ВИНТ БЕЗ ОБТЕКАТЕЛЯ С ЛОПАТКАМИ С ИЗМЕНЯЕМЫМ УГЛОМ УСТАНОВКИ ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ
SCREW WITHOUT COWLING WITH BLADES WITH VARIABLE ANGLE OF PITCH FOR TURBOMACHINE

Настоящее изобретение относится к турбомашине, содержащей, по меньшей мере, один винт без обтекателя с лопатками, относящимися к типу лопаток с изменяемым углом установки.
Турбомашина типа «open rotor» (открытый ротор) или «unducted fan» (вентилятор без обтекателя) содержит два наружных коаксиальных винта без обтекателя и противоположного вращения, соответственно, переднего и заднего, каждый из которых приводится во вращение посредством турбины турбомашины и расположен по существу радиально снаружи гондолы этой турбомашины.
Каждый винт содержит кольцевой роторный элемент, содержащий два по существу радиальных паза, равномерно расположенных вокруг продольной оси турбомашины, в которых установлены по существу цилиндрические опорные пластины лопаток винта. Пластины могут поворачиваться в пазах роторного элемента и приводиться во вращение вокруг осей лопаток посредством соответствующих средств для регулировки угла установки лопаток и его оптимизации в зависимости от условий эксплуатации турбомашины.
Согласно современной технологии средства приведения во вращение пластин содержат силовые цилиндры, удерживаемые вращающейся частью турбомашины, что является недостатком, поскольку в данном случае существует опасность плохого снабжения силовых цилиндров. Кроме того, эти силовые цилиндры во время эксплуатации подвергаются воздействию достаточно больших центробежных сил, которые способны, в частности, затруднить их функционирование.
Ранее уже предлагалось контролировать регулировку угла установки лопастей винта турбомашины посредством регулировочного кольца, которое расположено вокруг оси турбомашины и соединено с пластинами посредством крепежных деталей; причем это кольцо совершает поступательное движение вдоль оси турбомашины для приведения во вращение пластин вокруг осей лопаток. Согласно современной технологии данное регулировочное кольцо образует гайку и устанавливается на вращающейся части турбомашины, образуя червяк; причем вращение данной вращающейся части приводит к совершению кольцом поступательного движения вдоль оси турбомашины и, таким образом, вращению опорных пластин лопаток.
Однако такое решение также не является удовлетворительным, поскольку блок механизма приводится во вращение во время функционирования турбомашины. Кроме того, оно является сложным для практической реализации и применения.
Технической задачей изобретения является, в частности, простое, эффективное и экономичное решение этих проблем.
В связи с этим в нем предлагается турбомашина, содержащая, по меньшей мере, один винт без обтекателя с лопатками с изменяемым углом установки; причем эти лопатки установлены на по существу цилиндрических пластинах, выполненных с возможностью вращения вокруг их осей в радиальных пазах кольцевого роторного элемента и соединенных их радиально внутренними концами с регулировочным кольцом, которое приводится во вращение вокруг оси турбомашины с роторным элементом и выполнено с возможностью поступательного движения вдоль этой оси для приведения во вращение пластин вокруг их осей, отличающаяся тем, что регулировочное кольцо центрировано и направляется во время вращения вокруг оси турбомашины на средствах, которые неподвижны во вращении и совершают поступательные движения вдоль этой оси посредством приводного механизма, установленного на статоре турбомашины.
Таким образом, согласно изобретению средства перемещения при поступательном движении регулировочного кольца вдоль оси турбомашины неподвижны во вращении и не подвержены центробежной силе во время функционирования. Только регулировочное кольцо и детали крепления этого кольца к опорным пластинам лопаток подвижны во вращении вокруг оси турбомашины.
Согласно другой характерной особенности изобретения, средства центрирования и направления регулировочного кольца содержат кольцевую направляющую, проходящую вокруг оси турбомашины, и подшипники, установленные между этой направляющей и регулировочным кольцом. Эти подшипники позволяют ограничить износ направляющей и средств центрирования и направления.
Предпочтительно, направляющая имеет по существу U-образную форму и содержит две боковые стенки, задающие между собой кольцевой, выходящий наружу желобок, в который вставляется регулировочное кольцо; причем подшипники установлены с одной и другой стороны регулировочного кольца между этим кольцом и боковыми стенками.
