具有一对被置于气体发生器上游的对转螺旋桨的涡轮发动机

技术领域

本发明涉及航空推进器的领域。本发明涉及一种具有一对被气体涡轮发动机驱动的螺旋桨的发动机。

背景技术

在本领域中，以术语“开式转子”发动机或“无涵道风扇”发动机来表示具有多对螺旋桨的发动机。该发动机与多流涡轮喷气发动机的不同之处在于使用螺旋桨替代风扇。此外，该螺旋桨是由两个同轴的对转螺旋桨构成的。这些发动机是基于下述这种设计开发的：在该设计中，螺旋桨在气体发生器后方并被表示为“推进器”或者在该气体发生器前方并被表示为“牵引器”。本发明尤其涉及为后一种类型的发动机。

对于这种情况，现有技术示出了构成螺旋桨单元的螺旋桨与气体发生器是同轴的，彼此成直线。发动机被称为是同轴式(in-line)的。

当根据这种布局采用设计时，应考虑到数个元件或参数，诸如由两个螺旋桨构成的螺旋桨单元的驱动模式、螺旋桨的轮毂比和进气管道的布置。

螺旋桨被与气体发生器联接的动力涡轮借助于差动减速齿轮来驱动，该动力涡轮旋转得比螺旋桨更快。从航空声学优化得到开式转子的对转螺旋桨的速度、扭矩比和速度之间的比。对于差动减速齿轮，螺旋桨之间的扭矩比取决于减速比，该减速比通常为介于7.5和12之间的减速比。差动变速器的质量与齿轮的尺寸相关联。对于给定的比，可以对齿模数进行一些有限的调整，所以存在有限数量的远离所需的比和/或最优的质量的构造。

所选择的动力涡轮速度是将减速比与螺旋桨速度相结合的结果，并且可能与使用寿命的目标不相容或者可能由于高质量而导致非最优的涡轮。相反，遵照该规范在限定发动机特性时在缺少额外的自由度的情况下可能导致非最优的航空声学情况。

减小螺旋桨/轮毂比(轮毂的直径与螺旋桨的直径之间的比)在发动机性能或发动机质量方面是有利的。

对于相同的直径，这意味着螺旋桨的航空动力学负载可被减小，结果是效率提高。

对于相同的航空动力学负载，这意味着螺旋桨的直径可被减小，结果是质量减小。

可以不同的方式来布置进气口。

如在以申请人的名义的专利申请FR 2951502中所说明的，发动机的进气口可被布置在螺旋桨的上游，该螺旋桨具有中心开口和处于轮毂与支撑螺旋桨叶片的圈之间的环形通道。然而，在进气通道中存在旋转臂导致压力下降，这不利地影响了气体发生器的性能。

进气口可被布置在呈环形通道的形状的两个螺旋桨之间。以申请人的名义的专利申请FR 2998867和FR 3001264提出了该螺旋桨的示例，见图1。然而，环形通道具有较大半径之处是在发动机的周缘上，此处具有较小的可用开口高度。这导致边界层厚度很大，这在效率方面是不利的。而且，在侧滑的情况下或在航空器具有大的迎角之处，进入的空气流遭受扭曲现象。最后，这种布置意味着下游螺旋桨具有增大的轮毂比，这在质量和性能方面是不利的。

进气口可被布置在螺旋桨后方并且具有环形或双叶瓣的形状。对于环形形状，遇到了与之前相同的航空动力学影响。对于双叶瓣的形状，具有开口高度更大的益处，因此这对效率是有利的；然而，在侧滑的情况下注意到流发生了更大的扭曲，这影响气体发生器压气机的可操作性。

进气口可被布置在螺旋桨后方并且具有单叶瓣的形状。这使得能够增大空气流的高度并且避免在其它的解决方案中遇到的航空动力学问题，但是这种布置利用了某种航空动力学外形，该航空动力学外形要求发动机显著地延长，以容纳减速齿轮。进气口使得能够绕过差动变速器，但该进气口的尺寸取决于差动变速器圈的半径。这种加长是以质量为代价的，并且导致了构架的扭曲和更为不良的性能。

