ВЕНТИЛЯТОР С ИЗМЕНЯЕМЫМ УГЛОМ УСТАНОВКИ ПУТЕМ РАЗЛИЧНОГО ВРАЩЕНИЯ ДИСКОВ ВЕНТИЛЯТОРА Российский патент 2018 года по МПК F01D7/00 F04D29/36 B64C11/06 

Объектом настоящего изобретения являются турбомашины, точнее, турбореактивные двигатели с высоким коэффициентом разбавления или турбовентиляторные двигатели.

Турбомашина для летательного аппарата содержит обычно со входа выход в направлении потока газа одну или несколько ступеней компрессоров, например один компрессор низкого давления и один компрессор высокого давления, камеру сгорания, одну или несколько ступеней турбин, например турбину высокого давления и турбину низкого давления и выхлопную газовую трубу. Каждому компрессору может соответствовать турбина, причем оба связаны валом, образующим, например, кожух высокого давления и кожух низкого давления.

Первая компрессорная ступень, или вентилятор, в случае турбовентиляторного двигателя, характеризуется обычно малым коэффициентом компрессии и запасом от перенапряжения, когда он работает на земле, который является обычно небольшим. Явление помпажа соответствует срыву потока воздуха на лопастях лопаток, и оно вызывает явление нестабильности в потоке, которое может привести к прекращению работы или даже к выходу двигателя из строя. Отсюда вытекают риски плохой работы двигателя, которые могли бы проявиться при пробеге самолета при посадке, чего следует избегать. Для исключения этого было предпринято множество действий. Можно использовать выхлопную трубу с изменяемым сечением и открывать ее на земле для увеличения запаса помпажа либо использовать вентилятор с изменяемым углом установки лопастей и открывать этот угол на земле.

Недостатками устройства открывания сечения выхлопной трубы являются дополнительная масса и трудность установки. Вместе с этим привносимый выигрыш остается ограниченным по причинам технологической реализации, и он тем более уменьшен, что коэффициент разбавления турбореактивного двигателя является повышенным, что наиболее часто встречается в современных турбовентиляторных двигателях.

В случае устройства с изменяемым углом установки для этих лопаток часто изменяют угол установки лопастей этих лопаток на земле для увеличения запаса от помпажа, либо также в полете для изменения тяги двигателя и, таким образом, для оптимизации отдачи винта в зависимости от скорости самолета. Для изменения угла установки лопастей было предложено много устройств; они включают обычно обеспечение поворота лопасти вокруг своей главной оси с помощью конических стержней, расположенных под ножкой лопатки и которые взаимодействуют с коническими стержнями системы управления. Если принцип этого решения уже опробован, оно характеризуется, во всяком случае, наличием ступицы, которая является относительно объемной для того, чтобы иметь возможность разместить в ней конические стержни, что приводит к значительному увеличению диаметра вентилятора и неприятностям в зависимости от массы и условий полета. Кроме того, оно характеризуется аэродинамикой в ножке лопасти, которую трудно оптимизировать, и сложной механической конструкцией для обеспечения флюгирования вентилятора в случае неисправности турбореактивного двигателя.

Были предложены другие устройства, такие, как описаны в заявках на патент WO 2009/142973 или ЕР 1961916, которые показывают присоединение лопаток вентилятора, установленных на двух дисках, последние являются подвижными один относительно другого вокруг оси вращения турбореактивного двигателя. Эти устройства являются относительно сложными в изготовлении, так как в них используются три устройства для раздельного выполнения каждой из трех функций - удержания лопатки, обеспечения поворота лопатки вокруг своей оси и изменения угла поворота. Кроме того, эти устройства требуют или упругих суппортов ножки лопасти, либо шарниров, установленных с возможностью вращения для учета различных поворотов, что является трудно совместимым с механикой лопастей вентилятора, которая должна учитывать повышенные усилия, необходимые для удержания лопаток.

Задачей настоящего изобретения является устранение этих недостатков и разработка устройства, позволяющего изменять угол установки лопаток вентилятора турбовентиляторного двигателя и не имеющего недостатков известного уровня техники и которое, в частности, является более простым и менее объемным.

