спутной струи, связанное с присутствием двигателя, крыльев, фюзеляжа и других элементов, таких как стойка, соединяющая двигатель с летательным аппаратом.
Эта неоднородность создает нагрузки на лопастях и, в целом, на устройстве регулировки угла установки.
Кроме того, лопасти подвергаются деформациям вследствие гироскопических эффектов, связанных с маневрированием летательного аппарата.
Вышеупомянутые нагрузки и деформации могут привести к преждевременному механическому износу деталей вентилятора, таких как лопасти или устройство регулировки угла установки.
В случае вентиляторов, содержащих расположенный выше по потоку ротор винта и расположенный ниже по потоку ротор винта, между лопастями расположенного выше по потоку ротора и лопастями расположенного ниже по потоку ротора может существовать нежелательная связь.
Эта связь одновременно является механической, то есть нежелательные механические вибрации могут усиливаться, и акустической, что приводит к усилению акустических вибраций.
Раскрытие изобретения
Для устранения недостатков известных технических решений согласно изобретению устройство для регулировки угла установки лопастей ротора вентилятора содержит радиальный вал, связанный с лопастью шкворнем, и тягу, осевое перемещение которой приводит к вращению радиального вала, причем устройство включает в себя первую часть, выполненную с возможностью вращения вместе с ротором вокруг оси вентилятора и на которой закреплен один конец каждой тяги, вторую часть, связанную с первой частью, и по меньшей мере три силовых цилиндра, выполненных с возможностью приведения в осевое поступательное движение указанной второй части, а также изменения ее наклона, при этом поступательное движение и наклон второй части приводят к соответствующим поступательному движению и наклону первой части таким образом, что во время вращения первой части каждой тяге сообщается осевое перемещение, амплитуда которого изменяется в зависимости от наклона первой части, для изменения угла установки лопасти во время ее оборота .
Такое устройство может предпочтительно иметь одну или комбинацию из следующих особенностей:
– вторая часть связана с первой частью механическим подшипником качения;
– устройство дополнительно содержит соединительный подшипник, связывающий силовые цилиндры с ротором;
– устройство дополнительно содержит упругий демпфер, связывающий силовые цилиндры с кожухом вентилятора;
– первая часть связана с ротором посредством соединительных элементов, содержащих карданный шарнир;
– соединительные элементы дополнительно содержат шпонки для осевого направления первой части относительно ротора;
– устройство дополнительно содержит пазы на наклонной части ротора, соответствующие по форме шпонкам и имеющие наклонную поверхность для обеспечения функции дренажа масла наклонной части;
– устройство дополнительно содержит упоры, ограничивающие наклон первой и/или второй части.
Изобретение относится к вентилятору газотурбинного двигателя, содержащему по меньшей мере один ротор, лопасти с регулируемым углом установки и указанное устройство для регулировки угла установки его лопастей.
Наконец, изобретение относится также к способу регулировки угла установки лопастей ротора вентилятора с использованием указанного устройства для регулировки, включающему в себя этап, на котором управляют силовыми цилиндрами для изменения наклона первой части таким образом, чтобы во время вращения первой части каждой тяге сообщалось осевое перемещение, амплитуда которого изменяется в зависимости от наклона первой части, при этом угол установки лопасти изменяется во время ее оборота вокруг оси вентилятора.
Такой способ может предпочтительно иметь одну или комбинацию из следующих особенностей:
– способ дополнительно включает в себя этап, на котором задают наклон первой части устройства ротора, расположенного на стороне вентилятора выше по потоку, отличающийся от наклона первой части другого устройства ротора, расположенного на стороне вентилятора ниже по потоку;
– этап, на котором задают наклон первой части устройства, включает в себя этап, на котором задают флуктуацию наклона первой части устройства ротора, расположенного выше по потоку, или ротора, расположенного ниже по потоку, вокруг номинального положения;
– способ дополнительно включает в себя этап, на котором задают флуктуацию наклона первой части устройства с частотой, превышающей или меньшей, чем скорость вращения ротора.
