专利名称：用于开放式转子架构的桨距改变机构的制作方法
技术领域：
本申请涉及允许对于对转式转子组件的翼型件叶片进行独立桨距控制的机构。本申请在应用于“开放式转子”燃气涡轮发动机时特别有益。
背景技术：
采用所谓的“开放式转子”设计的燃气涡轮发动机是已知的。开放式转子设计基本上为常规涡轮风扇和涡轮螺旋桨燃气涡轮发动机的混合，但提供优于两种常规发动机设计的提高的燃料效率。涡轮风扇发动机根据以下原理操作中央燃气涡轮芯驱动旁通风扇，该风扇位于在发动机的机舱与发动机芯之间的径向位置。开放式转子发动机替代地根据旁通风扇位于发动机机舱外部的原理来操作。与涡轮风扇发动机相比，这允许使用能对更大体积空气作用的更大的风扇叶片，且由此帮助生成比常规发动机设计更多的推力。利用具 有由两个对转式转子组件提供的风扇的开放式转子设计得到最佳性能，每个转子组件携带位于发动机机舱外部的翼型件叶片的阵列。在外观上，开放式转子发动机的风扇叶片类似于常规涡轮螺旋桨发动机的螺旋桨叶片。使用对转式转子组件带来在传输来自涡轮芯的动力以在相反方向驱动相应两个转子组件的翼型件叶片方面的技术挑战。EP1881176A2 (Rolls-Royce pic, 2OO8 年 I 月 23 日)公开了一种符合开放式转子设计架构的发动机，该发动机具有允许对第一转子组件和第二转子组件的相应翼型件叶片进行独立桨距控制的机构，其中第一转子组件和第二转子组件以对转方式绕发动机的纵向轴线被驱动。本发明设法提供在EP1881176A2中所公开的发动机布置的改进备选方案，本发明提供在效率方面优于已知设计的改进。
发明内容
在本发明的第一方面提供一种用于开放式转子燃气涡轮发动机的桨距改变机构，该发动机具有第一转子组件和第二转子组件；多个翼型件叶片，其在周向安装于每个转子组件上且布置为彼此对转关系，桨距改变机构包括促动器组件，促动器组件适于固定到发动机的非旋转框架上，促动器组件包括第一促动器和第二促动器，其中促动器组件可与第一转子组件和第二转子组件可旋转地隔离和联接使得在使用中来自第一促动器或第二促动器的促动信号引起相应第一转子组件或第二转子组件的翼型件叶片的桨距独立于第二转子组件或第一转子组件的翼型件叶片的桨距的相对应的所希望的变化。在本发明的第二方面提供一种涡轮发动机，其包括第一转子组件和第二转子组件，第一转子组件和第二转子组件各包括多个翼型件叶片，翼型件叶片在周向安装于每个转子组件上且布置为彼此对转关系，第一转子组件和第二转子组件的翼型件叶片的桨距可独立于彼此调整，发动机还包括固定到发动机的非旋转框架上的促动器组件，促动器组件包括第一促动器和第二促动器，其中促动器组件与第一转子组件和第二转子组件可旋转地隔离和联接使得在使用中来自第一促动器或第二促动器的促动信号引起相应的第一转子组件或第二转子组件的翼型件叶片的桨距的相对应的所希望的变化。“对转关系”表示第一转子组件和第二转子组件的翼型件叶片被布置成在彼此相反的方向上旋转。优选地，第一转子组件和第二转子组件的翼型件叶片被布置成绕共同轴线在相反方向上旋转，且沿着该轴线在轴向间隔开。例如，第一转子组件和第二转子组件的相应翼型件叶片可同轴安装且间隔开，且第一转子组件的叶片被配置成绕该轴线顺时针旋转且第二转子组件的叶片被配置成绕该轴线逆时针旋转(或反之亦然)。通过确保促动组件适于固定到非旋转框架上，如果促动器组件本身能相对于框架旋转，那么本发明提供避免了对原来所需的油传动轴承的需要的优点。这个特点提供了提高可靠性且最小化发动机所需的润滑系统的复杂性和减少可能的漏油途径的优点，因为其避免了对于在框架与促动器组件之间的油传动轴承的需要。这个特点也有益于允许在发动机的促动组件中增加的油压。