УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ОРИЕНТАЦИЕЙ ЛОПАСТЕЙ ВЕНТИЛЯТОРА ТУРБОВИНТОВОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2014 года по МПК B64C11/34 F01D7/00 

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к общей области турбовинтовых двигателей, содержащих по меньшей мере один узел лопастей вентилятора с регулируемой ориентацией. В частности, изобретение касается привода ориентации лопастей вентилятора авиационного турбовинтового двигателя с двойным винтом.

Как известно, авиационный турбовинтовой двигатель с двойным винтом содержит турбину с двумя роторами противоположного вращения, каждый из которых приводит в движение один узел лопастей вентилятора, не закрытых обтекателем. Можно, например, указать документ GB 2129502, в котором описаны различные варианты выполнения такого турбовинтового двигателя.

В турбовинтовом двигателе этого типа ориентация лопастей вентилятора каждого узла (речь идет также о регулировании шага) представляет собой один из параметров, позволяющих управлять тягой турбовинтового двигателя. Для этого, согласно одному из известных решений для управления ориентацией лопастей вентилятора одного узла, используют передачу управления углом установки, которую выполняют в виде радиальных валов, приводимых в действие силовыми цилиндрами, расположенными в центре турбовинтового двигателя.

Такое решение хотя и является эффективным, имеет все же недостаток, так как является сложным в реализации, поскольку требует применения очень большого количества зубчатых передач. Кроме того, управление такого типа требует наличия радиальных валов большого диаметра, чтобы избегать проблем напряжения кручения, которому они подвергаются. Такие валы имеют большое миделевое сечение, что приводит к дополнительному загромождению аэродинамического тракта и, следовательно, к снижению производительности.

Объект и сущность изобретения

Основной задачей изобретения является устранение этих недостатков и реализация управления ориентации лопастей вентилятора, не требующего применения валов, работающих на кручение.

Для этого объектом настоящего изобретения является устройство управления ориентацией лопастей вентилятора турбовинтового двигателя, содержащего по меньшей мере один узел лопастей вентилятора с регулируемой ориентацией, при этом упомянутый узел неподвижно соединен во вращении с вращающимся кольцом, центрованным по продольной оси и механически связанным с ротором турбины, при этом каждая лопасть узла связана для регулирования своей ориентации с синхронизирующим кольцом, центрованным по продольной оси, отличающееся тем, что дополнительно содержит подшипник качения с внутренней обоймой, которая установлена с возможностью перемещения скольжением на картере турбины и которая соединена со штоком силового цилиндра, центрованного по продольной оси, и с внешней обоймой, которая механически связана с синхронизирующим кольцом при помощи множества соединительных рычагов, соединенных со штоком силового цилиндра и шарнирно установленных на синхронизирующем кольце таким образом, чтобы приведение в действие силового цилиндра приводило к поворотному перемещению синхронизирующего кольца вокруг продольной оси.

Преимуществом устройства управления в соответствии с настоящим изобретением является то, что соединительные рычаги работают на растяжение, а не на кручение, поэтому образующие их тяги могут иметь меньший диаметр. Кроме того, это устройство управления не содержит зубчатых передач. В результате получают надежное и точное управление при меньшей массе.

Кроме того, силовой цилиндр устройства управления в соответствии с настоящим изобретением является неподвижным во вращении со всеми вытекающими отсюда преимуществами с точки зрения надежности. Действительно, шток силового цилиндра соединен с обоймой подшипника качения, которая установлена на картере турбины.

Согласно предпочтительному отличительному признаку, каждый соединительный рычаг содержит осевую тягу, соединенную с внешней обоймой подшипника качения, радиальную тягу, соединенную с синхронизирующим кольцом, и по меньшей мере один кабанчик угловой передачи, соединяющий осевую тягу с радиальной тягой таким образом, чтобы приведение в действие силового цилиндра приводило к перемещению радиальной тяги по существу в радиальном направлении.

Предпочтительно каждый соединительный рычаг дополнительно содержит по меньшей мере один другой кабанчик угловой передачи, неподвижно соединенный с вращающимся кольцом и соединенный с одной стороны с радиальной тягой и с другой стороны с тангенциальной тягой, закрепленной на синхронизирующем кольце таким образом, чтобы перемещение радиальной тяги по существу в радиальном направлении приводило поворотному перемещению синхронизирующего кольца вокруг продольной оси.

Предпочтительно внутренняя обойма подшипника качения выполнена с возможностью перемещения скольжением в продольном направлении на картере турбины посредством пазов.

Радиальная тяга каждого соединительного рычага может направляться в радиальном направлении герметичными подшипниками.

