专利名称：用于旋翼飞机的可变速度传动系统的制作方法
用于旋翼飞机的可变速度传动系统
背景技术：
本发明涉及一种旋翼(rotary-wing)飞机，更具体地涉及一种旋翼传 动齿轮箱系统，其提供了促进高速及低速飞行轮廓的可变速度。
'it 凡力疋兵g^^日v則i" 乂还5c》'j夕it Tf、日'v r^市'j 。 伴i^i京t , 其中之一是后行桨片(retreatingblade)在高的前向空速时的失速。当前 向空速增加时，穿过后行桨片的气流速度变慢，从而使桨片可能进入 失速状态。相比之下，穿过前4亍桨片的气流速度随着增加的前向速度 而增加。进而，随着前向空速的增加，产生了升力的不对称性。
如果穿过桨盘(rotor disc)前行部位的升力与穿过后行部位的升力 未被平衡的话，这种升力的不对称性可能产生不稳定状态。典型地， 利用桨片翼动(flapping)及顺桨(feathering)来平衡升力。
然而，随着前向空速增加而超过给定螺旋桨转速的给定点，翼动 及顺桨逐渐变得不足以维持升力在桨盘上的大致平衡。在此点位，穿 过后行部位的逆向气流产生了负升力，并且根据前向速度而产生失速 或负升力状态，当空速增加时，该失速或负升力状态向外地沿着桨片 而传播。传统的螺旋桨必须在一定空速下运行，该空速低于引起穿过 后行桨片实质部分的逆向气流的空速，并且必须在足够低的转速下运 行，以便减轻前行桨片末端的任何潜在可压缩性马赫数问题。这已经 有效地将传统直升机的前向速度限制在大约180节。
相对于传统的单螺旋桨直升机，具有同轴反转刚性螺旋桨系统的 旋翼飞机能够具有更高的速度，这部分地是由于上螺旋桨系统与下螺 旋桨系统上的主螺旋桨桨片的前行侧边(advancing sides)之间的升力 得以平衡的缘故。此外，桨盘的后行侧边(retreatmg sides)也大体上不 会有典型的后行桨片失速，后行桨片失速由后行盘部位随着空速增加而产生的卸载引起，从而通过平衡相等且相反的力矩的净效果而获得 了转动平衡，该净效果由上下反转螺旋桨系统的前行部位所产生。为 了进一步增加空速，复合旋翼飞机可以结合有补充平移推力系统。
在高速飞行时，主螺旋桨系统可能从涡轮喷气机上卸载，而螺旋
翼飞机来说，增加总距减慢了转动速度，而减小总距则增加了转速。 然而，对于处于高速飞行轮廓的旋翼飞机来讲，螺旋桨的转速需要减 小，以便当飞机空速增加时，防止桨盘前行侧边上的桨片末端进入超 声区域。因此，当前向空速增加时，总距必须增加，以便防止螺旋桨 转速增加至不合需要的程度。然而，当前向空速增加到超过给定螺旋 桨转速的给定点时，调节总距逐渐变得不够。
通过减小螺旋桨在高速巡^t飞行时的转速，高速旋翼飞机的空气 动力性展示了值得注意的好处。从悬停轮廓到高速飞行轮廓，转速典 型地减小了大约30。/。。然而，这种针对发动机的减小可能对辅助系统、 发动机运行及可获得的动力产生问题。同时，总是在相对较低螺旋桨 转速下运行的旋翼飞机可能带来螺旋桨与传动系统的重量损失，及机 动性限制。因此，需要一种旋翼传动齿轮箱系统，其提供了可变螺旋 桨系统速度。
因此，需要提供一种可变速度齿轮箱系统，其用于旋翼飞机，该 旋翼飞机提供"高螺旋桨速度模式"与"低螺旋桨速度模式，，，从而 分別在悬停飞行轮廓与高速巡航飞行轮廓中提高飞机性能。
发明概要
根据本发明的旋翼飞机的传动齿轮箱系统包括主齿轮箱及与该 主齿轮箱啮合的可变速度齿轮箱。在未脱离发动机或改变发动机转速 的情况下，可变速度齿轮箱允许至少两种不同的主螺旋桨转速。可变