Для решения этой задачи предложен ротор компрессора турбомашины, содержащий вал и по меньшей мере два диска, установленные на валу для обеспечения поддержания одинакового набора подвижных лопаток при вращении вокруг оси упомянутого вала, при этом по меньшей мере первый диск установлен с возможностью вращения вокруг оси на упомянутом валу для обеспечения углового смещения в тангенциальной плоскости с упомянутым вторым диском, причем по меньшей мере один из двух дисков предназначен для приема по меньшей мере одного средства крепления лопаток, а связь между упомянутым диском и упомянутым средством обеспечивает вращение упомянутого средства вокруг радиальной оси, отличающийся тем, что упомянутой связью является шарнирная связь, подвижная тангенциально и аксиально.

Способность заставить повернутся один диск относительно другого позволяет при связи с каждым из них в различной точке на ножке подвижных лопаток заставить изменить угол поворота последних. Наличие шарнирной связи позволяет учитывать как тангенциальные, так и аксиальные смещения точек крепления лопаток на двух дисках с помощью связи, проверенной на механической плоскости, которая предназначена для удержания значительных усилий, связанных с удержанием лопаток вентилятора.

Предпочтительно оба диска предназначены для приема упомянутого средства зацепления с помощью шарнирной связи, подвижной аксиально и тангенциально.

В особом варианте воплощения упомянутый диск содержит скобу, пересекаемую отверстием, снабженным упомянутой шарнирной связью, причем упомянутое соединительное средство лопаток является осью, проходящую через упомянутое отверстие.

Предпочтительным образом, второй диск закреплен при вращении относительно упомянутого вала, а первый диск закреплен на приводном средстве, содержащем неподвижную часть, связанную с упомянутым валом, и подвижную часть, при этом подвижная часть является подвижной во вращении вокруг оси вращения упомянутого вала.

Предпочтительно приводным средством является поворотный привод. Преимуществом этого решения является большая компактность и исключение того, чтобы втулка устройства управления углом установки была слишком большой.

Предпочтительно поворотный привод содержит ось, расположенную по оси вращения жестко установленного упомянутого вала, а также подвижный кожух, вращающийся вокруг упомянутой оси, при этом упомянутый первый диск установлен на упомянутом кожухе.

Предпочтительно кожух поворотного привода содержит две камеры, предназначенные для приема гидравлической жидкости для осуществления вращения упомянутого первого диска относительно второго.

Изобретение касается также модуля вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя с большой степенью двухконтурности, содержащего описанный выше ротор вентилятора и двухконтурный турбореактивный двигатель, содержащий такой модуль вентилятора.

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

- фиг. 1 изображает вид в изометрии вентилятора турбореактивного двигателя с лопатками, угол установки которых может изменяться устройством управления по изобретению;

- фиг. 2 изображает вид в осевом разрезе вентилятора по фиг. 1, и

- фиг. 3, 4 и 5 изображают детальные виды устройства управления углом установки лопаток вентилятора по фиг. 1 соответственно в состоянии полета, при флюгировании и при реверсе.

На фиг. 1 изображен вентилятор 1 турбореактивного двигателя с большим коэффициентом разбавления. Он состоит из множества лопаток 2, равномерно распределенных по окружности его несущего вала и которые простираются между ножкой лопасти 3, закрепленной на центральной ступице, и вершиной лопасти 4, которая перемещается вдоль наружной обечайки, образуя наружный канал для потока воздуха, приводимого в движение вентилятором. Что касается ножек лопастей, то они закрыты в конусе 6, который образует внутренний канал упомянутого воздушного потока. Лопатки 2, которые представлены на этом чертеже в положении флюгирования, то есть с хордой, выровненной в направлении потока воздуха, являются подвижными во вращении вокруг их продольной оси под действием приводного механизма 7, который будет лучше описан со ссылкой на фиг.2.

На фиг. 2 видна нижняя часть лопатки 2, ножка лопасти 3 которой выполнена полой в двух окружных канавках 8, в которые вставлены радиально наружные концы двух дисков вентиляторов 10а и 10b, которые расположены бок о бок вдоль оси А вращения турбореактивного двигателя. Эти радиальные края имеют форму втулок 9 с ушками, в отверстиях которых проходит ось крепления 11 лопатки 2. Ножка лопасти 3 имеет, следовательно, цилиндрическую форму, которая выровнена по продольной оси А двигателя и которая пересекается в своем центре отверстием для обеспечения размещения в нем упомянутой фиксирующей оси. Связь между осью 11 и втулкой 9 с ушками для каждого из двух дисков является шарнирной связью, позволяющей, таким образом, оси 11 и, следовательно, ножке 3 лопасти ориентироваться в направлении, которое не является точно перпендикулярным радиальному направлению дисков и которое, в общем, смещено по углу в тангенциальной плоскости относительно направления оси вращения А турбореактивного двигателя. Эта свобода перемещения во вращении, приданная ножкам 3 лопасти, позволяет, при смещении ориентации оси крепления 11 заставить изменить угол установки лопаток 2 вентилятора 1.

