專利名稱：具有對(duì)旋風(fēng)扇設(shè)計(jì)的空中交通工具推進(jìn)系統(tǒng)和用于降低噪音的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開的實(shí)施例通常涉及飛機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)領(lǐng)域，并且更特別地涉及具有可變?nèi)~片行距/列距(row spacing)的對(duì)旋(counter rotating)風(fēng)扇的實(shí)施例。
背景技術(shù)：
由于旅行的需要持續(xù)攀升，和最小化費(fèi)用的持續(xù)壓力增加，航空噴氣燃料成本增加、碳相關(guān)稅收法規(guī)(carbon-related taxation regulation)的制定及其預(yù)期增長(zhǎng)已產(chǎn)生對(duì)于槳扇O^rop-fan)或開扇(Open-Fan)技術(shù)的全行業(yè)熱情復(fù)蘇。同時(shí)；由于增加的旅行， 美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)和國際(ICAO)組織對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)檢定/認(rèn)證強(qiáng)制實(shí)行的增加的法定噪音傳播限制已變得更嚴(yán)厲。在很多國家，地方航空管理機(jī)關(guān)已強(qiáng)制實(shí)行費(fèi)用、 宵禁、限額的組合方式，目的在于抑制噪音接觸和與降低噪音措施相關(guān)的成本的上升，所述降低噪音措施包括隔音住宅。為了實(shí)施，很多機(jī)場(chǎng)已在噪聲敏感區(qū)域安裝了擴(kuò)音器/麥克風(fēng)，其通常強(qiáng)迫管理者犧牲有效負(fù)載和/或范圍，從而避免違反這些當(dāng)?shù)氐脑胍粽?。此外，預(yù)期將強(qiáng)制實(shí)行當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量或其他碳相關(guān)的環(huán)境成本。另外，對(duì)于超越傳統(tǒng)的窄體式市場(chǎng)的擴(kuò)展點(diǎn)對(duì)點(diǎn)服務(wù)和操作靈活性的需求使設(shè)計(jì)者相對(duì)于其他權(quán)衡，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)燃料效率?？赏ㄟ^降低巡航速度而獲得改進(jìn)的燃料消耗，然而這將增加飛行時(shí)間并且不受乘客歡迎，凈燃料效益可相當(dāng)小，可以產(chǎn)生關(guān)于空中交通統(tǒng)一 /綜合的挑戰(zhàn)，可以降低特定日期中的營收飛行的數(shù)量，并且該方法實(shí)際上可引起其他航線運(yùn)營成本的增加。為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)今噴氣式飛機(jī)的巡航速度( 0. 8馬赫)，因?yàn)橛捎诒韧屏Σ蛔?，單個(gè)旋轉(zhuǎn)/單級(jí)渦輪螺旋槳(rotation/stage turboprop)的巡航速度實(shí)際被限制于大約0. 7馬赫，所以需要對(duì)旋開扇(CROF)系統(tǒng)。對(duì)旋開扇具有單旋轉(zhuǎn)渦輪螺旋槳不具有的復(fù)雜噪音源；特別是推進(jìn)器尾流交互作用以及翼尖渦流交互作用噪音。這兩種噪音源都可引起影響機(jī)場(chǎng)區(qū)域的外部環(huán)境噪音、影響乘客舒適度的機(jī)艙噪音和飛機(jī)結(jié)構(gòu)音響疲勞。各種設(shè)計(jì)方法存在對(duì)這些噪音噪聲源和凈推進(jìn)效率之間的高復(fù)雜的平衡。不希望有的尾流互制噪音(wake interaction noise)和希望有的推進(jìn)效率趨向于隨著風(fēng)扇之間的間隔更大而減少。然而，不希望有的漩渦交互作用噪音實(shí)際上可隨著間隔增加，由于第一行葉片后的流管收縮，其取決于自由氣流馬赫數(shù)、局部流效應(yīng)、迎角、以及下游推進(jìn)器行直徑。對(duì)于設(shè)計(jì)者來說，避免漩渦交互作用通常具有最高的優(yōu)先級(jí)，然而，目前設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的唯一方法在于“裁剪”或降低后部或下游旋翼的直徑。然而，這意味著性能懲罰 /損失，因?yàn)橛捎诳缍?縱橫比的損失，可以以與固定翼相同的方式危害空氣動(dòng)力學(xué)效率。 對(duì)于設(shè)計(jì)者來說，關(guān)鍵的挑戰(zhàn)在于漩渦交互作用受多個(gè)因素的影響。漩渦的強(qiáng)度主要受葉片尖端負(fù)荷的影響，而翼尖渦流的路徑主要受自由氣流動(dòng)量和迎角影響。通過降低巡航速度，翼尖渦流朝著與其交互作用的后部/下游旋翼的根部衰竭，并且引起漩渦交互作用噪音。由于現(xiàn)有技術(shù)中的CROF發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)者一般選擇了較大的間隔和裁剪度(大于等于 10%)，以便在限制運(yùn)行條件下避免漩渦交互作用，諸如具有最大漩渦羽流(Plume)收縮的最高推進(jìn)速度和爬升軌跡。其可導(dǎo)致飛機(jī)在所有的運(yùn)行條件下降低性能。

發(fā)明內(nèi)容