通过采用本发明，大约3000psi的油系统压力是潜在可行的。 这个压力远高于依靠使用油传动轴承的组件。另外，这个特点也允许简单地实施叶片位置传感器。叶片位置传感器可位于非旋转框架上(作为促动器组件的部分)且由此避免了对于在旋转框架与非旋转框架之间转移电信号的需要。优选地，通过使用一个或多个轴承布置来允许促动器组件与第一转子组件和第二转子组件中的每一个旋转隔离和联接。方便地，选择适于允许转移轴向负荷的轴承。例如，角接触轴承特别适合于允许高效转移轴向负荷。理想地，促动器组件被布置成使得第一促动器与第二促动器同心地安装。这样的布置被称作“双环形促动器”。这种促动器布置最小化在燃气涡轮发动机(高效使用空间至关重要的环境)内促动器组件所需的体积。优选地，促动器组件为双环形促动器，其中第一促动器与第二促动器沿着发动机的中心轴线或平行于发动机的中心轴线同轴安装。使用环形促动器具有以下优点减少在发动机内所需的促动器数量且可能提高发动机的可靠性和效率。优选地，第一轴承布置与第一促动器与第一转子组件二者相关联，且第二轴承布置与第二促动器和第二转子组件二者相关联。轴承布置优选地适于使得第一促动器或第二促动器的移位信号可经由相应的第一轴承布置或第二轴承布置传输到相应的第一转子组件或第二转子组件，第一轴承布置和第二轴承布置各可联接到相应第一转子组件或第二转子组件的翼型件叶片使得在使用中传输的移位信号转换为旋转输出信号，从而调整相应第一转子组件或第二转子组件的翼型件叶片的桨距。方便地,第一轴承相对于第一促动器安装使得第一促动器的移位信号作用于第一轴承的轴向端面上从而将相对应的轴向负荷传输到第一轴向可滑动的环形轭状件，该环形轭状件可随着第一转子组件旋转，第一转子组件的翼型件叶片安装到在周向安置于第一轭状件周围的多个径向延伸的轴。第一轴承可由销和滚柱布置(pin and rollerarrangement)联接到第一转子组件的翼型件叶片。在一个这样的销和滚柱布置中，销与滚柱的组合与径向延伸的轴中的一个或多个相关联，第一转子组件的翼型件叶片安装于径向延伸的轴上。进一步解释，滚柱可位于设于第一轭状件的表面上的环形凹槽中，且滚柱适于在所传输的轴向负荷的作用下绕第一轭状件的环形凹槽滑动。滚柱偏离与径向延伸的轴中的相关联的一个或多个轴的纵向轴线，且销将每个滚柱连接到径向延伸轴中的相关联的一个或多个轴。使用中，通过第一轴承输送的所传输的轴向负荷用于引起第一轭状件相对于第一转子组件的轴向移位，由此使得位于其中的滚柱绕环形凹槽滑动，滚柱的滑动作用于销上以使得径向延伸的轴中的相关联的一个或多个轴绕其纵向轴线扭转从而产生第一转子组件的翼型件叶片中桨距的所希望的变化。优选地，径向延伸的轴中的每一个与销和滚柱的相应组合相关联。如在上面的段落中所概述的相似的布置也可或备选地提供用于第二转子组件。优选地通过使用周转齿轮箱(epicyclic gearbox)来将旋转驱动转移到第一转子组件和第二转子组件二者来允许第一转子组件和第二转子组件的翼型件叶片对转，第一转子组件和第二转子组件在相反方向驱动，促动器组件被布置成与周转齿轮箱在空间上分离。在空间上分离意味着促动器组件的部分并不穿过周转齿轮箱。周转齿轮箱可方便地呈常规行星齿轮箱(planetary gearbox)的形式。举例而言，在本发明的一形式中，行星齿轮箱包括由发动机驱动的太阳齿轮，与第一转子组件相关联的行星齿轮和与第二转子组件相关联的齿圈，且行星齿轮和齿圈允许第一转子组件和第二转子组件的对转。促动器组件与 周转齿轮箱在空间上分离提供以下优点可能比在EP1881176A2中所描述的已知设计更可靠的促动器组件/桨距控制机构/发动机的设计。EP1881176A2的设计基于用于其两个转子组件中的至少一个通过周转齿轮箱，“穿过”行星齿轮或者在行星齿轮“之间”的其促动器组件的促动器杆(如在EP1881176A2中段落8中所述的那样)，且由此增加了这种已知的设计的设计复杂性和可能故障模式的数量。