Изобретение может быть применено для изменения угла установки каждой лопасти во время ее вращения. В частности, угол установки лопасти изменяется в зависимости от ее положения во время оборота.
Таким образом, благодаря соответствующей регулировке угла установки устройство и вентилятор не подвергаются влиянию возмущений аэродинамического потока, связанных с некоторыми препятствиями (крылья, фюзеляж и т.д.).
Следовательно, вентилятор более надежен и имеет больший срок службы.
Кроме того, связь между лопастями расположенного выше по потоку ротора и расположенного ниже по потоку ротора уменьшена, что уменьшает нежелательные механические и звуковые усиления.
Наконец, в случае неисправности устройство имеет аварийный режим работы, что позволяет избегать незамедлительной остановки двигателя.
Другие особенности и преимущества изобретения будут более понятны из последующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера со ссылками на чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показано устройство для регулировки угла установки лопастей ротора вентилятора согласно варианту осуществления;
на фиг. 2 – часть устройства и соединительные элементы, вид спереди;
на фиг. 3 и 4 – трехмерное изображение части устройства;
на фиг. 5 и 6 – трехмерное изображение части устройства, когда одна из частей наклонена посредством силовых цилиндров;
на фиг. 7 – направление устройства относительно наклоненной части ротора согласно варианту осуществления;
на фиг. 8 – элементы крепления устройства в вентиляторе;
на фиг. 9 – способ регулировки угла установки лопастей согласно варианту осуществления;
на фиг. 10 и 11 – команды, обеспечивающие изменение угла установки лопастей во время оборота их вращения.
Варианты осуществления изобретения
Устройство для регулировки угла установки лопастей
Устройство 1 для регулировки угла установки лопастей ротора 3 вентилятора 4 согласно варианту осуществления показано на фиг. 1–6.
Устройство 1 содержит радиальный вал 6, связанный с лопастью (не показана). Обычно ножка лопасти установлена на радиальном валу 6 посредством шкворня. Радиальный вал 6 выполнен с возможностью вращения вокруг своей оси.
Кроме того, для каждой лопасти устройство 1 содержит тягу 8, осевое перемещение которой вызывает вращение радиального вала 6 вокруг его оси. Для этого один участок тяги 8 связан с радиальным валом 6, например, при помощи поворотного соединения.
Устройство 1 содержит также первую часть 10. Эта первая часть 10 неподвижно соединена с ротором 3 вентилятора 4.
Таким образом, первая часть 10 выполнена с возможностью вращения вместе с ротором 3 вокруг оси 11 вентилятора 4.
Другой конец 31 тяги 8 прикреплен к первой части 10.
Устройство 1 содержит также вторую часть 12, которая связана с первой частью 10 и функция которой будет пояснена далее.
Как правило, первая и вторая части 10, 12 являются осесимметричными частями. Например, первая часть 10 является кольцевой, а вторая часть 12 является диском.
Устройство 1 содержит по меньшей мере три силовых цилиндра 14, выполненных с возможностью приведения указанной второй части 12 в осевое поступательное движение вдоль оси 11 вентилятора 4, а также с возможностью изменения ее наклона. Таким образом, вторая часть 12 имеет по меньшей мере три степени свободы, задаваемые силовыми цилиндрами 14. Эти силовые цилиндры 14 являются, например, обычными гидроцилиндрами.
В отсутствие действия силовых цилиндров 14 вторая часть 12 обычно расположена в радиальной плоскости (вертикальной плоскости), при этом силовые цилиндры 14 позволяют наклонять вторую часть 12 относительно этого номинального положения.
Согласно варианту выполнения эти силовые цилиндры 14 расположены под углом 120° относительно друг друга. Как правило, силовые цилиндры 14 расположены в одной плоскости.
Первая часть 10 и вторая часть 12 связаны между собой механически, при этом осевое поступательное движение и наклон второй части 12 приводят к соответствующим осевому поступательному движению и наклону первой части 10.
Например, как показано на фиг. 3 и 4, все три силовых цилиндра имеют идентичное выдвижение. Первая часть 10 и вторая часть 12 расположены в радиальной плоскости.
