CN102869570B - 基于平衡块的涡轮螺旋桨发动机风扇叶片方向控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制涡轮螺旋桨风扇叶片方向的装置，所述涡轮螺旋桨发动机包括至少一组(24a，24b)带可调方向的风扇叶片，旋转固定到与涡轮转子(22a，22b)机械连接的旋转环(28a，28b)上。所述叶片组的每个叶片连接到叶根支架上，后者通过锥形齿轮系枢转安装到旋转环上，锥形齿轮系包括固定到叶根支架上的第一齿轮和固定到旋转环上的第二齿轮(50)，支撑着相对于其旋转轴线成偏心的平衡块(54)。旋转固定到涡轮转子和涡轮转子杆(32a，32b)上的动作筒(30a，30b)通过连接臂而连接到每个平衡块(54)上，从而使得所有平衡块可围绕其各自齿轮旋转轴线进行同步角度位移。

Description

基于平衡块的涡轮螺旋桨发动机风扇叶片方向控制装置

技术领域

本发明涉及到包括至少一组可变方向风扇叶片的涡轮螺旋桨发动机的一般领域。特别涉及到双螺旋桨航空涡轮螺旋桨发动机风扇叶片的方向控制。

背景技术

按照已知方式，双螺旋桨航空涡轮螺旋桨发动机包括带有两个对转式转子的涡轮，每个转子带动一组无导管风扇叶片。例如，可参看文件GB 2,129,502，该文件介绍了这种涡轮螺旋桨发动机不同实施方案。

在这种涡轮螺旋桨发动机中，每组风扇叶片的方向(也可用术语螺距控制)是控制涡轮螺旋桨发动机推力的参数之一。

为了控制特定一组风扇叶片，人们提出了不同的解决方案。例如，参看本申请者于2009年5月29日提交的法国专利申请No.09 53589和09 53591。在这些申请中，为了调节叶片方向，提出了将叶片连接到同步环上，该同步环通过中央动作筒和连接臂来旋转。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种控制涡轮螺旋桨发动机风扇叶片方向的方案，该方案实施方便，而且可靠，重量轻。

该发明目的可通过涡轮螺旋桨发动机风扇叶片方向控制装置来实现，所述控制装置包括至少一组带有可调方向的风扇叶片，该组风扇叶片旋转固定到与涡轮转子机械连接的旋转环上，其特征在于，为了控制方向，所述叶片组的每个叶片连接到叶根支架上，后者通过锥形齿轮系枢转安装到旋转环上，锥形齿轮系包括固定到叶根支架上并以与旋转环成径向的轴线为中心的第一齿轮，和固定到旋转环上的第二齿轮，第二齿轮以与所述旋转环成切向的轴线为中心，并支撑着平衡铁，后者相对于其旋转轴线成偏心，所述控制装置还包括以旋转环旋转轴线为中心的动作筒，旋转固定到涡轮转子上，其杆则通过连接臂连接到每个平衡铁上，从而围绕各个齿轮旋转轴线有角度地同步移动所有平衡块的位置。

这种控制装置具有诸多优点。特别是，因为部件较少，机械连接简单，所以性能可靠，重量轻。特别是，没有中间部件来引导转动或平移，否则，很难调整，且会受到摩擦影响。此外，这种装置的维护保养也十分容易，因为平衡块置于旋转环外部，非常方便。

每个连接臂包括一个径向联杆，其一端连接到相应的平衡块上，而另一端连接到的双臂曲柄的一个臂上，而双臂曲柄的另一个臂则连接到动作筒的杆上。

有利的是，每个连接臂的径向联杆径向穿过涡轮螺旋桨发动机箱体支臂。

另外，有利的是，对于每个叶根支架来讲，锥形齿轮系第一齿轮齿数是第二齿轮齿数的大约两倍。

叶片的变距位置对应于平衡锤从旋转环径向指向外面的角度位置。同样，叶片的0°位置对应于平衡块从旋转环径向指向内部的非稳定角度位置。

连接臂均匀分布在旋转环旋转轴线的周围。最后，风扇叶片组共包括10个风扇叶片。

本发明还涉及到双螺旋桨涡轮螺旋桨发动机，包括带有两个对转式转子的涡轮和两组方向可控的风扇叶片，而风扇叶片连接到分别与转子相连的两个旋转环上，至少一组风扇叶片的方向由上述控制装置来控制。