Предпочтительно устройство управления дополнительно содержит средства для придания заранее определенной ориентации лопастям вентилятора в случае неисправности силового цилиндра.

Предпочтительно каждый соединительный рычаг устройства управления проходит в радиальном направлении через стойку картера турбовинтового двигателя.

Соединительные рычаги могут быть равномерно распределены вокруг продольной оси. Наконец, узел может содержать десять лопастей вентилятора, и силовой цилиндр может быть механически соединен с синхронизирующим кольцом при помощи пяти соединительных рычагов.

Объектом настоящего изобретения является также турбовинтовой двигатель с двойным винтом, содержащий турбину с двумя роторами противоположного вращения и два узла лопастей вентилятора с регулируемой ориентацией, неподвижно соединенных во вращении с двумя вращающимися кольцами, соответственно связанными с роторами, при этом управление ориентацией лопастей вентилятора по меньшей мере одного из узлов выполнено с использованием описанного выше устройства управления.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания неограничительного примера выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 - схематичный вид в продольном разрезе турбовинтового двигателя с двойным винтом, оборудованного устройством управления ориентацией винтов в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 2 - увеличенный вид фиг. 1, иллюстрирующий управление ориентацией винтов расположенного выше по потоку узла.

Фиг. 3 - увеличенный вид фиг. 1, иллюстрирующий управление ориентацией винтов расположенного ниже по потоку узла.

Фиг. 4 - фронтальный вид части устройства управления, показанного на фиг. 2 и 3.

Подробное описание варианта выполнения

На фиг. 1 схематично представлен пример выполнения авиационного турбовинтового двигателя с двойным винтом.

Такой турбовинтовой двигатель известен и поэтому не будет описан детально. В частности, турбовинтовой двигатель 10 имеет продольную ось 12 и содержит кольцевую гондолу 14, расположенную коаксиально вокруг продольной оси. Кроме того, турбовинтовой двигатель 10 содержит от расположения ниже по потоку к расположению выше по потоку компрессор 16, камеру 18 сгорания и турбину 20 с двумя роторами 22а, 22b противоположного вращения, причем эти различные элементы тоже расположены коаксиально вокруг продольной оси 12 турбовинтового двигателя.

Турбовинтовой двигатель 10 содержит также расположенный выше по потоку (или передний) узел 24а и расположенный ниже по потоку (или задний) узел 24b лопастей 26 вентилятора с регулируемой ориентацией. Лопасти 26 вентилятора каждого узла 24а, 24b установлены, если говорить более точно, на вращающемся кольце 28а, 28b, выполненном в виде кольцевой площадки с центром на продольной оси 12 турбовинтового двигателя.

Кроме того, лопасти 26 вентилятора каждого узла установлены через равномерные промежутки в окружном направлении и проходят в радиальном направлении от поверхности соответствующего вращающегося кольца 28а, 28b. Каждый ротор 22а, 22b турбины 20 поддерживает и приводит во вращение одно из вращающихся колец 28а, 28b, на котором установлен один из узлов 24a, 24b лопастей вентилятора с регулируемой ориентацией.

Турбовинтовой двигатель содержит также устройство для управления ориентацией лопастей вентилятора каждого узла 24а, 24b. Устройство управления в соответствии с настоящим изобретением позволяет регулировать ориентацию лопастей вентилятора, одновременно расположенного выше по потоку узла 24а и расположенного ниже по потоку узла 24b. Вместе с тем, его можно использовать для управления ориентацией лопастей одного из этих узлов.

Как более наглядно показано на фиг. 2 и 3, устройство управления в соответствии с настоящим изобретением содержит для каждого узла 24а, 24b синхронизирующее кольцо 30a, 30b, центр которого находится на продольной оси 12 турбовинтового двигателя и которое расположено коаксиально с соответствующим вращающимся кольцом 28а, 28b, которое обычно имеет форму многоугольника.

Кроме того, как показано на фиг. 4, каждое синхронизирующее кольцо 30а, 30b связано через множество приводных тяг 32, шарнирно установленных на своих двух концах, с опорами 34 ножки лопасти, которые установлены с возможностью поворота на соответствующем вращающемся кольце 28a, 28b. Как известно, в каждой опоре 34 установлена ножка лопасти 26, например, при помощи крепления в виде ласточкина хвоста и закреплена с возможностью поворота вокруг радиальной оси 36 на вращающемся кольце, например, при помощи шарикового подшипника качения.