在包括具有一对上游螺旋桨的螺旋桨单元的设计中，关注对于辅助装置(service)的布置也是重要的。为可变间距类型的每个螺旋桨均包括用于以枢轴旋转驱动致动器来改变叶片间距的机构。该机构必须能够对各个上游致动器供给流体辅助和电气辅助。这些辅助的路线必须被设置成从与结构性壳体关联的静止基点(marker)朝向螺旋桨上的旋转基点。具体地，所供给的流体必须穿过输油系统，该输油系统产生了大量的泄漏。而且，将电气辅助的路线设置成从静止基点朝向旋转基点需要安装旋转转换器。最后，还希望该旋转转换器不必穿过空气流，因为会导致压力下降。

本申请人设立了生产一种具有一对上游螺旋桨的发动机的第一目标，在该发动机中，动力涡轮与这对螺旋桨之间的动力传输使得易于使减速齿轮机构适应于对该减速齿轮机构进行驱动的涡轮。

第二目标涉及一种具有进气口的发动机，该进气口对航空器的迎角的改变不敏感并且引起尽可能低的压力下降。

另一目标涉及发动机的生产，在该生产中，对螺旋桨单元进行的布置使得能够具有低轮毂比。

另一目标涉及对用于改变螺旋桨叶片间距的机构进行供给的辅助装置进行的最优布置。

另一目标为生产一种具有进气口的发动机，该进气口对航空器的迎角的改变不敏感并且对于尽可能短的发动机长度引起尽可能低的压力下降。

发明内容

根据本发明，由一种发动机实现了这些目标，该发动机包括一对对转的螺旋桨和对动力涡轮进行供给的气体发生器，这对螺旋桨被动力涡轮的轴经由减速齿轮箱旋转地驱动，这对螺旋桨的旋转轴线与动力涡轮的旋转轴线不同轴，减速齿轮箱包括差动齿轮组和第一级，该第一级包括连接涡轮轴和差动齿轮组的简单齿轮组，发动机进气口包括进气管道，呈叶瓣的形状的进气管道与由简单齿轮组和差动齿轮组构成的组件相邻。

因此，通过将偏移的轴以及与减速齿轮相邻的进气管道相结合：

-改善了对主要模块，即气体发生器和螺旋桨单元进行维护的接近条件。

-偏移的单叶瓣式进气口使得能够改善进气口的航空动力学性能以及易于包含颗粒捕集部。

-整合外部构造更容易；发动机具有更多的空间来在其中容纳设备(AGB、泵等)，该设备在任一种情况下均被布置在冷却部分中。

-能够安装涡轮螺旋桨类型的发动机，该发动机具有超过同轴式发动机的优点：对于同一螺旋桨直径，具有更大的离地间隙。

-在其它的发动机设计中所包括的大直径的旋转壳体可被省去，因为没有穿过轮毂的空气流。这使得质量大大减小。

-发动机比同轴式发动机更短—原因是变速器的总体轴向尺寸的至少80％被进气管道的总体尺寸占据，同时考虑到了保持进气管道与压气机吸入口之间的低空气偏转的限制条件。这使得节省了重量。

优选地，由简单齿轮组和差动齿轮组构成的组件位于进气管道的同一侧，例如当发动机处于运行构造时位于进气管道的上方。

具有简单齿轮组的第一级可包括与涡轮轴一体的第一齿轮，所述第一齿轮与第一级的第二齿轮啮合，所述第二齿轮被安装成围绕这对螺旋桨的轴线旋转。优选地，第一齿轮直接与第二齿轮啮合，而在第一齿轮与第二齿轮之间不存在中间元件。

优选地，由简单齿轮组和差动齿轮组构成的例如与发动机成直线的组件位于这对螺旋桨与气体发生器之间。具体地，由简单齿轮组和差动齿轮组构成的组件可位于下游螺旋桨的下游和气体发生器的上游。

优选地，动力涡轮的轴线与将气体发生器的压气机的顶端连接到进气管道的内部弯头的直线之间的角度介于20°和60°之间。

差动齿轮组可包括处于动力涡轮这一侧的输入端和两个输出端，这两个输出端各自驱动螺旋桨转子。

根据另一特征，第一级包括被连接到差动齿轮组的行星齿轮的齿轮。

通过该特征，本发明：

-当涉及到确定螺旋桨相对于动力涡轮的速度和扭矩时提供了额外的自由度。实际上，在差动变速器中，两个输出端之间的扭矩比与输入端/输出端减速比相关联。由于该额外的级，能够优化动力涡轮的特性。快速动力涡轮具有更低的质量，因为可减小其平均半径并且还更易于整合。该额外的级还提供了更大的自由来减小差动变速器的质量。为此，可探索并结合数个解决方案：增大减速比以减小中心行星齿轮的直径，减小行星轮的直径或优化总体减速比以减小齿轮的总质量。