速度齿轮箱对不同的飞行范围，比如用于任何旋翼飞机的悬停(hover) 飞行轮廓和高速巡航飞行轮廓有帮助。典型地在降落、起飞、悬停及升能力需要较高的主螺旋桨速度，而在高 速巡航飞行轮廓中，需要较低的主螺旋桨速度，以便改善螺旋桨性能 并提高前向空速。
可变速度齿轮箱包括离合器，优选地为多盘离合器；及用于每个 发动机的飞轮单元。在"高螺旋桨速度模式，，中，当离合器接合而以
高螺旋桨转速驱动主螺旋桨系统时，齿轮路径以直接驱动(l:l的比值) 的方式驱动主齿轮箱。对于具有"低螺旋桨速度一莫式"下的低螺旋桨 转速的高速巡航飞行轮廓而言，离合器脱离接合，并且动力通过减速 齿轮路径，优选地通过二级齿轮减速的方式，并通过飞轮单元而传递 到主螺旋桨齿轮箱内。
可变速度齿轮箱可配置成用于以连续速度运行的尾部驱动系统、 随着主螺旋桨主轴而改变速度的尾部驱动系统或不具有尾部驱动系 统。对于要求连续尾部速度的飞机型号，尾部驱动系统可以与离合器 及飞轮单元的输入侧啮合。对于将从速度与主螺旋桨系统相称地改变 的尾部驱动系统受益的飞机型号，尾部驱动系统可以与离合器及飞轮 单元的输出侧啮合，或者直接啮合到主齿轮箱，以便维持相对于发动 机的固定齿数比。
因此，本发明提供可变速度齿轮箱系统，其用于旋翼飞机，该旋 翼飞机提供"高螺旋桨速度模式，，与"低螺旋桨速度模式"，从而分 别在悬停飞行轮廓与高速巡航飞行轮廓中提高飞机性能。
附图简述
根据当前优选实施例的以下详述，本发明的多种特征与优点将为 那些熟悉本领域的技术人员所清楚。伴随详述的附图可简要描述如 下
图1A为与本发明一起使用的示例性旋翼飞机实施例的概略的部 分剖4见侧碎见图1B为图1A示例性旋翼飞机实施例的概略的部分剖视俯视图；图1C为与本发明一起使用且具有反扭矩尾桨的旋翼飞机实施例
的扭无略的侧一见图2A为本发明传动齿轮箱系统的方框图2B为本发明的备选传动齿轮箱系统的方框图；.及
图2C为本发明的备选传动齿轮箱系统的方框图。
优选实施例详述
图1A和图1B展示了垂直起飞与降落(VT0L)的旋翼飞机10，旋 翼飞机10具有主螺旋桨系统12 。主螺旋桨系统12优选地为双反转同 轴螺旋桨系统，然而，任何为业界所知的其它螺旋桨系统，包括但不 限于单螺旋桨系统、纵列(tandem)螺旋桨系统和双螺旋桨系统，也可 与本发明一起使用。即，虽然本发明是结合高速复合旋翼飞机描述的， 然而其它飞机配置，包括具有单个主螺旋桨系统12，及反扭矩尾部螺 旋桨系统32，(图1C)的更传统配置也将从本发明中受益。
如图所示，飞机10包括支撑着主螺旋桨系统12的机身14。飞机 10也结合有尾部驱动系统30。尾部驱动系统30优选地为平移推力系 统32,其提供大体上平行于飞^/L纵轴线L的平移推力。
主螺旋桨系统12优选地包括第一螺旋桨系统16和第二螺旋桨系 统18。每个螺旋桨系统16、 18包括安装到桨毂22、 24上的多个螺旋 桨桨片20,用于围绕转动轴线R转动。驱动系统35驱动主螺旋桨系 统12。平移推力系统32优选地包括推动式推进器34,其具有螺旋桨 转动轴线P，该使转动轴线P定向成大致地水平并且平行于飞机纵轴 线L,以便为高速飞行提供推力。优选地，推动式推进器32安装在气 动整流罩34内，该气动整流罩34安装在机身14的后部。优选地， 平移推力系统32可被驱动主螺旋桨系统12的相同驱动系统35驱动。
