專利名稱：用于旋翼飛機的可變速度傳動系統的制作方法
用于旋翼飛機的可變速度傳動系統
背景技術：
本發明涉及一種旋翼(rotary-wing)飛機，更具體地涉及一種旋翼傳 動齒輪箱系統，其提供了促進高速及低速飛行輪廓的可變速度。
'it 凡力疋兵g^^日v則i" 乂還5c》'j夕it Tf、日'v r^市'j 。 伴i^i京t , 其中之一是后行槳片(retreatingblade)在高的前向空速時的失速。當前 向空速增加時，穿過后行槳片的氣流速度變慢，從而使槳片可能進入 失速狀態。相比之下，穿過前4亍槳片的氣流速度隨著增加的前向速度 而增加。進而，隨著前向空速的增加，產生了升力的不對稱性。
如果穿過槳盤(rotor disc)前行部位的升力與穿過后行部位的升力 未被平衡的話，這種升力的不對稱性可能產生不穩定狀態。典型地， 利用槳片翼動(flapping)及順槳(feathering)來平衡升力。
然而，隨著前向空速增加而超過給定螺旋槳轉速的給定點，翼動 及順槳逐漸變得不足以維持升力在槳盤上的大致平衡。在此點位，穿 過后行部位的逆向氣流產生了負升力，并且根據前向速度而產生失速 或負升力狀態，當空速增加時，該失速或負升力狀態向外地沿著槳片 而傳播。傳統的螺旋槳必須在一定空速下運行，該空速低于引起穿過 后行槳片實質部分的逆向氣流的空速，并且必須在足夠低的轉速下運 行，以便減輕前行槳片末端的任何潛在可壓縮性馬赫數問題。這已經 有效地將傳統直升機的前向速度限制在大約180節。
相對于傳統的單螺旋槳直升機，具有同軸反轉剛性螺旋槳系統的 旋翼飛機能夠具有更高的速度，這部分地是由于上螺旋槳系統與下螺 旋槳系統上的主螺旋槳槳片的前行側邊(advancing sides)之間的升力 得以平衡的緣故。此外，槳盤的后行側邊(retreatmg sides)也大體上不 會有典型的后行槳片失速，后行槳片失速由后行盤部位隨著空速增加而產生的卸載引起，從而通過平衡相等且相反的力矩的凈效果而獲得 了轉動平衡，該凈效果由上下反轉螺旋槳系統的前行部位所產生。為 了進一步增加空速，復合旋翼飛機可以結合有補充平移推力系統。
在高速飛行時，主螺旋槳系統可能從渦輪噴氣機上卸載，而螺旋
翼飛機來說，增加總距減慢了轉動速度，而減小總距則增加了轉速。 然而，對于處于高速飛行輪廓的旋翼飛機來講，螺旋槳的轉速需要減 小，以便當飛機空速增加時，防止槳盤前行側邊上的槳片末端進入超 聲區域。因此，當前向空速增加時，總距必須增加，以便防止螺旋槳 轉速增加至不合需要的程度。然而，當前向空速增加到超過給定螺旋 槳轉速的給定點時，調節總距逐漸變得不夠。
通過減小螺旋槳在高速巡^t飛行時的轉速，高速旋翼飛機的空氣 動力性展示了值得注意的好處。從懸停輪廓到高速飛行輪廓，轉速典 型地減小了大約30。/。。然而，這種針對發動機的減小可能對輔助系統、 發動機運行及可獲得的動力產生問題。同時，總是在相對較低螺旋槳 轉速下運行的旋翼飛機可能帶來螺旋槳與傳動系統的重量損失，及機 動性限制。因此，需要一種旋翼傳動齒輪箱系統，其提供了可變螺旋 槳系統速度。
因此，需要提供一種可變速度齒輪箱系統，其用于旋翼飛機，該 旋翼飛機提供"高螺旋槳速度模式"與"低螺旋槳速度模式，，，從而 分別在懸停飛行輪廓與高速巡航飛行輪廓中提高飛機性能。
發明概要
根據本發明的旋翼飛機的傳動齒輪箱系統包括主齒輪箱及與該 主齒輪箱嚙合的可變速度齒輪箱。在未脫離發動機或改變發動機轉速 的情況下，可變速度齒輪箱允許至少兩種不同的主螺旋槳轉速。可變