通过航空动力学参数和声学参数来确定下游螺旋桨/上游螺旋桨对之间的比，以实现这对螺旋桨的最优的推进效率。总体减速比与差动变速器的减速比不同。目标在于使总体减速比介于8和15之间，以及使差动部分的减速比介于6和11之间。总体传动比介于差动变速器的减速比的0.5和2之间。优选地，选择简单齿轮组的倍增比，以使齿轮速比与前述的扭矩比相关。具体地，希望得到具有较大的减速比的差动变速器，以限制该差动变速器的重量。

同时，简单齿轮组产生了螺旋桨单元的轴线与气体发生器的轴线之间的偏移。该偏移使得能够确保对螺旋桨单元与气体发生器之间的模块性进行优化，以及能够确保低螺旋桨轮毂比，由于在螺旋桨单元中不存在内部空气流，所以该低螺旋桨轮毂比是可能的。这还意味着例如为负载压气机的设备可被减速齿轮直接驱动。

差动齿轮组和简单齿轮组中的至少一个可包括例如在轴向上重复出现的齿轮。

简单齿轮组可尤其包括两个齿轮，这两个齿轮同时与被连接到行星齿轮的齿轮啮合。

例如，涡轮轴可与同时驱动两个齿轮的单个齿轮是一体的，这两个齿轮与跟差动变速器的行星齿轮同轴的单个齿轮接合，该行星齿轮是重复出现的。行星齿轮中的两个齿轮驱动行星轮，该行星轮自身与圈一样在轴向上重复出现。

根据一个实施例，差动齿轮组包括行星齿轮、行星架和圈，行星架被连接到上游螺旋桨，圈被连接到这对螺旋桨中的下游螺旋桨。

根据变型实施例，差动齿轮组包括行星齿轮、行星架和圈，行星架被连接到下游螺旋桨，圈被连接到这对螺旋桨中的上游螺旋桨。

更具体地，根据优选的一体的结构，发动机包括具有套管的固定结构，第一轴构件经由轴承被支撑在套管内部，所述轴构件将圈连接到这对螺旋桨中的一个螺旋桨。

根据另一特征，发动机包括经由轴承被支撑在第一轴构件内部的第二轴构件，第二轴构件将行星架连接到这对螺旋桨中的另一个螺旋桨。

根据另一特征，发动机包括经由轴承被支撑在固定结构上的第三轴构件，所述轴构件将第一减速级连接到行星齿轮。

有利地，发动机包括包含辅助装置的套管，该套管被容纳在轴构件内部。更具体地，该套管是固定的。

因此，本发明使得辅助的路线能够被设置到静态基点中，以及使得能够安装静态致动器。这种布置在同轴式设计的情况下是不可行的。此外，将套管并入到从气体发生器偏移的螺旋桨单元中使得更易于接近。

附图说明

通过阅读本发明的实施例的以完全为说明性、非限制性示例的方式参照所附的示意图给出的以下详细解释性描述，本发明将更易于理解，并且本发明的其它目标、细节、特征和优点将变得更清楚。