示例性實(shí)施例提供空中交通工具推進(jìn)系統(tǒng)，其包含具有動(dòng)力軸的發(fā)動(dòng)機(jī)核心以驅(qū)動(dòng)外部葉片列(blade row)。動(dòng)力軸互相連接，從而與對(duì)旋傳動(dòng)單元(transmission unit) 交換動(dòng)力，所述對(duì)旋傳動(dòng)單元以相對(duì)外部葉片列對(duì)旋的運(yùn)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)內(nèi)部葉片列。致動(dòng)器嚙合該軸以從第一縮進(jìn)位置轉(zhuǎn)換到第二伸展位置。在第一示例性實(shí)施例中，對(duì)旋傳動(dòng)單元支持內(nèi)部葉片列，而動(dòng)力軸通過該單元伸展并由其支持。本實(shí)施例的一方面包括用于內(nèi)部葉片列的螺距控制單元(pitch control unit)和用于外部葉片列的螺距控制單元。為了示例性實(shí)施例的一個(gè)實(shí)施方式，在牽引裝置/牽引螺旋槳構(gòu)造中，外部葉片列處于內(nèi)部葉片列的上游，并且由動(dòng)力軸向外部葉片列提供的動(dòng)力比對(duì)旋傳動(dòng)單元向內(nèi)部葉片列提供的動(dòng)力小，其中外部葉片列處于伸展位置。在一種示例性構(gòu)造中，在變速箱各噪音敏感部分期間，向外部葉片列提供的動(dòng)力和向內(nèi)部葉片列提供的動(dòng)力的比率基本小于 1.0。該實(shí)施進(jìn)一步提供這樣的內(nèi)部葉片列，其具有外部葉片列的直徑裁剪小于5%的直徑。為了適應(yīng)各種運(yùn)行要求，示例性實(shí)施例中的同心軸轉(zhuǎn)換可從第一位置至第二位置可逐漸變化。對(duì)旋傳動(dòng)單元使用用于內(nèi)部和外部葉片列之間可變差動(dòng)旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)速度的連續(xù)變速傳動(dòng)，其可調(diào)以轉(zhuǎn)換外部葉片列。對(duì)旋傳動(dòng)單元包括用于內(nèi)部葉片列的螺距控制單元， 并且外部葉片列包括螺距控制單元。包括控制器以調(diào)節(jié)外部葉片列的轉(zhuǎn)換、控制用于內(nèi)部和外部葉片列的螺距控制單元和控制用于預(yù)定運(yùn)行進(jìn)度的變速傳動(dòng)。在一個(gè)替換實(shí)施例中，內(nèi)部和外部葉片列包含函道/管道風(fēng)扇(ducted fan)。在另外的替換實(shí)施例中，在推進(jìn)器構(gòu)造中，外部葉片列處于內(nèi)部葉片列的下游。對(duì)旋風(fēng)扇推進(jìn)中降低噪音通過以下方法實(shí)現(xiàn)，即提供發(fā)動(dòng)機(jī)核心、從發(fā)動(dòng)機(jī)核心驅(qū)動(dòng)外部葉片列并從發(fā)動(dòng)機(jī)核心驅(qū)動(dòng)內(nèi)部葉片列。為了低速運(yùn)行，將外部葉片列轉(zhuǎn)換為遠(yuǎn)離內(nèi)部葉片列，并且為了降低上游葉片列在轉(zhuǎn)換位置產(chǎn)生的動(dòng)力，控制內(nèi)部葉片列和外部葉片列的動(dòng)力分布。已討論的特征、功能和優(yōu)點(diǎn)可以在本發(fā)明的各種實(shí)施例中獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，或者結(jié)合在另外的實(shí)施例中，其進(jìn)一步細(xì)節(jié)可以參考以下說明和附圖看出。


圖1示出第一牽引裝置/牽引螺旋槳實(shí)施例的局部側(cè)截面圖，其中上游葉片列處于縮進(jìn)位置；圖2A示出如圖1所示的選擇組件的側(cè)視圖，其中外部葉片列處于縮進(jìn)位置；圖2B示出如圖2A所示的選擇組件的側(cè)視圖，其中外部葉片列處于伸展位置；圖3示出圖1的實(shí)施例的局部側(cè)截面圖，其中上游葉片列處于伸展位置；圖4A示出如圖2A和2B所示的選擇組件的側(cè)截面圖，其中外部葉片列縮進(jìn)；
圖4B示出如圖2A和2B所示的選擇組件的側(cè)截面圖，其中外部葉片列伸展；圖4C示出外部葉片列和內(nèi)部葉片列以及其關(guān)聯(lián)的螺距控制單元和用于該軸的同心對(duì)旋傳動(dòng)和轂單元的詳細(xì)截面圖，其中外部葉片列處于縮進(jìn)位置；圖4D示出外部葉片列和內(nèi)部葉片列以及其關(guān)聯(lián)的螺距控制單元和用于該軸的同心對(duì)旋傳動(dòng)和轂單元的詳細(xì)截面圖，其中外部葉片列處于伸展位置；圖4E示出完整發(fā)動(dòng)機(jī)布置的局部截面圖，其中葉片列、轂和機(jī)頭罩元件成段示出，外部葉片列縮進(jìn)；圖4F示出完整發(fā)動(dòng)機(jī)布置的局部截面圖，其中葉片列、轂和機(jī)頭罩元件成段示出，外部葉片列伸展，并且示出形成控制系統(tǒng)的方框圖；圖5示出用于葉片列的控制操作間隔表的表示圖；圖6示出上游和下游葉片列之間優(yōu)選軸馬力比率表的表示圖；圖7示出在現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)中，上游葉片列產(chǎn)生的漩渦和裁剪后的下游葉片列的交互作用的示意性表示圖；圖8示出公開實(shí)施例中的上游葉片列產(chǎn)生的減小的漩渦和具有縮小裁剪的下游葉片列的交互作用的示意性表示圖；圖9示出上游和下游葉片列的標(biāo)準(zhǔn)化升力系數(shù)和阻力系數(shù)曲線圖；圖IOA示出管道對(duì)旋風(fēng)扇實(shí)施例的側(cè)截面圖，其中向前轉(zhuǎn)換的葉片列處于縮進(jìn)位置；圖IOB示出圖IOA的管道對(duì)旋風(fēng)扇實(shí)施例的側(cè)截面圖，其中向前轉(zhuǎn)換的葉片列處