А
На фиг. 5 и 6 на один из силовых цилиндров (цилиндр 14) поступает команда на выдвижение (например, силовой цилиндр переходит от выдвижения на 150 мм к выдвижению на 200 мм), тогда как другие силовые цилиндры (12В, 12С) сохраняют свое первоначальное выдвижение.
Вследствие этого вторая часть 12 и, следовательно, первая часть 10 перемещаются в сторону плоскости, наклоненной относительно радиальной плоскости.
Наклон второй части 12 позволяет наклонить первую часть 10 относительно радиальной плоскости. Таким образом, после наклона первой части 10 она совершает движение вращения в плоскости, наклоненной относительно радиальной плоскости.
Вследствие этого наклона во время вращения первой части 10 каждой тяге 8 сообщается осевое перемещение, амплитуда которого может изменяться. Это связано с тем, что конец 31 тяги 8 связан с первой частью 10, которая вращается в плоскости, наклоненной относительно радиальной плоскости. За оборот вращения каждая тяга 8 совершает осевое перемещение, которое изменяется во время оборота.
Амплитуда осевого перемещения тяги 8 зависит от наклона первой части 10. Чем больше наклонена первая часть 10, тем больше изменяется эта амплитуда во время оборота.
Благодаря этой конструкции, устройство 1 позволяет изменять угол установки лопасти во время оборота ее вращения.
В частности, угол установки каждой лопасти зависит от ее положения в ходе оборота вращения. Следовательно, в данный конкретный момент различные лопасти имеют разный угол установки, который зависит от их положения на обороте вращения.
Поступательное движение первой части 10 позволяет регулировать угол установки всех лопастей, так как это поступательное движение приводит к общему поступательному перемещению тяг 8 и, следовательно, к вращению радиальных валов 6.
Что касается наклона первой части 10, то он позволяет осуществлять циклическое управление углом установки лопастей за оборот вращения. Для данного наклона первой части 10 данный угол установки лопасти изменяется периодически в зависимости от осевого перемещения тяги 8.
Согласно варианту осуществления вторая часть 12 связана с первой частью посредством механического подшипника 16 качения.
Действительно, вторая часть 12 связана с корпусом (неподвижная часть) вентилятора, тогда как первая часть 10 связана с ротором 3 вентилятора.
Например, может быть использован шарикоподшипник.
Для соединения первой части 10 с ротором 3 устройство 1 содержит соединительные элементы 22, вариант выполнения которых представлен на фиг. 1 и 2.
Соединительные элементы 22 содержат карданный шарнир 21, позволяющий связать первую часть 10 с ротором 3 во вращении вокруг оси 11 вентилятора. Этот карданный шарнир 21 схематично показан на фиг. 2 в виде двух кольцевых деталей 33, 34, соединенных штифтами 35 и окружающих первую часть 10.
Кроме того, для обеспечения осевого направления первой части 10 относительно ротора 3 соединительные элементы 22 содержат шпонки или шлицы 23. Эти шпонки 23 обеспечивают осевое направление первой части 10 относительно ротора 3.
Согласно варианту осуществления шпонки 23 участвуют в осевом направлении относительно наклонных обечаек 26. Например, это может быть стенка камеры, содержащей масло вентилятора, наклон которой необходим для дренажа.
Верхние и нижние поверхности шпонок 23 параллельны оси двигателя.
Обечайка 26 имеет пазы 30, соответствующие по форме шпонкам 23. Эти ответные по форме пазы 30 имеют наклонную поверхность 32 дна паза (наклоненную относительно оси 11 вентилятора 4), что обеспечивает функцию дренажа масла (которая является первоначальной функцией части 26).
Поверхность 36 верхней части пазов 30, соответствующих по форме шпонкам 23, является горизонтальной, тогда как другая поверхность 32 является наклонной для взаимодействия с наклонной частью 26.
Согласно варианту осуществления шпонки 23 расположены на наружной поверхности карданного шарнира 21.
