用於可變槳距風扇的槳距範圍的製作方法

2023-11-30 13:05:06 3

本主題大體上涉及用於推進裝置的風扇，或者更具體地涉及用於推進裝置如燃氣渦輪發動機的可變槳距風扇。

背景技術：

燃氣渦輪發動機大體上包括布置成與彼此流動連通的風扇和芯部。此外，燃氣渦輪發動機的芯部大體上包括按串流順序的壓縮機區段、燃燒區段、渦輪區段和排氣區段。在操作中，空氣流從風扇提供至壓縮機區段的入口，在該壓縮機區段中，一個或更多個壓縮機逐漸壓縮空氣，直到其到達燃燒區段。燃料在燃燒區段內與壓縮的空氣混合併且焚燒，以提供燃燒氣體。燃燒氣體從燃燒區段發送至渦輪區段。穿過渦輪區段的燃料氣體流驅動壓縮機區段，並且接著發送穿過排氣區段，例如至大氣。在特定構造中，渦輪區段由沿燃氣渦輪發動機的軸向方向延伸的軸機械地聯接於壓縮機區段。

風扇包括具有大於燃氣渦輪發動機的芯部的半徑的多個葉片。風扇和多個葉片還可機械地聯接於軸，使得它們連同渦輪旋轉。在某些構造中，風扇可通過變速箱機械地聯接於軸，使得風扇可具有不同於渦輪軸的轉速。可提供可旋轉轂，其覆蓋風扇的至少一部分並且連同風扇旋轉。多個葉片的旋轉生成用於燃氣渦輪發動機的推力，並且將空氣流提供至芯部的壓縮機區段。此外，多個出口導葉可引導來自葉片的空氣流，以例如減小由燃氣渦輪發動機生成的噪音並且提高燃氣渦輪發動機的性能。類似的風扇還可提供用於其它推進裝置。

對於至少一些推進裝置，風扇為可變槳距風扇。合乎需要的是通過使各個葉片繞著相應的槳距軸線旋轉來使風扇葉片的槳距變化，以進一步提高推進裝置的性能。例如，改變葉片槳距的主要原因在於基於飛行器的當前空氣速度和發動機的功率水平來針對最佳性能調整葉片的攻角。此外，風扇葉片的槳距可用於使穿過風扇的空氣流反向，因此提供反向推力來空氣動力地制動著陸的飛行器。

大體上，風扇葉片的槳距在一定數量的槳距位置之間變化，使得風扇葉片橫穿一定範圍的槳距。可需要某一槳距範圍來適應與不同飛行階段和/或燃氣渦輪發動機的最佳性能相關聯的各種槳距位置。然而，槳距範圍經常由如風扇葉片的硬度(solidity)和風扇的各種構件(如，配重、耳軸機構和槳距改變促動器組件)的構造的設計參數或考慮約束。

因此，具有用以實現帶最佳設計參數的較大槳距範圍的特徵的、用於推進裝置的可變槳距風扇將是合乎需要的。具體而言，具有多個風扇葉片(其中風扇葉片的槳距可在增大的槳距範圍內變化)並且具有風扇葉片的根部區域中的增大的硬度的可變槳距風扇將是有益的。具有多個風扇葉片(其中風扇葉片的槳距可在增大的槳距範圍內變化)並且具有減小的風扇轂半徑比和/或減小的風扇壓力比的可變槳距風扇也將是有利的。

技術實現要素：

本發明的方面和優點將在以下描述中部分地闡述，或者可從描述為明顯的，或者可通過本發明的實踐學習。

在本公開的一個示例性實施例中，提供了一種用於推進裝置的可變槳距風扇。可變槳距風扇包括聯接於盤的多個風扇葉片。多個風扇葉片中的各個風扇葉片從盤沿徑向向外延伸，並且各個風扇葉片沿從根部到末端的翼展延伸。根部附近的翼展的一部分限定根部翼展區域，而末端附近的翼展的一部分限定末端翼展區域。此外，各個風扇葉片能夠繞著槳距軸線旋轉，以改變風扇葉片的槳距，並且槳距軸線沿徑向延伸穿過風扇葉片。槳距能夠在至少大約80°到大約130°的槳距範圍內變化。此外，可變槳距風扇的硬度在根部翼展區域中為至少1.0。

在本公開的另一個示例性實施例中，提供了一種用於推進裝置的可變槳距風扇。可變槳距風扇包括聯接於盤的多個風扇葉片，以及覆蓋盤的可旋轉的前轂。多個風扇葉片中的各個風扇葉片從盤沿徑向向外延伸，並且各個風扇葉片沿從根部到末端的翼展延伸。根部附近的翼展的一部分限定根部翼展區域，而末端附近的翼展的一部分限定末端翼展區域。可變槳距風扇的硬度在根部翼展區域中為至少1.0，可變槳距風扇的風扇壓力比小於大約1.5，並且可變槳距風扇的風扇轂半徑比小於大約0.40。此外，各個風扇葉片能夠繞著槳距軸線旋轉，以使風扇葉片的槳距變化，並且槳距軸線沿徑向延伸穿過風扇葉片。槳距在槳距範圍內變化，並且槳距範圍為至少大約80°到大約130°。

技術方案1.一種用於推進裝置的可變槳距風扇，所述可變槳距風扇包括：

聯接於盤的多個風扇葉片，所述多個風扇葉片中的各個風扇葉片從所述盤沿徑向向外延伸，各個風扇葉片沿從根部到末端的翼展延伸，所述根部附近的所述翼展的一部分限定根部翼展區域，所述末端附近的所述翼展的一部分限定末端翼展區域，

其中各個風扇葉片能夠繞著槳距軸線旋轉，以使所述風扇葉片的槳距變化，所述槳距軸線沿徑向延伸穿過所述風扇葉片，所述槳距能夠在槳距範圍內變化，所述槳距範圍為至少大約80°到大約130°，並且