在这些附图中：

-图1以轴向截面的形式图解性地示出了根据本发明的发动机的示例；

-图2更详细地示出了根据本发明的发动机的实施例的结构性构件；

-图3示出了图2的涉及螺旋桨单元的细节；

-图4示出了本发明的变型实施例；

-图5以透视图的形式示出了具有双齿轮的减速齿轮的示例；

-图6示出了减速齿轮的另一示例；

-图7以透视图的形式示出了对进气管道相对于偏移轴进行了定位的发动机。

具体实施方式

参照图1，示出了发动机1被安装在航空器A上、安装在机身的后部部分中。该发动机在两个悬挂平面处被附接到该机身，这两个悬挂平面为上游平面P1和下游平面P2。该发动机从上游到下游包括螺旋桨单元3，该螺旋桨单元由两个对转的螺旋桨31和32构成，这两个对转的螺旋桨围绕被称为螺旋桨单元轴线的轴线XX旋转。在下游，气体发生器5由具有压气组件的燃气涡轮发动机、燃烧室和涡轮组件构成。来自于气体发生器5的气体经由在发动机的后部的排气喷嘴12被喷射到大气中。气体发生器5的轴是同轴的并且被安装成围绕被称为气体发生器轴线的轴线YY旋转。轴线XX和轴线YY彼此偏移。关于在航空器上的位置，在图1中，轴线XX被定位在轴线YY上方：这意味着从地面到螺旋桨单元的距离可被增大，并且发动机在航空器上可被定位得更低或者可被定位在需要大量的离地间隙的航空器上。

偏移还使得发动机在航空器上能够被安装成使得气体发生器更靠近机身，以限制发动机的悬垂同时将螺旋桨安置得更远。在这种情况下，轴线将不是处于同一高度，而是水平地偏移，或者在高度上偏移并且水平地偏移。图7图解性地示出了本发明的发动机，该发动机具有其两条轴线XX和YY以及进气管道，该进气管道的轴线与前两条轴线共平面。双向箭头F示出了可以如何通过对轴线相对于彼此进行枢转而使该轴线的相对位置相对于彼此在航空器上改变。

由气体发生器5提供的动力的一部分被轴53a传输到螺旋桨单元。轴53a从上游延伸并且通过减速器驱动螺旋桨单元的转子31和32，该减速器包括差动减速齿轮7和具有简单齿轮组的第一级6。齿轮组被称为是简单的，是因为齿轮的旋转轴线是固定的。

根据该实施例，具有简单齿轮组的第一级6包括与轴53A一体的齿轮61，该齿轮与齿轮63啮合，该齿轮63被安装成围绕螺旋桨单元的轴线XX旋转。轴线XX与轴线YY之间的偏移对应于两个齿轮61与63的轴线之间的距离。取决于两个齿轮各自的半径，该第一级6引起输入齿轮与输出齿轮之间的旋转速度的减小或增大。齿轮组被称为是简单的，是因为轴线是固定的，与差动的不同。

齿轮63驱动差动减速齿轮7的齿轮。该差动减速齿轮包括中心行星齿轮71、圈73以及处于该中心行星齿轮与圈之间的被安装在行星架72P上的行星轮72。差动减速齿轮的三个构件71、73和72P与轴线XX是同轴的。

螺旋桨单元转子的轴31A和32A与轴线XX是同轴的并且分别与差动减速齿轮的行星架72P和圈73是一体的。

第一减速级的输出齿轮63经由该输出齿轮的轴来驱动行星齿轮71的轴。

每个螺旋桨的叶片间距受致动器控制，该致动器被分别图解性地示出为31V和32V。例如，通过使用曲轴围绕叶片的轴线驱动叶片来改变间距。由申请人递交的专利FR3001 264描述了间距改变控制器的实施例。

气体发生器5被容纳在发动机舱10中，该发动机舱包括用于对气体发生器供给空气的进气管道11。该进气管道与减速齿轮6和减速齿轮7相邻，其中在这里，吸入平面11a垂直于轴线XX，并且该进气管道被布置成沿平行于XX的方向引导空气，之后使该空气转向气体发生器5的吸入口。进气管道的曲率使得能够包含用于可能损坏发动机的颗粒和外来物的捕集部13。

简单齿轮组6和差动齿轮组7在径向上位于进气管道11的同一侧、在进气管道11的上方。以这种方式，在管道11的吸入口处的空气输送管道的轴线位于气体发生器的轴线YY的下方，该气体发生器的轴线自身位于螺旋桨单元的轴线XX的下方。

轴线YY与直线D之间的角度使得进入发动机的空气流进行偏转，该直线连接气体发生器压气机的顶端与进气管道的内部弯头。根据航空动力学的考量将该角度选择为介于20°和60°之间，以避免在压气机吸入口处的流扭曲和异物侵入到发动机中。该角度是根据压气机、发动机的几何结构和航空器等来确定的。因此，通道14的轴向尺寸是根据中心到中心的距离和该角度来确定的。因此，所希望的是减小该中心到中心的距离。