В некоторых случаях, как в случае роторов, расположенных со стороны некоторых вентиляторов ниже по потоку, возникает проблема крепления устройства 1 и, в частности, силовых цилиндров 14.
Действительно, в случае расположения этих роторов ниже по потоку никакая связь с конструкцией вентилятора невозможна, так как детали, находящиеся на этом уровне, не могут выдерживать усилия, возникающие в результате такой связи. Например, речь идет о кожухе 20 вентилятора, содержащем гидравлические каналы и электрические провода питания некоторых датчиков, при этом указанный кожух 20 не может выдерживать усилия, создаваемые устройством 1.
Поэтому необходимо воссоздать неподвижную систему координат.
Для этого согласно одному варианту выполнения устройство 1 содержит соединительный подшипник 18 качения, связывающий силовые цилиндры 14 с конструкцией ротора 3. Этот подшипник 18 воспринимает осевые и радиальные усилия, создаваемые устройством 1.
Кроме того, согласно варианту выполнения устройство 1 дополнительно содержит упругий демпфер 19, связывающий силовые цилиндры 14 с кожухом 20 вентилятора 4. Этот демпфер 19 позволяет ослаблять осевые деформации, связанные с термическими эффектами, и предпочтительно расположен между кожухом 20 и конструкцией ротора 3, на которой закреплен подшипник 18. Этот демпфер 19, например, выполненный в виде металлического сильфона, позволяет, в частности, избегать осевого воздействия на кожух 20 и избегать чрезмерной статичности конструкции.
Таким образом, кожух 20 не воспринимает конструктивных нагрузок со стороны устройства 1.
В устройстве 1 установлено по меньшей мере три силовых цилиндра 14. Как правило, эти силовые цилиндры 14 являются обычными силовыми цилиндрами, более простыми в применении, чем кольцевые домкраты из известных решений.
Чтобы не повышать возможность выхода из строя устройства, согласно варианту осуществления выполнены упоры 29, чтобы ограничивать наклон первой и/или второй части 10, 12. Упоры 29 могут быть установлены, например, на карданном шарнире 21. В альтернативном варианте упоры 29 могут быть установлены на второй части 12.
Ограничивая наклон пороговым значением, например, плюс или минус 5°, ограничивают амплитуду изменения угла установки лопастей, например, значением плюс или минус 2° (эти значения указаны исключительно в качестве примера и не являются ограничительными).
Таким образом, в случае неисправности одного из трех силовых цилиндров 14 включается аварийный режим работы, который не требует остановки двигателя, учитывая, что амплитуда изменения угла установки ограничена.
Управление силовыми цилиндрами 14 осуществляет блок управления, который может, например, быть встроен в вычислительное устройство летательного аппарата. Блок управления может быть запрограммирован для осуществления вариантов осуществления описанного далее способа регулировки угла установки.
Устройство 1 может быть использовано, в частности, в вентиляторе 4 без обтекателя, содержащем два винта противоположного вращения. В этом случае используют первое устройство для регулировки угла установки лопастей ротора расположенного выше по потоку винта и второе устройство для регулировки угла установки лопастей ротора расположенного ниже по потоку винта.
Способ регулировки
Согласно одному варианту осуществления способ регулировки угла установки лопастей содержит этап Е1, на котором управляют силовыми цилиндрами 14 для изменения наклона первой части 10.
Во время вращения первой части 10 каждой тяге 8 сообщается осевое перемещение, амплитуда которого может изменяться в зависимости от наклона первой части 10.
Следовательно, во время оборота лопасти вокруг оси 11 вентилятора 4 угол установки лопасти изменяется.
Управление силовыми цилиндрами 14 позволяет выбрать наклон первой части 10 через наклон второй части 12.
Это управление может меняться во время полета, например, в зависимости от условий полета или в зависимости от состояния летательного аппарата.
Управление поступательным перемещением, задаваемым силовыми цилиндрами 14 второй части 12, позволяет также задавать изменение, общее для регулировки углов установки всех лопастей ротора 3.