在下文中参看附图来描述本发明的一个或多个实施例
图I示出了开放式转子燃气涡轮发动机的透视 图2示出了根据本发明的第一实施例合并了桨距控制机构的图I的发动机的截面图。此图示出了发动机的前转子组件和后转子组件的框架和非旋转框架的总体安置；
图3示出了图2所示的发动机和桨距控制机构的详细截面 图4示出了图2和图3的前转子组件的详细截面 图5示出了图2和图3的后转子组件的详细截面 图6示出了图5所示的后转子组件的详细透视 图7示出了图4、图5和图6所示的前转子组件和后转子组件的详细透视图。
具体实施例方式图I示出了本发明的桨距控制机构特别适用的典型开放式转子燃气涡轮发动机10的透视图。如从图I中看出的那样，发动机10具有前转子组件20和后转子组件30，在前转子组件20上安装翼型件叶片21的阵列，在后转子组件30上安装翼型件叶片31的阵列。前翼型件叶片21和后翼型件叶片31全都各安装成绕发动机10的中心纵向轴线11以图I中箭头ω2(ι和ω3(ι所示的对转方向旋转。图3的截面图示出了发动机10具有带促动器组件50的桨距控制机构40。促动器组件50在图4中更清楚地示出(由虚椭圆形线界定)。促动器组件固定到发动机10的静态非旋转框架12上。框架12(通过未图示的手段)固定到发动机10的外壳体或机舱上。图2示出静态非旋转框架12、前转子组件20和后转子组件30的总体边界。对于前转子组件20和后转子组件30的翼型件叶片21、31，也标记相应旋转方向ω2(ι、ω3(ι。行星齿轮箱60合并于发动机10内以将旋转驱动转移到前转子组件20和后转子组件30 二者(参看图2)。在附图中未示出行星齿轮箱60的构成部件。促动器组件50为双环形液压促动器，双环形液压促动器具有前促动器51和后促动器52，前促动器51和后促动器52同心地相对于彼此且绕纵向发动机轴线11 (如在图4中更清楚地示出的那样)安装。前促动器51联接前转子组件20，且后促动器52联接到后转子组件30。前促动器/转子组件和相关部件的构造将单独于后促动器/转子组件和相关部件的构造来描述。前促动器/转子组件
如在图3和图4中所示的那样，前促动器51具有活塞511，活塞511能平行于发动机 轴线11来回滑动。环形凸缘512从活塞511的外壁向外延伸。凸缘512邻靠传动轴承513的内座圈，轴承绕前促动器51同心地安装。传动轴承513的外座圈连接到轭状件514，轭状件安装到前转子组件20且可随着前转子组件20旋转。如在图4和图7中更清楚地示出的那样，轭状件514具有设于其径向向外表面中的环形凹槽515。翼型件叶片21的前阵列安装到前转子组件20上，如在下面的段落中所述的那样。如在图4和图7中所示的那样，多个径向延伸的轴22位于前转子组件20周围，且翼型件叶片21中的单个安装到每个轴上(通过未图示的手段)。轴22由销和滚柱布置516 (在图7中最清楚地示出)联接到轭状件514。销和滚柱布置516具有位于轭状件514的环形凹槽515中的圆柱形滚柱517，而销518将滚柱517连接到径向延伸的轴22之一。轴22中的每一个由其自己的销和滚柱组合联接到轭状件514。在使用中，来自促动器组件50的前促动器51的促动信号用于使得活塞511平行于发动机轴线11在轴向移位。这样一来，活塞511的环形凸缘512以轴向负荷F51作用于传动轴承513的内座圈上(参看图4)。仅举例而言，轴向负荷F51可为约75 klbf。