图2A示意性地展示了飞机10的驱动系统35。齿轮箱26优选地 介于一个或多个气体涡轮发动机(示意性地展示于E处)、主螺旋桨系 统12与平移推力系统32之间。优选地，齿轮箱26包括主齿轮箱38
8及与该主齿轮箱38啮合的可变速度齿轮箱40。为了进一步理解可与 本发明结合使用的主齿轮箱及其构件，可留意美国专利申请第10/— 号，其名称为"用于具有平移推力系统的旋翼飞机的分离式扭矩齿轮
WITH TRANSLATIONAL THRUST SYSTEM"),该申请转让给本 发明的受让人，并且该申请通过引用而整体上结合于此。
正如大体上由本领域的普通技术人员所理解的那样，每个发动机 E通过发动机飞轮(freewheel)单元42而驱动可变速度齿轮箱40，从而 一旦所有发动机失效的时候，允许单个发动机运行及自动转动。虽然 文中将仅仅详细地讨论来自l号发动机的齿轮系，来自2号发动机的 齿轮系是相同的，并且应当理解任何数量的发动机E可用于本发明。
本发明的可变速度齿轮箱40在没有脱离发动机E或改变发动机 转速的情况下，允许至少两种不同的主螺旋桨系统12的螺旋桨速度。 可变速度齿轮箱40对不同的飞行轮廓，比如用于任何旋翼飞机的低 速飞行轮廓和高速飞行轮廓有帮助。典型地在降落、起飞、悬停及低 速飞行轮廓中，增加的提升能力需要较高的主螺旋桨速度，而在高速 巡航飞行轮廓中，需要较低的主螺旋桨速度以便改善螺旋桨性能并增 加空速。
可变速度齿轮箱40包括离合器，优选地为多盘离合器44;及用 于每个发动机E的飞轮单元46。多盘离合器44与飞轮单元46以平行 的方式被驱动。当离合器44接合的时候，来自发动机的飞轮单元42 的高速输入主轴48主要地通过齿轮路径50(示意性地展示为主轴48、 44i及44o)驱动可变速度齿轮箱38，而当离合器44脱离接合的时候， 则主要地通过减速齿轮路径52，优选地通过二级减速齿轮52a、 52b(减 速齿轮路径52在此示意性地展示为48、 52a、 46i、 46o、 52b的齿轮 路径)来驱动可变速度齿轮箱38。应当理解多种齿数比将可以与本 发明一起使用，并且文中讨论的"齿轮路径"是以第一齿轮路径作为 参考的，该第一齿轮路径以直接驱动的方式驱动主螺旋桨系统12，该直接驱动方式包括离合器，并且文中所讨论的"减速齿轮路径"是以 第二齿轮路径作为参考的，该第二齿轮路径包括飞轮单元及减速齿 轮，但并非以其它方式进行限制。
当离合器44接合而以高螺旋桨转速驱动卑螺旋桨系统12时，可 变速度齿轮箱40优选地以直接驱动的方式(l:l的比值)"高螺旋桨速 度模式"驱动主齿轮箱38。在这种模式中，飞轮单元46的飞轮输出 端46o转动的比飞轮单元46的输入端46i要快，从而使飞轮单元46 超速运转(ovemm)并且没有传输动力。因此针对给定的发动机马力， 相对较高转速下的相对较低扭矩得以传输。
对于具有"低螺旋桨速度模式"下的低螺旋桨转速的高速巡航飞 行轮廓而言，离合器44脱离接合，并且动力从输入主轴48传递到初 始减速齿轮52a，并通过飞轮单元46而传递到另一个减速齿轮52b, 并且传递到主齿轮箱38内。应当理解文中所用的"高螺旋桨速度 模式"与"低螺旋桨速度模式"仅仅为与主齿轮箱38的速度有关的 相对术语，由于可变速度齿轮箱40运行的缘故，并且不应当考虑成 以其它方式进行限制。当离合器44脱离接合的时候，离合器44的离 合器输入端44i以与发动机E相同的速度旋转，而作为由飞轮单元46 连接的齿轮减速的结果，离合器44的离合器输出端44o则以减小的 速度旋转。因此针对给定的发动机马力，相对较低转速下的相对较高 扭矩得以传输。
