СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ СТУПЕНЯМИ ЛОПАТОК СТАТОРА ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ИЗМЕНЯЕМЫМ УГЛОМ УСТАНОВКИ Российский патент 2010 года по МПК F01D17/16 

Область техники

Предлагаемое изобретение относится к управлению ступенями лопаток с изменяемым углом установки, используемых в турбореактивных двигателях.

Предшествующий уровень техники

В турбореактивном двигателе известно использование одной или нескольких ступеней лопаток статора, предназначенных для регулирования потока и направления течения газов, проходящих через участок сжатия газов, в зависимости от режима функционирования данного турбореактивного двигателя. При этом каждая из этих ступеней лопаток статора имеет в своем составе множество лопаток (называемых лопатками с изменяемым углом установки), которые имеют возможность поворачиваться относительно их осей связи со статором таким образом, чтобы угол установки этих лопаток мог быть модифицирован в зависимости от режима функционирования данного турбореактивного двигателя.

Известные устройства, предназначенные для управления ступенями лопаток с изменяемым углом установки, обычно имеют в своем составе орган управления, выполненный в форме кольца, охватывающего кожух данного турбореактивного двигателя, и множество тяг или рычагов, причем каждый из этих рычагов содержит первый конец, связанный с упомянутым кольцом управления при помощи шарнирного соединения, и второй конец, смонтированный на оси вращения соответствующей лопатки. Приводной силовой цилиндр связан с упомянутым кольцом управления для того, чтобы приводить это кольцо во вращательное движение относительно оси данного турбореактивного двигателя. Это вращение упомянутого кольца относительно оси турбореактивного двигателя влечет за собой синхронизированное изменение углового положения лопаток данной ступени.

В том случае когда речь идет о синхронизированном управлении двумя ступенями лопаток с изменяемым углом установки, которые имеют возможность изменять свое положение в осевом направлении, известно также использование рычага синхронизации, предназначенного для передачи вращательного движения ведущего кольца, обеспечиваемого при помощи приводного силового цилиндра, к кольцу управления другой ступени лопаток. Эта передача движения осуществляется посредством передаточных органов, установленных с возможностью поворота на кожухе турбореактивного двигателя и связанного, с одной стороны, с упомянутым рычагом синхронизации, а с другой стороны, с упомянутыми кольцами управления.

Такая система управления создает движения в различных управляемых ступенях лопаток, которые могут быть представлены в виде кривых, демонстрирующих изменение угла установки лопаток ведомой ступени в функции угла установки лопаток ведущей ступени лопаток. При использовании описанной выше системы управления ступенями лопаток эти кривые, называемые кривыми корреляции, представляют постепенное изменение наклона. Этот тип системы управления позволяет также обеспечивать только простое управление ступенями лопаток.

Однако все более распространенной становится ситуация, когда аэродинамические требования, предъявляемые к управлению изменением углового положения лопаток, требуют использования более сложных законов управления, выражающихся, в частности, при помощи кривых корреляции, которые содержат, в частности, в своей конечной части участки кривых, представляющих резкое ускорение или замедление изменения наклона.

В патенте ЕР 0909880 описано устройство, обеспечивающее изменение угла установки лопаток и позволяющее реализовать нелинейные законы управления. В этом устройстве каждый рычаг ведущей ступени лопаток соединен с соответствующим кольцом управления при помощи связи, образованной канавкой и выступом, скользящим в этой канавке. Такая система управления оказывается не вполне удовлетворительной, поскольку она не позволяет, в частности, воспроизводить кривую корреляции, имеющую резкое ускорение или замедление изменения наклона.

Сущность изобретения

Задача данного изобретения состоит, таким образом, в том, чтобы устранить имеющиеся в существующих системах подобного типа недостатки и предложить такую систему управления, которая позволяет реализовать закон изменения угла установки лопаток, имеющий ускорение (или замедление) изменения наклона в некоторой локализованной зоне траектории управления.