其中所述可變槳距風扇的硬度在所述根部翼展區域中為至少1.0。

技術方案2.根據技術方案1所述的可變槳距風扇，其特徵在於，所述可變槳距風扇還包括覆蓋所述盤的可旋轉的前轂，其中所述可變槳距風扇的風扇轂半徑比小於大約0.40。

技術方案3.根據技術方案1所述的可變槳距風扇，其特徵在於，所述多個風扇葉片包括至少十個風扇葉片。

技術方案4.根據技術方案1所述的可變槳距風扇，其特徵在於，所述可變槳距風扇的風扇壓力比小於大約1.5。

技術方案5.根據技術方案1所述的可變槳距風扇，其特徵在於，所述可變槳距風扇的所述硬度在所述末端翼展區域中小於1.0。

技術方案6.根據技術方案1所述的可變槳距風扇，其特徵在於，所述槳距範圍對應於順槳位置與逆槳位置之間的槳距變化。

技術方案7.根據技術方案1所述的可變槳距風扇，其特徵在於，所述槳距範圍對應於平槳距位置與逆槳位置之間的槳距變化。

技術方案8.根據技術方案1所述的可變槳距風扇，其特徵在於，所述槳距範圍為大約120°。

技術方案9.根據技術方案1所述的可變槳距風扇，其特徵在於，所述可變槳距風扇還包括用於使所述多個風扇葉片的所述槳距變化的槳距改變促動組件，所述促動組件包括：

調度環，其能夠關於所述盤旋轉並且具有多個槽口，以及

多個連杆臂，各個連杆臂操作性地聯接於所述多個風扇葉片中的一個和所述多個槽口中的一個；

其中所述多個風扇葉片中的各個根據由其操作性地聯接的所述槽口限定的葉片槳距計劃來旋轉，並且其中所述多個槽口中的至少兩個限定不同的葉片槳距計劃。

技術方案10.根據技術方案1所述的可變槳距風扇，其特徵在於，所述可變槳距風扇還包括用於將所述多個風扇葉片中的各個聯接於所述盤的多個耳軸機構，各個耳軸機構包含具有包括非鐵材料的一個或更多個構件的軸承。

技術方案11.根據技術方案1所述的可變槳距風扇，其特徵在於，所述推進裝置為燃氣渦輪發動機。

技術方案12.一種用於推進裝置的可變槳距風扇，所述可變槳距風扇包括：

聯接於盤的多個風扇葉片，所述多個風扇葉片中的各個風扇葉片從所述盤沿徑向向外延伸，各個風扇葉片沿從根部到末端的翼展延伸，所述根部附近的所述翼展的一部分限定根部翼展區域，所述末端附近的所述翼展的一部分限定末端翼展區域；以及

覆蓋所述盤的可旋轉的前轂，

其中所述可變槳距風扇的硬度在所述根部翼展區域中為至少1.0，

其中所述可變槳距風扇的風扇壓力比小於大約1.5，

其中所述可變槳距風扇的風扇轂半徑比小於大約0.40，並且

其中各個風扇葉片能夠繞著槳距軸線旋轉，以使所述風扇葉片的槳距變化，所述槳距軸線沿徑向延伸穿過所述風扇葉片，所述槳距能夠在槳距範圍內變化，所述槳距範圍為至少大約80°到大約130°。

技術方案13.根據技術方案12所述的可變槳距風扇，其特徵在於，所述多個風扇葉片包括至少十個風扇葉片。

技術方案14.根據技術方案13所述的可變槳距風扇，其特徵在於，所述硬度在所述末端翼展區域中小於1.0。

技術方案15.根據技術方案14所述的可變槳距風扇，其特徵在於，所述推進裝置為燃氣渦輪發動機。

技術方案16.根據技術方案14所述的可變槳距風扇，其特徵在於，所述可變槳距風扇還包括用於使所述多個風扇葉片的所述槳距變化的槳距改變促動組件，所述促動組件包括：

調度環，其能夠關於所述盤旋轉並且具有多個槽口，以及

多個連杆臂，各個連杆臂操作性地聯接於所述多個風扇葉片中的一個和所述多個槽口中的一個；

其中所述多個風扇葉片中的各個根據由其操作性地聯接的所述槽口限定的葉片槳距計劃來旋轉，並且其中所述多個槽口中的至少兩個限定不同的葉片槳距計劃。

技術方案17.根據技術方案14所述的可變槳距風扇，其特徵在於，所述可變槳距風扇還包括用於將所述多個風扇葉片中的各個聯接於所述盤的多個耳軸機構，各個耳軸機構包含具有包括非鐵材料的一個或更多個構件的軸承。

技術方案18.根據技術方案14所述的可變槳距風扇，其特徵在於，所述槳距範圍為大約120°。

技術方案19.根據技術方案14所述的可變槳距風扇，其特徵在於，所述槳距範圍對應於順槳位置與逆槳位置之間的槳距變化。

技術方案20.根據技術方案14所述的可變槳距風扇，其特徵在於，所述槳距範圍對應於平槳距位置與逆槳位置之間的槳距變化。

本發明的這些及其它的特徵、方面和優點將參照以下描述和所附權利要求變得更好理解。併入在本說明書中並且構成本說明書的部分的附圖示出了本發明的實施例，並且連同描述用於闡釋本發明的原理。