轴向负荷F51经由传动轴承513的外座圈转移到轭状件514且由此推压轭状件以平行于发动机轴线11滑动。轭状件514的这种轴向滑动造成滚柱517中的每一个绕轭状件514的环形凹槽515在周向滑动，而销518用于使得其相应径向延伸的轴22绕轴的纵向轴线23扭转(参看图7)，从而调整安装于其上的翼型件叶片21的桨距。以此方式，前促动器51联接到前转子组件20，导致前促动器51的轴向移位和所引起的轴向负荷F51转换为旋转输出信号来调整前转子组件的叶片21的桨距。后促动器/转子组件
如在图3、图4和图5中所示的那样，后促动器52具有活塞521，活塞521能平行于发动机轴线11来回滑动。活塞521的环形端面邻靠传动轴承522a的内座圈，该轴承绕静态非旋转框架12在周向安装。轴向延伸的传动杆523在传动轴承522a的外座圈与另一传动轴承522b的内座圈之间延伸(参看图3和图5)。球面轴承524在与传动轴承522a、522b的接口处合并到传动杆523的任一端。轭状件525安装于传动轴承522b的外座圈处，轭状件可随着后转子组件30旋转。如在图5中更清楚地示出的那样，轭状件525具有设于其径向向外表面中的环形凹槽526。翼型件叶片31的后阵列安装到后转子组件30上，如在下面的段落中所述的那样。
多个径向延伸的轴32位于后转子组件30周围，且翼型件叶片31中的单个安装到每个轴上(通过未图示的手段)。轴32由销和滚柱布置527 (在图6中最清楚地示出)联接到轭状件525。销和滚柱布置527具有位于轭状件525的环形凹槽526中的圆柱形滚柱528，且销529将滚柱528连接到径向延伸的轴32之一。轴32中的每一个由其自己的销和滚柱组合联接到轭状件525。在使用中，来自促动器组件50的后促动器52的促动信号用于使得活塞521沿着发动机轴线11在轴向移位。这样一来，活塞521的环形端面以轴向负荷F52作用于传动轴承522a的内座圈上(参看图3和图5)。仅举例而言，轴向负荷F52可为约55 klbf。轴向负荷F52从传动轴承522a的外座圈经由轴向延伸的传动杆523传输到传动轴承522b的外座圈和由此到轭状件525。轴向负荷F52由此推压传动轴承522b 和轭状件525以平行于发动机轴线11滑动。轭状件525的这种轴向滑动造成滚柱528中的每一个绕轭状件525的环形凹槽526在周向滑动，且销529用于使得其相应径向延伸的轴32绕轴的纵向轴线33扭转(参看图6和图7)，从而调整安装于其上的翼型件叶片31的桨距。以此方式，后促动器52联接到后转子组件30，导致后促动器52的轴向移位和所引起的轴向负荷F52转换为旋转输出信号来调整前转子组件的叶片31的桨距。传动轴承513和522a、522b确保了第一促动器51和第二促动器52中的每一个分别与第一转子组件20和第二转子组件30旋转地隔离但联接。在一实施例中，传动轴承可为角接触轴承，因为其特别好地转移轴向负荷。但是，可使用适合于允许转移轴向负荷的其它已知的轴承类型。对于上文所概述的销和滚柱布置，所调整的翼型件叶片21、31的桨距量将取决于相应促动器51、52的轴向移位的量值。对于附图所示和上文所述的发动机10，促动器组件50被布置成与行星齿轮箱60在空间上分离。本发明的实施例的前文的描述只是出于说明目的给出，且预期并不限制权利要求所限定的本发明的范围。
权利要求