Для решения этой задачи предлагается система управления двумя ступенями лопаток статора турбореактивного двигателя с изменяемым углом установки этих лопаток, причем каждая ступень образована множеством лопаток, каждая из которых установлена с возможностью поворота на кожухе турбореактивного двигателя, и кольцом управления, охватывающим упомянутый кожух и связанным с каждой из лопаток данной ступени посредством рычагов, причем эта система управления содержит приводной элемент, предназначенный для приведения во вращательное движение кольца управления одной из ступеней лопаток посредством ведущего органа, установленного на кожухе двигателя с возможностью поворота, и рычаг синхронизации, предназначенный для передачи вращательного движения от ведущего кольца управления, приводимого в движение упомянутым приводным элементом, на кольцо управления другой ступени лопаток посредством некоторого следящего органа, установленного с возможностью поворота на кожухе двигателя, отличающаяся тем, что система содержит дополнительный поворотный орган, предусмотренный между упомянутым следящим органом и ведомым кольцом управления, причем упомянутый дополнительный поворотный орган установлен с возможностью поворота одновременно на кожухе двигателя и на упомянутом следящем органе.

В данном случае под ведомым кольцом управления следует понимать кольцо управления, которое приводится во вращательное движение посредством следящего органа.

При помощи такого дополнительного поворотного органа имеется возможность вызвать ускорение или замедление движений в управляемых ступенях лопаток в некоторой локализованной зоне траектории управления. От расположения точки вращения упомянутого дополнительного поворотного органа на кожухе двигателя зависит локализация этого ускорения (или замедления) на траектории управления.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления предлагаемого изобретения этот дополнительный поворотный орган имеет в своем составе рычаг, установленный с возможностью поворота на рычаге управления, связанном с ведомым кольцом управления, и направляющий стержень, имеющий возможность скользить во втулке, установленной с возможностью поворота на упомянутом кожухе.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления предлагаемого изобретения упомянутый дополнительный поворотный орган содержит рычаг, установленный с возможностью поворота на рычаге управления, связанном с ведомым кольцом управления, и направляющий стержень, имеющий возможность скользить во втулке, установленной с возможностью поворота на кожухе двигателя.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления предлагаемого изобретения упомянутый следящий орган содержит первый рычаг, связанный поворотным образом с упомянутым дополнительным поворотным органом, и второй рычаг, связанный с концом рычага синхронизации.

Точка поворота на кожухе двигателя упомянутого дополнительного поворотного органа может быть расположена внутри окружности, центр которой располагается в точке вращения на кожухе двигателя упомянутого следящего органа и радиус которой определяется первым рычагом этого следящего органа. В этом случае речь идет об ускорении на траектории управления.

Предпочтительно, чтобы точка вращения на кожухе двигателя упомянутого дополнительного поворотного органа была расположена снаружи от окружности, центр которой располагается в точке вращения следящего органа на кожухе двигателя и радиус которой соответствует длине первого рычага упомянутого следящего органа. В этом случае речь идет о замедлении на траектории управления.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления предлагаемого изобретения упомянутый приводной орган содержит первый рычаг, связанный с кольцом управления ведущей ступени посредством второго рычага управления, второй рычаг, связанный с концом рычага синхронизации, противоположным тому его концу, который связан со следящим органом, и третий рычаг, связанный с упомянутым приводным элементом.

Краткое описание чертежей

Другие характеристики и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из приведенного ниже описания не являющегося ограничительным примера его осуществления, где даются ссылки на приведенные в приложении чертежи, в числе которых:

фиг.1 представляет собой частичный схематический вид в изометрии системы управления в соответствии с одним из способов осуществления предлагаемого изобретения;

фиг.2А, 2В и 2С схематически демонстрируют систему управления, показанную на фиг.1, в различных ее положениях;

фиг.3 демонстрирует кривую корреляции, показывающую возможный закон изменения угла установки лопаток, полученный с использованием системы управления в соответствии с предлагаемым изобретением.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

На фиг.1 частично представлены две ступени 10 и 10′ лопаток с изменяемым углом установки, принадлежащие, например, компрессору турбореактивного двигателя. Этот компрессор содержит кольцевую оболочку статора 12 (или кожух), которая центрирована на оси Х-Х данного турбореактивного двигателя. Ступени 10, 10′ лопаток смещены относительно друг друга в осевом направлении.

Каждая ступень состоит из множества лопаток 14, 14′, располагающихся в радиальном направлении вокруг оси Х-Х турбореактивного двигателя. Лопатки 14, 14′ имеют возможность поворачиваться относительно оси 16, 16′ (или поворотного вала), которая проходит сквозь кожух 12.

Каждая поворотная ось 16, 16′ лопаток 14, 14′ с изменяемым углом установки связана с концом тяги или рычага управления 18, 18′, другой конец которого шарнирно закреплен относительно пальцев 20, 20′, располагающихся в радиальном направлении на кольце управления 22, 22′.