速度齒輪箱對不同的飛行范圍，比如用于任何旋翼飛機的懸停(hover) 飛行輪廓和高速巡航飛行輪廓有幫助。典型地在降落、起飛、懸停及升能力需要較高的主螺旋槳速度，而在高 速巡航飛行輪廓中，需要較低的主螺旋槳速度，以便改善螺旋槳性能 并提高前向空速。
可變速度齒輪箱包括離合器，優選地為多盤離合器；及用于每個 發動機的飛輪單元。在"高螺旋槳速度模式，，中，當離合器接合而以
高螺旋槳轉速驅動主螺旋槳系統時，齒輪路徑以直接驅動(l:l的比值) 的方式驅動主齒輪箱。對于具有"低螺旋槳速度一莫式"下的低螺旋槳 轉速的高速巡航飛行輪廓而言，離合器脫離接合，并且動力通過減速 齒輪路徑，優選地通過二級齒輪減速的方式，并通過飛輪單元而傳遞 到主螺旋槳齒輪箱內。
可變速度齒輪箱可配置成用于以連續速度運行的尾部驅動系統、 隨著主螺旋槳主軸而改變速度的尾部驅動系統或不具有尾部驅動系 統。對于要求連續尾部速度的飛機型號，尾部驅動系統可以與離合器 及飛輪單元的輸入側嚙合。對于將從速度與主螺旋槳系統相稱地改變 的尾部驅動系統受益的飛機型號，尾部驅動系統可以與離合器及飛輪 單元的輸出側嚙合，或者直接嚙合到主齒輪箱，以便維持相對于發動 機的固定齒數比。
因此，本發明提供可變速度齒輪箱系統，其用于旋翼飛機，該旋 翼飛機提供"高螺旋槳速度模式，，與"低螺旋槳速度模式"，從而分 別在懸停飛行輪廓與高速巡航飛行輪廓中提高飛機性能。
附圖簡述
根據當前優選實施例的以下詳述，本發明的多種特征與優點將為 那些熟悉本領域的技術人員所清楚。伴隨詳述的附圖可簡要描述如 下
圖1A為與本發明一起使用的示例性旋翼飛機實施例的概略的部 分剖4見側碎見圖1B為圖1A示例性旋翼飛機實施例的概略的部分剖視俯視圖；圖1C為與本發明一起使用且具有反扭矩尾槳的旋翼飛機實施例
的扭無略的側一見圖2A為本發明傳動齒輪箱系統的方框圖2B為本發明的備選傳動齒輪箱系統的方框圖；.及
圖2C為本發明的備選傳動齒輪箱系統的方框圖。
優選實施例詳述
圖1A和圖1B展示了垂直起飛與降落(VT0L)的旋翼飛機10，旋 翼飛機10具有主螺旋槳系統12 。主螺旋槳系統12優選地為雙反轉同 軸螺旋槳系統，然而，任何為業界所知的其它螺旋槳系統，包括但不 限于單螺旋槳系統、縱列(tandem)螺旋槳系統和雙螺旋槳系統，也可 與本發明一起使用。即，雖然本發明是結合高速復合旋翼飛機描述的， 然而其它飛機配置，包括具有單個主螺旋槳系統12，及反扭矩尾部螺 旋槳系統32，(圖1C)的更傳統配置也將從本發明中受益。
如圖所示，飛機10包括支撐著主螺旋槳系統12的機身14。飛機 10也結合有尾部驅動系統30。尾部驅動系統30優選地為平移推力系 統32,其提供大體上平行于飛^/L縱軸線L的平移推力。
主螺旋槳系統12優選地包括第一螺旋槳系統16和第二螺旋槳系 統18。每個螺旋槳系統16、 18包括安裝到槳轂22、 24上的多個螺旋 槳槳片20,用于圍繞轉動軸線R轉動。驅動系統35驅動主螺旋槳系 統12。平移推力系統32優選地包括推動式推進器34,其具有螺旋槳 轉動軸線P，該使轉動軸線P定向成大致地水平并且平行于飛機縱軸 線L,以便為高速飛行提供推力。優選地，推動式推進器32安裝在氣 動整流罩34內，該氣動整流罩34安裝在機身14的后部。優選地， 平移推力系統32可被驅動主螺旋槳系統12的相同驅動系統35驅動。