下面参照附图介绍本发明说明，本发明的其它特性和优点会显现出来，所述附图给出了发明的一个实施方案，但并非仅限于此。

附图说明

图1为双螺旋桨涡轮螺旋桨发动机纵向剖面图，所述发动机装有根据本发明的螺旋桨方向控制装置；

图2为图1的放大详图，示出了上游和下游组螺旋桨的方向控制；

图3A和3B分别为透视图和径向剖面图，示出了采用本发明装置对图1涡轮螺旋桨一个风扇叶片的方向控制；

图4A和4B示出了本发明控制装置的动作原理；以及

图5A到图5D示出了叶片随平衡块角度位置的变化而呈现的不同调整位置，所述平衡块与所述叶片相关。

具体实施方式

图1为双螺旋桨型飞机涡轮螺旋桨发动机的实施示例示意图。

这种涡轮螺旋桨发动机已为人们所知晓，因此不再详细介绍。涡轮螺旋桨发动机10具体包括纵轴12和围绕该纵轴同轴布置的环形短舱14。涡轮螺旋桨发动机10还包括，从上游到下游，压气机16、燃烧室18和带有两个对转式转子22a，22b的涡轮，这些不同部件也都围绕涡轮螺旋桨发动机纵轴12同轴布置。

涡轮螺旋桨发动机10还包括上游(或前部)风扇叶片26组24a和下游(或后部)风扇叶片组24b，所述风扇叶片方向可调。更确切地说，每组24a，24b风扇叶片26都安装在环形平台形式的旋转环28a，28b上，平台以涡轮螺旋桨纵轴12为中心。

此外，每组风扇叶片26沿圆周等间隔布置，并自旋转环28a，28b的表面径向延伸(叶片为非函道式)。涡轮的每个转子22a，22b装有其中一个旋转环28a，28b并带动其旋转，旋转环上安装有其中一组24a，24b带可调方向的风扇叶片。

涡轮螺旋桨发动机还包括控制每组24a，24b风扇叶片方向的装置。根据本发明的控制装置可控制上游组24a风扇叶片和下游组24风扇叶片b的方向。不过，控制装置仅可控制所述其中一组的风扇叶片的方向。

如图2更清楚所示，根据本发明的控制装置包括两个动作筒30a，30b驱动机构，用来改变上游组和下游组风扇叶片的方向，前面已经介绍了特别基于所述机构的联杆。

控制装置的动作筒30a，30b(液压、气动或电动)同轴布置，以纵轴12为中心，并旋转固定在涡轮的其中一个转子22a，22b的轴上(此处所示示例中，动作筒旋转连接到转子22b的轴上，驱动下游风扇叶片组24b转动)。

这两个动作筒的各个杆32a，32b沿纵轴12轴向平移，外动作筒30a的杆32a调定上游组24a风扇叶片的方向，而内动作筒30b的杆32b则调定下游组风扇叶片24b的方向。

应该注意的是，由于两个动作筒30a，30b固定到转子22b上，因此，两个动作筒沿下游组24b风扇叶片旋转方向围绕纵轴12旋转。然而，此时，动作筒32a所连接的上游组24a风扇叶片的方向改变机构则是沿相反方向被带动旋转。因此，在内动作筒的杆32a和所述上游组风扇叶片方向改变机构之间安装了滚动接触(滚珠或锥形滚柱)轴承34，目的是传输内动作筒的轴向推力，与此同时，仍使得两个机构沿彼此相反方向自由旋转。

更确切地说，在转子22b的轴上，安装了滚动接触轴承34的内座圈36，通过花键38而带动下游组24b风扇叶片旋转，内座圈连接到内动作筒的杆32a上。至于轴承34的外座圈40，连接到上游组风扇叶片的方向改变机构上。这样，滚动接触轴承34就会相对于带动上游组24a转动的轴而随转子22b的轴转动。

下面参照图3A，3B，4A和4B，介绍上游和下游组风扇叶片的方向改变机构。上游组和下游组的这些机构都相同。

上游组和下游组24a，24b的每个叶片26都连接到叶根支架42上，后者经由锥形齿轮系44而枢转安装在旋转环28a，28b上。如图3A和3B所示，该锥形齿轮系包括第一齿轮46和第二齿轮50，第一齿轮固定到叶根支架42上并以与旋转环成径向的轴线48为中心，而第二齿轮则固定到旋转环上并以与旋转环成切向的轴线52为中心。

