СИСТЕМА ВРАЩАЮЩИХСЯ В ПРОТИВОПОЛОЖНЫХ НАПРАВЛЕНИЯХ ВОЗДУШНЫХ ВИНТОВ, ПРИВОДИМЫХ В ДВИЖЕНИЕ ПРИ ПОМОЩИ ЭПИЦИКЛОИДАЛЬНОГО МЕХАНИЗМА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ УРАВНОВЕШЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ КРУТЯЩИХ МОМЕНТОВ МЕЖДУ ДВУМЯ ВОЗДУШНЫМИ ВИНТАМИ
SYSTEM OF PROPELLERS RUNNING IN OPPOSITE DIRECTIONS AND DRIVEN BY EPICYCLOIDAL MECHANISM THAT ENSURES BALANCED DISTRIBUTION OF TORQUE BETWEEN TWO PROPELLERS

Область техники
Изобретение в целом относится к системе вращающихся в противоположных направлениях воздушных винтов, предназначенной для газотурбинного двигателя летательного аппарата.
Предлагаемое изобретение также относится к газотурбинному двигателю для летательного аппарата, содержащему такую систему вращающихся в противоположных направлениях воздушных винтов.
Предлагаемое изобретение предпочтительным образом применяется к газотурбинным двигателям, предназначенным для летательного аппарата, например к турбореактивным двигателям или к турбовинтовым двигателям. Говоря более конкретно, это изобретение применяется к газотурбинным двигателям с так называемым "открытым ротором" ("open rotor"), внутри которых свободная силовая турбина приводит в движение, непосредственно или опосредованно, два вращающихся в противоположных направлениях воздушных винта при помощи устройства механической передачи, представляющего собой редуктор и содержащего, в частности, эпициклоидальный передаточный механизм. В этих системах вращающихся в противоположных направлениях воздушных винтов воздушные винты лишены, таким образом, обтекателей на уровне их наружных в радиальном направлении концов.
Существующий уровень техники
Из существующего уровня техники действительно известны газотурбинные двигатели с системами вращающихся в противоположных направлениях воздушных винтов, в которых эти воздушные винты приводятся в движение при помощи устройства механической передачи, обычно принимающего форму дифференциального редуктора. Такой дифференциальный редуктор содержит особый эпициклоидальный передаточный механизм, в котором планетарная шестерня приводится во вращательное движение при помощи ротора свободной силовой турбины, в котором держатель сателлитов приводит в движение первый воздушный винт и в котором коронная шестерня приводит в движение второй воздушный винт. По этому поводу следует отметить, что в зависимости от положения вращающихся в противоположных направлениях воздушных винтов по отношению к свободной силовой турбине, которая приводит эти воздушные винты в движение, первый воздушный винт представляет собой воздушный винт, находящийся ниже по потоку, а второй воздушный винт представляет собой воздушный винт, находящийся выше по потоку, или же наоборот. В любом случае, в отличие от простого эпициклоидального передаточного механизма коронная шестерня не является фиксированной, а является подвижной.
При использовании такого эпициклоидального передаточного механизма два воздушных винта не могут подвергаться воздействию одних и тех же аэродинамических крутящих моментов. Уравнения механического равновесия сателлитов показывают, что два этих крутящих момента в обязательном порядке имеют постоянное соотношение, зависящее от геометрических характеристик редуктора. Это соотношение в обязательном порядке отличается от единичного соотношения. Действительно, соотношение между крутящим моментом С1, приложенным к первому воздушному винту, и крутящим моментом С2, приложенным ко второму воздушному винту, выражается следующим образом:
С1/С2=(R+1)/(R-1),
где R соответствует понижающему передаточному отношению, определяемому эпициклоидальным передаточным механизмом.
Таким образом, для достижения соотношения крутящих моментов, близкого к единице, необходимо увеличивать понижающее передаточное отношение R, которое, однако, по соображениям механической реализуемости не может быть выше 10. Кроме того, увеличение понижающего передаточного отношения R неизбежно выражается в увеличении общей массы системы воздушных винтов, негативным образом влияющем на характеристики газотурбинного двигателя.
Вследствие не являющегося единичным соотношения между упомянутыми крутящими моментами один из двух воздушных винтов будет генерировать большее вращение вторичного воздушного потока, чем другой воздушный винт, что выражается в остаточном вращении выходного воздушного потока, по существу ограничивающего тяговый коэффициент полезного действия и повышающего нежелательным образом уровень акустического шума газотурбинного двигателя. На практике именно первый воздушный винт, приводимый в движение держателем сателлитов, всегда является более загруженным с точки зрения крутящего момента.