Выбор шарнирной связи между осью 11 крепления и втулками 9 с ушками позволяет, кроме тангенциального перемещения вала 11 для обеспечения изменения угла установки, обеспечить осевое перемещение, которое является следствием округлости дисков и следствием того, что точка оси 11 на уровне втулки с ушками подвижного диска находятся на проекции радиальной плоскости, проходящей через втулку с ушками неподвижного диска, радиально более близкого к оси вращения двигателя, чем точка оси 11 на уровне втулки с ушками неподвижного диска, радиально наиболее близкого к оси вращения, чем точка оси 11 на уровне втулки с ушками неподвижного диска.

Таким образом, механически получают устройство крепления лопаток, которое учитывает все последовательные перемещения при относительном вращении дисков вентилятора, благодаря простой шарнирной связи без необходимости наличия более сложных устройств, таких как зацепление гибкого диска или наличие подшипников. Простыми металлическими подвижными деталями обеспечивают большую простоту и хороший вклад в усилия удержания лопаток. Это устройство в одной связи концентрирует три функции – удержание лопаток, направление вращения лопаток вокруг их продольной оси и управление изменением их угла установки.

Следует отметить, что в процессе изменения шага вентилятора расстояние между двумя шарнирными средствами втулок 9 с ушками изменяется. Следовательно, по меньшей мере одна из втулок с ушками должна быть установлена с возможностью скольжения на оси крепления 11 так, чтобы это расстояние могло изменяться. Кроме того, канавки 8 должны быть достаточно широкими для того, чтобы втулки 9 с ушками могли перемещаться, как им необходимо.

Если, напротив, необходимо, чтобы втулки 9 с ушками были блокированы от перемещения на оси крепления 11, нужно чтобы связь на уровне кольца 17 являлась шарнирной скользящей связью для того, чтобы осевое расхождение между дисками 10а и 10b могло изменяться.

Два диска 10а и 10b установлены на валу вентилятора 12 турбореактивного двигателя следующим образом. Вначале второй диск 10b, представленный в данном случае как диск, размещенный ближе к выходу без того, чтобы эта конфигурация являлась императивной, размещен классическим образом на валу вентилятора 12. Он связан с ним, например, связью болтового типа и вращается вместе с ней соответствующим образом. Напротив, во-вторых, - входной диск или первый диск 10а связан эти валом вентилятора посредством выходного механизма 7, который выполнен в данном случае в виде вращающегося привода. Могут быть использованы другие приводные устройства, такие как, например, шариковый винт или любое другое средство угловой установки одного диска относительно другого при обеспечении удержания относительного положения двух дисков после их смещения.

Вращающийся привод 7 содержит часть 13, называемую неподвижной, которая вращается вместе с валом вентилятора 12, с которым она жестко соединена при вращении приводным средством 14, например шлицами, для возможности демонтажа со стороны передней части механизма 7. Эта неподвижная часть 13 классически имеет форму цилиндрической оси 13а, аксиально простирающейся по оси вращения А турбореактивного двигателя, от которой радиально отходит палета 13b, на которую можно осуществить давление гидравлической жидкостью для обеспечения управления положением вращающимся приводом. Неподвижная часть 13 закрыта в кожухе, называемом подвижной частью 15, также цилиндрической формы, которая без зазора также охватывает ось 13а и палету 13b, которая может поворачиваться вокруг оси 13а относительно неподвижной части 13 последней. Эта гидравлическая оболочка 15 разделена на две части радиальной стенкой 15b, которая простирается только по радиусу для того, чтобы образовать с двух сторон палеты 13b две камеры, в которые может направляться гидравлическая жидкость под двумя различными давлениями так, чтобы управлять поворотным приводом.

Подвижная оболочка 15 является, кроме того, несущей на своей наружной части крепежный фланец 16, который жестко соединяет ее с первым диском вентилятора 10а и который позволяет путем управления угловым положением подвижной части 15 относительно неподвижной части 13 управлять угловым смещением этого первого диска 10а относительно второго диска 10b. Наконец, кольцо 17, направляющее вращение первого диска 10а, размещено между двумя дисками для обеспечения вращения диска 10а относительно диска 10b.