Кольца управления охватывают кожух 12 и центрированы на оси Х-Х турбореактивного двигателя. Синхронизированное изменение углового положения лопаток 14, 14′ реализуется, таким образом, при помощи поворота соответствующих колец управления 22, 22′ относительно оси Х-Х турбореактивного двигателя.

Система в соответствии с предлагаемым изобретением позволяет обеспечить управление синхронизированным образом поворотом колец управления 22, 22′ относительно оси Х-Х турбореактивного двигателя. Эта система имеет в своем составе приводной элемент 24 типа силового цилиндра, закрепленного на кожухе 12 и предназначенного для приведения во вращательное движение кольца управления 22 одной из ступеней 10 посредством ведущего органа 26 типа передаточного механизма, который установлен с возможностью поворота на корпусе 28 кожуха 12 турбореактивного двигателя.

Рычаг синхронизации 30 позволяет передать поворотное движение от кольца 22, приводимого в движение при помощи силового цилиндра 24 (и называемого ведущим кольцом), на кольцо 22′ другой ступени 10′ (называемое ведомым кольцом) посредством следящего органа 26′ типа передаточного механизма, который также установлен с возможностью его поворота на корпусе 28 кожуха 12.

Рычаги управления 32, 32′ типа винтового толкателя обеспечивают передачу движения от ведущего передаточного механизма 26 и следящего передаточного механизма 26′ на кольца управления 22, 22′. Эти рычаги управления проходят тангенциально по отношению к кольцам, на которых они закреплены посредством соединительных вилок 27, 27′. На своих противоположных концах эти рычаги 32, 32′ закреплены на рычагах (или ветвях) соответственно 34, 36 ведущего передаточного механизма 26 и следящего передаточного механизма 26′, будучи соединенными с ними шарнирным образом.

Рычаг синхронизации 30 системы управления объединяет два других рычага соответственно 38, 40 ведущего передаточного механизма 26 и следящего передаточного механизма 26′, присоединенных к нему шарнирным образом. Приводной силовой цилиндр 24 шарнирно закреплен на третьем рычаге 42 ведущего передаточного механизма 26, противоположном рычагу 34, на котором закреплен рычаг 32.

Система управления в соответствии с предлагаемым изобретением, кроме того, имеет в своем составе дополнительный поворотный орган 44 (или дополнительный передаточный механизм), который вставлен между следящим органом 26′ и ведомым кольцом управления 22′. Этот дополнительный передаточный механизм установлен с возможностью поворота одновременно на кожухе 12 и на следящем органе 26′.

Более конкретно, дополнительный передаточный механизм 44 имеет в своем составе первый рычаг 46, один конец которого связан с рычагом управления 32′ ведомого кольца 22′, будучи шарнирно присоединенным к этому рычагу, а другой его конец установлен с возможностью поворота на следящем передаточном механизме 26′. Этот дополнительный передаточный механизм содержит также второй рычаг 48, проходящий перпендикулярно первому рычагу 46 вдоль оси поворота дополнительного передаточного механизма на следящем передаточном механизме. Направляющий стержень 50 закреплен на конце второго рычага 48.

Направляющий стержень 50 дополнительного передаточного механизма 44 имеет возможность скользить во втулке 52, установленной поворотным образом на кожухе 12. Втулка скольжения 52 представляет собой, например, втулку с рециркуляцией элементов качения. Она закреплена с возможностью поворота на кожухе 12 двигателя, например, при помощи поворотного кронштейна 54, припаянного к кожуху.

Как это можно видеть на фиг.2А и 2В, движение системы управления происходит следующим образом: приведение в действие силового цилиндра 24 вызывает поворот ведущего передаточного механизма 26 и поворот другого, следящего передаточного механизма 26′ посредством рычага синхронизации 30. Поворот передаточных механизмов 26 и 26′ относительно точек их вращения на кожухе 12 в свою очередь приводит в движение рычаги управления 32 и 32′ соответственно, которые при этом заставляют поворачиваться в том или другом направлении кольца управления 22 и 22′ относительно оси Х-Х турбореактивного двигателя. Как было показано выше, поворот этих колец управления вызывает синхронизированное изменение углового положения лопаток 14, 14′ каждой ступени 10, 10′ посредством рычагов управления 18, 18′.