圖2A示意性地展示了飛機10的驅動系統35。齒輪箱26優選地 介于一個或多個氣體渦輪發動機(示意性地展示于E處)、主螺旋槳系 統12與平移推力系統32之間。優選地，齒輪箱26包括主齒輪箱38
8及與該主齒輪箱38嚙合的可變速度齒輪箱40。為了進一步理解可與 本發明結合使用的主齒輪箱及其構件，可留意美國專利申請第10/— 號，其名稱為"用于具有平移推力系統的旋翼飛機的分離式扭矩齒輪
WITH TRANSLATIONAL THRUST SYSTEM"),該申請轉讓給本 發明的受讓人，并且該申請通過引用而整體上結合于此。
正如大體上由本領域的普通技術人員所理解的那樣，每個發動機 E通過發動機飛輪(freewheel)單元42而驅動可變速度齒輪箱40，從而 一旦所有發動機失效的時候，允許單個發動機運行及自動轉動。雖然 文中將僅僅詳細地討論來自l號發動機的齒輪系，來自2號發動機的 齒輪系是相同的，并且應當理解任何數量的發動機E可用于本發明。
本發明的可變速度齒輪箱40在沒有脫離發動機E或改變發動機 轉速的情況下，允許至少兩種不同的主螺旋槳系統12的螺旋槳速度。 可變速度齒輪箱40對不同的飛行輪廓，比如用于任何旋翼飛機的低 速飛行輪廓和高速飛行輪廓有幫助。典型地在降落、起飛、懸停及低 速飛行輪廓中，增加的提升能力需要較高的主螺旋槳速度，而在高速 巡航飛行輪廓中，需要較低的主螺旋槳速度以便改善螺旋槳性能并增 加空速。
可變速度齒輪箱40包括離合器，優選地為多盤離合器44;及用 于每個發動機E的飛輪單元46。多盤離合器44與飛輪單元46以平行 的方式被驅動。當離合器44接合的時候，來自發動機的飛輪單元42 的高速輸入主軸48主要地通過齒輪路徑50(示意性地展示為主軸48、 44i及44o)驅動可變速度齒輪箱38，而當離合器44脫離接合的時候， 則主要地通過減速齒輪路徑52，優選地通過二級減速齒輪52a、 52b(減 速齒輪路徑52在此示意性地展示為48、 52a、 46i、 46o、 52b的齒輪 路徑)來驅動可變速度齒輪箱38。應當理解多種齒數比將可以與本 發明一起使用，并且文中討論的"齒輪路徑"是以第一齒輪路徑作為 參考的，該第一齒輪路徑以直接驅動的方式驅動主螺旋槳系統12，該直接驅動方式包括離合器，并且文中所討論的"減速齒輪路徑"是以 第二齒輪路徑作為參考的，該第二齒輪路徑包括飛輪單元及減速齒 輪，但并非以其它方式進行限制。
當離合器44接合而以高螺旋槳轉速驅動卑螺旋槳系統12時，可 變速度齒輪箱40優選地以直接驅動的方式(l:l的比值)"高螺旋槳速 度模式"驅動主齒輪箱38。在這種模式中，飛輪單元46的飛輪輸出 端46o轉動的比飛輪單元46的輸入端46i要快，從而使飛輪單元46 超速運轉(ovemm)并且沒有傳輸動力。因此針對給定的發動機馬力， 相對較高轉速下的相對較低扭矩得以傳輸。
對于具有"低螺旋槳速度模式"下的低螺旋槳轉速的高速巡航飛 行輪廓而言，離合器44脫離接合，并且動力從輸入主軸48傳遞到初 始減速齒輪52a，并通過飛輪單元46而傳遞到另一個減速齒輪52b, 并且傳遞到主齒輪箱38內。應當理解文中所用的"高螺旋槳速度 模式"與"低螺旋槳速度模式"僅僅為與主齒輪箱38的速度有關的 相對術語，由于可變速度齒輪箱40運行的緣故，并且不應當考慮成 以其它方式進行限制。當離合器44脫離接合的時候，離合器44的離 合器輸入端44i以與發動機E相同的速度旋轉，而作為由飛輪單元46 連接的齒輪減速的結果，離合器44的離合器輸出端44o則以減小的 速度旋轉。因此針對給定的發動機馬力，相對較低轉速下的相對較高 扭矩得以傳輸。