如上文所指出的，现在仅存在待绕过的输入齿轮的半径，而不再存在差动圈的半径。优选地，差动圈的半径至少是输入齿轮的半径的两倍大。应注意的是，圈通常具有比简单齿轮单元的输入齿轮的外轮齿更大的内轮齿，并且因此该圈通常具有更大的总体尺寸。还有必要增加油提取(scavenge)设备，虽然该油提取设备在两种情况下具有相等的总体尺寸。

应注意的是，轴线的高度偏移使得空气管道11能够与在压力下降方面相对于环形开口更有利的开口高度合并，因为与新鲜空气相比，边界层在进气口中占该进气口的相对较小的部分。管道11的宽度在例如为90°的一部分圆上延伸。

此外，有利地，进气管道的在发动机舱侧的上游凸缘11b与该发动机舱分开，以防止或至少减少由沿着旋转的发动机舱的流形成的边界层空气的吸入。

还有利地，用于提取减速齿轮单元的润滑油的设备被容纳在减速齿轮的下部部分中、靠近进气管道。该提取的油处于足够的温度，以构成对空气管道进行除冰的手段。

该发动机如下运行。空气被管道11引导朝向气体发生器5，该气体发生器供给合适的动力来驱动动力涡轮53。离开涡轮的气体通过排气喷嘴12被喷射。

轴53a使第一级6的齿轮旋转，齿轮在输出端处相对于轴53a的旋转速度的旋转速度是由利用发动机的特性限定的减速比或增速比来确定的。

第一级的输出齿轮驱动差动减速齿轮7的行星齿轮，该行星齿轮使行星架旋转并且行星齿轮由该行星架支撑。这些行星齿轮对圈进行驱动，使之相对于行星齿轮的旋转进行反向的旋转。

这种发动机的设计使得当以数个步骤开发时能够进行进一步的改善。该开发包括：

-航空声学优化步骤，在该步骤中，上游螺旋桨的扭矩比的绝对值被设在螺旋桨速度的0.8和1.5或2之间。扭矩比设定了差动减速齿轮的减速比；

-优化涡轮的步骤，在该步骤中，取决于涡轮发动机参数，即功率、空气流的形状和最大速度来设定理想的涡轮速度。据此推断出涡轮与螺旋桨之间的总体减速比。以这种方式，设定减速齿轮的减速比；

-优化减速齿轮组件的质量和轴线XX与轴线YY之间的偏移大小的步骤，在该步骤中，扭矩比以+/-10％改变以确定较低的质量点。

参照图2和图3，这些附图更详细地示出了发动机的实施例。

气体发生器5由具有压气组件的燃气涡轮发动机、燃烧室54和涡轮组件构成。在这里，气体发生器由三个转子51、52、53构成。两个转子51和52分别包括通过轴51A连接的压气机51C和涡轮51T以及通过轴52A连接的压气机52C和涡轮52T。气体发生器5的轴是同轴的并且被安装成围绕轴线YY旋转。燃烧室54被定位在为高压压气机的压气机52C与为高压涡轮的涡轮52T之间。在为低压涡轮的涡轮51T的下游，动力涡轮53被安装在与轴51A和52A同轴的轴53A上。

燃烧室54被定位在为高压压气机的压气机52C与为高压涡轮的涡轮52T之间。在为低压涡轮的涡轮51T的下游，动力涡轮53被安装在与轴51a和52a同轴的轴53a上。

根据该实施例，具有简单齿轮组的第一级6包括与轴53a一体的齿轮61，该齿轮与齿轮63啮合，该齿轮63被安装成围绕螺旋桨单元的轴线XX旋转。轴线XX与轴线YY之间的偏移对应于两个齿轮61与63的轴线之间的距离。取决于两个齿轮各自的半径，该第一级6引起输入齿轮与输出齿轮之间的旋转速度的减小或增大。齿轮组被称为是简单的，是因为轴线是固定的，与差动的不同。

齿轮63驱动差动减速齿轮7的齿轮。该差动减速齿轮包括中心行星齿轮71、圈73以及处于该中心行星齿轮与圈之间的被安装在行星架72P上的行星轮72。差动减速齿轮的三个构件71、73和72P与轴线XX是同轴的。

