ЛОПАСТЬ, В ЧАСТНОСТИ ЛОПАСТЬ РЕГУЛИРУЕМОГО ШАГА, ВИНТ, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКУЮ ЛОПАСТЬ, И ТУРБОМАШИНА Российский патент 2016 года по МПК B64C11/18 B64C11/30 B64C11/48 F02K3/02 

Настоящее изобретение относится к лопасти, в частности регулируемого шага, винту, содержащему такую лопасть, а также к турбомашине, в частности к турбомашине с бестуннельным вентилятором.

Хотя настоящее изобретение наиболее применимо к турбомашинам с бестуннельным вентилятором (в английской терминологии «open rotor» или также «unducted fan»), оно не ограничено таким применением.

Известно, что турбомашина с бестуннельным вентилятором содержит два внешних соосных винта противоположного вращения, соответственно передний (впереди расположенный) и задний (сзади расположенный), каждый из которых приводится во вращение турбиной и вытянут по существу радиально за пределы корпуса турбомашины. Каждый винт содержит, как правило, втулку, концентрическую относительно продольной оси турбомашины, на которой установлены лопасти.

Однако, несмотря на небольшой расход топлива, аэродинамическое взаимодействие между передним и задним винтами противоположных вращений такой турбомашины с бестуннельным вентилятором приводит к образованию повышенных рабочих акустических уровней. Действительно, вращение лопастей переднего и заднего винтов противоположных вращений приводит к образованию вихревых следов, завихрений на конце лопастей, а также турбулентных потоков в основании лопастей. Эти аэродинамические возмущения сзади переднего винта лежат в основе аэродинамического шума взаимодействия, когда они сталкиваются с задним винтом и снижают общий тяговый КПД турбомашины.

Также для уменьшения нежелательных излучений звука такой турбомашины и выполнения, таким образом, требований сертификаций по шуму, устанавливаемых руководством авиации, известно, что следует:

оптимизировать профиль лопастей для уменьшения интенсивности вихревого следа винтов и паразитных турбулентностей, появляющихся на конце лопастей, по меньшей мере, на некоторых рабочих режимах турбомашин (соответствуют, например, различным фазам полета летательного аппарата) и(или)

контролировать движение потока воздуха вокруг лопастей при помощи соответствующих технологий (например, использование задних кромок или оконечных краев лопастей со сдувом) без ухудшения аэродинамических характеристик соответствующего винта.

Однако часто разработка таких бесшумных винтов путем оптимизации профиля лопастей и(или) контроля потоков воздуха не предотвращает образования турбулентных потоков, появляющихся у основания лопастей.

В частности, в случае, когда лопасти регулируемого шага установлены на втулке переднего и заднего винтов для корректировки их регулировки угла установки (т.е. угла, образованного хордой основания каждой лопасти и плоскостью вращения винта) путем вращения лопастей вокруг их продольной оси в зависимости от заданных рабочих режимов; причем турбулентные движения у основания лопастей становятся основным фактором, способствующим образованию аэродинамических возмущений, достигающих заднего винта при некоторых заданных регулировках углов установки (соответствующих, например, фазам взлета, снижения, посадки и т.д.).

Действительно, каждая лопасть образована комлем лопасти, который удерживает ее подвижной во вращении во втулке соответствующего винта, причем образуются для вышеупомянутых регулировок углов установки пустые пространства между основанием лопастей и противолежащей изогнутой стороной втулки: основание лопастей не может постоянно повторять изогнутую форму втулки.

Такие пустые пространства, определенные передней пустой зоной и задней пустой зоной, разделенных между собой комлем каждой лопасти, усиливают турбулентную активность у основания лопастей винтов, в частности, когда они установлены под большим углом (например, при взлете и при снижении), что еще больше ухудшает аэродинамические характеристики заднего винта и увеличивает колебания скорости на последнем, лежащие в основе нежелательных излучений звука.

Задачей настоящего изобретения является устранение данных недостатков и, в частности, улучшение тягового КПД турбомашин с бестуннельным вентилятором, с одновременным уменьшением интенсивности аэродинамического шума при взаимодействии.