于伸展位置；圖IlA示出具有處于縮進(jìn)位置的外部葉片列的推進(jìn)器構(gòu)造的實(shí)施例的側(cè)截面圖；圖IlB示出具有處于伸展位置的外部葉片列的圖IlA的推進(jìn)器構(gòu)造的實(shí)施例的側(cè)截面圖；圖12示出在牽引螺旋槳構(gòu)造中對(duì)旋開扇從發(fā)動(dòng)機(jī)核心偏離的實(shí)施例的截面圖；圖13示出在推進(jìn)器構(gòu)造中對(duì)旋開扇從發(fā)動(dòng)機(jī)核心偏離的實(shí)施例的截面圖；圖14示出用于最優(yōu)化性能和噪音降低的對(duì)旋風(fēng)扇的運(yùn)行控制的流程圖。
具體實(shí)施例方式在此公開的實(shí)施例提供在飛機(jī)剖面圖的選擇部分中的效率和噪音的實(shí)時(shí)優(yōu)化操作期間，具有可調(diào)整的鄰近螺旋槳葉片列的定位/間隔的對(duì)旋開扇(CROF)。圖1中示出的第一實(shí)施例使用具有發(fā)動(dòng)機(jī)核心10的牽引螺旋槳構(gòu)造，其驅(qū)動(dòng)外部上游風(fēng)扇或葉片列12 和內(nèi)部下游風(fēng)扇或葉片列14。對(duì)于該實(shí)施例，上游葉片列具有更大的直徑并且是相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)核心的外部列，而下游葉片列是相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)核心的內(nèi)部列并且具有較小的直徑。對(duì)于此處描述，風(fēng)扇、葉片列和旋翼應(yīng)具有基本相同的意義。發(fā)動(dòng)機(jī)核心包括入口 16和燃燒室20以及渦輪段22，入口 16向多級(jí)壓縮機(jī)段18提供助燃空氣。通過渦輪段22驅(qū)動(dòng)的軸 24向葉片列12和14提供動(dòng)力。下游葉片列包含葉片螺距控制單元沈，葉片螺距控制單元 26集成在由結(jié)構(gòu)軸承和支持環(huán)30支持的前向風(fēng)扇同心對(duì)旋傳動(dòng)單元觀中(如圖4E-4F所示和關(guān)于其的更詳細(xì)描述)。如將關(guān)于圖4A和4B所述，軸M由同心對(duì)旋傳動(dòng)單元觀旋轉(zhuǎn)支持，并且通過該傳動(dòng)單元與內(nèi)部葉片列交換動(dòng)力。
如圖2A和2B中最佳示出，軸M被壓力板32嚙合以相對(duì)于內(nèi)部下游葉片列14定位外部上游葉片列12。致動(dòng)器34在不同實(shí)施例中可以是液壓、氣壓或電動(dòng)機(jī)械的，致動(dòng)器 34被嵌入在發(fā)動(dòng)機(jī)核心10的外部外圍上并且通過線性致動(dòng)連桿36和角臂38提供壓力板 38的線性致動(dòng)。對(duì)于示出的實(shí)施例，致動(dòng)器34被從后部安裝板40支持，后部安裝板40與發(fā)動(dòng)機(jī)核心集成，動(dòng)力軸M通過其旋轉(zhuǎn)，并且如隨后關(guān)于圖4E和4F所述，其為發(fā)動(dòng)機(jī)提供另外的支持點(diǎn)。圖1和圖2A示出致動(dòng)器處于縮進(jìn)第一位置，將外部或上游葉片列12緊鄰內(nèi)部或下游葉片列14定位，以如隨后所述的最大化最優(yōu)化性能。圖2B和圖3示出致動(dòng)器處于伸展位置，將驅(qū)動(dòng)軸M移至最大化伸展的第二位置以分離上游或外部和下游或內(nèi)部葉片列12、14。圖4A-4D詳細(xì)示出對(duì)旋傳動(dòng)單元觀，關(guān)聯(lián)的內(nèi)部葉片列螺距控制單元沈以及外部葉片列12的螺距控制單元42的構(gòu)造。主軸M旋轉(zhuǎn)前向螺距控制單元42，并且同心對(duì)旋傳動(dòng)單元28中的對(duì)旋齒輪44通過嚙合軸M上的花鍵45而從主軸M提取動(dòng)力，從而為用于下游葉片列的后部螺距控制單元26提供動(dòng)力。該傳動(dòng)裝置可具有連續(xù)變速傳動(dòng)能力以改變傳動(dòng)比，其用于分別為外部和內(nèi)部葉片列的前向和后向螺距控制單元?jiǎng)恿Ψ峙?。每個(gè)葉片列的旋轉(zhuǎn)速度和關(guān)聯(lián)的螺距控制調(diào)整的組合提供由每個(gè)葉片列提供的實(shí)際推進(jìn)力的時(shí)序安排。如圖4C和圖4D詳細(xì)示出，捕獲杯形物47嚙合花鍵45，并隨著軸M旋轉(zhuǎn)，軸M由內(nèi)部葉片列的螺距控制單元26中的軸承組49同心支持。外部葉片列的螺距控制單元42 包含后部法蘭43，其在縮進(jìn)位置由捕獲杯形物接收。捕獲杯形物的旋轉(zhuǎn)與軸一致為軸提供另外的軸承支持，并且通過保持捕獲杯形物和外部葉片列的后部法蘭之間的為了嚙合的恒定旋轉(zhuǎn)速度，防止用于在外部葉片列的縮進(jìn)上的軸承的任何“上旋”需求。圖4E和圖4F示出用于集成飛機(jī)的所描述實(shí)施例的示例性構(gòu)造。