ВТУЛКА ВОЗДУШНОГО ВИНТА С ЛОПАСТЯМИ С ИЗМЕНЯЕМЫМ УГЛОМ УСТАНОВКИ Российский патент 2014 года по МПК B64C11/02 F01D21/04 F04D29/32 

Предлагаемое изобретение относится к втулке воздушного винта с лопастями с изменяемым углом установки, предназначенной для газотурбинного двигателя с вентилятором, не закрытым обтекателем ("open rotor" или "unducted fan" по-английски).

Вентилятор газотурбинного двигателя этого типа обычно содержит два наружных коаксиальных и вращающихся в противоположных направлениях воздушных винта, соответственно передний и задний, каждый из которых приводится во вращательное движение при помощи турбины газотурбинного двигателя и проходит по существу в радиальном направлении наружу по отношению к гондоле этого газотурбинного двигателя.

Каждый воздушный винт содержит втулку, имеющую в своем составе роторный элемент турбины и многоугольное кольцо, закрепленное на этом роторном элементе и имеющее по существу радиальные цилиндрические пазы, распределенные вокруг продольной оси данного газотурбинного двигателя, в которых размещаются лопасти воздушного винта.

Эти лопасти воздушного винта выполнены с возможностью поворотного движения в упомянутых пазах многоугольного кольца и приводятся во вращательное движение относительно осей лопастей при помощи соответствующих средств таким образом, чтобы регулировать угол установки лопастей и оптимизировать этот угол установки в зависимости от условий функционирования данного газотурбинного двигателя.

В процессе функционирования воздушного винта его лопасти подвергаются воздействию весьма значительных центробежных сил, величина которых может достигать 30000 даН, причем эти силы передаются на упомянутое многоугольное кольцо. В случае разрушения этого многоугольного кольца лопасти могут высвободиться и стать причиной весьма значительных структурных повреждений вокруг данного газотурбинного двигателя.

Техническая задача данного изобретения состоит, в частности, в том, чтобы предложить простое, эффективное и экономичное решение этой проблемы.

Объектом предлагаемого изобретения является втулка воздушного винта упомянутого выше типа, включающая в себя средства, предохраняющие от повреждений упомянутого многоугольного кольца.

Для решения этой технической задачи в данном изобретении предлагается втулка воздушного винта с лопастями с изменяемым углом установки для газотурбинного двигателя, причем эта втулка содержит роторный элемент турбины газотурбинного двигателя, многоугольное кольцо, неподвижно закрепленное на упомянутом роторном элементе, имеющее по существу радиальные цилиндрические пазы, распределенные вокруг центральной оси и предназначенные для размещения в них упомянутых лопастей, и множество предохранительных элементов удержания, связанных с роторным элементом и проходящих в радиальном направлении сквозь упомянутое кольцо через вырезы, выполненные в этом кольце, причем каждый из этих предохранительных элементов удержания имеет по меньшей мере одну опорную поверхность, располагающуюся напротив наружной поверхности кольца и отстоящую от нее на некоторое расстояние.

В случае разрушения или радиального деформирования в направлении наружу упомянутого многоугольного кольца наружная поверхность этого кольца будет входить в контакт с упомянутой опорной поверхностью и предохранительный элемент удержания будет воспринимать возникающее при этом радиальное усилие, обеспечивая, таким образом, по меньшей мере удержание этого кольца и ограничивая, таким образом, потенциальный ущерб от такого повреждения.

Говоря более конкретно, каждый предохранительный элемент удержания содержит расширенную головку с опорной поверхностью с каждой стороны от упомянутого выреза.

Предпочтительным образом каждый предохранительный элемент удержания содержит корневую часть, имеющую, например, форму типа "ласточкин хвост" и находящуюся в положительном зацеплении с канавкой дополняющей формы, выполненной в роторном элементе. Таким образом, радиальное удержание самого этого предохранительного элемента удержания обеспечивается достаточно простым и эффективным способом.

