ТУРБОВИНТОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ И УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ОРИЕНТИРОВАНИЯ ЛОПАТОК ВЕНТИЛЯТОРА ТУРБОВИНТОВОГО ДВИГАТЕЛЯ
TURBO-PROPELLER ENGINE CONTROL DEVICE FOR FAN BLADES ORIENTATION OF TURBO-PROPELLER ENGINE

Уровень техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к общей области турбовинтовых двигателей, содержащих по меньшей мере один набор лопаток вентилятора с изменяемой ориентацией. Более конкретно оно относится к управлению ориентацией лопаток вентилятора спаренного пропеллерного турбовинтового двигателя летательного аппарата.
В известном виде спаренный пропеллерный турбовинтовой двигатель летательного аппарата включает в себя турбину с двумя винтами противоположного вращения, каждый из которых приводит в действие один набор лопаток вентилятора без обтекателя. Предлагается ссылка, например, на документ GB 2129502, в котором описаны различные варианты осуществления такого турбовинтового двигателя.
В этом виде турбовинтового двигателя ориентация лопаток вентилятора каждого набора (также используют термин управление шагом) составляет один из параметров, позволяющих управлять тяговым усилием турбовинтового двигателя.
Известны различные турбовинтовые двигатели, см., например, патент RU 2359132, в котором раскрывается газотурбинный двигатель, содержащий турбокомпрессор с компрессором, камерой сгорания, выход из которой соединен газовым трактом с турбиной. В турбину встроен электрогенератор. Перед компрессором установлен электродвигатель, который соединен валом с воздушным винтом. Электрогенератор установлен на статоре турбины, а система постоянных магнитов электрогенератора закреплена на рабочих лопатках турбины. Обмотки электрогенератора заключены в кожух, к которому подведена система воздушного охлаждения. Изобретение направлено на повышение КПД и надежности турбовинтового газотурбинного двигателя.
Однако в данном решении не раскрывается управление ориентированием лопаток вентилятора турбовинтового двигателя.
Цель и сущность изобретения
Настоящее изобретение в качестве своей основной цели предлагает решение для управления ориентацией лопаток вентилятора турбовинтового двигателя, который является простым для выполнения и при этом является надежным и имеет малую массу.
Эта цель достигнута благодаря устройству управления ориентацией лопаток вентилятора турбовинтового двигателя, включающему в себя по меньшей мере один набор лопаток вентилятора с регулируемой ориентацией, причем набор связан во вращении с вращающимся кольцом, механически соединенным с ротором турбины, отличающемуся тем, что каждая лопатка набора соединена, для управления ее ориентацией, с опорой комля лопатки, установленной с возможностью поворота на вращающемся кольце посредством конической зубчатой передачи, состоящей из первого зубчатого колеса, связанного с опорой комля лопатки и центрированного по оси, радиально к вращающемуся кольцу, и второго зубчатого колеса, связанного с вращающимся кольцом, центрированным по оси, направленной по касательной к упомянутому вращающемуся кольцу, и имеющего противовес, который является нецентрированным относительно своей оси вращения, устройство также включает в себя цилиндр, центрированный по оси вращения вращающегося кольца, связанный во вращении с ротором турбины, и шток цилиндра соединен с каждым противовесом посредством соединительных рычагов, чтобы синхронизированно под углом смещать все противовесы относительно оси вращения их соответствующего зубчатого колеса.
Такое устройство управления имеет многочисленные преимущества. В частности, оно является надежным и легким, потому что имеет относительно немного частей с простыми механическими соединениями. В частности, нет никаких промежуточных частей для направления в процессе вращения или в процессе перемещения, которые было бы трудно регулировать и которые подвергались бы явлениям изнашивания. Дополнительно обслуживание такого устройства является особенно простым, потому что противовесы, которые размещены на внешней стороне вращающегося кольца, легкодоступны.
Каждый соединительный рычаг может включать в себя радиальное звено, имеющее один конец, соединенный с соответствующим противовесом, и другой конец, соединенный с одним рычагом кривошипа, другой рычаг которого соединен со штоком цилиндра.
Предпочтительно радиальное звено каждого соединительного рычага проходит радиально через плечо турбовинтового корпуса.
Также предпочтительно, чтобы для каждой опоры комля лопатки количество зубцов первого зубчатого колеса конической зубчатой передачи было равно по существу удвоенному количеству зубцов второго зубчатого колеса.
Флюгерное положение лопаток может соответствовать угловому положению противовесов, направленных радиально наружу от вращающегося кольца. Аналогично положение 0° лопаток соответствует нестабильному угловому положению противовесов, направленных радиально внутрь от вращающегося кольца.
Соединительные рычаги можно равномерно распределять относительно оси вращения вращающегося кольца. Наконец, набор может включать в себя десять лопаток вентилятора.
