具有航空器風(fēng)扇，具有移動噴嘴的渦輪機(jī)組的制作方法
【專利摘要】具有航空器風(fēng)扇，具有移動噴嘴的渦輪機(jī)組。該渦輪機(jī)組包括至少一個(gè)驅(qū)動風(fēng)扇（3，4）旋轉(zhuǎn)的渦輪機(jī)（5），以及噴嘴（8），同軸地延伸超出所述渦輪機(jī)且與終止該渦輪機(jī)的尾噴管（10）一起產(chǎn)生用于燃燒氣體流過渦輪機(jī)的環(huán)形剖面通道（11）。有利地，噴嘴（8）被安裝，這樣它能夠在控制設(shè)備（12）的作用下在兩個(gè)極端位置之間移動，氣體通道（11）的環(huán)形剖面分別處于最小和最大，使得可根據(jù)航空器的操作階段改變所述剖面并在風(fēng)扇和噴嘴之間分配推力。
【專利說明】具有航空器風(fēng)扇，具有移動噴嘴的渦輪機(jī)組
[0001]本發(fā)明涉及具有一個(gè)或多個(gè)航空器螺旋槳的渦輪機(jī)組。
[0002]更具體地，盡管不是專門地，本發(fā)明所涉及的渦輪機(jī)組可為任何類型，只要它們包括至少一個(gè)螺旋槳，例如具有兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的螺旋槳的無涵風(fēng)扇，也被稱為“開式轉(zhuǎn)子”，或具有一個(gè)或多個(gè)螺旋槳的渦輪機(jī)螺旋槳，或類似物。
[0003]一般地，具有航空器螺旋槳的渦輪機(jī)組通過螺旋槳所產(chǎn)生的牽引和由氣體發(fā)生器或渦輪機(jī)的噴嘴所傳遞的推力的聯(lián)合，利用燃燒氣體的膨脹來產(chǎn)生它們的整體推力。大多數(shù)(至少80%)的整體推力是由螺旋槳提供的，由燃燒氣體膨脹的其余(小于20%)流經(jīng)噴嘴。
[0004]在這些渦輪機(jī)組中，在螺旋槳和燃燒氣體之間的整體推力的分配特別地由氣體發(fā)生器的噴嘴剖面所控制，并且當(dāng)然被預(yù)先決定以尋找航空器所遭遇的各種功能階段(起飛、爬升或下降、巡航、滑行)之間的最合適的折中以及獲得可接受效率和渦輪機(jī)組的燃料燃燒，并減少渦輪機(jī)組，特別是由其螺旋槳所產(chǎn)生的噪音影響。
[0005]然而，鑒于這是一個(gè)折中，明顯的是以上的點(diǎn)對于航空器的每個(gè)功能階段不是最優(yōu)化的。事實(shí)上，例如，在起飛和初始爬升階段中期望的是，通過減少它們的推力作用以及因此增加來自噴嘴中燃燒氣體膨脹的推力作用，能夠減少對螺旋槳的噪聲影響。相反，在巡航階段中，增加螺旋槳的推力作用(不增加它們的轉(zhuǎn)速)是有用的，以充分利用它們的高推進(jìn)效率，并減少來自氣體膨脹的推力作用，其推力效率較低。
[0006]本發(fā)明的目的是提供一種這些缺點(diǎn)的解決方案，并涉及具有一個(gè)或多個(gè)螺旋槳的渦輪機(jī)組，其設(shè)計(jì)允許螺旋槳和噴嘴的操作以適于航空器的不同飛行階段。
[0007]為此，渦輪機(jī)組，具有一個(gè)或多個(gè)航空器螺旋槳，該類型包括被設(shè)計(jì)用于驅(qū)動螺旋槳旋轉(zhuǎn)的至少一個(gè)渦輪機(jī)，以及同軸地延伸超出所述渦輪機(jī)的噴嘴，，且與終止該渦輪機(jī)的尾噴管一起產(chǎn)生用于燃燒氣體流過渦輪機(jī)的環(huán)形剖面通道，由于以下的事實(shí)是值得注意的，噴嘴被安裝以能夠在通道的環(huán)形剖面分別為最小或最大的兩個(gè)端部位置之間移動，以及控制設(shè)備被連接到噴嘴以改變其位置并根據(jù)航空器的功能階段改變?nèi)紵龤怏w通道的剖面。
[0008]因此，由于本發(fā)明，通過改變現(xiàn)在可移動的噴嘴的出口剖面，可根據(jù)航空器的階段改變在螺旋槳和噴嘴之間的推力分配，這對于具有螺旋槳的現(xiàn)有渦輪機(jī)組是不可能的，其噴嘴剖面是固定的。