Таким образом, вращение каждого синхронизирующего кольца 30а, 30b вокруг продольной оси 12 турбовинтового двигателя (в одном или другом направлении) приводит к повороту каждой опоры 34 ножки лопасти вокруг ее соответствующей радиальной оси 36 (через приводные тяги 32), в результате чего меняется ориентация лопастей 26, установленных на этих опорах.

Устройство управления в соответствии с настоящим изобретением содержит также силовой цилиндр 38 (гидравлического, пневматического или электрического типа), который центрован по продольной оси 12 и закреплен на картере 39 турбины. Таким образом, силовой цилиндр является неподвижным.

Кроме того, силовой цилиндр 38 механически связан с синхронизирующими кольцами 30а, 30b при помощи множества соединительных рычагов 40а, 40b для приведения во вращение этих синхронизирующих колец вокруг продольной оси 12.

Далее со ссылками на фиг. 2 и 4 следует описание соединительных рычагов 40а, связывающих силовой цилиндр 38 с синхронизирующим кольцом 30а расположенного выше по потоку узла 24а.

Каждый соединительный рычаг 40а содержит осевую тягу 42а, которая соединена со штоком 44 силового цилиндра 38, радиальную тягу 46а, которая соединена с синхронизирующим кольцом 30а, и кабанчик 48а угловой передачи, который соединяет осевую тягу с радиальной тягой. Каждый соединительный рычаг содержит также приводную тягу 50а, которая вставлена между кабанчиком 48а угловой передачи и радиальной тягой 46а.

Точнее, осевая тяга 42а каждого соединительного рычага 40а соединена с внешней обоймой 52а подшипника 54а качения. Его внутренняя обойма 56а установлена на картере 30 турбины посредством пазов 58а и соединена со штоком 44 силового цилиндра 38. В этом подшипнике 54а качения установлен с возможностью вращения вал 59а ротора 22а, приводящий во вращение расположенный выше по потоку узел 24а, и он обеспечивает, таким образом, передачу поступательного движения штока 44 силового цилиндра от неподвижной отметки (картер 39 турбины) до вращающейся отметки (ротор 22а). Кроме того, кабанчик 48а угловой передачи каждого соединительного рычага 40а закреплен с возможностью поворота на этом валу 59а.

Из этой конструкции легко понять, что приведение в действие силового цилиндра 38 вызовет продольное перемещение подшипника 54а качения за счет скольжения его внутренней обоймы 56а на картере 39 турбины. Поскольку осевая тяга 42а каждого соединительного рычага соединена с внешней обоймой этого подшипника качения, она тоже переместится вдоль продольной оси 12, заставляя, таким образом, повернуться кабанчик 48а угловой передачи вокруг его точки крепления на валу 59а ротора 22а. Через приводную тягу 50а поворот кабанчика 48а угловой передачи вокруг его точки крепления приведет к перемещению радиальной тяги 46а по существу в радиальном направлении. Эта кинематика показана также на фиг. 2, где два крайних положения различных элементов соединительных рычагов 40а показаны сплошными линиями и пунктирными линиями.

Устройство управления в соответствии с настоящим изобретением содержит также средства для преобразования этого перемещения радиальной тяги 46а соединительных рычагов 40а во вращение синхронизирующего кольца 30а вокруг продольной оси 12.

Для этого, как показано на фиг. 4, каждый соединительный рычаг 40а дополнительно содержит другой кабанчик 60а угловой передачи, который закреплен с возможностью поворота на вращающемся кольце 28а и который соединен с одной стороны с радиальной тягой 46а и с другой стороны с тангенциальной тягой 62а, которая закреплена на синхронизирующем кольце 30а. Таким образом, перемещение радиальной тяги по существу в радиальном направлении приведет к повороту кабанчика 60а угловой передачи вокруг его точки крепления на вращающемся кольце, в результате чего тангенциальная тяга переместится по существу в тангенциальном направлении. Это перемещение приведет к повороту (в одном или другом направлении) синхронизирующего кольца 30а вокруг продольной оси. Эта кинематика показана на фиг. 4, где два крайних положения различных элементов этого преобразования показаны рядом друг с другом.

Далее со ссылками на фиг. 3 и 4 следует описание соединительных рычагов 40b, соединяющих силовой цилиндр 38 с синхронизирующим кольцом 30b расположенного ниже по потоку узла 24b.

Как и для управления ориентацией лопастей расположенного выше по потоку узла, каждый соединительный рычаг 40b содержит осевую тягу 42b, радиальную тягу 46b, которая соединена с синхронизирующим кольцом 30b, кабанчик 48b угловой передачи, который соединяет осевую тягу с радиальной тягой, и приводную тягу 50b.