Изобретение также относится к спаренному пропеллерному турбовинтовому двигателю, содержащему турбину, имеющую два ротора с противоположным вращением и два набора лопаток вентилятора с управляемой ориентацией, соединенных с двумя вращающимися кольцами, соответственно соединенными с роторами, управление ориентацией лопаток вентилятора по меньшей мере одного из наборов осуществляется устройством управления, таким как это определено ранее.
Краткое описание чертежей
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут понятны из приведенного ниже описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют один его вариант осуществления без какого-либо ограничения. На чертежах:
фиг.1 - схематичный вид в продольном разрезе спаренного пропеллерного турбовинтового двигателя, оснащенного пропеллерным ориентирующим устройством управления в соответствии с изобретением;
фиг.2 - увеличенное представление фиг.1, показывающее наборы управления ориентацией пропеллера выше по потоку и ниже по потоку;
фиг.3A и 3B - соответственно виды в перспективе и с радиальным разрезом, показывающие управление ориентацией одной лопатки вентилятора турбовинтового двигателя, показанного на фиг.1, использующего устройство в соответствии с изобретением;
фиг.4A и 4B показывают схематично динамику устройства управления в соответствии с изобретением; и
фиг.5A-5D иллюстрируют различные установленные положения лопатки как функции углового положения противовеса, соединенного с ней.
Подробное описание вариантов осуществления
На фиг.1 очень схематично показан пример выполнения турбовинтового двигателя летательного аппарата спаренного пропеллерного типа.
Такой турбовинтовой двигатель известен и поэтому не будет описываться подробно. Турбовинтовой двигатель 10 включает в себя, в частности, продольную ось 12 и кольцевую гондолу 14, выполненную соосно относительно продольной оси. Турбовинтовой двигатель 10 также включает в себя, сверху вниз по потоку, компрессор 16, камеру 18 сгорания и турбину 20, имеющую два ротора 22a, 22b с противоположным вращением, эти различные элементы также выполнены соосно относительно продольной оси 12 турбовинтового двигателя.
Турбовинтовой двигатель 10 также включает в себя расположенный выше по потоку (или передний) набор 24a и расположенный ниже по потоку (или задний) набор 24b лопаток 26 вентилятора, имеющих регулируемую ориентацию. Более точно лопатки 26 вентилятора каждого набора 24a, 24b установлены на вращающемся кольце 28a, 28b в форме кольцевой платформы, центрированной по продольной оси 12 турбовинтового двигателя.
Дополнительно лопатки 26 вентилятора каждого набора равномерно расположены на расстоянии по окружности и продолжаются радиально от поверхности соответствующего вращающегося кольца 28a, 28b (они без обтекателя). Каждый ротор 22a, 22b турбины 20 несет и приводит во вращение одно из вращающихся колец 28a, 28b, на котором установлен один из наборов 24a, 24b лопаток вентилятора, имеющих регулируемую ориентацию.
Турбовинтовой двигатель также включает в себя устройство управления ориентацией лопаток вентилятора каждого набора 24a, 24b. Устройство управления в соответствии с изобретением обеспечивает возможность управления ориентацией лопаток вентилятора и расположенного выше по потоку набора 24a и расположенного ниже по потоку набора 24b. Однако его можно использовать для управления ориентацией лопаток только одного из упомянутых наборов.
Как показано более точно на фиг.2, устройство управления в соответствии с изобретением включает в себя два цилиндра 30a, 30b, приводящих в действие механизмы для изменения ориентации лопаток вентилятора, расположенного выше по потоку и расположенного ниже по потоку наборов, упомянутые механизмы основаны главным образом на звеньях, описанных ранее.
Цилиндры 30a, 30b (гидравлический, пневматический или электрический) устройства управления являются соосными, центрированными по продольной оси 12 и связанными во вращении с валом одного из роторов 22a, 22b турбины 20 (в описанном здесь примере цилиндры связаны во вращении с валом ротора 22b, приводящего в движение расположенный выше по потоку набор 24b).
Соответствующие штоки 32a, 32b этих двух цилиндров перемещаются аксиально вдоль продольной оси 12, шток 32a внешнего цилиндра 30a устанавливает ориентацию лопаток вентилятора, расположенного выше по потоку набора 24a, а шток 32b внутреннего цилиндра 30b устанавливает ориентацию лопаток вентилятора, расположенного ниже по потоку набора 24b.