[0009]例如，對于起飛階段，可能優(yōu)先增加噴嘴所產(chǎn)生的推力作用，以減小螺旋槳和渦輪機(jī)上的負(fù)載，從而提高效率和減少對地面的噪聲影響，該噪音是由于螺旋槳葉片處于更少的空氣動力壓力下而引起。為此，噴嘴處于氣體通道的環(huán)形剖面為最小的端部位置。事實(shí)上，當(dāng)噴嘴剖面很小時(shí)，(氣體壓力)在動力渦輪機(jī)內(nèi)驅(qū)動螺旋槳的可能膨脹被減少了，這樣由螺旋槳所提供的推力隨著產(chǎn)生更少噪音污染的結(jié)果而降低，盡管通過噴嘴的膨脹增加了。
[0010]相比之下，對于爬升和巡航階段，優(yōu)先使用氣體通道的環(huán)形剖面處于最大的噴嘴端部位置，增加來自螺旋槳的推力作用(更重要的是，它們的推進(jìn)效率在巡航階段是優(yōu)秀的)和通過噴嘴的最小推力(其效率基本很低)，從而優(yōu)化渦輪機(jī)組的熱推進(jìn)效率。[0011 ] 當(dāng)然，兩個(gè)端部位置之間的任何中間位置都是可能的。
[0012]控制設(shè)備優(yōu)選地為將圍繞渦輪機(jī)的外圍機(jī)艙的一部分連接到噴嘴的致動器或類似物。在這種情況下，控制致動器被有利地布置為以規(guī)則角度間隔在噴嘴周圍分配并平行于渦輪機(jī)組的縱軸線，以在其相對于機(jī)艙和相對于朝所述軸線會聚的渦輪機(jī)尾噴管的端部位置之間平移噴嘴。
[0013]因此可以理解的是，剖面被改變是噴嘴平移的結(jié)果，由于在軸向方向上固定的錐形的會聚，根據(jù)噴嘴的滑動運(yùn)動增加或減少通道的環(huán)形剖面。
[0014]在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)噴嘴在其端部位置之間平移時(shí)，噴嘴的圓柱壁仍保持與機(jī)艙的圓柱壁接觸。因此，即使在縮回的端部位置，噴嘴延伸超過機(jī)艙，燃燒氣體通道的環(huán)形剖面處于最大值。
[0015]在另一實(shí)施例，當(dāng)噴嘴從最小通道剖面的其端部位置平移到最大通道剖面其端部位置時(shí)，在機(jī)艙和噴嘴之間形成環(huán)形開口。噴嘴然后遠(yuǎn)離機(jī)艙，這樣所形成的橫向開口通過添加到最大環(huán)形剖面有助于增加最大環(huán)形剖面。
[0016]此外，在一個(gè)實(shí)施例中，噴嘴的控制設(shè)備由形狀記憶材料制造，該形狀記憶材料根據(jù)溫度具有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，基本對應(yīng)于通道剖面處于最小或最大值的噴嘴的端部位置。因此，如后面將看到的，通道的剖面由于溫度上升或下降被自然地改變。
[0017]參照附圖，可很容易地理解本發(fā)明如何產(chǎn)生。在這些圖中，相同的附圖標(biāo)記指定相似的元件。
[0018]圖1示意性地并在透視圖中示出了具有“開式轉(zhuǎn)子”類型的螺旋槳的渦輪機(jī)組的后部。
[0019]圖2以透視圖和放大圖示出了具有可控排氣噴嘴的圖1的渦輪機(jī)組的局部剖視圖。
[0020]圖3和圖4部分地和在縱向剖面上示出了根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的使燃燒氣體通道的剖面改變的噴嘴的各自最小和最大位置。
[0021]圖5和6部分地和在縱向剖面上示出了圖3和圖4的實(shí)施例在一種變型。
[0022]在圖1部分所示的渦輪機(jī)組I為具有無涵風(fēng)扇2的渦輪機(jī)組，也被稱為“開式轉(zhuǎn)子”，其包括兩個(gè)后部同軸的和反轉(zhuǎn)的螺旋槳，分別在相對于渦輪機(jī)組的縱向軸線A的上游3和下游4。