该锥形齿轮系44的第一齿轮46的齿数是选定的，大体上是第二齿轮50齿数的两倍。这样，第二齿轮旋转90°就会带动第一齿轮旋转大约45°。

此外，每个锥形齿轮系的第二齿轮50带有一个平衡块54，所述平衡块相对于齿轮的旋转轴线52而成偏心。该平衡块的质量根据风扇叶片特性而具体预先确定。

另外，每个风扇叶片方向改变机构带有多个连接臂，连接动作筒30a，30b的杆32a，32b，对应于风扇叶片的相应组的平衡块54。

这些连接臂的功能是将动作筒杆的轴向动作转换为相应风扇叶片平衡块围绕其各自旋转轴线52的同步旋转动作。

为此，每个连接臂包括穿过涡轮螺旋桨发动机的箱体支臂57a，57b的径向联杆56a，56b，联杆的一端连接到相应平衡块上，而另一端连接到双臂曲柄58a，58b的一个臂上，而双臂曲柄的另一个臂则连接到相应动作筒的杆32a，32b上。每个连接臂还带有导向联杆60a，60b，其一端连接到双臂曲柄的两个壁之间的联杆上，而其另一端则起径向联杆56a，56b导向支架的作用。

图4A和4B示出了连接臂的动作原理。

在图4A中，第二齿轮50的平衡块54被向上枢转(即向其上安装相应叶根支架的旋转环的外部转动)。如下面详细介绍的那样，例如，平衡块的这个位置相当于相关叶片的变距。

在图4B中，平衡块相对于图4A位置顺时针按一定角度枢转约为一圈的3/4(将相关叶片置于反推位置)。这一转动可通过操作动作筒来实现，驱动动作筒的杆32a，32b沿箭头F的方向轴向位移，所述位移会在连接臂径向联杆56a，56b上产生拉动动作T。

当然，适当位移相应动作筒的杆32a，32b，也可获得平衡块的另一些角度位置(以及叶片的其它中间调定位置)。

为了正确实现这些动作原理，必须满足如下几何条件：

X＝Y＝Z(X和Y为双臂曲柄58a，58b两个臂的长度，Z为导向杆60a，60b的长度)；以及

β＝2xα(β为双臂曲柄双臂之间的夹角，α为径向联杆56a，56b和纵轴12之间的夹角，动作筒的对应杆32a，32b以所述纵轴为中心)。

下面参照图5A到图5D介绍可能不同的风扇叶片调定位置，这些调定位置可通过本发明控制装置来实现。

图5A示出了叶片26的变距情况(又称之为最小迎角调定)，也就是说，在飞机航行方向上叶片所处的将阻力降到最小的位置。该位置为安全位置。

叶片26的变距位置优选与相应平衡块54的向上转动角度位置相关，该位置从叶根支架安装的旋转环径向指向外部(附图中的箭头R示出了该径向向外方向)。为此，这种布局呈现几个优点。特别是，在径向联杆56a，56b断裂情况下，由于旋转环的转动，在离心力的作用下，平衡块54会其自己向上(图5A)，引起相应叶片的变距。于是，在故障情况下，本发明的控制装置的安全得以保证。此外，由于使用时平衡块趋于自己向上定位，径向联杆的作用是产生拉力，而不是压缩力或扭力，所以，它们的直径较小。

在图5B中，平衡块54相对于图5A围绕其旋转轴线52顺时针枢转四分之一转，考虑到锥形齿轮系齿轮之间的齿轮比，该四分之一转相当于叶片26相对于其变距位置而枢转45°。如前所述，结合图4A和图4B，可实现平衡块的这一枢转。叶片26的这种调定对应于叶片延伸而产生推力的飞行位置。

在图5C中，平衡块54再次相对于图5B而顺时针枢转四分之一转，相当于叶片26与其变距位置相比而枢转90°，(因此，对应于平衡块自旋转环径向指向内部的角度位置)。然而，称之为叶片“0°位置”的这种调定，在移至反推位置期间，必须是瞬间的(图5D所示情况)，因为如果该调定时间过长，则会存在超速的风险。由于平衡块与径向方向R处于对准状态，所以其不会承受扭矩，因此而保持平衡。然而，这种平衡是不稳定的，因为平衡块在离心力的作用下会试图从一侧或另一侧向上转动。因此，叶片26会趋于离开0°位置，这就保证了安全。为此，该0°位置在向反推位置移动期间只能是瞬间的。