В случае необходимости упомянутая корневая часть может содержать также радиальное отверстие, в которое вставляется болт, предназначенный для ограничения перемещения этой корневой части по отношению к роторному элементу в направлении упомянутой канавки. В соответствии с другим способом реализации кольцевой стопорный элемент размещается между корневой частью и роторным элементом для того, чтобы ограничить перемещение корневой части по отношению к роторному элементу в направлении упомянутой канавки.

Подробности, касающиеся предлагаемого изобретения, изложены в приведенном ниже описании примера его реализации, где даются ссылки на приведенные в приложении фигуры, на которых:

- фиг.1 представляет собой схематический вид газотурбинного двигателя с воздушными винтами без обтекателя;

- фиг.2 представляет собой схематический вид в изометрии многоугольного кольца удержания лопастей воздушного винта без обтекателя в соответствии с одним из способов реализации предлагаемого изобретения;

- фиг.3 представляет собой вид спереди многоугольного кольца, показанного на фиг.2, с несколькими предохранительными элементами удержания;

- фиг.4 представляет собой схематический вид в разрезе по плоскости IV-IV, показанной на фиг.3.

На фиг.1 схематически представлен газотурбинный двигатель 10 с вентилятором, не закрытым обтекателем ("open rotor" или "unducted fan" по-английски), который, если рассматривать его в направлении спереди назад по ходу течения потока газов внутри этого газотурбинного двигателя, содержит компрессор 12, кольцевую камеру сгорания 14, турбину 16 высокого давления и две турбины 18 и 20 низкого давления, которые вращаются в противоположных направлениях, то есть это означает, что направления их вращения относительно продольной оси А данного газотурбинного двигателя являются взаимно противоположными.

Каждая из этих располагающихся позади по потоку турбин 18 и 20 жестко связана по вращательному движению с наружным воздушным винтом 22, 24, проходящим в радиальном направлении снаружи от гондолы 26 данного газотурбинного двигателя, причем эта гондола 26 является по существу цилиндрической и проходит вдоль оси А вокруг компрессора 12, камеры сгорания 14 и турбин 16, 18 и 20.

Поток 28 воздуха, который поступает в газотурбинный двигатель, подвергается сжатию, после чего смешивается с топливом и воспламеняется и сгорает в камере (14) сгорания, причем газообразные продукты сгорания поступают затем в турбины для того, чтобы приводить во вращательное движение воздушные винты 22, 24, которые обеспечивают бóльшую часть общей тяги, создаваемой данным газотурбинным двигателем. Газообразные продукты сгорания, выходящие из турбин, выбрасываются через реактивное сопло 32 (что проиллюстрировано стрелками 30) для того, чтобы увеличить тягу.

Воздушные винты 22, 24 располагаются коаксиальным образом один позади другого и содержат несколько лопастей, равномерно распределенных вокруг оси А данного газотурбинного двигателя. Эти лопасти проходят по существу в радиальном направлении и представляют собой лопасти с изменяемым углом установки, то есть это означает, что эти лопасти имеют возможность поворачиваться относительно их собственных осей таким образом, чтобы оптимизировать их угловое положение в зависимости от условий функционирования данного газотурбинного двигателя.

Каждый воздушный винт содержит многоугольное кольцо, которое проходит вокруг оси А и которое содержит множество радиальных и по существу цилиндрических пазов, в которые вставляются средства, обеспечивающие монтаж лопастей воздушного винта. Такое многоугольное кольцо 134 схематически проиллюстрировано на фиг.2. Это многоугольное кольцо содержит располагающиеся по существу в радиальном направлении цилиндрические пазы 136, имеющие цилиндрические стенки 156, и множество вырезов 158, равномерно распределенных вокруг центральной оси С этого кольца и сформированных в этом кольце для того, чтобы уменьшить его массу. Каждый вырез 158 располагается между двумя последовательно расположенными радиальными пазами 136.