[0023]在風(fēng)扇2之前，傳統(tǒng)地和在氣體流動方向上，渦輪機(jī)組I包括氣體發(fā)生器組件，其包括壓氣機(jī)，燃燒室以及物理上連接到壓氣機(jī)的渦輪機(jī)，動力渦輪機(jī)5，如分別以旋轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)方式連接到上游螺旋槳3和下游螺旋槳4上的兩個(gè)連續(xù)的低壓渦輪機(jī)。
[0024]圖1部分地且示意性地示出了旋轉(zhuǎn)地固定有螺旋槳3的低壓渦輪機(jī)5A，以及圖2示出了旋轉(zhuǎn)地固定有螺旋槳4的另一低壓渦輪機(jī)5B。這些反向旋轉(zhuǎn)的螺旋槳在徑向方向上在渦輪機(jī)組的圓柱機(jī)艙6的各自圓柱(因此旋轉(zhuǎn))部分7外側(cè)延伸。
[0025]并且，軸向地延伸超過承載下游螺旋槳4的部分7，存在具有圓柱壁9的排氣噴嘴8，其被旋轉(zhuǎn)連接到機(jī)艙的下游螺旋槳4的部分7上，并且同心地圍繞在尾噴管10內(nèi)終止的動力渦輪機(jī)5 (低壓渦輪機(jī)5B)的后部，尾噴管10被旋轉(zhuǎn)固定到渦輪機(jī)并朝渦輪機(jī)組I的縱向軸線A會聚。環(huán)形剖面的通道11然后在噴嘴8和具有該尾噴管10的渦輪機(jī)5之間形成，并且在各種高壓和低壓渦輪機(jī)內(nèi)循環(huán)的燃燒室的燃燒氣體流經(jīng)該通道。[0026]如前所述，這些燃燒氣體有助于渦輪機(jī)組I所供給的整體推力，其大部分由通過動力渦輪機(jī)5驅(qū)動的反向旋轉(zhuǎn)的螺旋槳3、4所供給。
[0027]根據(jù)本發(fā)明，為了能根據(jù)航空器的功能階段分配螺旋槳3、4和噴嘴8之間的推力，氣體通道11的環(huán)形剖面可依靠噴嘴8的容量被改變，從而以可控制的方式移動。當(dāng)然，推力在相對較小的預(yù)定和測試范圍內(nèi)被分配，并且主推力仍主要由螺旋槳提供。
[0028]如圖2和3更詳細(xì)地示出，旋轉(zhuǎn)噴嘴8被安裝以能夠軸向地沿軸線A在兩個(gè)預(yù)定的端部位置移動，使得有可能使用被設(shè)置在機(jī)艙6和噴嘴8之間的控制設(shè)備12獲得被標(biāo)記為最小SI和最大S2的氣體通道的兩個(gè)剖面。更具體地，同軸地延伸機(jī)艙的噴嘴的圓柱壁9，具有在圓柱部分7內(nèi)側(cè)伸縮地接合的前圓柱部分14，后者在圓柱部分7下面直到它鄰接以便機(jī)艙6的圓柱部分7的外輪廓和噴嘴8的外輪廓連續(xù)。
[0029]為了允許噴嘴8相對于被連接到下游螺旋槳4的機(jī)艙6的圓柱部分7滑動，以及將看到的，允許增加氣體通道的環(huán)形剖面，控制設(shè)備12為致動器15，其彼此平行并平行于縱軸A布置，并被布置為相對于渦輪機(jī)組的所述軸線A以規(guī)則的角度間隔分布。例如，這些致動器15為流體(液壓或氣動)致動器，或它們可為電動致動器，并且它們每個(gè)的氣缸16都鉸接到機(jī)艙6的圓柱部分7而桿17被鉸接到噴嘴8的壁9的前圓柱部分14。
[0030]如圖3所示，致動器15在該實(shí)施例中處于縮回位置，這樣旋轉(zhuǎn)噴嘴8的壁9的前圓柱部分14在機(jī)艙6的旋轉(zhuǎn)圓柱部分7內(nèi)盡可能遠(yuǎn)地伸縮接合。在噴嘴8的該端部位置，當(dāng)考慮到垂直于縱軸線時(shí)，在噴嘴的尾部后緣20和此點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)會聚尾噴管10之間的氣體通道11的環(huán)形剖面SI就被認(rèn)為處于最低值。