特別地，齒輪路徑50與減速齒輪路徑52都繼續不顧離合器44 的接合/脫離接合而轉動，從而使離合器44及飛輪單元46僅僅需要適 應齒輪路徑50的齒數比與減速齒輪路徑52的齒數比之間的速度差異 與慣性差異即可。相對于必須將驅動系統的一部分從零速度加速或減 速到零速度的傳統傳動系統，其提供了輕巧且快速反應的系統。
本發明的齒輪箱配置提供了一種輕巧系統，同時確保了離合器咬 合或完全離合器打滑情況下的運行。在離合器咬合的情況下，動力仍 然從發動機傳輸到主齒輪箱。在離合器打滑的情況下，動力自動地通過飛輪單元46而轉移到主齒輪箱。
從"低螺旋槳速度模式，，向"高螺旋槳速度模式"的過渡，比如
當飛機從巡航飛行減速到懸停時的過渡，要求接合離合器44,并且允 許主螺旋槳速度增加，直到離合器的輸出端44o與離合器輸入端44i 的速度匹配，并且離合器44完全鎖定為止。離合器44可以打開/關閉 的方式運行，或者以順槳(feathering)的方式運行，在順槳方式下，接 合/脫離接合是逐漸進行的。
"低螺旋槳速度模式"與"高螺旋槳速度模式"之間的過渡備 選地通過飛機飛行控制方法的輔助而進行。優選地，主螺旋槳速度借 助螺旋槳總距控制(collective pitch control)及飛機飛行姿態而得以增加 或減小。即，為了改變由螺旋槳系統產生的升力的大小，可能會改變 速度及/或槳片攻角。如果攻角與速度改變成使得那些改變互相抵消的 話，則產生相同大小的升力。因此，當從"低螺旋槳速度模式"過 渡到"高螺旋槳速度模式"時，總距調制成降低槳片的攻角，因為螺 旋槳速度增加至可在過渡過程中提供相同大小的升力。此外，當攻角 減小的時候，所產生的阻力的大小也減小了，其增加了等效動力的螺 旋槳速度。對于從"高螺旋槳速度模式"到"低螺旋槳速度模式"的 過渡，則大體上發生相反的情況。由于飛機飛行控制方法的緣故，過 渡容易快速地實現，并且較少的慣性作用于離合器上。
可變速度齒輪箱40也可配置成用于以連續速度運行的尾部驅動 系統(圖2A)、隨著主螺旋槳系統12而改變速度的尾部驅動系統(圖2B) 或不具有尾部驅動系統30(圖2C)。圖2A和圖2B優選地與具有可選 平移推力系統32(圖1A與圖1B)的高速復合旋翼飛機10—起使用， 或者與具有反扭矩尾部螺旋槳系統32，的更傳統飛機IO，配置(圖1C) 一起使用。
可變速度齒輪箱40可以通過與尾部驅動系統30嚙合的尾部驅動 減速齒輪54而驅動尾部驅動系統30。對于要求連續尾部速度的飛機， 優選地使用圖2A中的尾部驅動系統30，其中，尾部驅動系統與離合器44及飛輪單元46的輸入側嚙合，從而相對于發動機E而維持固定 的齒數比。對于將從速度與主螺旋槳系統12相稱地改變的尾部驅動 系統30受益的飛機，優選地使用圖2B中的尾部驅動系統30,其中， 尾部驅動系統與離合器的輸出側44o及飛輪單元嚙合，或者直接嚙合 到主齒輪箱26，以便維持相對于主螺旋槳主軸的固定齒數比。