Фиг.3 изображает положение лопаток 10а в полетной конфигурации, то есть ориентированных на угол встречи, называемый положительным, относительно направления поступления воздуха на вентилятор 1, причем лопасть последнего встречает воздух своей внутренней поверхностью. Первый диск 10а перемещается в направлении перемещения лопаток относительно второго диска 10b, что смещает переднюю кромку лопаток в направлении вращения, тогда как их задняя кромка удерживается вторым диском. Угловое расхождение, полученное, таким образом, посредством приводного механизма 7, в любой момент времени придает лопаткам угол полетной конфигурации, который необходим для хорошей работы вентилятора в желаемом режиме полета.

Фиг.4 изображает лопатки 2 в положении флюгирования, то есть когда их хорда выровнена с направлением воздуха, поступающего на вентилятор. По сравнению с положением на фиг.3 первый диск 10а был перемещен приводным механизмом 7 в направлении, противоположном направлению вращения лопаток относительно второго диска 10b.

Наконец, фиг.5 изображает положение лопаток при реверсе, то есть в положении, когда они направляют поток воздуха, который на них поступает к входу в двигатель. Таким образом, они образуют отрицательный полетный угол наклона относительно потока воздуха, который является следствием перемещения диска 10а в направлении, противоположном направлению вращения лопаток с размахом, которое выводит его за положение, соответствующее флюгированию.

Ниже будет описана работа механизма угла установки лопаток 2 по изобретению.

При работе вентилятор 1 турбореактивного двигателя вращается вокруг своей оси А, при этом угол установки лопаток находится в заданном положении, которое априори соответствует наилучшему положению, адаптированному к случаю работы в полете. Ротор низкого давления турбореактивного двигателя приводит во вращение вал вентилятора 12, с которым жестко соединены, с одной стороны, второй диск 10b и, с другой стороны, ось 13а неподвижной части 13 приводного механизма 7 с помощью приводного средства 14.

В постоянном режиме давления в двух камерах подвижной части 15 равны, и палета 13b находится в неподвижном положении относительно этой подвижной части. Оболочка 15 подвижной части имеет, таким образом, такую же скорость вращения, что и неподвижная часть 13. Вследствие жесткой связи, обеспечиваемой болтом 16 между оболочкой 15 и первым диском 10а, этот первый диск вращается с той же скоростью, что и неподвижная часть и, следовательно, вал вентилятора 12 и второй диск 10b. Следовательно, все подвижные части вращаются с одинаковой скоростью, и угол установки лопаток 12 остается постоянным в процессе работы двигателя в полете при отсутствии нарушений в приводном механизме 7.

Когда необходимо изменить угол установки лопаток, будь то по желанию пилота для перевода двигателя во флюгирование, либо в реверс, либо вследствие регулировки двигателя, которая необходима для установки угла установки лопаток при работе двигателя, в одну из двух камер оболочки 15 подается гидравлическая жидкость под давлением, при этом камера должна соответствовать приводу палеты 13b в направлении, в котором нужно изменить угол установки. Подача этого повышенного давления изменяет равновесие давлений между этими двумя камерами и заставляет поворачиваться подвижную часть 15 вокруг основной оси А под действием на палету 13b неподвижной части 13. Таким образом, подвижная часть 15 приводит с помощью фланца 16 первый диск 10а в относительное вращение по отношению ко второму диску 10b.

Угол установки при относительном вращении двух дисков вызывает вращение фиксирующей оси 11 лопаток 2 и перемещение в одном направлении передней кромки последних относительно их задней кромки, что приводит к заданному изменению угла установки. Монтаж на шарнире фиксирующей оси 11 во втулках 9 с ушками двух дисков обеспечивает ее поворот и, таким образом, поворот лопатки вокруг ее продольной оси для обеспечения заданного изменения угла.

По сравнению с подобными шарнирными системами преимущества описанного устройства являются следующими:

- компактность этой системы позволяет получить вентиляторы с отношениями ступицы, идентичными отношениям существующих турбовентиляторных двигателей; отсутствует увеличение габаритных размеров двигателя и, таким образом, нештатные ситуации в полете, связанные с массой;

- можно иметь одинаковое количество лопастей в турбовентиляторном двигателе и, следовательно, ту же отдачу, что и при существующих вентиляторах;

- внутренний поток может быть коническим так, чтобы аэродинамика ножки лопасти соответствовала центробежному эффекту;

- центростремительное удержание лопаток осуществляется, естественно, дуальной структурой с двумя втулками с ушками и двумя вентиляторными дисками;

- наконец, центробежные усилия имеют тенденцию, естественно, приводить лопатки в положение флюгирования в случае потери давления в системе управления их углом установки.