[0031]在這種情況下，當(dāng)在噴嘴出口的氣體通道11的剖面SI處于最小值時(shí)，可能來自于驅(qū)動螺旋槳3，4的動力渦輪機(jī)5內(nèi)的加壓氣體的膨脹被減少，并且因此，來自螺旋槳的推力降低，而噴嘴8內(nèi)的膨脹增加了。因此，具有氣體通道的最小剖面SI的噴嘴8的這種位置非常適于飛機(jī)的起飛階段，該飛機(jī)配備有具有螺旋槳的這些渦輪機(jī)組。這是因?yàn)?，通過增加噴嘴所產(chǎn)生的推力作用，由螺旋槳所提供的推力作用被減少，這樣，它們處于較少的負(fù)載下，由于燃燒氣體的噴射流被認(rèn)為比螺旋槳更安靜，從而減少噪聲影響。這種方法也減少了在該起飛階段中的燃油消耗。
[0032]現(xiàn)在如圖4所示，致動該致動器15以呈現(xiàn)它們的延伸位置，這樣旋轉(zhuǎn)噴嘴8經(jīng)由圓柱部分14平行于渦輪機(jī)組的軸線A向后“滑動”，相對于機(jī)艙6的圓柱部分7向下移動。在噴嘴的該第二端部位置，被認(rèn)為在噴嘴的后緣20并垂直于該軸線的氣體通道的環(huán)形剖面S2然后處于最大值并隨著渦輪機(jī)5B的旋轉(zhuǎn)尾噴管10朝軸線A會聚而大于SI。隨著噴嘴8已相對于在軸向上固定的尾噴管10軸向地向后移動,氣體通道11的剖面S2被放大。
[0033]在這種情況下，當(dāng)在噴嘴出口的氣體通道的剖面處于最大值時(shí)，來自渦輪機(jī)5的更多動力被提供給螺旋槳3，4并且由于其中氣體的膨脹減少，更少的能量在噴嘴8內(nèi)是可獲得的。
[0034]因此，具有氣體通道的最大剖面S2的噴嘴的這種位置尤其適于爬升和巡航的飛行階段，其中需要來自螺旋槳的最大推力(其推進(jìn)效率良好)和來自主噴嘴的最小推力(效率基本很低)，以使渦輪機(jī)組I的熱推進(jìn)效率最大化。
[0035]最后，由于噴嘴8，其在軸向方向上可移動并具有氣體通道的可變剖面，可能以最佳方式在螺旋槳3、4和噴嘴8之間分配動力以特別地減少在起飛(通過有利于噴嘴)的噪音污染和巡航階段(通過有利于螺旋槳)的燃料燃燒。
[0036]通過信息，使用最小的噴嘴剖面(爬升、巡航)，氣體噴射提供7%的整體推力，使用最大的噴嘴剖面，10%的推力由氣體噴射提供，每種情況下的其余被螺旋槳所供給。
[0037]在開式轉(zhuǎn)子或渦輪機(jī)螺旋槳內(nèi)動力的這種分配，盡管處于有限的范圍內(nèi)，使得可能獲得噪音和燃油消耗方面的收益，并且同樣限制了螺旋槳上的應(yīng)力，尤其是在起飛時(shí)。
[0038]用于改變?nèi)紵龤怏w通道11的剖面的圖5和圖6所示的實(shí)施例變型與前面的實(shí)施例接近。
[0039]控制致動器15—其也為軸向的一根據(jù)渦輪機(jī)組I的功能階段在軸向方向上在兩個(gè)端部位置之間移動旋轉(zhuǎn)噴嘴8。然而，與所述的實(shí)施例相比，噴嘴8的前部14不像在機(jī)艙6的相應(yīng)旋轉(zhuǎn)圓柱部分7內(nèi)接合那么深，這樣，當(dāng)致動器15被致動以從它們的縮回位置移動到它們的延伸位置時(shí)，噴嘴8的前邊緣21平行于軸線A移動遠(yuǎn)離終止機(jī)艙6的圓柱部分7的后邊緣19，并在它們之間形成側(cè)圓柱形開口 22。
[0040]因此，如圖6所示，該開口 22除了增加在噴嘴出口的剖面S2外，還增加噴射剖面，以通過剖面的這些變化實(shí)現(xiàn)在螺旋槳和噴嘴之間合適的推力分配。
[0041]在未示出的一個(gè)實(shí)施例變型中，為了改變?nèi)紵龤怏w通道11的環(huán)形剖面，通過在軸向方向上移動噴嘴8，可想的是使用形狀記憶材料。
[0042]事實(shí)上，如形狀記憶金屬合金的材料已知具有在固態(tài)具有兩個(gè)穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)(一個(gè)處于奧氏體相，另一處于馬氏體相)的屬性，每個(gè)都在兩種不同溫度范圍的一個(gè)中，該兩種不同溫度范圍的每個(gè)對應(yīng)于合金的晶體結(jié)構(gòu)的特定階段并由被稱為轉(zhuǎn)變溫度的中間區(qū)域所分隔。因此，根據(jù)溫度，由這種合金制成的部件可以通過逆方式呈現(xiàn)兩種不同的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。以舉例方式，根據(jù)應(yīng)用，這些合金為鎳鈦合金或銅鋅鋁合金。