Кроме того, это различие между двумя крутящими моментами порождает также повышенное нагружение средств, служащих для подвески газотурбинного двигателя на летательном аппарате, вследствие этого данные средства должны быть переразмерены для того, чтобы выдерживать перегрузку, которая к ним прикладывается.
Сущность изобретения
Таким образом, техническая задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы устранить, по меньшей мере частично, отмеченные выше недостатки реализаций, известных из существующего уровня техники.
Для решения этой технической задачи объектом предлагаемого изобретения прежде всего является система вращающихся в противоположных направлениях воздушных винтов для газотурбинного двигателя летательного аппарата, имеющая в своем составе:
- свободную силовую турбину, содержащую первый ротор;
- первый воздушный винт и второй воздушный винт, вращающиеся в противоположных направлениях, предназначенные для приведения их во вращение вокруг продольной оси системы воздушных винтов по отношению к статору этой системы; и
- устройство механической передачи, содержащее эпициклоидальный передаточный механизм, снабженный планетарной шестерней, центрированной на упомянутой продольной оси и приводимой в движение при помощи упомянутого первого ротора свободной силовой турбины, по меньшей мере один сателлит, находящийся в зубчатом зацеплении с упомянутой планетарной шестерней, держатель сателлита(ов), приводящий в движение упомянутый первый воздушный винт, а также коронную шестерню, находящуюся в зубчатом зацеплении с каждым сателлитом и приводящую в движение упомянутый второй воздушный винт.
В соответствии с предлагаемым изобретением упомянутая свободная силовая турбина содержит также второй ротор, вращающийся в противоположном направлении по отношению к упомянутому первому ротору и приводящий во вращательное движение упомянутую коронную шестерню.
Таким образом, в предлагаемом изобретении предпочтительно предусматривается восполнить дефицит крутящего момента, воспринимаемого вторым воздушным винтом, действуя таким образом, чтобы этот воздушный винт частично приводился в движение при помощи второго ротора свободной силовой турбины через коронную шестерню эпициклоидального передаточного механизма. Говоря другими словами, крутящий момент, передаваемый на второй воздушный винт при помощи коронной шестерни, больше не происходит только от сателлитов, как это имело место в предшествующем уровне техники, но происходит также от второго ротора силовой турбины, который приобретает, таким образом, характер противовращения.
Эта специфическая особенность приводит к уравновешиванию двух крутящих моментов, передаваемых соответственно на два воздушных винта, причем соотношение между двумя этими крутящими моментами будет по существу единичным. Следствием этого является прежде всего то, что каждый из двух воздушных винтов будет производить по существу идентичное вращение вторичного потока, что исключает появление нежелательного остаточного вращения выходного потока. Таким образом, аэродинамический поток удовлетворительно выпрямляется на выходе из системы воздушных винтов, что обеспечивает наилучший тяговый коэффициент полезного действия, а также снижение уровня производимого газотурбинным двигателем акустического шума.
В то же время вследствие такого уравновешивания крутящих моментов средства, служащие для подвески газотурбинного двигателя на летательном аппарате, в меньшей степени подвергаются механическому нагружению и могут, следовательно, принимать менее дорогостоящую концепцию с точки зрения их габаритных размеров и массы.
Кроме того, внутри свободной силовой турбины противоположного вращения первый ротор может вращаться менее быстро, чем в случае классической турбины, сохраняя при этом ту же мощность, выдаваемую на выходе из этой турбины. Это снижение скорости вращения первого ротора позволяет не только облегчить и упростить его концепцию, поскольку центробежные усилия, которые к нему прикладываются, оказываются уменьшенными, но и позволяет также уменьшить понижающее передаточное отношение, обеспечиваемое эпициклоидальным передаточным механизмом, поскольку скорость его планетарной шестерни, приводимой в движение первым ротором, оказывается уменьшенной. Из двух этих преимуществ с очевидностью вытекает существенный выигрыш с точки зрения массы.