附圖說明

包括針對本領域技術人員的其最佳模式的本發明的完整且開放的公開在參照附圖的說明書中闡述，在該附圖中：

圖1為根據本主題的示例性實施例的燃氣渦輪發動機的示意性截面視圖；

圖2為根據本主題的示例性實施例的圖1的示例性燃氣渦輪發動機的可變槳距風扇的透視圖。

圖3為圖2的示例性可變槳距風扇的促動組件的示意性側視圖，其中風扇葉片處於順槳位置。

圖4為圖2的示例性可變槳距風扇的促動組件的示意性側視圖，其中風扇葉片處於平槳距位置。

圖5為根據本公開的實施例的示出調度環旋轉時的用於兩個相鄰風扇葉片的調度槽口的槳距調度環的圖解視圖。

圖6為根據本公開的實施例的示出調度環旋轉時的用於兩個相鄰風扇葉片的調度槽口的槳距調度環的圖解視圖。

圖7為圖2的示例性可變槳距風扇的盤和相關聯的耳軸機構的透視圖。

圖8為圖7的盤節段和耳軸機構的局部截面視圖。

本說明書和附圖中的附圖標記的重複使用旨在表示本發明的相同或類似的特徵或元件。

部件列表

10渦扇噴氣發動機

12縱向或軸向中心線

14風扇區段

16芯部渦輪發動機

18外殼

20入口

22低壓壓縮機

24高壓壓縮機

26燃燒區段

28高壓渦輪

30低壓渦輪

32噴氣排氣區段

34高壓軸/轉軸

36低壓軸/轉軸

38風扇

40葉片

41槳距校正裝置

42盤

43盤節段

44前緣

46末端

48促動組件

50動力變速箱

52可旋轉轂

54風扇殼或機艙

56出口導葉

58下遊區段

60旁通空氣流通路

62空氣

64入口

66空氣的第一部分

68空氣的第二部分

70燃燒氣體

72定子導葉

74渦輪轉子葉片

76定子導葉

78渦輪轉子葉片

80噴氣噴嘴排氣

82風扇噴嘴排氣區段

84熱氣體路徑

100吸入側

102葉片根部

104葉片末端

106前緣

108後緣

110葉片重疊區域

120調度環

122連杆臂

124電動機

126連杆臂的第一端部

128連杆臂的第二端部

130槽口

132滑動部件

134第一組風扇葉片

136第二組風扇葉片

140調度環的側向移動

142直線調度槽口

144非直線調度槽口

146直線部分(調度槽口)

148彎曲部分(調度槽口)

150耳軸機構

152第一線接觸軸承

154內圈

156外圈

158滾子

160第二線接觸軸承

162內圈

164外圈

166滾子

168中心線軸線

170中心線軸線

p槳距軸線

r徑向方向

a軸向方向

c翼弦

b周向槳距

s翼展

sr根部翼展區域

st末端翼展區域。

具體實施方式

現在將詳細參照本發明的本實施例，其一個或更多個實例在附圖中示出。詳細描述使用了數字和字母標號來表示附圖中的特徵。附圖和描述中相似或類似的標號用於表示本發明的相似或類似的部分。如本文中使用的，用語"第一"、"第二"和"第三"可以可互換地使用，以將一個構件與另一個區分開，並且不旨在表示獨立構件的位置或重要性。用語"上遊"和"下遊"是指相對於流體通道中的流體流的相對方向。例如，"上遊"是指流體流自的方向，而"下遊"是指流體流至的方向。此外，應當認識到的是，如本文中使用的用語"流體"包括流動的任何材料或介質，其包括但不限於氣體和空氣。

現在參照附圖，其中同樣的標記遍及附圖指示相同的元件，圖1為根據本公開的示例性實施例的燃氣渦輪發動機的示意性截面視圖。更具體而言，對於圖1的實施例，燃氣渦輪發動機為本文中稱為"渦扇發動機10"的高旁通渦扇噴氣發動機10。如圖1中所示，渦扇發動機10限定軸向方向a(平行於為了參照提供的縱向中心線12延伸)和徑向方向r。大體上，渦扇10包括風扇區段14和設置在風扇區段14下遊的芯部渦輪發動機16。

繪出的示例性芯部渦輪發動機16大體上包括大致管狀的外殼18，其限定環形入口20。外殼18包圍成串流關係的包括增壓器或低壓(lp)壓縮機22和高壓(hp)壓縮機24的壓縮機區段；燃燒區段26；包括高壓(hp)渦輪28和低壓(lp)渦輪30的渦輪區段；以及噴氣排氣噴嘴區段32。高壓(hp)軸或轉軸34將hp渦輪28傳動地連接於hp壓縮機24。低壓(lp)軸或轉軸36將lp渦輪30傳動地連接於lp壓縮機22。

此外，對於所繪實施例，風扇區段14包括可變槳距風扇38，其具有以間隔開的方式聯接於盤42的多個風扇葉片40。如所繪，風扇葉片40從盤42大體上沿徑向方向r向外延伸。多個風扇葉片40中的各個限定前緣44或上遊邊緣和末端46。末端46限定在各個相應風扇葉片40的徑向外緣處。如下文所論述，風扇葉片40操作性地聯接於適合的槳距改變促動組件48，適合的槳距改變促動組件48構造成通過使各個風扇葉片40關於盤42繞著槳距軸線p旋轉來改變風扇葉片40的槳距。風扇葉片40、盤42和促動組件48能夠由橫跨動力變速箱50的lp軸36繞著縱軸線12一起旋轉。動力變速箱50包括多個齒輪，用於使lp軸36的轉速逐步降低至更有效的旋轉風扇速度。

此外，風扇葉片40橫跨促動組件48操作性地聯接於槳距校正裝置41(例如，配重裝置或適合的槳距鎖定裝置)，使得槳距校正裝置41可以說遠離(即，未直接地聯接於)風扇葉片40。槳距校正裝置41適合地構造成在促動組件48不再能夠操作用於控制風扇葉片40的槳距的情況下，將風扇葉片40的槳距驅動至預定槳距角。例如，在示例性實施例中，槳距校正裝置41為配重裝置，其構造成在促動組件48不再能夠操作用於控制風扇葉片40的槳距的情況下，使風扇葉片40變槳，使得風扇38繼續吸收由渦輪28,30生成的功率，而非使渦輪28,30卸載。此外，如所示，各個風扇葉片40並未設有附接於其的其自身的專用槳距校正裝置41，而是改為遠程槳距校正裝置41通過促動組件48操作性地聯接於風扇葉片40。因此，槳距校正裝置41定位成遠離風扇葉片40和盤42，以便不擠滿盤42附近的可用空間，並且因此實現較小直徑的盤42。較小直徑的盤42可有助於減小下文所述的風扇轂半徑比，以及允許較高的風扇葉片數。應當理解的是，槳距校正裝置41可例如通過使得槳距校正裝置41能夠不直接地聯接於風扇葉片40使得裝置為用於風扇葉片的遠程槳距校正裝置，而具有便於提供用於可變槳距風扇的較小直徑的盤的任何適合的構造。此外，在適當的實施例中，槳距校正裝置41可省略，例如，可不提供配重和槳距鎖定裝置。