[0043]例如，通過在機(jī)艙和旋轉(zhuǎn)噴嘴之間布置未示出的這種部件，可根據(jù)溫度在軸向方向上移動后者，并改變噴嘴的環(huán)形出口剖面。這種部件因此代替致動器用作“肌肉”。
[0044]作為一種變型，也可將形狀記憶部件直接地連接到噴嘴壁上，或者甚至可將其集成到噴嘴本身以改變噴射剖面。
[0045]應(yīng)該記住的是，與開式轉(zhuǎn)子相結(jié)合的上文所述類型的可變剖面噴嘴也可被安裝在渦輪機(jī)螺旋槳或具有螺旋槳的其它渦輪機(jī)組上。
【權(quán)利要求】
1.一種渦輪機(jī)組，具有一個(gè)或多個(gè)航空器螺旋槳，包括用于驅(qū)動螺旋槳(3，4)旋轉(zhuǎn)的至少一個(gè)渦輪機(jī)(5)，以及噴嘴(8)，其同軸地延伸超出所述渦輪機(jī)且與終止該渦輪機(jī)的尾噴管(10) —起產(chǎn)生用于燃燒氣體流過渦輪機(jī)的環(huán)形剖面通道(11 )，噴嘴(8)被安裝以能夠在通道(11)的環(huán)形剖面分別為最小或最大的兩個(gè)端部位置之間移動，以及控制設(shè)備(12)，被連接到噴嘴以改變其位置并根據(jù)航空器的功能階段改變?nèi)紵龤怏w通道的剖面，其特征在于:為了改變?nèi)紵龤怏w的通道(11)的剖面，所述噴嘴(8)在控制設(shè)備(12)的作用下，平行于渦輪機(jī)組的縱向軸線平移，渦輪機(jī)的尾噴管(10)朝該縱向軸線會聚。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)組，其中，控制設(shè)備(12)為將環(huán)繞渦輪機(jī)的外圍機(jī)艙(6)的一部分連接到噴嘴(8)的致動器或類似物(15)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪機(jī)組，其中，該控制致動器(15)被布置為以規(guī)則的角度間隔在噴嘴周圍，平行于渦輪機(jī)的縱向軸線分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的渦輪機(jī)組，其中，當(dāng)噴嘴在其端部位置之間平移時(shí)，噴嘴的圓柱壁(9)仍與機(jī)艙的圓柱壁(7)接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的渦輪機(jī)組，其中，當(dāng)噴嘴從最小通道剖面的端部位置平移到最大通道剖面的端部位置時(shí)，環(huán)形開口(22)在機(jī)艙(6)和噴嘴(8)之間形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)組，其中，噴嘴(8)的控制設(shè)備(12)由形狀記憶材料制造，該形狀記憶材料根據(jù)溫度具有對應(yīng)于通道剖面處于最小或最大的噴嘴的端位置的兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。
【文檔編號】F02K3/072GK103429880SQ201280013000
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2012年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月14日
【發(fā)明者】塞巴斯蒂安·多恩, 尼古拉斯·杰羅姆·吉恩·坦托特 申請人:斯奈克瑪