Точнее, осевая тяга 42b каждого соединительного рычага соединена с внешней обоймой 52b подшипника 54b качения. Его внутренняя обойма 56b установлена на расположенном ниже по потоку конце картера 39 турбины посредством пазов 58b. Кроме того, она соединена со штоком 44 силового цилиндра 38.

Этот подшипник 54b качения поддерживает во вращении вал 59b ротора 22b, приводящего во вращение расположенный ниже по потоку узел 24b, и обеспечивает, таким образом, передачу поступательного движения штока 44 силового цилиндра от неподвижной отметки (картер 39 турбины) до вращающейся отметки (ротор 22b). Кроме того, кабанчик 48b угловой передачи каждого соединительного рычага 40b закреплен с возможностью поворота на этом валу 59b.

Понятно, что приведение в действие силового цилиндра приведет, таким образом, к продольному перемещению осевой тяги 42b, которая заставит повернуться кабанчик 48b угловой передачи вокруг его точки крепления на валу 59b. Поворот кабанчика 48b угловой передачи приведет к перемещению радиальной тяги 46b по существу в радиальном направлении.

Наконец, преобразование перемещения радиальной тяги 46b соединительных рычагов 40b во вращение синхронизирующего кольца 30b вокруг продольной оси 12 происходит аналогично преобразованию, описанному со ссылками на фиг. 4. Как показано на этой фигуре, каждый соединительный рычаг 40b содержит для этого другой кабанчик 60b угловой передачи, который закреплен с возможностью поворота на вращающемся кольце 28b и который соединен с одной стороны с радиальной тягой 46b и с другой стороны с тангенциальной тягой 62b, которая закреплена на синхронизирующем кольце 30b. При этом кинематика идентична кинематике, описанной ранее для приведения в действие расположенного выше по потоку узла.

Далее следует описание признаков, общих для управления ориентацией лопастей расположенного выше по потоку узла и расположенного ниже по потоку узла.

Поскольку соединительные рычаги 40а, 40b проходят через масляные камеры, радиальная тяга 46a, 46b этих рычагов направляется в радиальном направлении герметичными подшипниками 68a, 68b. Кроме того, эти же радиальные тяги 46a, 46b проходят в радиальном направлении через каждую стойку 70a, 70b картера турбовинтового двигателя.

Кроме того, согласно предпочтительному отличительному признаку, общему для управления ориентацией лопастей расположенного выше по потоку узла и расположенного ниже по потоку узла, устройство управления дополнительно содержит средства для придания заранее определенной ориентации лопастям в случае неисправности силового цилиндра.

Как показано на фиг. 4, эти средства выполнены в виде грузиков 72а, 72b, образующих противовесы. Эти грузики 72а, 72b неподвижно соединены с кабанчиками 60а, 60b угловой передачи и имеют массу, рассчитанную таким образом, чтобы обеспечивать усилия натяжения на радиальные тяги 46а, 46b.

Таким образом, в случае отказа силового цилиндра 38 центробежная сила, возникающая за счет массы радиальных тяг 46а, 46b и этих грузиков 72a, 72b, будет стремиться повернуть кабанчик 60a, 60b угловой передачи вокруг его точки крепления, чтобы «привести» синхронизирующее кольцо 30a, 30b в заранее определенное положение. Например, это заранее определенное положение может соответствовать флюгированию лопастей вентилятора.

Кроме того, на чертежах показан пример конфигурации турбовинтового двигателя, в котором узел лопастей, на котором находится устройство управления в соответствии с настоящим изобретением, содержит десять лопастей 26 вентилятора. В такой конфигурации пять соединительных рычагов 40а, 40b, равномерно распределенных вокруг продольной оси 12 турбовинтового двигателя, могут обеспечивать поворот синхронизирующих колец 30a, 30b (которые в этом случае имеют форму десятиугольника).

Наконец, изобретение было описано для турбовинтового двигателя с турбиной противоположного вращения, связанной напрямую с винтами. Разумеется, изобретение можно также применять для турбовинтовых двигателей с двойным винтом, винты в которых приводятся во вращение редуктором с планетарными шестернями.