Следует отметить, что поскольку эти два цилиндра 30a, 30b соединены с ротором 22b, они поэтому вращаются относительно продольной оси 12 в направлении вращения лопаток вентилятора, расположенного ниже по потоку набора 24b. Однако теперь механизм изменения ориентации лопаток вентилятора, расположенного выше по потоку набора 24a, с которым соединен цилиндр 32a, приводится во вращение в противоположном направлении. Поэтому (шариковый или конический роликовый) подшипник 34 качения устанавливается между штоком 32a внутреннего цилиндра и механизмом изменения ориентации лопаток вентилятора упомянутого расположенного выше по потоку набора для передачи осевого тягового усилия внутреннего цилиндра, при этом оставляя эти два объекта свободными для вращения в противоположных направлениях.
Более конкретно, внутреннее кольцо 36 подшипника 34 качения устанавливают на валу ротора 22b, приводящего во вращение расположенный ниже по потоку набор 24b через шпоночные канавки 38, и соединяют со штоком 32a внутреннего цилиндра. Что касается внешнего кольца 40 подшипника 34, то его соединяют с механизмом изменения ориентации лопаток вентилятора, расположенного выше по потоку набора. Таким образом, подшипник 34 качения следует за вращением вала ротора 22b относительно вала ротора 22a, приводящего во вращение расположенный выше по потоку набор 24a.
Теперь в связи с фиг.3A, 3B, 4A и 4B будут описаны механизмы изменения ориентации лопаток вентилятора, расположенного выше по потоку и расположенного ниже по потоку наборов. Эти механизмы идентичны расположенному выше по потоку набору и расположенному ниже по потоку набору.
Каждая лопатка 26 наборов 24a, 24b соединена с опорой 42 комля лопатки, установленной с возможностью поворота на вращающемся кольце 28a, 28b посредством конической зубчатой передачи 44. Как показано на фиг.3A и 3B, эта коническая зубчатая передача состоит из первого зубчатого колеса 46, соединенного с опорой 42 комля лопатки и центрированного на оси 48 радиально к вращающемуся кольцу, и второго зубчатого колеса 50, соединенного с вращающимся кольцом и центрированного по оси 52 по касательной к вращающемуся кольцу.
Количество зубцов первого зубчатого колеса 46 такой конической зубчатой передачи 44 выбирают так, чтобы оно составляло по существу удвоенное количество зубцов второго зубчатого колеса 50. Таким образом, поворот на 90° второго зубчатого колеса вызовет поворот примерно на 45° первого зубчатого колеса.
Кроме того, второе зубчатое колесо 50 каждой конической зубчатой передачи несет вес, действующий как противовес 54, причем упомянутый противовес является нецентрированным относительно оси вращения 52 колеса. Масса этого противовеса предварительно определена, в частности, в соответствии с характеристиками лопаток вентилятора.
Каждый механизм изменения ориентации лопатки вентилятора также имеет множество соединительных рычагов, которые соединяют шток 32a, 32b цилиндра 30a, 30b, соответствующего противовесу 54 соответствующего набора лопаток вентилятора.
Эти соединительные рычаги имеют функцию преобразования аксиального движения цилиндрического штока в синхронизированное вращение противовесов соответствующего набора лопаток вентилятора относительно их соответствующей оси вращения 52.
С этой целью каждый соединительный рычаг включает в себя радиальное звено 56a, 56b, проходящее через плечо 57a, 57b корпуса турбовинтового двигателя и имеющее один конец, соединенный с соответствующим противовесом, и другой конец, соединенный с одним рычагом кривошипа 58a, 58b, другой его рычаг соединен со штоком 32a, 32b соответствующего цилиндра. Каждый соединительный рычаг также имеет ведущее звено 60a, 60b, один конец которого соединен со звеном между двумя рычагами кривошипа, а другой его конец действует в качестве направляющей опоры радиального звена 56a, 56b.
Динамика движения соединительных рычагов показана на фиг.4A и 4B.
На фиг.4A противовес 54 второго зубчатого колеса 50 повернут вверх (который направлен к внешней стороне вращающегося кольца, на котором установлена соответствующая опора комля лопатки). Как описано подробно ниже, это положение противовеса соответствует, например, флюгерному положению соединенной лопатки.
F
Т
На фиг.4B противовес повернут под углом вплоть до приблизительно 3/4 поворота по часовой стрелке относительно положения, показанного на фиг.4A (для размещения соответствующей лопатки в положение реверсирования тяги). Это вращение получают, управляя цилиндром, который совершает аксиальное смещение штока 32a, 32b цилиндра в направлении стрелки , причем упомянутое смещение вызывает движение вытягивания  на радиальном звене 56a, 56b соединительного рычага.
Конечно, другие угловые положения противовесов (и поэтому другие промежуточные положения лопатки) можно получать, соответственно смещая шток 32a, 32b соответствующего цилиндра.