На фиг.2С более подробно представлено движение дополнительного передаточного механизма 44. По соображениям придания большей ясности чертежу на нем проиллюстрированы только следящий передаточный механизм 26′ и дополнительный передаточный механизм 44 в двух предельных положениях системы управления, показанной на фиг.1. При этом пунктирной линией эта система управления представлена в положении открытого угла установки лопаток и сплошной линией представлена эта система управления в положении закрытого угла установки лопаток.

Поворот следящего передаточного механизма 26′ относительно его точки вращения 26′а на корпусе кожуха двигателя приводит к тому, что направляющий стержень 50 дополнительного передаточного механизма 44 скользит во втулке 52. Тот факт, что эта втулка 52 установлена с возможностью поворота на кожухе двигателя, позволяет этому направляющему стержню 50 постоянно оставаться располагающимся на одной линии с осью скольжения втулки. По мере того как этот направляющий стержень скользит в упомянутой втулке, точка поворота 44а дополнительного передаточного механизма 44 на следящем передаточном механизме 26′ приближается к поворотному кронштейну 54 втулки. В первый момент времени можно видеть, что первый рычаг 46 дополнительного передаточного механизма 44 остается располагающимся на одной линии с рычагом 36 следящего передаточного механизма 26′, на котором установлен этот дополнительный передаточный механизм.

Начиная с некоторого положения точки поворота 44а этого дополнительного передаточного механизма 44, называемой в дальнейшем положением опрокидывания, направляющий стержень 50 начинает вызывать в результате эффекта рычага ускоренный поворот первого рычага 46 дополнительного передаточного механизма 44 относительно точки его вращения 44а в направлении поворота следящего передаточного механизма 26′. Этот ускоренный поворот упомянутого первого рычага дополнительного передаточного механизма, таким образом, влечет за собой посредством рычага управления ускорение поворота ведомого кольца управления в направлении закрытия угла установки лопаток. Угол е, схематически представленный на фиг.2С, характеризует угловое ускорение, испытываемое дополнительным передаточным механизмом 44, по сравнению с системой управления, лишенной такого устройства.

В качестве примера можно отметить, что упомянутое положение опрокидывания точки вращения 44а дополнительного передаточного механизма 44 может быть определено как положение, начиная с которого больше половины длины направляющего стержня 50 уже прошло сквозь втулку 52. Таким образом, это положение опрокидывания может быть отрегулировано путем изменения положения поворотного кронштейна 54 втулки 52 и/или путем изменения длины направляющего стержня для того, чтобы выбрать зону траектории управления, которая должна быть ускорена. Эта зона может располагаться как в начале, так и в середине или в конце упомянутой траектории.

Фиг.3 иллюстрирует воздействия такого ускорения на закон изменения угла установки лопаток. Здесь пунктирной линией представлена кривая корреляции 100 (то есть кривая, определяющая угол установки лопаток ведомой ступени в функции угла установки лопаток ведущей ступени) для системы управления, не содержащей упомянутого дополнительного передаточного механизма, и сплошной линией представлена кривая корреляции 102, определенная для системы управления в соответствии с предлагаемым изобретением.

Кривая корреляции 100, определенная для системы, не содержащей упомянутого дополнительного передаточного механизма, представляет постепенно изменяющийся наклон. По сравнению с этой кривой кривая корреляции 102 представляет определенное ускорение изменения угла установки лопаток ведомой ступени в некоторой угловой зоне 104. Как можно видеть в этом примере осуществления изобретения, зона ускорения 104 располагается в конце траектории, то есть при закрытии угла установки. Как уже было сказано в предшествующем изложении, это положение может быть локализовано и другим образом.

Здесь следует отметить, что в примере выполнения, представленном на фиг.2С, поворотный кронштейн 54 втулки 52 (который соответствует точке поворота на кожухе дополнительного передаточного механизма 44) располагается внутри окружности С, центром которой является точка поворота 26′а на корпусе кожуха следящего органа 26′ и радиус которой соответствует длине рычага 36 упомянутого следящего органа, на котором установлен дополнительный передаточный механизм 44. Следствием такой конфигурации является ускорение на траектории управления.

В соответствии с другой возможной конфигурацией, не представленной на приведенных в приложении фигурах, можно также вызвать замедление на траектории управления. Действительно, такое замедление будет иметь место, если располагать поворотный кронштейн 54 втулки 52 снаружи от окружности С, параметры которой были определены в предшествующем изложении. Разумеется, изменяя положение поворотного кронштейна 54 втулки 52 снаружи от окружности С и/или изменяя длину направляющего стержня 50, можно также выбрать зону на траектории управления, которая должна быть замедлена (начало, середина или конец этой траектории).