發(fā)動(dòng)機(jī)核心10 包括支持點(diǎn)23和25，其由同心支持環(huán)30補(bǔ)充，并且在替換實(shí)施例中由后安裝板40補(bǔ)充，并且附連塔門(pylon)或者可替換的發(fā)動(dòng)機(jī)支持結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)連接，該發(fā)動(dòng)機(jī)支持結(jié)構(gòu)具有大致如元件31所示的結(jié)構(gòu)附件。發(fā)動(dòng)機(jī)核心10被包含在飛機(jī)引擎罩11中，并且空氣動(dòng)力學(xué)拼合槳榖蓋(split spinner) 13a、1 容納螺距控制單元42和沈以及同心對(duì)旋傳動(dòng)單元28。對(duì)于示出的實(shí)施例，將外部葉片列12中的上游葉片46設(shè)計(jì)成活性因子比組成內(nèi)部葉片列14的下游葉片48的活性因子稍微小一些。活性因子是推進(jìn)器(或者在本情況下為開扇)吸收動(dòng)力的能力的量度標(biāo)準(zhǔn)。其被定義為旋翼葉片面積和旋翼片面積的比值。在示例性實(shí)施例中，最小的上游葉片列活性比為大約150，而上游葉片列和下游葉片列之間的優(yōu)選活性因子比小于0. 9。上游葉片的尖端50可包含用于降低翼尖渦流強(qiáng)度的造型或其他處理。經(jīng)葉片間隔、葉片螺距或兩者的組合可調(diào)整上游葉片列和下游葉片列之間的軸馬力分布，并且通過使用飛行管理系統(tǒng)(FMS)和全權(quán)數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制(FADEC)而由飛行員一目了然地管理。為了對(duì)該比率非常精密地增量調(diào)整，如果葉片列具有偶數(shù)葉片，可實(shí)現(xiàn)交互葉片的螺距致動(dòng)。如圖5中所示，對(duì)于飛行馬赫數(shù)為0. 1至0. 4之間，上游/下游軸馬力的期望比基本小于1 (通常為0. 8)。這允許下游葉片列在起飛期間以及其他噪音敏感操作階段傳送大部分總軸馬力，降低后部葉片遭遇的上游變形強(qiáng)度，其在本實(shí)施例中由具有比現(xiàn)有技術(shù)中更小的總裁剪的后部旋翼提供。在高于0. 4的馬赫數(shù)至大約性能最大的0. 8馬赫數(shù)，上游/下游軸馬力的期望比在1. 2至1. 3之間(通常為1. 25)，其允許上游葉片列在更高的巡航速度下傳送更大部分的軸馬力。通過升力系數(shù)和阻力系數(shù)(CL/CD)的優(yōu)選比率提供尾流互制噪音中的組合降低，并且上游葉片列設(shè)計(jì)軸馬力的降低使間隔更接近，而為了尾流互制噪音不變和更高的推進(jìn)效率，上游葉片列縮進(jìn)在第二或高性能位置。另外，軸馬力和相關(guān)的上游葉片列尖端馬赫數(shù)的降低使翼尖渦流強(qiáng)度和噪音降低。描述的實(shí)施例提供縮進(jìn)或最小間隔位置中的最大性能。如圖6所示，其提供上游葉片列和下游葉片列之間的優(yōu)選運(yùn)行間隔圖，葉片最初處于最小間隔位置，其大約為上游葉片片直徑的0. 1至0. 2倍，在大約0. 4馬赫時(shí)，上游葉片列伸展致動(dòng)為上游葉片片直徑的大約0. 4至0. 5倍。這提供葉片列的最優(yōu)化間隔以在低速、起飛期間以及最初的爬升操作階段最小化噪音。對(duì)于示出的實(shí)施例，用于期望的間隔和軸馬力分布的伸展和縮進(jìn)位置之間的葉片列漸增轉(zhuǎn)換由全權(quán)數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制(FADEC)中的性能表控制，其是迎角(AOA)和空速或馬赫數(shù)的函數(shù)。流管收縮是AOA和馬赫數(shù)的一致和可測(cè)量函數(shù)，其可通過飛機(jī)的空氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)(ADS)提供的數(shù)據(jù)計(jì)算，并且為了飛機(jī)控制而合并從飛行管理系統(tǒng)(FMS)至FADEC 的輸入。然后，間隔邏輯名義上阻止下游旋翼與翼尖渦流的交互作用，其中翼尖渦流由流管下的上游旋翼產(chǎn)生。在集成螺距控制單元(PCU)控制器和FADEC系統(tǒng)邏輯中建立一種能力以部分地降低傳送列的葉片產(chǎn)生的升力；因而降低致動(dòng)器轉(zhuǎn)換列所需的動(dòng)力。關(guān)于圖1至圖4F所述的構(gòu)造提供致動(dòng)器的伸展以將上游葉片列安置在伸展位置。提供系統(tǒng)中異常條件的補(bǔ)償以固定葉片列或縮進(jìn)上游葉片列。具體地；當(dāng)飛機(jī)穿過飛行任務(wù)地噪音敏感部分時(shí)，使用鎖止機(jī)構(gòu)以降前推進(jìn)器片保持在適當(dāng)?shù)奈恢茫员闳绻l(fā)生液壓或氣壓的損失，影響飛機(jī)穩(wěn)定性或影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的前旋翼片地突然伸展可以被避免。對(duì)于以下情況優(yōu)選機(jī)械鎖止系統(tǒng)，其中旋翼片完全縮進(jìn)，然而在以下情況推薦由止回閥組成的流體系統(tǒng)，其中發(fā)生致動(dòng)器系統(tǒng)故障，同時(shí)前片部分伸展。每個(gè)示例性系統(tǒng)都防止前片旋翼的突然伸展。在傳統(tǒng)的CROF系統(tǒng)中，如圖7所示，當(dāng)葉片列被分離以最小化尾流互制噪音時(shí)，上游葉片列產(chǎn)生的漩渦核心52需要裁剪下游葉片列，從而降低漩渦噪音交互作用。