Направляющая, преимущественно, образована двумя кольцевыми деталями, которые прикреплены один к другому; причем первая деталь определяет одну из боковых стенок направляющей, а вторая деталь, имеющая по существу L-образную форму сечения, определяет дно желобка и другую боковую стенку направляющей. Две детали направляющей могут быть скреплены друг с другом винтами, равномерно рассредоточенными вокруг оси турбомашины.
Подшипники являются, например, шарикоподшипниками. Приводным механизмом является, например, электрический, гидравлический или пневматический силовой цилиндр.
Каждое средство крепления регулировочного кольца к опорной пластине лопатки может содержать небольшой рычаг, один конец которого шарнирно соединен с одним элементом, закрепленным или образованным на радиально внутреннем конце, а другой конец шарнирно соединен с элементом, который в свою очередь шарнирно соединен со скобой регулировочного кольца, вокруг оси, параллельной оси турбомашины.
Турбомашина согласно изобретению может относиться к типу турбомашины, содержащей два винта без обтекателя вышеупомянутого типа, которые являются коаксиальными и противоположного вращения.
Изобретение станет лучше понятно, а другие детали, характерные особенности и преимущества настоящего изобретения проявятся более отчетливо после изучения нижеследующего описания, приводимого в качестве примера, который не носит ограничительного характера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- фиг.1 представляет собой схематичный вид осевого сечения турбомашины с винтом без обтекателя;
- фиг.2 и 3 представляют собой схематичные виды средств, согласно изобретению, приведения во вращение опорных пластин лопаток винта без обтекателя турбомашины, а также изображают два различных угловых положения установки этих пластин;
- фиг.4 и 5 представляют собой схематичные частичные виды в перспективе одного примера практической реализации средств приведения в движение, изображенных на фиг.2 и 3.
Сначала обратимся к фиг.1, на которой изображена турбомашина 10 с винтами без обтекателя (по-английски «open rotor» или «unducted fan»), которая содержит, от входа к выходу в направлении истечения газов внутрь турбомашины, компрессор 12, кольцевую камеру 14 сгорания, переднюю турбину 16 высокого давления и две задние турбины 18, 20 низкого давления, которые являются турбинами противоположного вращения, т.е. они вращаются в противоположных направлениях вокруг продольной оси А турбомашины.
Каждая из этих задних турбин 18, 20 жестко соединена при вращении с наружным винтом 22, 24, который расположен радиально снаружи гондолы 26 турбомашины; причем эта гондола 26 имеет по существу цилиндрическую форму и проходит вдоль оси А вокруг компрессора 12, камеры сгорания 14 и турбин 16, 18 и 20.
Поток воздуха 28, который попадает в компрессор 12, сжимается, затем смешивается с топливом и сжигается в камере 14 сгорания; затем топочные газы вбрасываются в турбины для приведения во вращение винтов 22, 24, которые обеспечивают большую часть силы тяги, производимой турбомашиной. Топочные газы выходят из турбин и, в конце концов, удаляются через реактивное сопло 32 (показано стрелкой 30) для увеличения этой силы тяги.
Винты 22, 24 установлены коаксиально, последовательно друг за другом. Каждый из этих винтов 22, 24 содержит множество лопаток 34, расположенных по существу на цилиндрических пластинах 36, которые установлены в радиальных пазах кольцевого роторного элемента 38, который частично изображен на фиг.4 и 5. Этот роторный элемент 38 проходит вокруг оси А турбомашины и соединен соответствующими средствами с ротором одной из задних турбин 18, 20 для приведения ее во вращение.
Опорные пластины 36 лопаток 34 выполнены с возможностью вращения вокруг их осей в радиальных пазах роторного элемента 38 и соединены со средствами 40 приведения во вращение этих пластин для регулировки угла установки лопаток вокруг их осей В и его оптимизации в зависимости от условий эксплуатации турбомашины.
Средства 40, согласно изобретению, приведения во вращение опорных пластин 36 лопаток 34 схематично изображены на фиг.2 и 3, а более детально - на фиг.4 и 5.
Эти средства приведения в движение 40 содержат, с одной стороны, вращающиеся элементы, соединенные с опорными пластинами 36 лопаток и, таким образом, с роторным элементом 38, а, с другой стороны, не вращающиеся элементы, соединенные со статором турбомашины.
Вращающиеся конструктивные элементы средств приведения в движение 40, согласно изобретению, содержат регулировочное кольцо 42, которое проходит вокруг оси А турбомашины и приводится во вращение вокруг этой оси с роторным элементом 38. Это регулировочное кольцо 42 соединено посредством крепежных деталей типа небольшого рычага с опорными пластинами 36 лопаток.