如圖1中進一步所繪，可變槳距風扇38的盤42由可旋轉的前轂52覆蓋，可旋轉的前轂52空氣動力地定輪廓成促進穿過多個風扇葉片40的空氣流。發動機10的性能可由沿徑向方向r的可旋轉轂52的總體尺寸影響。如本文中使用的，先前提到的風扇轂半徑比為半徑r1對半徑r2之比。半徑r1為在葉片40的前緣44處從縱向中心線12沿徑向方向r的可旋轉轂52的半徑。半徑r2為也在葉片40的前緣44處從葉片末端46到縱向中心線12的葉片40的半徑。對於給定的r2，減小r1增大風扇前流動區域，這減小用於給定推力的風扇壓力比，由此改進風扇空氣動力效率。作為備選，對於給定的風扇前流動區域和相關聯的風扇空氣動力效率，減小r1降低了r2，由此減小風扇的尺寸和重量。因此，減小風扇轂半徑比可改進發動機的性能或尺寸和重量。此外，減小r1減小了由在可旋轉轂52之上到芯部16中的空氣流經歷的彎曲，由此減小損失懲罰。

由於可旋轉轂52收納盤42，故可旋轉轂52的尺寸(沿徑向方向r)由盤42的尺寸(沿徑向方向r)部分地指示。此外，盤42的尺寸由構件必須能夠耐受的力的量部分地指示。由於風扇38在渦扇發動機10的操作期間繞著縱向中心線12旋轉的轉速，故構件上的離心力可極大。離心力與構件的質量/重量和葉片40的長度直接地相關。因此，合乎需要的是減小盤42的重量以便於減小盤42的尺寸、可旋轉轂52的半徑r1和風扇轂半徑比。

如將在下面更詳細所述，本公開的某些實施例允許通過減輕風扇38的某些構件(例如，下文論述的某些軸承)的重量的風扇轂半徑比的此類減小，這生成較小的離心力，並且由此容許需要耐受提高的離心力的較小且更緊湊的構件。更具體而言，在所繪的示例性實施例中，用於渦扇發動機10的風扇轂半徑比減小至小於或等於大約0.40。然而，在其它示例性實施例中，風扇轂半徑比可改為小於或等於大約0.35，小於或等於大約0.30，或者作為備選，風扇38可具有任何其它適合的風扇轂半徑比。應當認識到的是，如本文中使用的，近似用語如"大約"是指在百分之十(10%)的誤差裕度內。

仍參照圖1的示例性渦扇發動機10，示例性風扇區段14附加地包括環形風扇殼或外機艙54，其沿周向包繞風扇38和/或芯部渦輪發動機16的至少一部分。將認識到的是，機艙54可構造成由多個沿周向間隔的出口導葉56關於芯部渦輪發動機16支承。此外，機艙54的下遊區段58可在芯部渦輪發動機16的外部分之上延伸，以便限定其間的旁通空氣流通路60。

在渦扇發動機10的操作期間，一定量的空氣62通過機艙54和/或風扇區段14的相關聯的入口64進入渦扇10。在一定量的空氣62橫跨風扇葉片40經過時，如由箭頭66指示的空氣的第一部分引導或發送到旁通空氣流通路60中，而如由箭頭68指示的空氣的第二部分引導或發送到lp壓縮機22中。空氣的第一部分66與空氣的第二部分68之間的比率通常稱為旁通比。空氣的第二部分68的壓力接著在其發送穿過高壓(hp)壓縮機24並且到燃燒區段26中時增大，在燃燒區段26中其與燃料混合併且焚燒以提供燃燒氣體70。

燃燒氣體70發送穿過hp渦輪28，其中來自燃燒氣體70的熱能和/或動能的一部分經由聯接於外殼18的hp渦輪定子導葉72和聯接於hp軸或轉軸34的hp渦輪轉子葉片74的連續級抽取，因此引起hp軸或轉軸34旋轉，由此支持hp壓縮機24的操作。燃燒氣體70接著發送穿過lp渦輪30，其中熱能和動能的第二部分從燃燒氣體70經由聯接於外殼18的lp渦輪定子導葉76和聯接於lp軸或轉軸36的lp渦輪轉子葉片78的連續級抽取，因此引起lp軸或轉軸36旋轉，由此支持lp壓縮機22的操作和/或風扇38的旋轉。

燃燒氣體70隨後發送穿過芯部渦輪發動機16的噴氣排氣噴嘴區段32以提供推進推力。同時，空氣的第一部分66在其從渦扇10的風扇噴嘴排氣區段82排出之前發送穿過旁通空氣流通路60，也提供了推進推力。hp渦輪28、lp渦輪30和噴氣排氣噴嘴區段32至少部分地限定熱氣體路徑84，用於將燃燒氣體70發送穿過芯部渦輪發動機16。

具有沿周向包繞可變槳距風扇38的外機艙54的圖1中所繪的渦扇發動機10的構造大體上可描述為涵道構造。儘管本文中關於渦扇發動機10描述，但應當理解的是，本公開同樣適用於渦扇發動機的可變槳距風扇的無涵道構造。此外，在又一些示例性實施例中，本公開的方面可併入到其它推進裝置，如，涵道或無涵道的電動風扇發動機中。

現在參照圖2，將更詳細描述風扇38。圖2提供了圖1的示例性渦扇發動機10的風扇38的從前面向後的立面視圖。對於所繪示例性實施例，風扇38包括十二(12)個風扇葉片40。從加載觀點看，此類葉片數使得各個風扇葉片40的翼展能夠減小，使得風扇38的總直徑也能夠減小(例如，在示例性實施例中，至大約十二英尺)。就是說，在其它實施例中，風扇38可具有任何適合的葉片數和任何適合的直徑。例如，在一個適合的實施例中，風扇38可具有至少十(10)個風扇葉片40。在另一個適合的實施例中，風扇38可具有至少十一(11)個風扇葉片40。在又一個適合的實施例中，風扇38可具有至少十二(12)個風扇葉片40。在再一些適合的實施例中，風扇38可具有至少十五(15)或至少十八(18)個風扇葉片40。

作為優選，風扇38具有大約1.5或更小的風扇壓力比。風扇壓力比為風扇出口或排放壓力與風扇入口壓力之比。低於大約1.5的風扇壓力比允許改進的機械和推進效率。在示例性實施例中，風扇壓力比可為大約1.4；在另一個適合的實施例中，風扇壓力比可為大約1.2。然而，風扇壓力比還可具有低於或小於大約1.5的其它值。