因?yàn)橐砑鉁u流的傳播由前向空速和入流迎角支配，所以裁剪通常被設(shè)置在一個(gè)水平/等級(jí)，其中在飛行的噪音敏感部分期間，漩渦交互作用被防止超過限制條件。裁剪以降低下游葉片的全翼展M大約10% -20%，從而降低噪音3EPNdB將是通常需要的并且在本領(lǐng)域匯總是普遍的。更嚴(yán)厲的噪音要求可以增加噪音服從(noise compliance)所需的裁剪，然而，急劇的性能損失伴隨著任何裁剪。通過公開的實(shí)施例，圖8所示的翼尖渦流52'的降低允許下游葉片的總翼展相對(duì)于上游葉片列直徑裁剪小于等于5%。對(duì)于很多對(duì)旋開扇設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)指出大多數(shù)開旋翼尾流互制噪音在下游旋翼的葉片尖端附近產(chǎn)生。尾流互制噪音的強(qiáng)度是上游旋翼尾跡中的速度不足的強(qiáng)函數(shù)。反過來，上游旋翼尾跡中的速度不足主要是阻力系數(shù)和到上游旋翼的前緣的距離的函數(shù)。隨著葉片的升力系數(shù)(即推進(jìn)力)增加，存在這樣的點(diǎn)，其中如果第二旋翼遭遇該尾跡/尾流，阻力將顯著上升，并且導(dǎo)致顯著的尾跡速度不足和噪音增加。這在圖9中圖示說明。在本實(shí)施例中，可通過安排上游旋翼和下游旋翼之間的推進(jìn)分離以最小化上游旋翼的阻力(并且因此最小化尾跡速度不足)從而最小化起飛噪音，同時(shí)仍能夠完成起飛所需的推進(jìn)力。這在圖9中圖示說明，其中為了完成起飛所需的推進(jìn)力，上游旋翼具有標(biāo)準(zhǔn)化葉片尖端局部以數(shù)字 55識(shí)別的大約為0. 65的升力系數(shù)(CL)，其在牽斗(drag bucket)中運(yùn)行，同時(shí)下游旋翼在更高的CL下運(yùn)行，其通過數(shù)字56識(shí)別，大約為0. 8 (相應(yīng)的具有更高的阻力)。圖9圖示說明上游旋翼和下游旋翼之間大約為0. 8的推進(jìn)比，其如上關(guān)于起飛和圖5中所示的低速運(yùn)行所述。在起飛條件期間，在下游旋翼上具有比上游旋翼更高的CL允許更接近的葉片間隔以在起飛時(shí)使尾流互制噪音和可接受的效率降低相當(dāng)。返回圖4F，控制葉片間隔、螺距和施加的軸馬力通過飛機(jī)飛行管理系統(tǒng)(FMS)和全權(quán)數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制(FADEC)單元共同作用完成，其中全權(quán)數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制(FADEC)單元控制葉片安排系統(tǒng)60。飛機(jī)條件和構(gòu)造數(shù)據(jù)；飛行員控制輸入62和空氣數(shù)據(jù)64由FMS和 FADEC同時(shí)處理以提供通過輸入63至發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的發(fā)動(dòng)機(jī)核心控制。分別通過來自 FADEC的輸入控制64和66提供用于前螺距控制單元42和后螺距控制單元沈的螺距設(shè)置。 聯(lián)接單元28中的變速箱/連續(xù)變速傳動(dòng)44的控制輸入68通過螺距控制單元沈和42，向上游葉片列和下游葉片列分配由發(fā)動(dòng)機(jī)核心產(chǎn)生的軸馬力。置換致動(dòng)器34的控制由FADEC 通過控制輸入70提供。馬力的分布控制、葉片列間隔和FADEC的螺距允許最優(yōu)化的下游葉片列間隔，用于最大化漩渦恢復(fù)，和效率隨著上游旋翼軸馬力和前向空速而變化。雖然在圖 6中以示例性方式示出間隔安排圖，如上所述，由FADEC提供的可變和實(shí)時(shí)間隔安排在噪音限制范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)貫穿全部飛行階段的最有效推進(jìn)器結(jié)構(gòu)，并且該間隔對(duì)于所有的鑒定空速和飛行軌跡角度能夠在飛行中被連續(xù)最優(yōu)化。這包括起飛和著陸緊急情況條件，其中推進(jìn)器接近最大性能位置。示例性實(shí)施例可提供相對(duì)于組合間隔和裁剪需要的至少的風(fēng)扇效率效益，以滿足“固定”CROF系統(tǒng)的噪音需求。該風(fēng)扇效率的提高相應(yīng)于的特定燃料消耗率提高。圖IOA和圖IOB示出用于管道對(duì)旋風(fēng)扇的實(shí)施例，其在上游風(fēng)扇70和下游風(fēng)扇72 之間使用可變的間隔。對(duì)于該實(shí)施例，上游風(fēng)扇是相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)核心的外部列并且通過軸 71驅(qū)動(dòng)。下游風(fēng)扇是相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)核心的內(nèi)部列，并且由對(duì)旋風(fēng)扇傳動(dòng)單元73驅(qū)動(dòng)，對(duì)旋風(fēng)扇傳動(dòng)單元73由發(fā)動(dòng)機(jī)核心和同心支持軸71提供動(dòng)力。圖IOA示出外部風(fēng)扇處于縮進(jìn)位置，而圖IOB示出該風(fēng)扇處于伸展位置。對(duì)于該實(shí)施例，可以使用與在先實(shí)施例所公開的致動(dòng)器以及關(guān)于圖IlA和圖IlB詳細(xì)示出的致動(dòng)器可比較的間隔致動(dòng)器。