Кроме того, здесь следует отметить, что редуктор характеризуется механическим коэффициентом полезного действия, подразумевающим, что часть передаваемой мощности преобразуется в тепловую энергию. Поскольку мощность, выдаваемая газотурбинным двигателем летательного аппарата, достигает нескольких мегаватт, выделяемая тепловая энергия является весьма значительной. Эта тепловая энергия обычно отводится при помощи масляного контура и масляно-воздушного теплообменника. Установка этого теплообменника в гондолу двигателя представляет собой исключительно важное требование при интеграции силовой установки вследствие его существенных габаритных размеров, достаточно большой массы и создаваемого этим теплообменником дополнительного лобового сопротивления. С использованием эпициклоидального передаточного механизма, выполненного в соответствии с предлагаемым изобретением, часть мощности больше не передается через редуктор, но передается непосредственно на второй воздушный винт. Вследствие этого количество тепловой энергии, подлежащей рассеиванию в теплообменнике, оказывается уменьшенным таким образом, что могут быть приняты уменьшенные габаритные размеры этого теплообменника. Таким образом, это позволяет обеспечить выигрыш по массе, по габаритным размерам и по дополнительному лобовому сопротивлению, создаваемому этим масляно-воздушным теплообменником.
Предлагаемое изобретение может быть применено к любым газотурбинным двигателям, в частности к так называемым газотурбинным двигателям с "открытым ротором". В этом последнем случае предлагаемое изобретение применяется, когда система воздушных винтов будет расположена выше или ниже по потоку от газогенератора. В каждом из этих двух случаев внутри системы воздушных винтов может быть рассмотрена установка силовой турбины выше или ниже по потоку от воздушных винтов, вращающихся в противоположных направлениях. Это также применимо для положения эпициклоидального передаточного механизма по отношению к воздушным винтам.
Предпочтительным образом упомянутый первый воздушный винт представляет собой расположенный ниже по потоку воздушный винт, и упомянутый второй воздушный винт представляет собой расположенный выше по потоку воздушный винт. Это специфическое расположение принимается, в частности, в том случае, когда система воздушных винтов располагается ниже по потоку от газогенератора газотурбинного двигателя, а именно в том случае, когда эта система воздушных винтов выполняется в соответствии с концепцией, обеспечивающей толкающее усилие, или так называемой концепцией "pusher". Естественно, может быть рассмотрена и противоположная концепция, в соответствии с которой упомянутый первый воздушный винт будет представлять собой расположенный выше по потоку воздушный винт, а упомянутый второй воздушный винт будет представлять собой расположенный ниже по потоку воздушный винт, не выходя при этом за рамки предлагаемого изобретения. Это другое техническое решение принимается, в частности, в том случае, когда система воздушных винтов располагается выше по потоку от газогенератора газотурбинного двигателя, а именно в том случае, когда эта система воздушных винтов принимает концепцию, обеспечивающую тянущее усилие, или так называемую концепцию "puller".
Какова бы ни была концепция, рассматриваемая среди концепций, упомянутых выше, предпочтительно действовать таким образом, чтобы упомянутый первый ротор свободной силовой турбины, приводящий в движение планетарную шестерню, представлял собой внутренний ротор и чтобы упомянутый второй ротор свободной силовой турбины, приводящий в движение коронную шестерню, представлял собой наружный ротор, даже если может быть рассмотрена противоположная концепция, без выхода за рамки предлагаемого изобретения.
Предпочтительным образом упомянутый держатель сателлита(ов) жестко связан с упомянутым первым воздушным винтом, и упомянутая коронная шестерня жестко связана с упомянутым вторым воздушным винтом и с упомянутым вторым ротором свободной силовой турбины.
Предпочтительным образом первый и второй воздушные винты располагают каждый системой изменяемого угла установки их лопастей. Известным образом эти системы управляются так, чтобы скорость вращения двух воздушных винтов поддерживалась по существу постоянной в процессе функционирования при любом режиме работы двигателя.
В то же время объектом предлагаемого изобретения также является газотурбинный двигатель для летательного аппарата, содержащий систему вращающихся в противоположных направлениях воздушных винтов, описанного выше типа, причем этот газотурбинный двигатель представляет собой, например, турбовинтовой двигатель, но альтернативным образом он также может представлять собой турбореактивный двигатель с вентиляторами, вращающимися в противоположных направлениях. Естественно, в этом последнем случае упомянутое выше устройство механической передачи предназначено для приведения в движение вентилятора противоположного вращения этого турбореактивного двигателя. Предпочтительным образом, как об этом уже было сказано выше, предлагаемое изобретение специфическим образом применяется к так называемым газотурбинным двигателям с "открытым ротором" ("open rotor"), внутри которых свободная силовая турбина приводит в движение два воздушных винта, вращающихся в противоположных направлениях, косвенно посредством устройства механической передачи, образующего редуктор и содержащего, в частности, эпициклоидальный передаточный механизм.