各個風扇葉片40可具有適合的空氣動力輪廓，其包括大體上凹形的壓力側和沿周向相對的大體上凸形的吸入側100。各個風扇葉片40沿翼展s從可旋轉地聯接於盤42的內根部102沿徑向延伸至設置成緊鄰風扇殼或機艙54用於提供其間的相對小的末端空隙或間隙的徑向外遠側末端104。即，根部102為風扇葉片40的徑向最內部分，而末端104為風扇葉片40的徑向最外部分。此外，各個風扇葉片40能夠關於盤42繞著槳距軸線p旋轉；各個槳距軸線p大體上沿徑向延伸穿過其相應的風扇葉片40。

可變槳距風扇如風扇38在向前飛行和反向期間橫穿一定範圍的槳距或角位置，例如，風扇葉片40關於槳距軸線p旋轉以使風扇葉片的槳距在對應於各種槳距位置的角範圍內變化。例如，風扇葉片40可在向前飛行的巡航階段期間具有關於槳距軸線p的槳距位置，並且在起飛階段期間具有關於槳距軸線p的不同槳距位置。此外，風扇葉片40的這些槳距位置或槳距角可不同於反推階段期間的槳距位置。

典型地，在用於向前飛行和反推的不同階段的槳距位置之間，風扇葉片40的角移動的程度為至少大約80°，以及優選大約120°或大約130°。即，至少大約80°，優選大約120°或大約130°的槳距範圍使兩個極端槳距位置分開，其中其它槳距位置在這兩者之間。因此，風扇葉片40必須能夠橫穿大約80°到大約130°之間的槳距範圍。

作為實例，由槳距範圍分開的兩個槳距位置為粗/順槳位置和反槳位置，即，在用於粗/順槳階段的風扇葉片40的槳距與用於反推階段的風扇葉片40的槳距之間。在一些實施例中，槳距範圍可為大約80°；即，在向前飛行和反推的階段期間，風扇葉片40在從一個極端槳距位置到另一個的過渡中橫穿大約80°。在備選實施例中，槳距範圍可為大約120°；即，在向前飛行和反推的階段期間，風扇葉片40在從一個極端槳距位置到另一個的過渡中橫穿大約120°。在又一些適合的實施例中，槳距範圍可為大約90°、大約100°、大約110°或大約130°。因此，在本公開的適合實施例中，風扇葉片40的槳距能夠在槳距範圍內變化，其中槳距範圍在大約80°到大約130°之間，但也可使用其它槳距範圍(例如，小於大約80°或大於大約130°)。

儘管大體上需要至少大約80°以及優選大約120°或130°的槳距範圍來適應可變槳距風扇38的風扇葉片40的各種槳距角，但其它設計特徵或考慮可幹涉或約束葉片40的槳距範圍。例如，下文進一步描述的風扇38的期望硬度可指示較低或較小的槳距範圍。即，為了實現期望的硬度值，風扇葉片40的槳距的變化可限制成使得槳距範圍小於大約80°。作為其它實例，配重、耳軸機構和/或槳距改變促動器組件的構造，以及風扇區段14的其它構件可約束風扇葉片40能夠橫穿的槳距或角位置的範圍。因此，風扇38可使用本文中所述的一個或更多個特徵，如例如，促動器組件48和/或耳軸機構150，以實現至少大約80°，優選大約120°或130°的槳距範圍。

如圖2中所示，各個風扇葉片40限定弦長c，其在相對的前緣106與後緣108之間延伸。弦長c可在風扇葉片40的翼展s內改變。在一些實施例中，弦長c可在翼展s的根部區域中更長或更大，以實現風扇38的根部區域中的較高升力。較高升力可對增大根部區域中的風扇壓力比而言是期望的，並且由此保持芯部處的增壓，但風扇38的整個風扇壓力比可保持低於大約1.5，如上文所述。

仍參照圖2，根部102附近的翼展s的一部分可限定根部翼展區域sr，而末端104附近的翼展s的一部分可限定末端翼展區域st。根部102可指定為零翼展位置，即，翼展s在根部102處開始，使得根部102在零翼展或翼展s的百分之零處。末端104可指定為全翼展位置，即，翼展s在末端104處結束，使得末端104在全翼展或翼展s的百分之百(100%)處。在根部102與末端104之間的沿風扇葉片40的位置可指定為翼展s的分數或百分比，例如，風扇葉片40的中點在半翼展或翼展s的百分之五十(50%)處。因此，根部翼展區域sr可對應於零翼展與根部102附近的翼展s的分數或百分比之間的翼展s的部分，而末端翼展區域st可對應於末端104附近的翼展s的分數或百分比與全翼展之間的翼展s的部分。作為一個實例，根部翼展區域sr可從零翼展處的根部102延伸至翼展s的大約百分之十(10%)，或者作為另一個實例，根部翼展區域sr可從零翼展處的根部102延伸至翼展s的大約百分之二十(20%)。類似地，在一些實施例中，末端翼展區域st可從翼展s的大約百分之九十(90%)延伸至全翼展或翼展s的百分之百(100%)處的末端104，或者在其它實施例中，末端翼展區域st可從翼展s的大約百分之八十(80%)延伸至全翼展或翼展s的百分之百(100%)處的末端104。當然，根部翼展區域sr和末端翼展區域st還可分別對應於根部102和末端104附近的翼展s的其它部分。

如所敘述，風扇38具有對應的硬度，其為常規參數，等於翼展位置處的葉片弦長c除以對應翼展位置處的周向間距b或葉片到葉片的間距的比。周向間距b等於特定徑向翼展處的圍繞風扇的周向距離除以葉片排中的風扇葉片的總數。因此，硬度與葉片的數量和弦長成正比，並且與離縱軸線12的徑向距離成反比。為了優化可變槳距風扇38的性能，風扇38的硬度優選在根部翼展區域sr中為至少1.0。即，風扇38的硬度在風扇葉片根部102附近為至少1.0，例如，沿葉片翼展s的百分之十到百分之二十(10%-20%)，或在根部翼展區域sr的各個翼展位置處。