1.一种用于开放式转子燃气涡轮发动机(10)的桨距改变机构(40)，所述发动机具有第一转子组件(20)和第二转子组件(30)，多个翼型件叶片(21，31)在周向安装于每个转子组件上且布置为彼此对转关系(ω 2(|，ω 30)，所述桨距改变机构包括促动器组件(50)，所述促动器组件(50)适于固定到所述发动机的非旋转框架(12)上，所述促动器组件包括第一促动器(51)和第二促动器(52)，其中所述促动器组件可与所述第一转子组件和第二转子组件可旋转地隔离和联接，使得在使用中来自所述第一促动器或第二促动器的促动信号(F51, F52)引起相应的第一转子组件或第二转子组件的翼型件叶片的桨距独立于所述第二转子组件或第一转子组件的翼型件叶片的桨距的相对应的所希望的变化。
2.根据权利要求I所述的桨距控制机构(40)，其特征在于，所述促动器组件(50)被布置成在使用中在空间上与齿轮箱分离，所述齿轮箱适于将旋转驱动传输到所述第一转子组件(20)和第二转子组件(30)中的任一个或二者。
3.根据权利要求I或2所述的桨距控制机构(40)，其特征在于，所述桨距控制机构还包括一个或多个轴承布置(513，522a, 522b)，所述轴承布置(513，522a, 522b)被布置成旋转地隔离和联接所述促动器组件(50)与所述第一转子组件(20)和第二转子组件(30)。
4.根据权利要求3所述的桨距控制机构(40)，其特征在于，所述一个或多个轴承布置包括第一轴承布置(513)和第二轴承布置(522a, 522b),所述第一轴承布置与所述第一促动器(51)和第一转子组件(20) 二者相关联，且所述第二轴承布置(522a，522b)与所述第二促动器(52)和第二转子组件(30) 二者相关联，所述第一轴承布置和第二轴承布置适于使得所述第一促动器或第二促动器的移位信号可经由相应的第一轴承布置或第二轴承布置传输到相应的第一转子组件或第二转子组件，所述第一轴承布置和第二轴承布置各可联接(516，527)到相应的第一转子组件或第二转子组件的翼型件叶片(21，31)，使得在使用中所传输的移位信号转换为旋转输出信号从而调整相应的第一转子组件或第二转子组件的翼型件叶片的奖距。
5.根据前述权利要求中任一项所述的桨距控制机构(40)，其特征在于，所述第一促动器(51)和第二促动器(52)同心地安装。
6.一种涡轮发动机(10)，其包括第一转子组件(20)和第二转子组件(30)，所述第一转子组件和第二转子组件各包括多个翼型件叶片(21，31)，所述翼型件叶片(21，31)在周向安装于每个转子组件上且布置为彼此对转关系，所述第一转子组件和第二转子组件的翼型件叶片的桨距可独立于彼此调整，所述发动机还包括固定到所述发动机的非旋转框架(12)上的促动器组件(50)，所述促动器组件包括第一促动器(51)和第二促动器(52)，其中所述促动器组件可与所述第一转子组件和第二转子组件旋转地隔离和联接，使得在使用中来自所述第一促动器或第二促动器的促动信号(F51，F52)引起相应的第一转子组件或第二转子组件的翼型件叶片的桨距的相对应的所希望的变化。
7.根据权利要求6所述的发动机(10)，其特征在于，所述发动机还包括一个或多个轴承布置(513，522a, 522b)，所述轴承布置(513，522a, 522b)被布置成使所述促动器组件(50)与所述第一转子组件(20)和第二转子组件(30)旋转地隔离和联接。
8.根据权利要求7所述的发动机，其特征在于，所述一个或多个轴承布置包括第一轴承布置(513)和第二轴承布置(522a，522b)，所述第一轴承布置与所述第一促动器(51)和第一转子组件(20)相关联，且所述第二轴承布置(522a，522b)与所述第二促动器(51)和第二转子组件(30)相关联，所述第一轴承布置和第二轴承布置适于使得所述第一促动器或第二促动器的移位信号可经由相应的第一轴承布置或第二轴承布置传输到相应的第一转子组件或第二转子组件，所述第一轴承布置和第二轴承布置各可联接(516，527)到相应的第一转子组件或第二转子组件的翼型件叶片(21，31)，使得在使用中所传输的移位信号转换为旋转输出信号从而调整相应的第一转子组件或第二转子组件的翼型件叶片的桨距。