尾部驅動系統30的配置的選擇取決于多種因素，包括尾部螺旋 槳效率、噪音要求、性能指標等。當主螺旋槳速度改變的時候，反扭 矩尾部螺旋槳需要產生的用以平衡主螺旋槳扭矩的力量大小必須改 變，并且由此產生的扭矩必須改變。為了補償主螺旋槳扭矩的改變， 尾部螺旋槳可以改變其攻角并且維持相同的速度(圖2A),維持相同的 攻角并改變速度(圖2B)，或者同時改變兩者(圖2B)。圖2B中的配置 可備選地與復合直升機一起使用，在此，尾部螺旋槳改變方向以便提 供對懸停狀態內的主螺旋槳扭矩進行平衡的力量，然后過渡到推動式 推進器方向，以便在高速飛行輪廓中提供平移推力。
應當理解相對的位置術i吾比如"前向"、"后向"、"上"、 "下，，、"上方"、"下方，，等是以交通工具的正常運行姿態為參考 的，并且不應當認為是以其它方式進行限制。
應當理解雖然特定的構件結構公開于所展示的實施例中，其它 結構也將從本發明中受益。
雖然特定的步驟順序已^^L示、描述并要求保護，應當理解除 非另行指示，步驟可以任何次序執行，且步驟可分離或組合起來，并 且也將從本發明中受益。
以上描述為示例性的，而不是由描述中的限定所界定。考慮到以 上啟發，本發明的許多修改與變形是可能的。本發明的優選實施例已 被公開，然而，本領域的普通4支術人員應當認識到一定的修改將落入 本發明范圍。因此，應當理解在附加權利要求的范圍內，本發明可 以特定描述方式之外的其它方式實施。為此，應當研究以下權利要求， 以便確定本發明的真正范圍和內容。
1權利要求
1.一種用于旋翼飛機的傳動齒輪箱，其包括主齒輪箱；及可變速度齒輪箱，其與所述主齒輪箱嚙合，所述可變速度齒輪箱包括具有離合器的齒輪路徑及具有飛輪單元的減速齒輪路徑，所述主齒輪箱作為對所述離合器接合的響應而以第一速度被驅動，所述主齒輪箱作為對所述離合器脫離接合的響應而以小于所述第一速度的第二速度被驅動。
2. 如權利要求1所述的傳動齒輪箱，其特征在于，所述主齒輪箱 作為對所述離合器接合的響應而以第一速度被驅動，從而使所述飛輪 單元的飛輪輸出端相對于所述飛輪單元的飛輪輸入端而超速運轉。
3. 如權利要求1所迷的傳動齒輪箱，其特征在于，所述主齒輪箱 作為對所述離合器脫離接合的響應而以小于所述第一速度的第二速 度被驅動，從而使所述離合器的離合器輸出端以小于所述離合器的離 合器輸入端的速度而轉動，所述飛輪輸出端由所述飛輪輸入端所驅 動。
4. 如權利要求1所述的傳動齒輪箱，其特征在于，位于所述離合 器下游的所述齒輪路徑的輸出端及位于所述飛輪單元下游的所述減 速齒輪路徑的輸出端都以所述第 一速度與所述第二速度被驅動。
5. 如權利要求1所述的傳動齒輪箱，其特征在于，進一步包括由 所述主齒輪箱所驅動的螺旋槳系統。
6. 如權利要求5所述的傳動齒輪箱，其特征在于，所述螺旋槳系 統包括同軸反轉螺旋槳系統。
7. 如權利要求5所述的傳動齒輪箱，其特征在于，所述螺旋槳系 統包括單個主螺旋槳系統。
8. 如權利要求1所述的傳動齒輪箱，其特征在于，進一步包括由 所述可變速度齒輪箱所驅動的尾部驅動系統。
9. 如權利要求8所述的傳動齒輪箱，其特征在于，所述尾部驅動系統由所述離合器及所述飛輪單元上游的所述齒輪路徑和所述減速 齒輪路徑的輸入側所驅動。
10. 如權利要求9所述的傳動齒輪箱，其特征在于，所述尾部驅 動系統為反扭矩尾部螺旋槳。
11. 如權利要求9所述的傳動齒輪箱，其特征在于，所述尾部驅 動系統為平移推力系統。
12. 如權利要求8所述的傳動齒輪箱，其特征在于，所述尾部驅 動系統由所述離合器和所述飛輪單元下游的所述齒輪路徑和所述第 二減速齒輪的輸出側所驅動。
13. 如權利要求12所述的傳動齒輪箱，其特征在于，所述尾部驅 動系統為反扭矩尾部螺旋槳。