Однако такое многоугольное кольцо 134 представляет собой элемент, повреждение которого является критическим для газотурбинного двигателя. В случае разрушения этого многоугольного кольца 134 или нарушения его связи с турбиной лопасти воздушного винта могут высвобождаться из зацепления с ним и будучи выталкиваемыми из этого кольца в результате действия центробежных сил вызывать весьма значительные повреждения элементов конструкции и оборудования, располагающихся вокруг данного газотурбинного двигателя. При этом должны быть приняты специальные меры для того, чтобы предотвратить эту опасность.

Втулка воздушного винта в соответствии с первым способом реализации предлагаемого изобретения схематически проиллюстрирована на фиг.3. В этой втулке воздушного винта кольцо 134 закреплено на роторном элементе 143 турбины при помощи средств, не показанных на этой фигуре. Для того чтобы обеспечить удержание кольца 134 или его сегмента, отделившегося от этого кольца в случае разрушения самого этого кольца или разрушения средств его крепления, множество предохранительных элементов 144 удержания, распределенных по окружности этого кольца 134, также закрепляются на роторном элементе 143 и проходят в радиальном направлении сквозь это кольцо 134 через выполненные в нем вырезы 158 для того, чтобы предоставлять опорные поверхности 145, располагающиеся напротив наружных поверхностей 146 кольца 134 и отстоящие от них в радиальном направлении на некоторое расстояние d.

На фиг.4 можно видеть, что предохранительный элемент 144 удержания имеет головку, расширенную в направлении, параллельном оси С, таким образом, чтобы предоставлять такую опорную поверхность 145, располагающуюся напротив наружных поверхностей 146 кольца 134 с каждой стороны от соответствующего выреза 158.

В своем основании каждый предохранительный элемент 144 удержания содержит корневую часть 147, выполненную в виде элемента типа "ласточкин хвост". Эта корневая часть 147 в форме типа "ласточкин хвост" находится в положительном зацеплении с канавкой 148, имеющей дополняющую ее форму и выполненной в роторном элементе 143 таким образом, чтобы удерживать этот элемент 144 удержания в радиальном направлении. В соответствии с проиллюстрированным здесь способом реализации канавка 148 ориентирована в направлении, параллельном оси С. Однако другие варианты ее ориентации, перпендикулярные по отношению к упомянутому радиальному направлению, в случае необходимости могут быть рассмотрены в зависимости от различных обстоятельств и пространственных требований, задаваемых условиями сборки и разборки данного газотурбинного двигателя. Так, например, упомянутая канавка может быть ориентирована тангенциально к окружности с центром на оси С.

Корневая часть 147 содержит также по меньшей мере одно отверстие 149, предназначенное для размещения в нем болта 150, позволяющего ограничить или полностью устранить перемещение этой корневой части 147 по отношению к роторному элементу в направлении канавки 148. В соответствии с другим способом реализации, не представленным на приведенных в приложении фигурах, кольцевой стопорный элемент устанавливается между корневой частью (147) и роторным элементом (143) для того, чтобы ограничить перемещение этой корневой части (147) по отношению к роторному элементу (143) в направлении упомянутой канавки (148).

В процессе нормального функционирования и поскольку опорные поверхности 145 имеют отклонение d в радиальном направлении по отношению к наружным поверхностям 146 кольца 134, никакие усилия не передаются от кольца 134 на роторный элемент 143 через предохранительные элементы 144 удержания. При этом все усилия, воздействующие со стороны кольца 134 в направлении роторного элемента 143, передаются при помощи обычных средств крепления этого кольца. Однако в случае разрушения или существенного деформирования этого кольца 134 в радиальном направлении и/или средств его крепления к роторному элементу 143 наружные поверхности 146 этого кольца 134 входят в механический контакт с опорными поверхностями 145 предохранительных элементов 144 удержания, которые воспринимают по меньшей мере часть радиальных усилий удержания по меньшей мере одной секции кольца 134. Таким образом, предохранительные элементы 144 удержания обеспечивают дополнительную безопасность по отношению к разрушению втулки воздушного винта в соответствии с предлагаемым изобретением.