Устройство управления ориентацией лопастей вентилятора турбовинтового двигателя, содержащего по меньшей мере один узел (24a) лопастей (26) вентилятора с регулируемой ориентацией, неподвижно соединенный во вращении с вращающимся кольцом (28a), механически связанным с ротором турбины. Каждая лопасть узла связана для регулирования своей ориентации с синхронизирующим кольцом (30a). Устройство дополнительно содержит подшипник (54a) качения с внутренней обоймой (56a), которая установлена с возможностью перемещения скольжением на картере турбины. Обойма соединена со штоком (44) силового цилиндра (38), и с внешней обоймой (52a), которая механически связана с синхронизирующим кольцом при помощи множества соединительных рычагов (40a). Рычаги соединены со штоком силового цилиндра и шарнирно установлены на синхронизирующем кольце таким образом, чтобы приведение в действие силового цилиндра приводило к поворотному перемещению синхронизирующего кольца вокруг продольной оси. Турбовинтовой двигатель предпочтительно содержит турбину (20) с двумя роторами (22a, 22b) противоположного вращения и два узла (24a, 24b) лопастей (26) вентилятора с регулируемой ориентацией. Достигается надежное и точное управление при меньшей массе. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство управления ориентацией лопастей вентилятора турбовинтового двигателя, содержащего по меньшей мере один узел (24a, 24b) лопастей (26) вентилятора с регулируемой ориентацией, при этом упомянутый узел неподвижно соединен во вращении с вращающимся кольцом (28a, 28b), центрованным по продольной оси и механически связанным с ротором (22a, 22b) турбины (20), при этом каждая лопасть узла связана для регулирования своей ориентации с синхронизирующим кольцом (30a, 30b), центрованным по продольной оси, отличающееся тем, что дополнительно содержит подшипник (54a, 54b) качения с внутренней обоймой (56a, 56b), которая установлена с возможностью перемещения скольжением на картере турбины и которая соединена со штоком (44) силового цилиндра (38), центрованного по продольной оси, и с внешней обоймой (52a, 52b), которая механически связана с синхронизирующим кольцом при помощи множества соединительных рычагов (40a, 40b), соединенных со штоком (44) силового цилиндра и шарнирно установленных на синхронизирующем кольце таким образом, чтобы приведение в действие силового цилиндра приводило к поворотному перемещению синхронизирующего кольца вокруг продольной оси.

2. Устройство по п.1, в котором каждый соединительный рычаг (40a, 40b) содержит осевую тягу (42a, 42b), соединенную с внешней обоймой (52a, 52b) подшипника (54a, 54b) качения, радиальную тягу (46a, 46b), соединенную с синхронизирующим кольцом (30a, 30b), и по меньшей мере один кабанчик (48a, 48b) угловой передачи, соединяющий осевую тягу с радиальной тягой таким образом, чтобы приведение в действие силового цилиндра приводило к перемещению радиальной тяги по существу в радиальном направлении.

3. Устройство по п.2, в котором каждый соединительный рычаг (40a, 40b) дополнительно содержит по меньшей мере один другой кабанчик (60a, 60b) угловой передачи, неподвижно соединенный с вращающимся кольцом (28a, 28b) и соединенный с одной стороны с радиальной тягой (46a, 46b) и с другой стороны с тангенциальной тягой (62a, 62b), закрепленной на синхронизирующем кольце (30a, 30b) таким образом, чтобы перемещение радиальной тяги по существу в радиальном направлении приводило к поворотному перемещению синхронизирующего кольца вокруг продольной оси.

4. Устройство по п.2, в котором внутренняя обойма (56a, 56b) подшипника (54a, 54b) качения выполнена с возможностью перемещения скольжением в продольном направлении на картере турбины посредством пазов (58a, 58b).

5. Устройство по п.2, в котором радиальная тяга (46a, 46b) каждого соединительного рычага (40a, 40b) направляется в радиальном направлении герметичными подшипниками (68a, 68b).

6. Устройство по п.1, дополнительно содержащее средства (72a, 72b) для придания заранее определенной ориентации лопастям (26) вентилятора в случае неисправности силового цилиндра (38).

7. Устройство по п.1, в котором каждый соединительный рычаг (40a, 40b) проходит в радиальном направлении через стойку (70a, 70b) картера турбовинтового двигателя.

8. Устройство по п.1, в котором соединительные рычаги (40a, 40b) равномерно распределены вокруг продольной оси (12).

9. Устройство по п.1, в котором узел (24a, 24b) содержит десять лопастей (26) вентилятора, и силовой цилиндр (38) механически соединен с синхронизирующим кольцом при помощи пяти соединительных рычагов (40a, 40b).

10. Турбовинтовой двигатель с двойным винтом, содержащий турбину (20) с двумя роторами (22a, 22b) противоположного вращения и два узла (24a, 24b) лопастей (26) вентилятора с регулируемой ориентацией, неподвижно соединенных во вращении с двумя вращающимися кольцами (28a, 28b), соответственно связанными с роторами, при этом управление ориентацией лопастей вентилятора по меньшей мере одного из узлов выполнен с использованием устройства по любому из пп. 1-9.