螺旋桨单元转子的轴31A和32A与轴线XX是同轴的并且分别与差动减速齿轮的行星架72P和圈73是一体的。

第一减速级的输出齿轮63经由该输出齿轮的轴来驱动行星齿轮71的轴。

涡轮使第一减速级6的齿轮旋转。齿轮在输出端处相对于轴53A的旋转速度的旋转速度是由利用发动机的特性限定的减速比或增速比来确定的。

第一级的输出齿轮驱动行星齿轮，该行星齿轮使行星架旋转并且行星齿轮由该行星架支撑。这些行星齿轮对圈进行驱动，使之相对于行星齿轮的旋转进行反向的旋转。在飞行期间以及在地面上，由致动器来调整叶片间距。每个螺旋桨的叶片间距受致动器控制，该致动器被分别图解性地示出为31V和32V。例如，通过使用曲轴围绕叶片的轴线驱动叶片来改变间距。由申请人递交的专利FR 3001 264描述了间距改变控制器的实施例。

图2中的图解使得更易于理解发动机的运行；图3使用与螺旋桨单元部分有关的相同的发动机构件并且示出了这些构件是如何被整合到结构中的。

固定结构20包括构成轴承支撑件的一组壳体构件。以这种方式，壳体包括从上游延伸的套管21。该套管21与两个螺旋桨的轴32A和31A同轴。该套管经由轴承22支撑下游螺旋桨的轴32A，该轴被连接到差动减速齿轮的圈73。该轴32A在其另一端部处与螺旋桨轮毂32是一体的。应注意的是，套管21支撑下游螺旋桨32的叶片间距控制致动器32V。为了传输固定的致动器32V的控制构件的平移运动，圈32v1与轴承被一起安装在致动器控制构件上。该圈被连接到固定叶片的枢轴32p的连接杆。

被连接到上游螺旋桨31的轴31A被轴32A经由中介轴承32I支撑。在下游，轴31A被附接到行星架72p。

将第一级6的齿轮连接到行星齿轮71的轴63A被固定壳体构件经由轴承24支撑。

固定的套管25被容纳在轴63A和轴31A内。该套管将上游螺旋桨叶片间距控制致动器31V连接到位于减速齿轮的下游的区域。该套管的功能是用作例如用于致动器31V的流体辅助和电气辅助的引导件。该致动器是固定的并且与致动器32V一样，其将运动经由旋转圈传输到上游螺旋桨叶片的枢轴31P。

根据另一实施例，上游致动器可围绕轴线XX旋转。于是在致动器与套管之间设置合适的密封。

图4示出了变型实施例，其中，更改了两个螺旋桨的轴的附接部。轴32A'被布置成被行星架72P驱动以及被布置成转而驱动下游螺旋桨。轴31A'被布置成被差动减速齿轮的圈73驱动以及被布置成驱动上游螺旋桨31。

图5示出了具有简单齿轮组的第一级的示例性实施例，该第一级由于被施加到轮齿的作用力在较大的表面积上的散布而使得能够传输高功率密度。在该示例中，涡轮53A的轴与两个同轴的齿轮61'是一体的，这两个同轴的齿轮同时与两个同轴的齿轮63'啮合。这两个齿轮63'被固定到构成差动减速齿轮7的行星齿轮的两个同轴的齿轮71。相似地，行星轮72'与圈73'一样在轴向上重复出现。

这种布置具有使在两个重复出现的齿轮之间传输的扭矩散布的优点，这限制了轮齿上的负载但不会在纵长方向上妨碍减速齿轮。

图6示出了针对同一对象的减速齿轮的变型实施例。在该附图中，未示出差动减速齿轮的圈。可看见与轴53A一体的齿轮61”。在这里，该齿轮同时驱动两个齿轮62”。这两个齿轮被置于相对于轴53A为横向的同一平面中并且与齿轮63”接合。该齿轮与差动减速齿轮的行星齿轮同轴，如在之前的示例中的，该行星齿轮是重复出现的。相似地，行星齿轮中的两个齿轮驱动行星轮，该行星轮自身与未示出的圈一样在轴向上重复出现。该解决方案使得能够减小减速齿轮的轴向尺寸，但不会影响传输高扭矩的能力。发动机的尤其是其悬臂部分的长度被以同样的量减小。

用于使两个齿轮之间的扭矩均衡的机构在合适的位置被添加到该齿轮组，以避免在作用力路径中的一个上的过早的磨损。