特别地，齿轮路径50与减速齿轮路径52都继续不顾离合器44 的接合/脱离接合而转动，从而使离合器44及飞轮单元46仅仅需要适 应齿轮路径50的齿数比与减速齿轮路径52的齿数比之间的速度差异 与惯性差异即可。相对于必须将驱动系统的一部分从零速度加速或减 速到零速度的传统传动系统，其提供了轻巧且快速反应的系统。
本发明的齿轮箱配置提供了一种轻巧系统，同时确保了离合器咬 合或完全离合器打滑情况下的运行。在离合器咬合的情况下，动力仍 然从发动机传输到主齿轮箱。在离合器打滑的情况下，动力自动地通过飞轮单元46而转移到主齿轮箱。
从"低螺旋桨速度模式，，向"高螺旋桨速度模式"的过渡，比如
当飞机从巡航飞行减速到悬停时的过渡，要求接合离合器44,并且允 许主螺旋桨速度增加，直到离合器的输出端44o与离合器输入端44i 的速度匹配，并且离合器44完全锁定为止。离合器44可以打开/关闭 的方式运行，或者以顺桨(feathering)的方式运行，在顺桨方式下，接 合/脱离接合是逐渐进行的。
"低螺旋桨速度模式"与"高螺旋桨速度模式"之间的过渡备 选地通过飞机飞行控制方法的辅助而进行。优选地，主螺旋桨速度借 助螺旋桨总距控制(collective pitch control)及飞机飞行姿态而得以增加 或减小。即，为了改变由螺旋桨系统产生的升力的大小，可能会改变 速度及/或桨片攻角。如果攻角与速度改变成使得那些改变互相抵消的 话，则产生相同大小的升力。因此，当从"低螺旋桨速度模式"过 渡到"高螺旋桨速度模式"时，总距调制成降低桨片的攻角，因为螺 旋桨速度增加至可在过渡过程中提供相同大小的升力。此外，当攻角 减小的时候，所产生的阻力的大小也减小了，其增加了等效动力的螺 旋桨速度。对于从"高螺旋桨速度模式"到"低螺旋桨速度模式"的 过渡，则大体上发生相反的情况。由于飞机飞行控制方法的缘故，过 渡容易快速地实现，并且较少的惯性作用于离合器上。
可变速度齿轮箱40也可配置成用于以连续速度运行的尾部驱动 系统(图2A)、随着主螺旋桨系统12而改变速度的尾部驱动系统(图2B) 或不具有尾部驱动系统30(图2C)。图2A和图2B优选地与具有可选 平移推力系统32(图1A与图1B)的高速复合旋翼飞机10—起使用， 或者与具有反扭矩尾部螺旋桨系统32，的更传统飞机IO，配置(图1C) 一起使用。
可变速度齿轮箱40可以通过与尾部驱动系统30啮合的尾部驱动 减速齿轮54而驱动尾部驱动系统30。对于要求连续尾部速度的飞机， 优选地使用图2A中的尾部驱动系统30，其中，尾部驱动系统与离合器44及飞轮单元46的输入侧啮合，从而相对于发动机E而维持固定 的齿数比。对于将从速度与主螺旋桨系统12相称地改变的尾部驱动 系统30受益的飞机，优选地使用图2B中的尾部驱动系统30,其中， 尾部驱动系统与离合器的输出侧44o及飞轮单元啮合，或者直接啮合 到主齿轮箱26，以便维持相对于主螺旋桨主轴的固定齿数比。
尾部驱动系统30的配置的选择取决于多种因素，包括尾部螺旋 桨效率、噪音要求、性能指标等。当主螺旋桨速度改变的时候，反扭 矩尾部螺旋桨需要产生的用以平衡主螺旋桨扭矩的力量大小必须改 变，并且由此产生的扭矩必须改变。为了补偿主螺旋桨扭矩的改变， 尾部螺旋桨可以改变其攻角并且维持相同的速度(图2A),维持相同的 攻角并改变速度(图2B)，或者同时改变两者(图2B)。图2B中的配置 可备选地与复合直升机一起使用，在此，尾部螺旋桨改变方向以便提 供对悬停状态内的主螺旋桨扭矩进行平衡的力量，然后过渡到推动式 推进器方向，以便在高速飞行轮廓中提供平移推力。