Другие преимущества и характеристики предлагаемого изобретения будут лучше поняты из приведенного ниже и не являющегося ограничительным подробного описания этого изобретения.
Краткое описание чертежей
Это описание будет составлено со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 представляет собой схематический вид в половинном продольном разрезе газотурбинного двигателя для летательного аппарата в соответствии с предпочтительным вариантом реализации предлагаемого изобретения;
фиг.2 представляет собой увеличенный вид системы вращающихся в противоположных направлениях воздушных винтов, установленной в газотурбинном двигателе, показанном на фиг.1;
фиг.3 представляет собой вид в разрезе, выполненном вдоль линии III-III, показанной на фиг.2.
Подробное изложение предпочтительных вариантов реализации
Обращаясь к фиг.1, можно видеть газотурбинный двигатель 1 типа с "открытым ротором" ("open rotor") в соответствии с предпочтительным способом реализации предлагаемого изобретения.
На приведенных чертежах направление А соответствует продольному направлению или осевому направлению, параллельному продольной оси 2 газотурбинного двигателя. Что касается направления В, то оно соответствует радиальному направлению этого газотурбинного двигателя. Кроме того, стрелка 4 схематически показывает направление поступательного перемещения летательного аппарата под действием тяги, создаваемой газотурбинным двигателем 1, причем это направление поступательного перемещения является противоположным главному направлению течения газов внутри этого газотурбинного двигателя. Здесь термины "передний", "расположенный выше по потоку", "задний", "расположенный ниже по потоку", используемые в продолжении данного описания, следует рассматривать по отношению к упомянутому направлению 4 поступательного перемещения.
В передней части газотурбинный двигатель представляет воздухозаборник 6, продолжающийся в направлении назад гондолой 8 двигателя, причем эта гондола в целом содержит наружную оболочку 10 и внутреннюю оболочку 12, и обе эти оболочки центрированы на оси 2 и смещены одна относительно другой в радиальном направлении.
Внутренняя оболочка 12 образует наружный радиальный кожух для газогенератора 14, классическим образом содержащего располагающиеся в направлении спереди назад: компрессор 16 низкого давления, компрессор 18 высокого давления, камеру 20 сгорания, турбину 22 высокого давления и турбину 24 промежуточного давления. Компрессор 16 и турбина 24 механически связаны между собой при помощи вала 26, формируя таким образом корпус малого давления, тогда как компрессор 18 и турбина 22 механически связаны между собой при помощи вала 28, формируя таким образом корпус более высокого давления. Вследствие этого газогенератор 14 предпочтительным образом представляет классическую так называемую двухкорпусную концепцию.
Ниже по потоку от турбины 24 промежуточного давления располагается система 30 вращающихся в противоположных направлениях воздушных винтов, образующая приемное устройство газотурбинного двигателя.
Эта система 30 содержит свободную силовую турбину 32, представляющую собой турбину низкого давления, причем особенность этой турбины состоит в том, что она является турбиной с противовращением. Действительно, с более конкретной ссылкой на фиг.2 можно видеть, что эта турбина содержит первый ротор 32а, представляющий собой внутренний ротор этой турбины с противовращением, а также второй ротор 32b, представляющий собой наружный ротор этой турбины, причем этот второй ротор 32b также называют наружным барабаном.
Система 30 воздушных винтов содержит статор или кожух 34, центрированный на продольной оси 2 этой системы и заключающий в себе, в частности, упомянутую свободную силовую турбину 32. Этот статор 34 известным образом предназначен для того, чтобы быть жестко связанным с другими кожухами газотурбинного двигателя. С этой точки зрения указано, что система 30 воздушных винтов предпочтительным образом спроектирована так, чтобы эти воздушные винты были лишены окружающего эти винты в наружном радиальном направлении обтекателя, как это можно видеть на приведенных чертежах.
Кроме того, ниже по потоку от этой турбины 32 с противовращением система 30 воздушных винтов имеет в своем составе первый воздушный винт 7, или расположенный ниже по потоку воздушный винт, несущий лопасти 7а. Аналогичным образом, эта система 30 содержит второй воздушный винт 9, или расположенный выше по потоку воздушный винт, несущий лопасти 9а. Таким образом, воздушные винты 7 и 9 смещены относительно друг друга вдоль направления 4 и оба этих воздушных винта располагаются ниже по потоку от свободной турбины 32.