Для этого согласно изобретению лопасть, в частности регулируемого шага, предназначена для установки на втулке винта турбомашины таким образом, что пустое пространство, определенное между основанием лопасти и стороной втулки против упомянутого основания, примечательно тем, что оно содержит убирающиеся средства закрытия, которые могут занимать, с обратным действием, по меньшей мере, одно из двух следующих положений:

- выдвинутое положение, в котором убирающиеся средства закрытия закрывают, по меньшей мере, частично упомянутое пустое пространство, и

- крайнее убранное положение, в котором упомянутые убирающиеся средства удерживаются за пределами упомянутого пустого пространства.

Таким образом, благодаря изобретению, когда существует или образуется пустое пространство между основанием лопасти и изогнутой стороной втулки винта, на которой установлена лопасть (в частности, когда последняя установлена с регулируемым шагом), средства закрытия могут быть выдвинуты для заполнения данного пустого пространства и значительного уменьшения, таким образом, интенсивности турбулентных потоков, образующихся у основания лопасти.

В отдельном случае, когда такие лопасти согласно изобретению регулируемого шага закреплены на втулке переднего винта турбомашины с двумя винтами и с бестуннельным вентилятором, выдвижение средств закрытия при некоторых заданных углах установки (соответствуют фазам взлета, приземления и т.д.) - основы образования пустых пространств, являющихся источником возмущений, - приводит к уменьшению и(или) исчезновению упомянутых пустых пространств. Ослабление или исчезновение турбулентных потоков, образованных у основания лопастей упомянутыми пустыми пространствами, снижает их взаимодействие с задним винтом турбомашины. Как следствие, интенсивность аэродинамического шума от взаимодействия снижена, а характеристики тяги турбомашины значительно улучшены.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения упомянутое выдвинутое положение является крайним положением; таким образом, упомянутые средства закрытия способны перемещаться между двумя крайними - убранным и выдвинутым - положениями. Кроме того, согласно данной практической реализации средства закрытия могут удерживаться в промежуточном положении между двумя крайними - выдвинутым и убранным - положениями.

Предпочтительно, лопасть содержит, по меньшей мере, гнездо, которое выполнено в ее основании и позволяет размещать в нем упомянутые средства закрытия, когда они занимают убранное положение, для того, чтобы после уборки средств закрытия они не мешали вращению лопасти, когда она с регулируемым шагом, не приводили к образованию дополнительных паразитных турбулентных потоков.

Кроме того, лопасть предпочтительно содержит средства приведения в движение для управления выдвижением или уборкой средств закрытия для того, чтобы они попеременно занимали выдвинутое положение и убранное положение, и наоборот.

Данные средства приведения в движение также могут быть размещены в лопасти. Как вариант или как дополнение, средства приведения в движение могут содержать, по меньшей мере, один электромагнит, расположенный во втулке соответствующего винта, причем в данном случае средства закрытия предпочтительно выполнены, по меньшей мере, по поверхности из ферромагнитного материала.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, средства закрытия содержат, по меньшей мере, один из двух следующих конструктивных элементов:

переднюю заглушку, содержащую переднюю кромку, которая является продолжением передней кромки лопасти в выдвинутом положении;

заднюю заглушку, содержащую заднюю кромку, которая является продолжением задней кромки лопасти в выдвинутом положении.

Таким образом, удлиняя переднюю кромку и(или) заднюю кромку лопасти и заполняя при этом пустое пространство, существующее или образуемое, эффективно предотвращается образование возмущающих турбулентных потоков или, по меньшей мере, ограничивается их интенсивность.

Кроме того, каждая заглушка, передняя или задняя, содержит предпочтительно основание, выполненное с определенной формой для повторения, по меньшей мере, частично поверхности противолежащей втулки в выдвинутом положении для закрытия, как можно более эффективно, пустого пространства.