Каждый рычаг 44 соединения пластины 36 с кольцом 42 содержит конец, шарнирно соединенный с цилиндрическим штифтом 46, проходящим радиально внутрь от радиально внутреннего конца пластины, и другой конец, шарнирно соединенный с элементом 48, который, в свою очередь, шарнирно соединен со скобой 50 кольца 42. Оси шарнирного соединения рычагов с пластиной 36 и элементом 48 параллельны и ориентированы по существу параллельно оси В соответствующей пластины. Ось С цилиндрического штифта 46 пластины параллельна оси В этой пластины и расположена рядом с внешней периферией пластины таким образом, что оси В и С не будут расположены по одной линии друг с другом. Ось шарнирного соединения элемента 48 со скобой кольца по существу параллельна оси А турбомашины.
Регулировочное кольцо 42 перемещается, совершая поступательные движения вдоль оси А турбомашины, при помощи не вращающихся элементов средств приведения в движение 40, согласно изобретению, которые содержат приводной механизм 52, корпус 54 которого закреплен на статоре турбомашины, и стержень 58, соединенный со средствами 60 центрирования и направления во вращении регулировочного кольца вокруг оси А таким образом, чтобы перемещать эти средства 60 вдоль оси А.
Приводной механизм 52 является гидравлическим, пневматическим или электрическим силовым цилиндром.
Средства 60 центрирования и направления кольца 42 содержат кольцевую направляющую 62, которая проходит вокруг оси А турбомашины и поступательно перемещается вдоль этой оси посредством приводного механизма 52; причем данная направляющая содержит кольцевой желобок 64, в котором установлены направляющие подшипники 66 регулировочного кольца 42.
Согласно примеру практической реализации, изображенному на фиг.4 и 5, направляющая 62 образована двумя коаксиальными кольцевыми деталями 68, 70, которые скреплены друг с другом и ограничивают между собой упомянутый кольцевой желобок размещения кольца 42. Первая деталь 68, по существу плоская и радиальная, определяет первую боковую стенку кольцевого желобка. Вторая деталь 70 имеет по существу L-образную форму сечения и содержит плоскую часть, которая определяет другую боковую стенку 64 и соединена своей внутренней периферией с концом цилиндрической части, которая определяет дно кольцевого желобка 64 и прикреплена своим свободным концом к внутренней периферии первой детали 68.
Эта первая деталь 68 содержит на своей внутренней периферии осевые отверстия 72 для винтов, которые расположены на одной линии с отверстиями 74 с нарезанной резьбой свободного конца цилиндрической части второй детали 70. Эти отверстия 72, 74 равномерно рассредоточены вокруг оси А.
Подшипники 66 в данном случае представлены двумя шарикоподшипниками, которые установлены с одной и другой стороны направляющей 62, между этой направляющей и упомянутыми боковыми стенками направляющей. Шарики каждого подшипника 66 в данном случае направляются в коаксиальных и расположенных друг против друга кольцевых канавках 76, 78, которые образованы, соответственно, в боковой стенке направляющей 62 и соответствующей боковой стенке кольца 42.
Средства 40 приведения в движение, согласно изобретению, функционируют следующим образом. Перемещение стержня 58 приводного механизма 52 вдоль оси А турбомашины приводит к поступательному перемещению направляющей 62 вдоль этой оси и, таким образом, регулировочного кольца 42, которое размещено в кольцевом желобке 64 направляющей. Поступательное перемещение кольца 42 приводит при помощи рычагов 44 к вращению пластин 36 вокруг осей В лопаток 34. Как это показано на фиг.1, стержень 58 приводного механизма находится в убранном положении, а направляющая 62 и кольцо 42 находятся в отодвинутом назад положении, в котором лопатки 34 имеют некоторое угловое положение относительно их осей В. Как это показано на фиг.2, стержень 58 приводного механизма находится в выдвинутом положении, а направляющая и кольцо находятся в выдвинутом вперед положении, в котором лопатки имеют другое угловое положение относительно их осей В. Максимальный угол отклонения лопаток вокруг их осей составляет приблизительно 75° (приблизительно от -30 до +45°).
Скорость вращения V регулировочного кольца 42 составляет около 73 м/сек в конкретном случае практической реализации (V=ω·R, где ω=1000 об/мин или 104 рад/сек, а R=726 мм). Эта скорость явно меньше скорости вращающегося элемента корпуса высокого давления турбомашины, которая составляет V'=102 м/сек, в конкретном случае ω=16000 об/мин или 1674 рад/сек, где R=61 мм).