下游風(fēng)扇72的旋轉(zhuǎn)平面被固定，以便低壓壓縮機(jī)(LPC)的操作性不受影響。在其中發(fā)生上游風(fēng)扇轉(zhuǎn)換的風(fēng)扇管80的前向段78是恒定的橫截面，以便風(fēng)扇尖端和風(fēng)扇管之間的間隔不隨著上游風(fēng)扇行進(jìn)而改變。加強(qiáng)風(fēng)扇罩82也向前伸展進(jìn)該致動(dòng)間隔中。如上關(guān)于CROF實(shí)施例所述，提供飛行包線期間連續(xù)調(diào)整風(fēng)扇間隔的能力，從而風(fēng)扇效率的最優(yōu)化間隔能夠被保持在包線的噪音敏感部分之外，并且適應(yīng)高非設(shè)計(jì)工況入口性能問題，例如側(cè)風(fēng)或高迎角(高攻角) 操作。對(duì)于在此描述的管道對(duì)旋風(fēng)扇實(shí)施例，上游和下游風(fēng)扇的優(yōu)選間隔范圍被減少， 其由于風(fēng)扇管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)際限制，其關(guān)于風(fēng)扇直徑的最小間隔比大約為0. 2并且最大大約為0. 4。由于可比較的物理性質(zhì)，也應(yīng)用用于CROF實(shí)施例的圖9中指定的優(yōu)選Q/Cd比， 然而，這通過間隔功能性而全部保持，因?yàn)樵谑境龅膶?shí)施例中對(duì)于風(fēng)扇葉片未使用螺距改
變單元。圖IlA和圖IlB示出用于對(duì)旋開扇的“推進(jìn)器”構(gòu)造的另外的實(shí)施例。發(fā)動(dòng)機(jī)核心90包括燃燒室92，在流線上其后面為高壓渦輪段94和自由動(dòng)力渦輪段96。軸102在對(duì)旋傳動(dòng)單元104中同心旋轉(zhuǎn)并與其交換動(dòng)力。對(duì)旋傳動(dòng)單元由為內(nèi)部葉片列98提供動(dòng)力的自由動(dòng)力渦輪段驅(qū)動(dòng)。軸102通過榖108為外部或下游葉片列100提供動(dòng)力。對(duì)于本實(shí)施例，下游葉片列或旋翼是相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)核心的外部列，而上游葉片列或旋翼是相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)核心的內(nèi)部列。通過驅(qū)動(dòng)與軸102集成的活塞110的壓力汽缸109的軸的轉(zhuǎn)換向后伸展外部旋翼，以用于上游和下游旋翼之間的間隔調(diào)整。轉(zhuǎn)換排氣管112(圖IlB中最佳示出) 向來自發(fā)動(dòng)機(jī)核心的排氣流提供連續(xù)性。對(duì)于示出的實(shí)施例，旋轉(zhuǎn)塞114向排氣流提供拖曳空氣動(dòng)力。在發(fā)動(dòng)機(jī)罩和旋轉(zhuǎn)葉片列之間提供旋轉(zhuǎn)密封116。對(duì)于示出的實(shí)施例，前向螺距控制單元118也向上游葉片提供葉片螺距控制，并且后螺距控制單元120向下游葉片列提供葉片螺距控制。如上關(guān)于螺旋槳CROF所述，對(duì)旋傳動(dòng)單元104可以使用連續(xù)的變速傳動(dòng)以允許上游葉片列和下游葉片列之間的軸馬力輸入和通過葉片的螺距控制的旋轉(zhuǎn)速度的最優(yōu)化。另外，通過位于上游和下游葉片列之間的孔的周圍空氣管道可以被使用以降低暴露于下游葉片列的旋轉(zhuǎn)組件的熱量。對(duì)于壓力汽缸108的氣動(dòng)或液壓致動(dòng)，致動(dòng)器的故障將因此允許外部葉片列推進(jìn)以自然地引起布置在最小間隔位置的葉片列的縮進(jìn)。另外在圖12和圖13中示出的實(shí)施例從發(fā)動(dòng)機(jī)核心軸向置換/偏移(displaced) 葉片列。這些實(shí)施例為空中交通工具提供特別有利的能力，其需要核心氣體產(chǎn)生器發(fā)動(dòng)機(jī)完全或部分植入飛機(jī)外模線中，諸如機(jī)翼融合體構(gòu)造中。示出的實(shí)施例另外適用于需要大推進(jìn)器直徑的空中交通工具，諸如垂直起飛和降落(VTOL)飛機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)核心130包含動(dòng)力輸出軸132，其從發(fā)動(dòng)機(jī)中心線伸展。對(duì)于示例性實(shí)施例，動(dòng)力輸出軸通過渦輪后框架的分支被耦合到發(fā)動(dòng)機(jī)。變速箱134向中心軸136提供動(dòng)力轉(zhuǎn)化，中心軸136通過關(guān)聯(lián)內(nèi)部葉片列142的同心對(duì)旋傳動(dòng)單元140伸展，如上關(guān)于圖4A-4D所述。中心軸驅(qū)動(dòng)的外部或上游葉片列144可以由致動(dòng)器146從內(nèi)部或下游葉片列置換，其如上所述置換該軸。在替換實(shí)施例中，變速箱134可以被集成在對(duì)旋傳動(dòng)單元中。在圖13中示出推進(jìn)器構(gòu)造，其中如上關(guān)于圖IlA和圖IlB的實(shí)施例所述，外部或下游葉片列150在同心軸152上有益地轉(zhuǎn)換。內(nèi)部或上游葉片列巧4和下游葉片列之間的軸馬力比的控制和下游葉片列的限制裁剪如上所述關(guān)于最初的實(shí)施例被完成。圖12和圖 13中示出的實(shí)施例可以是有利的，因?yàn)闆]有推進(jìn)器葉片列組受來自氣體核心產(chǎn)生器的排氣污染物的影響，并且不影響或沖擊發(fā)動(dòng)機(jī)核心的進(jìn)氣口空氣流。