Предпочтительно, каждая заглушка, передняя или задняя, шарнирно соединена с лопастью, в частности с комлем лопасти, путем шарнирного соединения. Как вариант или как дополнение, также рассматривается скольжение по направляющим створок.

Кроме того, настоящее изобретение также относится к винту, в частности для турбомашины с бестуннельным вентилятором, содержащему втулку, установленную вращающейся вокруг оси вращения, содержащей множество лопастей, описание типа которых приведено ранее, которые установлены на упомянутой втулке.

Кроме того, лопасти могут быть установлены с регулируемым шагом таким образом, чтобы позволить обеспечить их угловую ориентацию.

Настоящее изобретение также относится к турбомашине, содержащей, по меньшей мере, один винт, тип которого точно определен выше.

В частности, турбомашина может быть с бестуннельным вентилятором и содержать два соосных винта противоположных вращений, в которой, по меньшей мере, передний винт относится к типу, который упоминался ранее.

Прилагаемые чертежи помогут лучше понять, как может быть осуществлено изобретение, а идентичные конструктивные элементы обозначены одинаковыми цифровыми позициями.

Фиг. 1 представляет собой схематический вид в продольном разрезе примера осуществления турбомашины с бестуннельным вентилятором согласно изобретению.

Фиг. 2 представляет собой схематический частичный разрез лопасти винта турбомашины, представленной на фиг. 1, передняя и задняя закрывающие створки которой выдвинуты.

Фиг. 3, схожая с фиг. 2, изображает случай, когда передняя и задняя закрывающие створки убраны.

На фиг. 1 схематически изображена турбомашина 1 с бестуннельным вентилятором согласно изобретению, которая содержит, спереди назад в направлении движения газов внутри турбомашины вдоль продольной оси L-L, компрессор 2, кольцевую камеру сгорания 3, турбину высокого давления 4 и две турбины низкого давления 5 и 6, которые являются турбинами противоположного вращения, т.е. они вращаются в двух противоположных направлениях вокруг продольной оси L-L.

Каждая из турбин низкого давления 5 и 6 жестко соединена во вращении с внешним винтом 7, 8, который имеет радиальное расположение снаружи корпуса 9 турбомашины 1; причем корпус 9 имеет по существу цилиндрическую форму и вытянут вдоль оси L-L вокруг компрессора 2, камеры сгорания 3 и турбин 4, 5 и 6. Отработавшие газы, истекающие из турбин, выбрасываются через сопло 10 для увеличения тяги.

Винты 7 и 8 расположены соосно, друг за другом и содержат множество лопастей 11, рассредоточенных с равным угловым промежутком вокруг продольной оси L-L. Лопасти 11 вытянуты по существу радиально и относятся к типу лопастей регулируемого шага, т.е. они могут поворачиваться вокруг их продольной оси для оптимизации их углового положения в зависимости от требуемого режима работы турбомашины 1. Безусловно, как вариант, лопасти винтов также могли бы быть с постоянным углом установки.

Каждый передний 7 или задний 8 винт содержит вращающуюся втулку 12, 13, на которой установлены лопасти 11, и расположен концентрически относительно продольной оси L-L турбомашины 1, перпендикулярно относительно нее.

Лопасти 11 образованы телом лопасти 14 и комлем лопасти 15, установленным вращающимся на соответствующей втулке 12, 13.

Согласно изобретению каждая лопасть 11 переднего 7 и заднего 8 винтов содержит убирающиеся средства закрытия 16 и 17, которые могут последовательно занимать, с обратным действием, по меньшей мере, одно из двух следующих крайних положений:

выдвинутое положение (фиг. 2), в котором они закрывают пустое пространство 18, образованное при некоторых установленных регулировках углов установки между основой 14A лопасти 11 и поверхностью втулки 12, 13, противолежащей последней, и

убранное положение (фиг. 3), в котором они удерживаются вне переделов упомянутого пустого пространства 18.