典型的高硬度渦扇具有相鄰的風扇葉片40，其由於翼型件的高硬度和葉片翼弦關於軸向方向的高角，或交錯而大致沿周向彼此重疊。例如，如圖2中所示，風扇葉片40具有高硬度，並且相鄰的葉片將在穿過平槳距位置時接觸彼此。由於風扇葉片40的硬度，故可看到的是，風扇葉片40將至少在區域110中重疊，如果它們同時穿過平槳距。然而，給定圖2中所示的構造，如果風扇葉片40一致地旋轉穿過平槳距，則不可接受的葉片接觸將發生。因此，風扇38的硬度可沿風扇葉片40的翼展s變化，以實現風扇葉片40的槳距在期望的槳距範圍(例如，大約80°、大約120°的槳距範圍，或另一期望的槳距範圍)內的變化。例如，風扇38的硬度可在末端翼展區域st中小於1.0，以允許風扇葉片40穿過彼此來反推。在此類實施例(其中根部翼展區域sr中的硬度為至少1.0，而末端翼展區域st中的硬度小於1.0)中，風扇葉片40的末端104可完全反轉，但根部102不可。

作為備選或此外，風扇38可構造用於異步葉片變槳，如下文關於圖3至6所述。此類系統(即，異步葉片變槳)可確保風扇葉片40不同時穿過平槳距，並且提供對風扇38的操作的其它性能相關的改進，如下文所論述。

現在參照圖3和4，繪出了根據本公開的示例性實施例的葉片槳距改變促動組件48。如上文提到的，各個風扇葉片40能夠繞著槳距軸線p關於盤42旋轉。風扇葉片40、盤42和促動組件48能夠由橫跨動力變速箱50的lp軸36繞著縱軸線12一起旋轉。

槳距改變促動組件48大體上包括調度環120、多個連杆臂122，以及電動機124。各個風扇葉片40可通過對應的連杆臂122的第一端部126可旋轉地聯接於盤42，使得第一端部126和對應的風扇葉片40可關於盤42繞著槳距軸線p旋轉。在這點上，風扇葉片40可固定地連接於對應的連杆臂122的第一端部126，使得連杆臂122的旋轉引起風扇葉片40關於盤42旋轉。

連杆臂122的第二端部128可以可滑動地連接於限定在調度環120中的多個槽口130中的一個。例如，第二端部128可以可旋轉地連接於滑動部件132。滑動部件132可以可滑動地收納在調度環120的槽口130中。調度環120能夠繞著縱向中心線12關於盤42旋轉，並且與電動機124操作性地聯接，電動機124關於盤42固定。

調度環120上的多個槽口130中的各個限定葉片槳距計劃。在這點上，對於調度環120的給定旋轉角，葉片槳距計劃確定風扇葉片40的實際槳距角。在操作中，電動機124使調度環120關於盤42旋轉。在調度環120旋轉時，滑動部件132沿槽口130移動，並且連杆臂122的角位置改變。在各個連杆臂122旋轉時，對應的風扇葉片40也旋轉，因此使各個風扇葉片40繞著其槳距軸線p旋轉。在備選實施例中，一個或更多個液壓促動器或任何其它適合的裝置或機構可代替電動機124或除電動機124之外用於使調度環120旋轉。

因此，通過使調度環120關於盤42旋轉，多個風扇葉片40中的各個根據由其通過連杆臂122聯接的槽口130限定的葉片計劃繞著其相應的槳距軸線p旋轉。通過限定不同的葉片槳距計劃，風扇葉片40的旋轉可獨立於彼此被控制。因此，例如，如果交替的風扇葉片40根據不同的葉片槳距調度旋轉，則可避免穿過例如平槳距的衝突。此外，槳距計劃可調整成改進風扇葉片40的性能。

葉片槳距計劃可取決於例如飛行器是否在粗/順槳階段、正常飛行階段、平槳距過渡階段、反推構造或其它飛行階段中。例如，當風扇葉片40具有大於8°的槳距時，可變槳距風扇38可構造用於正常飛行階段。此外，當風扇葉片40在8°的平槳距內(即，-8°到8°之間)時，可變槳距風扇38可在平槳距過渡階段中操作。風扇葉片40可在成-8°或更小的角時處於反推階段。本領域技術人員將認識到，這些範圍僅用於說明目的，並且階段和葉片計劃可以以多種其它方式限定以改進可變槳距風扇38和發動機10的性能。此外，如先前所述，總體槳距範圍，即，針對所有飛行階段的槳距變化範圍可在一些實施例中為大約80°，在其它實施例中為大約120°，並且在又一些實施例中為大約130°，但槳距範圍也可具有其它值。

在示例性實施例中，多個風扇葉片40根據不同槳距計劃旋轉，以在風扇葉片40旋轉穿過平槳距時避免衝突。更具體而言，如圖2中所示，第一組風扇葉片134可根據第一葉片槳距計劃旋轉，而交替的第二組風扇葉片136可根據第二葉片槳距計劃旋轉。第一葉片槳距計劃和第二葉片槳距計劃可對於可對應於正常飛行操作的第一旋轉階段而言為相同的，但槳距計劃可在風扇葉片40進入平槳距時偏離彼此。例如，一旦多個風扇葉片40的槳距達到在8°的平槳距內，則第一組風扇葉片134的轉速可增大，同時第二組風扇葉片136的轉速可減小。以該方式，第一組葉片134可在第二組葉片136前順序地穿過平槳距，因此避免了穿過平槳距的接觸。在所有風扇葉片40穿過平槳距並且開始生成反推之後，第一葉片槳距計劃和第二葉片槳距計劃可再次與彼此同步，以使所有風扇葉片40一致地旋轉。然而，作為備選，葉片計劃可保持偏移，以確保實現反推，而不使行進至發動機10的芯部16的空氣節流，或實現其它性能改進。

本領域技術人員將認識到，上文論述的葉片槳距計劃僅為示例性的，並且任何其它葉片槳距計劃或多個計劃可按性能需要使用。例如，可使用多於兩個的葉片槳距計劃。實際上，每個風扇葉片40可根據其自身的槳距計劃旋轉。所有此類變型構想為在本公開的範圍內。