应当理解相对的位置术i吾比如"前向"、"后向"、"上"、 "下，，、"上方"、"下方，，等是以交通工具的正常运行姿态为参考 的，并且不应当认为是以其它方式进行限制。
应当理解虽然特定的构件结构公开于所展示的实施例中，其它 结构也将从本发明中受益。
虽然特定的步骤顺序已^^L示、描述并要求保护，应当理解除 非另行指示，步骤可以任何次序执行，且步骤可分离或组合起来，并 且也将从本发明中受益。
以上描述为示例性的，而不是由描述中的限定所界定。考虑到以 上启发，本发明的许多修改与变形是可能的。本发明的优选实施例已 被公开，然而，本领域的普通4支术人员应当认识到一定的修改将落入 本发明范围。因此，应当理解在附加权利要求的范围内，本发明可 以特定描述方式之外的其它方式实施。为此，应当研究以下权利要求， 以便确定本发明的真正范围和内容。
1权利要求
1.一种用于旋翼飞机的传动齿轮箱，其包括主齿轮箱；及可变速度齿轮箱，其与所述主齿轮箱啮合，所述可变速度齿轮箱包括具有离合器的齿轮路径及具有飞轮单元的减速齿轮路径，所述主齿轮箱作为对所述离合器接合的响应而以第一速度被驱动，所述主齿轮箱作为对所述离合器脱离接合的响应而以小于所述第一速度的第二速度被驱动。
2. 如权利要求1所述的传动齿轮箱，其特征在于，所述主齿轮箱 作为对所述离合器接合的响应而以第一速度被驱动，从而使所述飞轮 单元的飞轮输出端相对于所述飞轮单元的飞轮输入端而超速运转。
3. 如权利要求1所迷的传动齿轮箱，其特征在于，所述主齿轮箱 作为对所述离合器脱离接合的响应而以小于所述第一速度的第二速 度被驱动，从而使所述离合器的离合器输出端以小于所述离合器的离 合器输入端的速度而转动，所述飞轮输出端由所述飞轮输入端所驱 动。
4. 如权利要求1所述的传动齿轮箱，其特征在于，位于所述离合 器下游的所述齿轮路径的输出端及位于所述飞轮单元下游的所述减 速齿轮路径的输出端都以所述第 一速度与所述第二速度被驱动。
5. 如权利要求1所述的传动齿轮箱，其特征在于，进一步包括由 所述主齿轮箱所驱动的螺旋桨系统。
6. 如权利要求5所述的传动齿轮箱，其特征在于，所述螺旋桨系 统包括同轴反转螺旋桨系统。
7. 如权利要求5所述的传动齿轮箱，其特征在于，所述螺旋桨系 统包括单个主螺旋桨系统。
8. 如权利要求1所述的传动齿轮箱，其特征在于，进一步包括由 所述可变速度齿轮箱所驱动的尾部驱动系统。
9. 如权利要求8所述的传动齿轮箱，其特征在于，所述尾部驱动系统由所述离合器及所述飞轮单元上游的所述齿轮路径和所述减速 齿轮路径的输入侧所驱动。
10. 如权利要求9所述的传动齿轮箱，其特征在于，所述尾部驱 动系统为反扭矩尾部螺旋桨。
11. 如权利要求9所述的传动齿轮箱，其特征在于，所述尾部驱 动系统为平移推力系统。
12. 如权利要求8所述的传动齿轮箱，其特征在于，所述尾部驱 动系统由所述离合器和所述飞轮单元下游的所述齿轮路径和所述第 二减速齿轮的输出侧所驱动。
13. 如权利要求12所述的传动齿轮箱，其特征在于，所述尾部驱 动系统为反扭矩尾部螺旋桨。
14. 如权利要求12所述的传动齿轮箱，其特征在于，所述尾部驱 动系统为平移推力系统。