Как это показано на фиг. 2 и 3, пустое пространство 18 определено передней пустой зоной 18A и задней пустой зоной 18B, отделенных друг от друга комлем лопасти 15. Размеры пустого пространства 18 могут меняться в зависимости от регулировки угла установки, определяемой для соответствующей лопасти 11.

В рассматриваемом примере средства закрытия содержат:

- переднюю заглушку 16, содержащую переднюю кромку 16A, которая является продолжением передней кромки 11A лопасти 11 в выдвинутом положении. Другими словами, передняя кромка 11A лопасти 11 и передняя кромка 16A передней створки 16 образуют по существу непрерывную линию, ограничивающую, таким образом, появление аэродинамических возмущений;

- заднюю заглушку 17, содержащую заднюю кромку 17A, которая является продолжением задней кромки 11B лопасти 11 в выдвинутом положении. Задние кромки 11B и 17A образуют, таким образом, по существу непрерывную линию.

Каждая передняя 16 или задняя 17 заглушка содержит основание 16B, 17B, выполненное с определенной формой для повторения противолежащей стороны втулки 12, 13 в выдвинутом положении (см. фиг. 2), по меньшей мере, для некоторых предварительно установленных регулировок углов установки лопасти 11 для достижения полного или почти полного закрытия передней 18А и задней 18В пустых зон.

Передняя 16 и задняя 17 заглушки лопасти 11 соответственно шарнирно соединены посредством шарнирного соединения 19 с комлем 15 лопасти 11.

В убранном положении заглушки 16 и 17 втянуты в гнезда 20 и 21, соответственно выполненные в основании 14A лопасти 11. Вполне очевидно, что согласно варианту гнезда 20 и 21 могли бы быть одним и тем же гнездом.

Исполнительное устройство 22, интегрированное в тело 14 лопасти 11, управляет выдвижением или уборкой передних 16 и задних 17 заглушек таким образом, чтобы они одновременно занимали выдвинутое положение или убранное положение. Как вариант, исполнительное устройство могло бы управлять раздельно выдвижением или уборкой каждой из передней или задней заглушек.

Исполнительное устройство 22 соединено с каждой из заглушек 16 и 17 втягиваемым внутрь подвижным рычагом 22A, который, когда он выдвигается или убирается, заставляет вращаться заглушки 16 и 17 посредством соответствующих шарнирных соединений 19 (вращение заглушек 16 и 17 обозначено на фиг. 2 стрелкой R).

Таким образом, изобретение позволяет, чтобы независимо от регулировки угла установки лопастей 11 переднего 7 и заднего 8 винтов заглушки 16 и 17 выдвигались по команде исполнительного устройства 22 для закрытия пустого пространства 18 (соответственно пустых зон 18A и 18B), связанного с рассматриваемой регулировкой угла установки, что ослабляет и даже устраняет турбулентные потоки, появляющиеся в основании лопасти 11. Таким образом, существенно ограничиваются турбулентные потоки, которые будут взаимодействовать с задним винтом 8, и, как следствие, интенсивность аэродинамического шума, обусловленного взаимодействием.

Кроме того, будет отмечено, что для создания возможности для вращения рассматриваемой лопасти 11 вокруг ее продольной оси с целью достижения заданной регулировки угла установки заглушки 16 и 17 предварительно убираются в соответствующие гнезда 20 и 21 посредством исполнительного устройства 22.

Согласно варианту практической реализации по изобретению выдвижение передней 16 и задней 17 заглушек из гнезд 20 и 21 осуществляется путем включения электромагнитов (на фигурах не показаны), установленных во втулке 12, 13 соответствующего винта 7, 8.

В данном варианте заглушки 16 и 17, по меньшей мере, по поверхности выполнены из ферромагнитного материала. Что касается уборки заглушек 16 и 17, то она достигается за счет использования центробежной силы на заглушках во время вращения винта после выключения электромагнитов.

Следует отметить, что в примере, описание которого показано на фиг. 1-3, все лопасти 11 переднего 7 и заднего 8 винтов оснащены передней 16 и задней 17 заглушками. Безусловно, как вариант, только лопасти переднего винта могли бы содержать такие заглушки.