9.根据权利要求8所述的发动机，其特征在于还包括销与滚柱布置(516，527)，其用于联接所述第一轴承布置和第二轴承布置与相应的第一转子组件(20)和第二转子组件(30)的翼型件叶片(21，31)。
10.根据权利要求9所述的发动机，其特征在于，所述第一轴承布置或第二轴承布置(513，522a, 522b)中的任一个或二者包括相对于相应的第一促动器(51)或第二促动器(52)安装的轴承，使得所述第一促动器或第二促动器的移位信号作用于所述轴承的轴向端面上从而传输相对应的轴向负荷(F51，F52)到可轴向滑动的环形轭状件(514，525)，所述可轴向滑动的环形轭状件(514，525)可随着相应的第一转子组件(20)或第二转子组件(30)旋转，相应的第一转子组件或第二转子组件的翼型件叶片(21，31)安装到绕所述轭状件在周向安置的多个径向延伸的轴(22，32)上，所述销和滚柱布置(516，527)包括与所述径向延伸的轴中的一个或多个相关联的销(518，529)和滚柱(517，528)的组合，所述滚柱位于设于所述轭状件的表面上的环形凹槽中，所述滚柱适于在所传输的轴向负荷的作用下绕所述轭状件的环形凹槽滑动，所述滚柱偏离相关联的一个或多个径向延伸的轴的纵向轴线，所述销将每个滚柱连接到相关联的一个或多个径向延伸的轴使得所述滚柱绕所述轭状件的环形凹槽的滑动作用于所述销上以使得相关联的一个或多个径向延伸的轴扭转且由此调整相应的第一转子组件或第二转子组件的翼型件叶片的桨距。
11.根据权利要求10所述的发动机(10)，其特征在于，所述多个径向延伸的轴(22，32)中的每一个轴与销与滚柱的相应的组合相关联。
12.根据权利要求6至11中任一项所述的发动机(10)，其特征在于，所述促动器组件(50)被布置成所述第一促动器(51)和第二促动器(52)同心地安装。
13.根据权利要求12所述的发动机(10)，其特征在于，所述促动器组件(50)沿着或平行于所述发动机(11)的纵向轴线安装。
14.根据权利要求6至13中任一项所述的发动机(10)，其特征在于还包括周转齿轮箱(60)，其用于将旋转驱动转移到第一转子组件(20)和第二转子组件(30) 二者，所述第一转子组件和第二转子组件在相反方向被驱动，所述促动器组件被布置成与所述周转齿轮箱在空间上分离。
15.一种如在本文中参考附图所描述的桨距改变机构或涡轮发动机。
全文摘要
本发明涉及允许向对转式转子组件的翼型件叶片进行独立桨距控制的机构。该机构在应用于“开放式”燃气涡轮发动机时特别有益。公开一种开放式转子燃气涡轮发动机(10)的桨距改变机构(40)，该发动机具有第一转子组件(20)和第二转子组件(30)，多个翼型件叶片(21,31)在周向安装于每个转子组件上且被布置为彼此成对转关系。桨距改变机构包括适于固定到发动机的非旋转框架(12)上的促动器组件(50)，其包括第一促动器(51)和第二促动器(52)，促动器组件可与第一和第二转子组件可旋转地隔离和联接使得在使用中来自第一或第二促动器的促动信号引起相应第一或第二转子组件的翼型件叶片的桨距独立于第二或第一转子组件的翼型件叶片的桨距的相对应的所希望的变化。
文档编号F02C3/067GK102953759SQ20121030456
公开日2013年3月6日 申请日期2012年8月24日 优先权日2011年8月26日
发明者A.K.塞曼德拉 申请人:通用电气航空系统有限公司