Хотя предлагаемое изобретение было описано выше со ссылками на специфические примеры его реализации, очевидно, что могут быть осуществлены различные модификации и изменения в этих примерах, не выходящие при этом за рамки общей правовой защиты предлагаемого изобретения, определяемые приведенной ниже формулой этого изобретения. Следовательно, приведенное выше описание и приложенные к нему фигуры должны рассматриваться в качестве скорее иллюстративного, чем ограничительного примера.

Предлагаемое изобретение относится к втулке воздушного винта с лопастями с изменяемым углом установки для газотурбинного двигателя, в частности для газотурбинного двигателя с вентилятором, не закрытым обтекателем. Эта втулка воздушного винта содержит многоугольное кольцо 134, представляющее по существу радиальные цилиндрические пазы 136, распределенные вокруг центральной оси этого кольца 134 и предназначенные для размещения в них упомянутых лопастей, роторный элемент 143 турбины данного газотурбинного двигателя и скобу удержания, закрепленную на упомянутом кольце таким образом, чтобы связывать это кольцо с упомянутым роторным элементом 143. Эта втулка дополнительно содержит множество предохранительных элементов 144 удержания, связанных с роторным элементом 143, причем каждый из этих предохранительных элементов удержания имеет по меньшей мере одну опорную поверхность 145, располагающуюся против наружной поверхности 146 упомянутого кольца 134 и отстоящую от нее на некоторое расстояние в радиальном направлении. Достигается повышение безопасности за счёт удержания лопастей и обломков при разрушении многоугольного кольца втулки воздушного винта. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Втулка воздушного винта с лопастями с изменяемым углом установки для газотурбинного двигателя, содержащая:
- роторный турбинный элемент (143) газотурбинного двигателя,
- многоугольное кольцо (134), неподвижно закрепленное на упомянутом роторном элементе и имеющее по существу радиальные цилиндрические пазы (136), распределенные вокруг центральной оси (С) этого кольца (134) для приема упомянутых лопастей, отличающаяся тем, что эта втулка дополнительно содержит множество предохранительных элементов (144) удержания, соединенных с роторным элементом (143) и проходящих в радиальном направлении сквозь упомянутое кольцо (134) через вырезы (158), выполненные в этом кольце (134), причем каждый из этих предохранительных элементов удержания имеет по меньшей мере одну опорную поверхность (145), располагающуюся напротив наружной поверхности (146) этого кольца (134) и отстоящую от нее в радиальном направлении на некоторое расстояние (d).

2. Втулка по п.1, в которой каждый предохранительный элемент (144) удержания содержит с каждой стороны упомянутого выреза (158) расширенную головку с опорной поверхностью (145).

3. Втулка по п.1, в которой каждый предохранительный элемент (144) удержания содержит корневую часть (147), имеющую форму типа "ласточкин хвост" и находящуюся в положительном зацеплении с канавкой (148) дополняющей формы, выполненной в роторном элементе (143).

4. Втулка по п.3, в которой упомянутая корневая часть содержит также по меньшей мере одно отверстие (149), в которое вставляется болт (150), предназначенный для ограничения перемещения этой корневой части (147) по отношению к роторному элементу (143) в направлении упомянутой канавки (148).

5. Втулка по п.3, в которой стопорный кольцевой элемент размещается между корневой частью (147) и роторным элементом (143) для того, чтобы ограничить перемещение этой корневой части (147) по отношению к роторному элементу (143) в направлении упомянутой канавки (148).

6. Воздушный винт (22, 24), содержащий втулку в соответствии с любым из предшествующих пунктов и лопасти, вставляемые в упомянутые цилиндрические пазы (136).

7. Газотурбинный двигатель (10), содержащий по меньшей мере один воздушный винт с втулкой по любому из пп.1-5 и лопастями, вставляемыми в упомянутые цилиндрические пазы (136).