Лопасть (l1) предназначена для установки на втулке (12, 13) винта турбомашины таким образом, что пустое пространство (18, I8A, 18B) предусмотрено между основанием (14A) лопасти (14) и стороной втулки (12, 13), противолежащей основанию (14A). Лопасть (l1) содержит убирающиеся средства закрытия (16, 17), которые могут занимать выдвинутое положение, в котором убирающиеся средства закрытия закрывают пустое пространство (18, 18A, 18B), и убранное крайнее положение, в котором убирающиеся средства удерживаются за пределами пустого пространства. Винт содержит лопасти. Турбомашина содержит винт. Группа изобретений направлена на улучшение КПД. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Лопасть, в частности лопасть регулируемого шага, предназначенная для установки на втулке (12, 13) винта (7, 8) турбомашины (1) таким образом, что между основанием (14A) лопасти (14) и стороной втулки (12, 13), противолежащей упомянутому основанию (14A), образовано пустое пространство (18, 18A, 18B), отличающаяся тем, что содержит убирающиеся средства закрытия (16, 17), которые могут занимать, с обратным действием, по меньшей мере, одно из двух следующих положений:
- выдвинутое положение, в котором убирающиеся средства закрытия закрывают, по меньшей мере, частично упомянутое пустое пространство (18, 18A, 18B), и
- крайнее убранное положение, в котором упомянутые убирающиеся средства удерживаются за пределами упомянутого пустого пространства.

2. Лопасть по п. 1, в которой упомянутое выдвинутое положение является крайним положением.

3. Лопасть по п. 1, содержащая, по меньшей мере, одно гнездо (20, 21), которое выполнено в ее основании (14A) и в котором можно размещать упомянутые средства закрытия (16, 17), когда они занимают убранное положение.

4. Лопасть по п. 1, содержащая средства приведения в движение (22) для управления выдвижением или уборкой средств закрытия (16, 17) для того, чтобы они попеременно занимали выдвинутое положение и убранное положение, и наоборот.

5. Лопасть по п. 4, в которой средства приведения в движение (22) размещены в лопасти (11).

6. Лопасть по п. 4, в которой:
- средства приведения в движение (22) содержат, по меньшей мере, один электромагнит, размещенный во втулке (12, 13) винта (7, 8), и
- средства закрытия (16, 17) выполнены, по меньшей мере, по поверхности из ферромагнитного материала.

7. Лопасть по п. 1, в которой средства закрытия содержат, по меньшей мере, один из двух следующих конструктивных элементов:
- переднюю заглушку (16), содержащую переднюю кромку (16A), которая является продолжением передней кромки (11A) лопасти (11) в выдвинутом положении;
- заднюю заглушку (17), содержащую заднюю кромку (17A), которая является продолжением задней кромки (11B) лопасти в выдвинутом положении.

8. Лопасть по п. 7, в которой каждая заглушка, передняя (16) или задняя (17), содержит основание (16B, 17B), выполненное с определенной формой для повторения, по меньшей мере, частично противолежащей стороны втулки (12, 13) в выдвинутом положении.

9. Лопасть по п. 7, в которой каждая заглушка, передняя (16) или задняя (17), шарнирно соединена с лопастью (11), в частности с комлем лопасти (15), шарнирным соединением (19).

10. Винт, в частности для турбомашины с бестуннельным вентилятором, содержащий втулку (12, 13), установленную вращающейся вокруг оси вращения (L-L), отличающийся тем, что содержит множество лопастей (11) по п. 1, установленных на упомянутой втулке.

11. Винт по п. 10, в котором лопасти (11) установлены с регулируемым шагом для создания возможности их угловой ориентации.

12. Турбомашина, отличающаяся тем, что содержит, по меньшей мере, один винт (7, 8) по п. 10.

13. Турбомашина по п. 12 с бестуннельным вентилятором, содержащая два соосных винта (7, 8) противоположных вращений, содержащая, по меньшей мере, один передний винт (7) п. 10.