Для такой кинематики для правильного функционирования необходимо выполнение следующих геометрических условий:
X=Y=Z (где X и Y являются длинами рычагов кривошипа 58a, 58b, а Z - длиной ведущего звена 60a, 60b); и
β=2×α (где β является углом, образованным между рычагами кривошипа, а α - углом, образованным между радиальным звеном 56a, 56b и продольной осью 12, по которой центрирован соответствующий шток 32a, 32b цилиндра).
Теперь в связи с фиг.5A-5D будут описаны различные возможные конфигурации размещения лопатки вентилятора, которые можно достигать устройством управления в соответствии с изобретением.
На фиг.5A показано флюгерное положение лопатки 26 (также названное положением минимального угла установки), то есть положение, в котором лопатку устанавливают (вдоль продольной оси 12) в направлении перемещения летательного аппарата, чтобы свести к минимуму градиент. Это положение является безопасным положением.
R
Флюгерное положение лопатки 26 предпочтительно связано с повернутым вверх угловым положением соответствующего противовеса 54, направленного радиально наружу от вращающегося кольца, на котором устанавливают опору комля лопатки (радиальное направление наружу показано схематично стрелкой  на чертежах). Таким образом, такая конфигурация имеет несколько преимуществ. В частности, в случае поломки радиального звена 56a, 56b, противовес 54 установится непосредственно вверх (фиг.5A) под влиянием центробежной силы из-за вращения вращающегося кольца, приводящего к установке во флюгерное положение соответствующей лопатки. Таким образом, в случае отказа безопасность устройства управления в соответствии с изобретением гарантирована. Дополнительно поскольку противовесы будут стремиться, в действии, размещаться непосредственно вверх, радиальные звенья изготавливают по определенному размеру, чтобы они работали на растяжение, а не на сжатие или на скручивание так, что они могут иметь меньший диаметр.
На фиг.5B противовес 54 повернут на одну четверть оборота по часовой стрелке относительно своей оси вращения 52 относительно фиг.5A, что соответствует, принимая во внимание передаточное отношение между зубчатыми колесами конической зубчатой передачи, повороту на 45° лопатки 26 относительно ее флюгерного положения. Этот поворот противовеса получают, как описано ранее, в связи с фиг.4A и 4B. Такое размещение лопатки 26 соответствует полетному положению, в котором лопатка вытягивается, чтобы создавать тяговое усилие.
R
И снова на фиг.5C противовес 54 повернут по часовой стрелке на одну четверть оборота относительно фиг.5B, что соответствует повороту на 90° лопатки 26 по сравнению с ее флюгерным положением (поэтому соответствует угловому положению противовеса, направленного радиально внутрь от вращающегося кольца). Однако это размещение, названное "положением 0°" лопатки 26, должно переходить во время перемещения в положение реверсирования тяги (положение, показанное на фиг.5D), потому что имеется риск превышения скорости, если это размещение поддерживается в течение продолжительного периода. Причем противовес выровнен с радиальным направлением , он не подвергнут вращающему моменту и поэтому находится в равновесии. Однако это равновесие нестабильное, потому что противовес стремится, под влиянием центробежной силы, повернуться вверх, с одной стороны или с другой. Поэтому лопатка 26 стремится переместиться от положения 0°, которое является гарантом безопасности. Таким образом, это положение 0° может быть только временным во время движения к положению реверсирования тяги.
Поэтому на фиг.5D показана лопатка 26 в положении реверсирования тяги (также названного положением "реверса"). С таким размещением лопатка ориентируется назад для создания противодействия тяговому усилию, чтобы помочь торможению летательного аппарата. Чтобы достигнуть такой установки, начиная с полетного положения лопатки, все, что необходимо, это натяжение радиального звена в достаточной мере на противовес 54 для возврата лопатки в положение 0°, показанное на фиг.5C: по инерции противовес продолжит свое движение для перемещения в другую сторону и таким образом приведет лопатку в положение реверса благодаря воздействию центробежной силы вращения вращающегося кольца.
В качестве дополнения можно рассмотреть добавление электропривода (поворотного двигателя или некоторого другого типа), который будет помогать противовесу перемещаться в другую сторону, когда инерция механизма будет недостаточной, тогда электропривод, возможно, будет обеспечен энергией посредством противообледенительного контура пропеллера.
Следует отметить, что на чертеже показан пример конфигурации турбовинтового двигателя, в котором набор лопаток, в котором расположено устройство управления в соответствии с изобретением, содержит десять лопаток 26 вентилятора, управляемых равным количеством соединительных рычагов, равномерно расположенных относительно продольной оси 12 турбовинтового двигателя.
Кроме того, выше изобретение было описано в связи с турбовинтовым двигателем, имеющим турбину с противоположным вращением, непосредственно соединенную с пропеллерами. Конечно, изобретение также относится к спаренным пропеллерным турбовинтовым двигателям, пропеллеры которых приводятся в действие редуктором с планетарной передачей.