現在參照圖5和6，示出了滑動部件132的位移的示意圖。該圖繪出了根據由調度環120中的調度槽口130限定的葉片計劃旋轉的兩個相鄰風扇葉片40。在所示實施例中，各個風扇葉片40繞著其相應的槳距軸線p定心，其中其可旋轉地聯接於盤42。各個連杆臂122由虛線122示意性地表示，並且繞著其相應的槳距軸線p旋轉固定徑向距離。滑動部件132可旋轉地連接於連杆臂122，並且可滑動地聯接於調度槽口130。

如圖中所示，在調度環120關於盤42旋轉時，調度槽口130大體上沿由箭頭140指示的方向平移。對於調度環120的各個角位置，各個風扇葉片40的角位置可根據其相應的調度槽口130的形狀改變。例如，具體參照圖6，一些調度槽口130可為完全直線的(例如，直線調度槽口142)。相比之下，一些調度槽口130可為非直線的(例如，非直線調度槽口144)，例如，通過具有一個或更多個直線部分146和一個或更多個彎曲部分148。在其它實施例中，調度槽口130可為彎曲的、蛇線的或任何其它適合的形狀。

值得注意地，當調度環120在恆定速度下旋轉時，連接於整個直線調度槽口142的連杆臂122將具有繞著槳距軸線p的恆定轉速功能。相比之下，連接於非直線槽口的連杆臂122的轉速將根據其相應的調度槽口130的形狀變化。以該方式，通過使各個調度槽口130交替地成形，交替的風扇葉片40可在不同時間旋轉到平槳距中，使得風扇葉片40接觸將不通過平槳距發生。此外，相鄰的調度槽口130可遍及風扇葉片40的槳距範圍具有相似輪廓，使得風扇葉片40遍及除它們進入平槳距的點之外的它們的範圍一致地旋轉。

本領域技術人員將認識到，用於促動風扇葉片的旋轉的以上描述的機構僅為用於實現異步風扇葉片變槳的一個示例性機構。其它機構將對技術人員而言基於本公開為明顯的。任何此類變型和改型構想為在本公開的範圍內。此外，在一些實施例中，風扇葉片40的期望的槳距範圍可在不需要異步風扇葉片變槳的情況下實現。例如，如本文中更詳細所述，用於將風扇葉片40附接於盤42的機構可構造成使得至少大約80°，以及更具體是至少大約120°或130°的槳距範圍是可能的。在此類實施例中，其它適合的槳距改變促動組件或機構可用於使風扇葉片40的槳距變化。

以上描述的實施例便於實現用於可變槳距風扇38的推力反向，其中風扇葉片40的硬度大於不需要重推力反向機構的風扇葉片的硬度。具體而言，提出的風扇葉片40的槳距改變機構實現2相異步風扇葉片40變槳，使得至少沿周向相鄰的風扇葉片40按不同計劃旋轉穿過平槳距，並且/或者反向，這允許風扇葉片40經過彼此而沒有接觸。例如，槳距改變機構或促動器組件可通過反向來使十二個風扇葉片40中的六個按不同計劃旋轉，因此允許實現反推，而在風扇葉片40穿過平槳距時沒有風扇葉片40之間的接觸。所有風扇葉片40可遍及除反向狀態外的整個飛行包絡線按相同計劃旋轉。異步風扇葉片40變槳的益處包括發動機效率和比燃料消耗的改進。相比於在前設計，安裝還簡化，風扇可操作性改進，並且失速裕度提高。其它優點將對本領域技術人員而言為顯而易見的。

現在參照圖7和8，示出了實現至少大約80°以及優選大約120°或130°的槳距範圍的附接機構。如圖7中所示，盤42包括多個盤節段43，其剛性地聯接在一起，或者以大體上環形形狀(例如，多邊形形狀)集成地模製在一起。一個風扇葉片40以耳軸機構150聯接於各個盤節段43，耳軸機構150便於在盤42旋轉期間將其相關聯的風扇葉片40固持在盤42上(即，耳軸機構150便於向盤42提供負載路徑，用於在繞著縱向中心線軸線12的旋轉期間由風扇葉片40生成的離心負載)，同時仍使其相關聯的風扇葉片40能夠關於盤42繞著槳距軸線p旋轉。值得注意地，各個耳軸機構150的尺寸和構造直接地影響盤42的直徑。在一方面，較大的耳軸機構150趨於佔據盤42的較大周向節段，並且因此，趨於導致盤42的較大直徑。在另一方面，較小的耳軸機構150趨於佔據盤42的較小周向節段，並且因此趨於導致盤42的較小直徑。

現在參照圖8，繪出了根據本公開的示例性實施例的獨立盤節段43和耳軸機構150的局部截面。在所示實施例中，各個耳軸機構150延伸穿過其相關聯的盤節段43，並且包括第一線接觸軸承152，其具有例如內圈154、外圈156和多個滾子158；以及第二線接觸軸承160，其具有例如內圈162、外圈164和多個滾子166。為了用作軸承152,160，構想出了至少以下類型的線接觸類型的滾動元件軸承：圓柱滾子軸承；圓柱滾子止推軸承；錐形滾子軸承；球形滾子軸承；球形滾子止推軸承；滾針軸承；以及錐形滾針軸承。然而，應當認識到的是，在其它示例性實施例中，此外或作為備選，耳軸機構150可包括任何其它適合類型的軸承。例如，在其它示例性實施例中，耳軸機構150可包括滾珠軸承或任何其它適合的軸承。

在所繪示例性實施例中，第一線接觸軸承152以不同於第二線接觸軸承160的角(如從滾子158的中心線軸線168關於槳距軸線p和從滾子166的中心線軸線170關於槳距軸線p測得的)定向。更具體而言，線接觸軸承152,160以面對面(或雙重)布置預加載抵靠彼此，其中中心線軸線168,170定向成大致垂直於彼此。然而，應當認識到的是，在其它示例性實施例中，線接觸軸承152,160可改為串聯布置，以便定向成大致平行於彼此。