因此，图5D示出了叶片26的反推位置(又称之为“反向”位置)。在这种调定状态时，叶片会向后指向，产生相反推力，有助于飞机的制动。为了从叶片飞行位置开始达到这种调定位置，需要在平衡块54上紧紧拉动径向联杆，使叶片回到图5C所示0°位置：借助惯性，平衡块会继续向另一侧移动，于是，在旋转环离心旋转力的作用下，将叶片置于反向位置。

作为补充，可以考虑使用一种电动执行机构(旋转电动机或其它某种类型)，如果机构惯性力不足时，这会有助于平衡块向另一侧移动，电动执行机构可以由螺旋桨除冰电路来供电。

应该注意的是，该图示出了涡轮螺旋桨发动机布置示例，其中，本发明控制装置所在的叶片组，包括10个风扇叶片26，这些叶片由相等数量的连接臂控制，而这些连接臂则围绕涡轮螺旋桨纵轴12而均匀等间隔布置。

此外，本发明结合带有对转式涡轮的涡轮螺旋桨发动机进行了介绍，所述涡轮与螺旋桨直接连接。当然，本发明也可应用到双螺旋桨涡轮螺旋桨发动机，其螺旋桨由行星齿轮减速装置驱动。

Claims (8)

1.一种控制涡轮螺旋桨发动机风扇叶片方向的控制装置，所述涡轮螺旋桨发动机包括至少一组(24a,24b)带有可调方向的风扇叶片(26)，风扇叶片组旋转固定到与涡轮(20)转子(22a,22b)机械连接的旋转环(28a,28b)上，其特征在于，为了控制其方向，所述风扇叶片组的每个叶片都连接到叶根支架(42)上，后者通过锥形齿轮系(44)枢转安装到旋转环上，锥形齿轮系包括固定到叶根支架上并以与旋转环成径向的轴线(48)为中心的第一齿轮(46)，和固定到旋转环上的第二齿轮(50)，第二齿轮以与所述旋转环成切向的轴线(52)为中心，并支撑着平衡铁(54)，后者相对于其旋转轴线成偏心，所述控制装置还包括以旋转环的旋转轴线(12)为中心的动作筒(30a,30b)，旋转固定到涡轮转子上，而其杆(32a,32b)则通过连接臂连接到每个平衡铁(54)上，从而围绕各个齿轮旋转轴线有角度地同步移动所有平衡块的位置，每个连接臂带有一个径向联杆(56a,56b)，其一端连接到相应的平衡块上，而另一端连接到双臂曲柄(58a,58b)的一个臂上，双臂曲柄的另一个臂则连接到动作筒杆上。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，每个连接臂的径向联杆(56a,56b)径向穿过涡轮螺旋桨发动机箱体支臂(57a,57b)。

3.根据权利要求1或2所述的控制装置，其特征在于，连接臂均匀分布在旋转环旋转轴线(12)的周围。

4.根据权利要求1或2所述的控制装置，其特征在于，对于每个叶根支架，锥形齿轮系(44)第一齿轮(46)的齿数是第二齿轮(50)齿数的大约两倍。

5.根据权利要求1或2所述的控制装置，其特征在于，叶片变距位置对应于平衡块自旋转环指向外部的角度位置。

6.根据权利要求1或2所述的控制装置，其特征在于，叶片的0°位置对应于平衡块自旋转环径向指向内部的非稳定角度位置。

7.根据权利要求1或2所述的控制装置，其特征在于，所述风扇叶片组(24a,24b)包括10个风扇叶片(26)。

8.一种双螺旋桨涡轮螺旋桨发动机，包括带有两个对转式转子(22a,22b)的涡轮(20)和两组(24a,24b)带有可调方向的风扇叶片(26)，所述风扇叶片旋转固定到两个旋转环(28a,28b)上，后者分别与转子相连，至少一组风扇叶片的方向控制由根据本发明权利要求1到7中任一项所述控制装置来实现。