Кроме того, техническое обслуживание вентилятора является простым, так как различные элементы легко демонтируются. Достаточно, с одной стороны, удалить оси, которые связывают их с дисками вентилятора, для демонтажа лопаток 2, а с другой стороны, демонтировать конус 6 для получения доступа к приводному механизму 7, который удаляется спереди за счет простого демонтажа болта 16.

Описанное устройство, во всяком случае, требует наличия платформ между лопатками, которые могли бы адаптироваться к существующему зазору и которые изменяются вследствие постепенного изменения угла установки лопаток. Для этого существуют различные решения, такие как деформируемые платформы из эластомерного материала, артикулированные платформы либо платформы с покрытием.

Ротор вентилятора турбореактивного двигателя содержит один вал (12) и по меньшей мере два диска (10а, 10b), установленные на упомянутом валу для обеспечения поддержания одинакового набора подвижных лопаток (2) при вращении вокруг оси вращения упомянутого вала. По меньшей мере первый диск (10а) установлен подвижно на упомянутом валу с возможностью поворота вокруг оси вращения с формированием углового смещения в тангенциальной плоскости с упомянутым вторым диском (10b). По меньшей мере один из двух дисков предназначен для приема по меньшей мере одного средства соединения каждой лопатки (11). Связь между упомянутым диском и упомянутым средством позволяет осуществить вращение упомянутого средства. Упомянутая связь является шарнирной связью, подвижной тангенциально и аксиально. Позволяет изменять угол установки лопаток вентилятора турбовентиляторного двигателя и является более простым и менее объемным. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Ротор вентилятора турбореактивного двигателя, содержащий один вал (12) и по меньшей мере два диска (10а, 10b), установленные на упомянутом валу для обеспечения поддержания одинакового набора подвижных лопаток (2) при вращении вокруг оси вращения упомянутого вала, причем по меньшей мере первый диск (10а) установлен подвижно на упомянутом валу с возможностью поворота вокруг оси вращения с формированием углового смещения в тангенциальной плоскости с упомянутым вторым диском (10b), при этом по меньшей мере один из двух дисков предназначен для приема по меньшей мере одного средства соединения каждой лопатки (11), причем связь между упомянутым диском и упомянутым средством позволяет осуществить вращение упомянутого средства, отличающийся тем, что упомянутая связь является шарнирной связью, подвижной тангенциально и аксиально.

2. Ротор по п. 1, в котором два диска предназначены для приема упомянутых средств соединения с помощью шарнирной связи, подвижной тангенциально и аксиально.

3. Ротор по п. 1, в котором упомянутый диск содержит втулку (9) с ушками, пересекаемую отверстием, снабженным упомянутой шарнирной связью, при этом упомянутым средством соединения лопаток является ось (11), проходящая в упомянутом отверстии.

4. Ротор по п. 1, в котором второй диск неподвижен во вращении относительно упомянутого вала (12), а первый диск закреплен на приводном средстве (7), содержащем неподвижную часть, связанную с упомянутым валом (12), и подвижную часть, причем упомянутая подвижная часть является подвижной во вращении вокруг оси вращения упомянутого вала.

5. Ротор по п. 4, в котором приводным средством является вращающийся привод (7).

6. Ротор по п. 5, в котором вращающийся привод содержит ось (13а), простирающуюся по оси вращения упомянутого вала, с которым он жестко соединен, и подвижную оболочку (15), вращающуюся вокруг упомянутой оси (13а), причем упомянутый первый диск (10а) установлен на упомянутой оболочке.

7. Ротор по п. 6, в котором оболочка (15) вращающегося привода (7) содержит две камеры, предназначенные для приема гидравлической жидкости для обеспечения вращения упомянутого первого диска относительно второго.

8. Ротор по п. 1, в котором связь между упомянутым диском и упомянутым средством обеспечивает вращение упомянутого средства вокруг радиальной оси или продольной оси лопатки.

9. Модуль вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя с высокой степенью двухконтурности, содержащий ротор вентилятора по п. 1.

10. Двухконтурный турбореактивный двигатель, содержащий модуль вентилятора по п. 9.