На фиг. 10 схематично представлен пример управления. Управление поступательным перемещением, задаваемым силовыми цилиндрами 14 второй части 12, позволяет задать угол установки 45° всем лопастям (кривая 39).
Наклон второй части 12 влечет за собой наклон первой части 10, что приводит к синусоидальному изменению угла установки каждой лопасти, который зависит от положения лопасти на обороте вращения (кривая 40).
Наклон первой части 10, который обуславливает циклическое изменение угла установки лопастей во время оборота, выбирают таким образом, чтобы сократить потери давления и подъемной силы, связанные с присутствием препятствия перед вентилятором 4, например, такого как крыло или фюзеляж.
Потери подъемной силы, связанные с присутствием препятствия, приводят к потере подъемной силы, имеющей фиксированный профиль, который можно определить посредством моделирования или испытания. На основании этих данных выбирают угол установки лопастей, чтобы компенсировать потери подъемной силы в зонах, где происходят эти потери.
В варианте выполнения, показанном на фиг. 11, применяют мультициклическую или субциклическую регулировку.
Согласно варианту способ содержит этап, на котором наклон первой части 10 устройства 1 подвергают флуктуации с частотой, превышающей скорость вращения ротора 3 (кривая 41). В частности, это может быть так называемая мультициклическая регулировка, то есть регулировка, частота изменения которой является кратной частоте вращения ротора.
Согласно варианту способ содержит этап, на котором наклон первой части 10 устройства 1 подвергают флуктуации с частотой, меньшей скорости вращения ротора 3 (кривая 42). В частности, это может быть так называемая субциклическая регулировка, то есть регулировка, частота изменения которой представляет собой долю частоты вращения ротора.
Такие регулировки угла установки лопастей позволяют, в частности, уменьшить нежелательные звуковые и/или механические усиления.
В частности, аэроакустическая симметрия каждого винта нарушается, и может быть уменьшен шум взаимодействия между расположенным выше по потоку и расположенным ниже по потоку винтами.
1
В случае вентилятора 4, содержащего расположенный выше по потоку ротор 3 и расположенный ниже по потоку ротор 3, согласно варианту осуществления способ может содержать этап Е2, на котором получают циклическое изменение угла установки лопастей расположенного выше по потоку ротора 3 вентилятора 4 во время оборота вращения, которое отличается от циклического изменения угла установки лопастей расположенного ниже по потоку ротора 3 вентилятора 4.
Этого можно достичь, задавая наклон первой части 10 устройства 1 ротора, расположенного со стороны выше по потоку, отличающийся от наклона первой части 10 другого устройства 1 ротора, расположенного со стороны ниже по потоку.
Следовательно, аэроакустическая связь между расположенными выше по потоку и расположенными ниже по потоку лопастями уменьшается, что позволяет уменьшить шум взаимодействия между лопастями и усиление механических вибраций.
1
2
Согласно варианту осуществления этот этап Е2 включает в себя этап Е2, на котором обеспечивают флуктуацию наклона первой части 10 расположенного выше по потоку ротора или расположенного ниже по потоку ротора вокруг номинального положения.
Например, номинальное положение выбирают таким образом, чтобы оно соответствовало наклону, то есть углу установки лопастей, который позволяет уменьшить аэродинамическое влияние данного препятствия, как было указано выше.
Чтобы уменьшить также шум взаимодействия между расположенными выше по потоку и расположенными ниже по потоку лопастями, также обеспечивают флуктуацию наклона вокруг этого номинального положения, причем эта флуктуация отличается на стороне выше по потоку и ниже по потоку (например, тем, что флуктуация присутствует выше по потоку и отсутствует ниже по потоку, или отличается выбором разных флуктуаций между сторонами выше по потоку и ниже по потоку). Таким образом, уменьшают и даже устраняют механическую и акустическую связь расположенных выше по потоку и расположенных ниже по потоку лопастей.
Таким образом, изобретение позволяет уменьшить отрицательное влияние неоднородности аэродинамического потока на лопасти вентилятора, а также шумы, создаваемые лопастями.