15. —种旋翼飞机，其包括 主齿轮箱；及可变速度齿轮箱，其与所迷主齿轮箱啮合，所述可变速度齿轮箱 包括具有离合器的齿轮路径及具有飞轮单元的减速齿轮路径，所述主 齿轮箱作为对所述离合器接合的响应而以第 一速度被驱动，从而使所 述飞轮单元的飞轮输出端相对于所述飞轮单元的飞轮输入端而超速 运转，所述主齿轮箱作为对所述离合器脱离接合的响应而以小于所述 第 一速度的第二速度被驱动，从而使所述离合器的离合器输出端以小 于所述离合器的离合器输入端的速度而转动，所述飞轮输出端由所述 飞4仑输入端所驱动；尾部驱动系统，其由所述可变速度齿轮箱所驱动。
16. 如权利要求15所述的旋翼飞机，其特征在于，所述尾部驱动 系统由所述离合器及所述飞轮单元上游的所述齿轮路径和所述减速 齿轮路径的输入侧所驱动。
17. 如权利要求15所述的旋翼飞机，其特征在于，所述尾部驱动系统由所述离合器及所述飞轮单元下游的所逸齿轮路径和所述减速 齿轮路径的所述输出侧驱动。
18. —种控制旋翼飞机的主螺旋桨系统速度的方法，包括步骤(1) 接合离合器；(2) 作为对所述步骤(1)的响应，使飞轮单元的飞轮输出端相对于飞 轮输入端而超速运转，从而以第 一速度驱动所述主螺旋桨系统的主齿 轮箱；(3) 将所述离合器脱离接合；及(4) 作为对所述步骤(3)的响应，与离合器输出端分离地运行离合输 入端，从而通过所述飞轮单元而以第二速度驱动所述主螺旋桨系统的 所述主齿轮箱。
19. 如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)进一步 包括(a) 以与所述飞轮输出端等同的速度驱动齿轮路径的输出端和减 速齿轮路径的输出端，从而以所述第二速度驱动所述螺旋桨系统的所 述主齿轮箱。
20. 如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)进一步 包括(b) 以与所述齿轮路径的所述输出端、所述减速齿轮路径的所述输 出端及所述飞轮输出端等同的速度驱动所述离合器输出端。
21. 如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)进一步 包括(b)以与发动机等同的速度驱动离合器输入端。
22. 如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)进一步 包括(a)借助所述飞轮输入端而驱动所述飞轮输出端。
全文摘要
一种用于旋翼飞机的传动齿轮箱，包括主齿轮箱及与该主齿轮箱啮合的可变速度齿轮箱。在未脱离发动机或改变发动机转速的情况下，可变速度齿轮箱允许至少两种不同的主螺旋桨系统转速。可变速度齿轮箱包括离合器，优选地为多盘离合器；及用于每个发动机的飞轮单元。对于悬停飞行轮廓而言，当离合器接合而以高螺旋桨转速驱动主螺旋桨系统时，齿轮路径在“高螺旋桨速度模式”中以较高螺旋桨转速而驱动主齿轮箱。对于高速飞行轮廓而言，当离合器脱离接合并且当动力通过飞轮单元而传递的时候，减速齿轮路径在“低螺旋桨速度模式”中以较低螺旋桨转速而驱动主齿轮箱。可变速度齿轮箱可配置成用于以连续速度运行的尾部驱动系统、随着主螺旋桨主轴而改变速度的尾部驱动系统或配置成不具有尾部驱动系统。
文档编号B64D35/06GK101495374SQ200680027752
公开日2009年7月29日 申请日期2006年4月28日 优先权日2005年5月31日
发明者P·X·帕尔奇克, T·加西亚, Y·Z·格米尔亚 申请人:西科尔斯基飞机公司