用于公開的實(shí)施例的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的操作如圖14所示被完成。發(fā)動(dòng)機(jī)核心被提供以如步驟1402所定義的產(chǎn)生動(dòng)力。如步驟1404中所定義，來自發(fā)動(dòng)機(jī)核心的動(dòng)力通過用于驅(qū)動(dòng)具有軸的外部葉片列的低壓渦輪提取并用于驅(qū)動(dòng)內(nèi)部葉片列，如步驟1406所示，對(duì)旋傳動(dòng)同心支持該軸。為空氣動(dòng)力學(xué)性能和噪音最優(yōu)化內(nèi)部和外部葉片列的間隔，步驟 1408中，來自空氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)和飛行管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)被監(jiān)控，并且為了最優(yōu)化操作而相對(duì)于內(nèi)部葉片列轉(zhuǎn)換外部葉片列，尤其包括起飛姿態(tài)(takeoff profile)中的低速度，其如步驟 1410中所示，由基于ADS和FMS數(shù)據(jù)的控制器確定?；诓襟E1412中所示的轉(zhuǎn)換位置，內(nèi)部葉片列和外部葉片列的動(dòng)力分布被控制以最優(yōu)化上游葉片列和下游葉片列之間的動(dòng)力產(chǎn)生比。在某些實(shí)施例中，動(dòng)力分布可以通過交替葉片列的動(dòng)力漸增的螺距控制被完成。另外，轉(zhuǎn)換葉片列的即刻升力降低也可以被完成以最小化所需的葉片列轉(zhuǎn)換力。
現(xiàn)在已根據(jù)專利法規(guī)需要詳細(xì)描述了本發(fā)明的各種實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)意識(shí)到在此公開的具體實(shí)施例的修改和替代。此類修改落入所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍和目的之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種空中交通工具推進(jìn)系統(tǒng)，其包含發(fā)動(dòng)機(jī)核心；動(dòng)力軸；外部葉片列，其由所述動(dòng)力軸驅(qū)動(dòng)；內(nèi)部葉片列，其通過與所述軸交換來自所述發(fā)動(dòng)機(jī)核心的動(dòng)力的同心齒輪而以相對(duì)所述外部葉片列的對(duì)旋運(yùn)動(dòng)方式被驅(qū)動(dòng)；致動(dòng)器，其嚙合所述軸以將所述外部葉片列從第一縮進(jìn)位置轉(zhuǎn)換至第二伸展位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空中交通工具推進(jìn)系統(tǒng)，其中所述同心齒輪包含對(duì)旋傳動(dòng)單元，其支持所述內(nèi)部葉片列，所述動(dòng)力軸通過所述對(duì)旋傳動(dòng)單元伸展并由其支持。
3.根據(jù)權(quán)利要求3所述的空中交通工具推進(jìn)系統(tǒng)，其中所述對(duì)旋傳動(dòng)單元包含連續(xù)變速傳動(dòng)用于所述內(nèi)部和外部葉片列之間的可變差動(dòng)旋轉(zhuǎn)速度，對(duì)所述外部葉片列的轉(zhuǎn)換是可調(diào)的。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的空中交通工具推進(jìn)系統(tǒng)，其中所述對(duì)旋傳動(dòng)單元與用于所述內(nèi)部葉片列的螺距控制單元連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的空中交通工具推進(jìn)系統(tǒng)，其中所述外部葉片列進(jìn)一步包含螺距控制單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的空中交通工具推進(jìn)系統(tǒng)，其中所述螺距控制單元被排序，以便只有交替葉片列被螺距為具有偶數(shù)葉片的葉片列。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的空中交通工具推進(jìn)系統(tǒng)，其中所述外部葉片列在牽引裝置構(gòu)造中處于所述內(nèi)部葉片列的上游，并且所述動(dòng)力軸向所述外部葉片列提供的動(dòng)力比所述對(duì)旋傳動(dòng)單元向所述內(nèi)部葉片列提供的動(dòng)力小，其中所述外部葉片列處于伸展位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的空中交通工具推進(jìn)系統(tǒng)，其中提供給所述外部葉片列和內(nèi)部葉片列的動(dòng)力比是大約0.8。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的空中交通工具推進(jìn)系統(tǒng)，其中所述內(nèi)部葉片列具有比所述外部葉片列的直徑裁剪小于5%的直徑。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空中交通工具推進(jìn)系統(tǒng)，其中所述軸的轉(zhuǎn)換可從第一位置到第二位置逐漸增加變化。