Два этих воздушных винта 7 и 9 предназначены для вращения в противоположных направлениях вокруг оси 2, на которой эти воздушные винты центрированы, причем вращение осуществляется по отношению к статору 34, остающемуся неподвижным.
Для приведения во вращательное движение двух этих воздушных винтов 7 и 9 предусматривается устройство 13 механической передачи, представляющее собой редуктор и имеющее в своем составе, в частности, эпициклоидальный передаточный механизм 15.
Как это можно видеть на фигурах 2 и 3, передаточный механизм 15 снабжен планетарной шестерней 17, центрированной на продольной оси 2 и установленной на планетарном валу 19, имеющем ту же самую ось, жестко связанную в направлении выше по потоку с первым ротором 32а посредством фланца 38. Таким образом, ротор 32а непосредственно приводит во вращательное движение планетарную шестерню 17, причем эта планетарная шестерня принимает форму зубчатого колеса с наружным расположением зубьев.
Передаточный механизм 15 содержит также один сателлит 21, предпочтительным образом несколько таких сателлитов, как это можно видеть на фиг.3, причем каждый из этих сателлитов входит в зубчатое зацепление с планетарной шестерней 17. Каждый сателлит 21 закрепляется на валу 23 сателлита, имеющем ось, смещенную по отношению к упомянутой оси 2, и принимает форму зубчатого колеса с наружным расположением зубьев.
Кроме того, передаточный механизм 15 оборудован держателем 25 сателлитов, центрированным на продольной оси 2 и несущим с возможностью вращения каждый из сателлитов 21 посредством валов 23 соответственно. Держатель 25 сателлитов закреплен на валу 29 держателя сателлитов той же оси и жестко связан с первым воздушным винтом 7, как это можно видеть на фиг.2, таким образом, чтобы иметь возможность непосредственно приводить этот воздушный винт во вращательное движение.
И наконец, передаточный механизм 15 содержит коронную шестерню 31, центрированную на оси 2 и закрепленную на валу 33 коронной шестерни той же оси, причем эта коронная шестерня 31 входит в зубчатое зацепление с каждым сателлитом 21. Вал 33 проходит в направлении ниже по потоку, будучи жестко связанным со вторым воздушным винтом 9 таким образом, чтобы иметь возможность непосредственно приводить этот воздушный винт во вращательное движение. Например, этот вал 33 оказывается располагающимся вокруг вала 29 держателя сателлитов, с которым он является концентрическим, как это показано на приведенных чертежах.
Коронная шестерня 31, принимающая форму зубчатого колеса с внутренним расположением зубьев, представляет дополнительную особенность, которая состоит в том, что эта коронная шестерня также закрепляется на другом валу 35 коронной шестерни той же оси и проходит в направлении выше по потоку. Этот вал 35 коронной шестерни, располагающийся вокруг вала 19 планетарной шестерни, с которым он является концентрическим, жестко связан со вторым ротором 32b посредством фланца 40. Таким образом, ротор 32b также принимает непосредственное участие в приведении в движение коронной шестерни 31 и, таким образом, в приведении в движение расположенного выше по потоку воздушного винта 9. Это позволяет обеспечить единичное соотношение между крутящими моментами, передаваемыми соответственно на расположенный ниже по потоку воздушный винт 7 и на расположенный выше по потоку воздушный винт 9, для обеспечения наилучшего коэффициента полезного действия газотурбинного двигателя.
И наконец, здесь следует отметить, что в соответствии с этим предпочтительным способом реализации, в котором каждый воздушный винт оборудован системой изменяемого угла установки его лопастей, эпициклоидальный передаточный механизм 15 располагается под прямым углом и внутри кожуха 42, разделяющего свободную силовую турбину 32 с противовращением и воздушные винты 7, 9. Этот кожух 42, называемый также выхлопным кожухом или же неподвижной рамой ("static frame"), несет на себе крепежный узел 44 двигателя, предназначенный для обеспечения подвески газотурбинного двигателя на конструкцию летательного аппарата.
Разумеется, специалистом в данной области техники могут быть внесены различные модификации в предлагаемое изобретение, которое было описано в предшествующем изложении лишь в качестве не являющегося ограничительным примера.