И наконец, здесь следует отметить, что предлагаемое изобретение также может быть использовано для управления большим числом ступеней лопаток благодаря использованию такого же количества рычагов синхронизации. В соответствии с выбранными конструктивными решениями эти рычаги синхронизации будут располагаться либо последовательно, то есть будут связывать между собой смежные передаточные механизмы, либо параллельно между этими передаточными механизмами так, чтобы проходить вплоть до общего передаточного механизма.

Система управления двумя ступенями лопаток с изменяемым углом установки статора турбореактивного двигателя, содержащая приводной элемент, предназначенный для приведения во вращательное движение кольца управления одной из ступеней посредством ведущего органа, установленного с возможностью поворота на кожухе, рычаг синхронизации, предназначенный для передачи вращательного движения кольца, приводимого в движение приводным элементом, на кольцо управления другой ступени посредством следящего органа, установленного с возможностью поворота на упомянутом кожухе, и дополнительный поворотный орган, вставленный между следящим органом и ведомым кольцом, причем дополнительный поворотный орган установлен с возможностью поворота одновременно на кожухе и на упомянутом следящем органе. Такое выполнение системы позволит реализовать закон изменения угла установки лопаток, имеющий ускорение (или замедление) изменения наклона в некоторой локализованной зоне траектории управления. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система управления двумя ступенями (10, 10') лопаток (14, 14') с изменяемым углом установки статора турбореактивного двигателя, причем каждая ступень (10, 10') образована множеством лопаток (14, 14'), каждая из которых установлена с возможностью поворота на кожухе (12) турбореактивного двигателя, и кольцом управления (22, 22'), охватывающим упомянутый кожух и связанным с каждой из лопаток (14, 14') данной ступени посредством рычагов (18, 18'), причем эта система управления содержит приводной элемент (24), предназначенный для приведения во вращательное движение кольца управления (22) одной из ступеней (10) лопаток посредством ведущего органа (26), установленного на кожухе (12) с возможностью поворота, и рычаг синхронизации (30), предназначенный для передачи вращательного движения кольца (22), приводимого в движение приводным элементом (24), на кольцо управления (22') другой ступени (10') лопаток посредством следящего органа (26'), установленного с возможностью поворота на упомянутом кожухе, отличающаяся тем, что эта система содержит дополнительный поворотный орган (44), вставленный между следящим органом (26') и ведомым кольцом (22'), причем упомянутый дополнительный поворотный орган (44) установлен с возможностью поворота одновременно на кожухе (12) и на упомянутом следящем органе (26').

2. Система управления по п.1, отличающаяся тем, что дополнительный поворотный орган (44) содержит рычаг (46), установленный с возможностью поворота на рычаге управления (32'), связанном с ведомым кольцом (22'), и направляющий стержень (50), имеющий возможность скользить во втулке (52), установленной с возможностью поворота на кожухе (12).

3. Система управления по одному из пп.1 или 2, отличающаяся тем, что следящий орган (26') содержит первый рычаг (36), связанный с возможностью поворота с дополнительным поворотным органом (44), и второй рычаг (40), связанный с концом рычага (30) синхронизации.

4. Система управления по п.3, отличающаяся тем, что точка поворота на кожухе (12) дополнительного поворотного органа (44) располагается внутри некоторой окружности (С), имеющей в качестве центра точку поворота (26'а) на кожухе следящего органа (26') и имеющей в качестве радиуса первый рычаг (36) упомянутого следящего органа.

5. Система управления по п.3, отличающаяся тем, что точка поворота на кожухе (12) дополнительного поворотного органа (44) располагается снаружи от некоторой окружности (С), имеющей в качестве центра точку поворота (26'а) на кожухе следящего органа (26') и имеющей в качестве радиуса первый рычаг (36) упомянутого следящего органа.

6. Система управления по п.3, отличающаяся тем, что упомянутый ведущий орган (26) содержит первый рычаг (34), связанный с кольцом (22) управления ведущей ступени (10) посредством второго рычага управления (32), второй рычаг (38), связанный с концом рычага синхронизации (30), противоположным его концу, связанному со следящим органом (26'), и третий рычаг (42), связанный с приводным элементом (24).