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的空中交通工具推進(jìn)系統(tǒng)，其中所述對(duì)旋傳動(dòng)單元包含連續(xù)變速傳動(dòng)用于所述內(nèi)部和外部葉片列之間的可變差動(dòng)旋轉(zhuǎn)速度，對(duì)所述外部葉片列的轉(zhuǎn)換是可調(diào)的，并且進(jìn)一步包含用于所述內(nèi)部葉片列的螺距控制單元，并且所述外部葉片列包括螺距控制單元并進(jìn)一步包含控制器，其用于調(diào)整所述外部葉片列的轉(zhuǎn)換，控制用于所述內(nèi)部和外部葉片列的所述螺距控制單元，并且控制用于預(yù)訂操作安排的變速傳動(dòng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空中交通工具推進(jìn)系統(tǒng)，其中在牽引裝置的構(gòu)造中，所述外部葉片列處于所述內(nèi)部葉片列的上游。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的空中交通工具推進(jìn)系統(tǒng)，其中所述內(nèi)部和外部葉片列包含管道風(fēng)扇。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空中交通工具推進(jìn)系統(tǒng)，其中在推進(jìn)器構(gòu)造中，所述外部葉片列處于所述內(nèi)部葉片列的下游。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空中交通工具推進(jìn)系統(tǒng)，其中所述內(nèi)部和外部葉片列從所述發(fā)動(dòng)機(jī)核心軸向偏移，并且進(jìn)一步包含動(dòng)力輸出軸，其從所述發(fā)動(dòng)機(jī)核心伸展并且與其交互連接，從而向所述內(nèi)部和外部葉片列提供動(dòng)力。
16.一種用于降低對(duì)旋風(fēng)扇推進(jìn)中的噪音的方法，其包含提供發(fā)動(dòng)機(jī)核心；從所述發(fā)動(dòng)機(jī)核心驅(qū)動(dòng)外部葉片列；從所述發(fā)動(dòng)機(jī)核心驅(qū)動(dòng)內(nèi)部葉片列；將所述外部葉片列遠(yuǎn)離所述內(nèi)部葉片列轉(zhuǎn)換以在低速運(yùn)行；控制向所述內(nèi)部葉片列和外部葉片列的動(dòng)力分配以在轉(zhuǎn)換位置降低所述上游葉片列產(chǎn)生的動(dòng)力。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中控制動(dòng)力分配包括交替螺距控制以漸增至所述葉片列的動(dòng)力變化。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中控制動(dòng)力分配包括即刻降低轉(zhuǎn)換葉片列的升力以最小化所需的葉片列轉(zhuǎn)換力。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包含對(duì)旋傳動(dòng)以交換動(dòng)力從而驅(qū)動(dòng)所述內(nèi)部和外部葉片列。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中轉(zhuǎn)換所述外部葉片列以最優(yōu)化間隔是基于空氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)和飛行管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)被控制。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包含在牽引裝置的構(gòu)造中布置所述外部葉片列和內(nèi)部葉片列，其中所述內(nèi)部葉片列在下游，并且具有比所述外部葉片列更小的直徑。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包含在推進(jìn)器構(gòu)造中布置所述外部葉片列和內(nèi)部葉片列，其中所述外部葉片列在下游，并且具有比所述內(nèi)部葉片列更小的直徑。
全文摘要
一種空中交通工具推進(jìn)系統(tǒng)，其包含具有動(dòng)力軸(24)的發(fā)動(dòng)機(jī)核心(10)以驅(qū)動(dòng)外部葉片列(12)。動(dòng)力軸通過對(duì)旋傳動(dòng)單元(28)伸展并由其支持，對(duì)旋傳動(dòng)單元(28)以相對(duì)外部葉片列的對(duì)旋運(yùn)動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)內(nèi)部葉片列(14)。對(duì)旋傳動(dòng)單元與軸交換來自發(fā)動(dòng)機(jī)核心的動(dòng)力。致動(dòng)器(34)嚙合軸以從第一縮進(jìn)位置轉(zhuǎn)換至第二伸展位置。
文檔編號(hào)B64C11/48GK102317608SQ201080007874
公開日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2010年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月13日
發(fā)明者K·L·鮑倫, M·D·莫爾, R·B·朗特雷 申請(qǐng)人:波音公司