14. 如權利要求12所述的傳動齒輪箱，其特征在于，所述尾部驅 動系統為平移推力系統。
15. —種旋翼飛機，其包括 主齒輪箱；及可變速度齒輪箱，其與所迷主齒輪箱嚙合，所述可變速度齒輪箱 包括具有離合器的齒輪路徑及具有飛輪單元的減速齒輪路徑，所述主 齒輪箱作為對所述離合器接合的響應而以第 一速度被驅動，從而使所 述飛輪單元的飛輪輸出端相對于所述飛輪單元的飛輪輸入端而超速 運轉，所述主齒輪箱作為對所述離合器脫離接合的響應而以小于所述 第 一速度的第二速度被驅動，從而使所述離合器的離合器輸出端以小 于所述離合器的離合器輸入端的速度而轉動，所述飛輪輸出端由所述 飛4侖輸入端所驅動；尾部驅動系統，其由所述可變速度齒輪箱所驅動。
16. 如權利要求15所述的旋翼飛機，其特征在于，所述尾部驅動 系統由所述離合器及所述飛輪單元上游的所述齒輪路徑和所述減速 齒輪路徑的輸入側所驅動。
17. 如權利要求15所述的旋翼飛機，其特征在于，所述尾部驅動系統由所述離合器及所述飛輪單元下游的所逸齒輪路徑和所述減速 齒輪路徑的所述輸出側驅動。
18. —種控制旋翼飛機的主螺旋槳系統速度的方法，包括步驟(1) 接合離合器；(2) 作為對所述步驟(1)的響應，使飛輪單元的飛輪輸出端相對于飛 輪輸入端而超速運轉，從而以第 一速度驅動所述主螺旋槳系統的主齒 輪箱；(3) 將所述離合器脫離接合；及(4) 作為對所述步驟(3)的響應，與離合器輸出端分離地運行離合輸 入端，從而通過所述飛輪單元而以第二速度驅動所述主螺旋槳系統的 所述主齒輪箱。
19. 如權利要求18所述的方法，其特征在于，所述步驟(4)進一步 包括(a) 以與所述飛輪輸出端等同的速度驅動齒輪路徑的輸出端和減 速齒輪路徑的輸出端，從而以所述第二速度驅動所述螺旋槳系統的所 述主齒輪箱。
20. 如權利要求18所述的方法，其特征在于，所述步驟(4)進一步 包括(b) 以與所述齒輪路徑的所述輸出端、所述減速齒輪路徑的所述輸 出端及所述飛輪輸出端等同的速度驅動所述離合器輸出端。
21. 如權利要求18所述的方法，其特征在于，所述步驟(4)進一步 包括(b)以與發動機等同的速度驅動離合器輸入端。
22. 如權利要求18所述的方法，其特征在于，所述步驟(4)進一步 包括(a)借助所述飛輪輸入端而驅動所述飛輪輸出端。
全文摘要
一種用于旋翼飛機的傳動齒輪箱，包括主齒輪箱及與該主齒輪箱嚙合的可變速度齒輪箱。在未脫離發動機或改變發動機轉速的情況下，可變速度齒輪箱允許至少兩種不同的主螺旋槳系統轉速。可變速度齒輪箱包括離合器，優選地為多盤離合器；及用于每個發動機的飛輪單元。對于懸停飛行輪廓而言，當離合器接合而以高螺旋槳轉速驅動主螺旋槳系統時，齒輪路徑在“高螺旋槳速度模式”中以較高螺旋槳轉速而驅動主齒輪箱。對于高速飛行輪廓而言，當離合器脫離接合并且當動力通過飛輪單元而傳遞的時候，減速齒輪路徑在“低螺旋槳速度模式”中以較低螺旋槳轉速而驅動主齒輪箱。可變速度齒輪箱可配置成用于以連續速度運行的尾部驅動系統、隨著主螺旋槳主軸而改變速度的尾部驅動系統或配置成不具有尾部驅動系統。
文檔編號B64D35/06GK101495374SQ200680027752
公開日2009年7月29日 申請日期2006年4月28日 優先權日2005年5月31日
發明者P·X·帕爾奇克, T·加西亞, Y·Z·格米爾亞 申請人:西科爾斯基飛機公司