值得注意地，軸承152,160離槳距軸線p越遠，則可包括的滾子158,166的數量就越多(由於較大量的空間)。在增加數量的滾子158,166的情況下，軸承152,160上的離心負載可分布在更多滾子158,166之中，減小了由各個獨立滾子158,166承載的此類負載的量。然而，為了便於使耳軸機構150更緊湊，可合乎需要的是將其相關聯的軸承152,160定位成更接近槳距軸線p，由此使得更多耳軸機構150能夠組裝在盤42上，並且因此，使得更多風扇葉片40能夠針對任何給定直徑的盤42聯接於盤42。對於所繪的實施例，由各個獨立的滾子158,166承載的、由於軸承152,160放置成更接近槳距軸線p(以及因此，減少數量的滾子158,166)而產生的增大離心負載通過向耳軸機構150提供線接觸軸承152,160來適應，這與成角的點接觸滾珠軸承相反。因此，耳軸機構150能夠製造得更緊湊，因為線接觸軸承152,160能夠更好地耐受較大的離心負載，而沒有破裂或塑性變形。更具體而言，線接觸軸承152,160具有較大的接觸表面，並且因此，可耐受比例如點接觸滾珠軸承更大的離心負載。因此，線接觸軸承152,160可比點接觸滾珠軸承與槳距軸線p間隔更近。

此外，對於所繪示例性實施例，由耳軸機構150自身生成的離心力的量(以及因此，必須由耳軸機構150適應的離心力的量)通過形成非鐵材料的第一線接觸軸承152和/或第二線接觸軸承160的一個或更多個構件來減小。此類構造可總體上減輕相應軸承152,160和耳軸機構150的重量/質量。

例如，在本公開的某些示例性實施例中，第一線接觸軸承152和第二線接觸軸承160中的一個或兩者可包含包括陶瓷材料或鎳鈦合金材料的一個或更多個構件。更具體而言，關於第一線接觸軸承152，滾子158、內圈154或外圈156中的一個或更多個可包括非鐵材料，如，陶瓷材料或鎳鈦合金材料。此外，關於第二線接觸軸承160，滾子166、內圈162或外圈164中的一個或更多個也可包括非鐵材料，如，陶瓷材料或鎳鈦合金材料。如本文中使用的，"陶瓷材料"是指適合於用於軸承中的任何類型的陶瓷材料，包括但不限於氮化矽(si3n4)、氧化鋯(zro2)、氧化鋁(al2o3)和碳化矽(sic)。此外，如本文中使用的，"鎳鈦合金材料"是指適合於用於軸承中的鎳和鈦的任何金屬合金(有時稱為鎳鈦諾)。

通過形成非鐵材料(如，陶瓷材料或鎳鈦合金材料)的第一線接觸軸承152和/或第二線接觸軸承160的構件中的一個或更多個，耳軸機構150可限定減輕的總體重量。因此，在風扇38繞著縱向中心線12旋轉期間由耳軸機構150自身生成的耳軸機構150上的離心力(即，"死負載")可減小(因為此類耳軸機構150不必在操作期間支承附加重量)。例如，在某些示例性實施例中，形成非鐵材料的第一線接觸軸承152和/或第二線接觸軸承160的構件中的一個或更多個可將風扇38旋轉期間的耳軸機構150上的死負載減小多達百分之十(10%)或百分之十五(15%)。因此，耳軸機構150的總體尺寸可甚至進一步減小。更具體而言，此類構造可允許軸承152,160定位成甚至更接近槳距軸線p(因為需要較少滾子)，進一步減小耳軸機構150的尺寸。因此，例如，此類軸承更好地能夠耐受與較高葉片數量相關聯的增大的離心負載，並且/或者能夠減小尺寸來適應轂與風扇半徑比的減小。

此外或作為備選，在某些示例性實施例中，第一線接觸軸承152和/或第二線接觸軸承160的構件中的一個或更多個，如，第一線接觸軸承152和第二線接觸軸承160的滾子158,166、內圈154,162或外圈156,164中的一個或更多個分別可包括具有相對低的楊氏模量(如，小於或等於大約25mpsi的楊氏模量)的材料。例如，在某些示例性實施例中，第一線接觸軸承152和/或第二線接觸軸承160的以上構件中的一個或更多個可包括具有小於或等於大約20mpsi、小於或等於大約17mpsi、小於或等於大約15mpsi或小於或等於大約14mpsi的楊氏模量的材料。此類示例性實施例可允許相應的構件耐受增大量的力，如，增大量的離心力，因為此類構件可在風扇38的旋轉期間彈性地變形。例如，當構件經歷彈性變形時，增大的接觸表面區域可限定在構件與相鄰構件之間。例如，在其中第一線接觸軸承152的滾子158包括具有相對低的楊氏模量的材料的某些實施例中，滾子158可在操作期間至少部分地彈性變形，使得增大的接觸表面區域限定在例如滾子158與內圈154和/或外圈156之間，允許構件之間的力的較大分布。

然而，相比之下，在其它示例性實施例中，第一線接觸軸承152和/或第二線接觸軸承160的構件中的一個或更多個可改為包括具有相對高的楊氏模量(如，大於或等於大約35mpsi、大於或等於大約40mpsi，或大於或等於大約45mpsi的楊氏模量)的材料。此類構造可允許例如軸承152,160具有增大的剛度，並且因此可允許相應軸承的更準確且精確的操作。

以上描述的實施例便於向燃氣渦輪發動機提供可生成較大量的推力的較小的可變槳距風扇。具體而言，以上描述的實施例便於向燃氣渦輪發動機提供可變槳距風扇，其具有例如較大槳距範圍、較高葉片數量、較低/較短葉片長度、較低轂與風扇半徑比、較低風扇壓力比和/或葉片的根部區域中的增大的硬度。此類可變槳距風扇可提高風扇的效率，其例如可減少操作期間焚燒的燃料，並且可另外改進發動機的性能。

該書面的描述使用實例以公開本發明(包括最佳模式)，並且還使本領域技術人員能夠實踐本發明(包括製造和使用任何裝置或系統並且執行任何併入的方法)。本發明的可專利範圍由權利要求限定，並且可包括本領域技術人員想到的其它實例。如果這些其它實例包括不與權利要求的字面語言不同的結構元件，或者如果這些其它實例包括與權利要求的字面語言無顯著差別的等同結構元件，則這些其它實例意圖在權利要求的範圍內。