СПОСОБ СОЗДАНИЯ ТЯГИ Российский патент 1995 года по МПК F03H5/00 F04D19/00 

Изобретение может применяться в авиадвигателестроении при проектировании вентиляторов двухконтурных ГТД, для ТВД взамен винта, для винтовентиляторов ТВВД спутного вращения, для вентиляторов аэродинамических труб, для перекачки жидкостей и газов, в вентиляторах вытяжных и нагнетающих, для вакуумирования.

Известен способ создания тяги, реализованный в устройстве воздушных винтов ТВД и биротативных контрвращающихся винтов ТВВД, [1]. Однако данный способ создания тяги не позволяет обеспечить повышение тяги из-за относительно высокого статического давления на выходе из винта, не устраняет возможность появления газодинамических неустойчивостей, ухудшающих надежность и безопасность работы, имеет сложные редуктор и биротативную турбину.

Известен также способ создания тяги, выбранный за прототип, реализованный в устройстве осевого вентилятора ТРДД, [1]. Осевой вентилятор (КНД) состоит из одного, двух или трех рабочих колес, неподвижно установленных на одном роторе. Осевой вентилятор вначале вакуумирует поток с одновременным его ускорением, затем сжимает его с одновременным торможением, затем выбрасывает воздушный поток в реактивное сопло, где последний, расширяясь до Р_н, ускоряется.

Данный способ создания тяги не позволяет ввиду наличия ненужного с точки зрения создания тяги процесса сжатия воздушного потока с его одновременным торможением обеспечить повышение тяги из-за относительно высокого статического давления потока на выходе из реактивного сопла, не устраняет возможность появления газодинамических неустойчивостей, ухудшающих надежность и безопасность работы.

Целью изобретения является увеличение тяги, упрощение конструкции, повышение надежности и безопасности работы за счет устранения газодинамических неустойчивостей.

Поставленная цель достигается тем, что в способе создания тяги, включающем понижение статического давления в воздухозаборнике перед основным рабочим колесом, создают дополнительное понижение статического давления перед дополнительными рабочими колесами путем нарастания осевой скорости воздушного потока от колеса к колесу, при этом тягу вентилятора при любом режиме работы рассчитывают по формуле:
R = P_нF_н - Р_с3 ˙F_с3, где R - тяга;
Р_н - давление окружающей среды в зоне невозмущенного потока;
F_н - площадь сечения струи в невозмущенном потоке, расход воздуха через которую равен расходу воздуха через вентилятор, зависит от скорости полета;
Р_с3 - статическое давление на выходе из вентилятора, зависит от скорости полета;
F_с3 - площадь выходного сечения.

На чертеже дан вариант осевого вентилятора для реализации заявляемого способа создания тяги в разрезе.

Осевой вентилятор для реализации заявляемого способа включает основное рабочее колесо 1 с лопатками, расположенное внутри обтекателя 2 и жестко связанное с валом 3, который располагают внутри вала 4 дополнительного рабочего колеса 5 и который снабжен шестерней 6, жестко установленной на валу 3 и связанной через промежуточный вал 7 редуктора 8 с приводом 9.

Работа осевого вентилятора для реализации заявляемого способа осуществляется следующим образом.

Крутящий момент от ротора турбины, компрессора или электродвигателя (на чертеже не показаны) передают на приводной вал 9 цилиндрического редуктора 8 и далее через промежуточный вал 7 на шестерни 6, жестко связанные с основным 3 и дополнительными 4 валами, на которых жестко установлены основное 1 и дополнительные 5 рабочие колеса с лопатками, при этом передаточные отношения зубчатых пар обеспечивают меньшую частоту вращения предыдущего по ходу потока рабочего колеса, чем последующего. Такая кинематика обеспечивает постоянное уменьшение статического давления перед каждым рабочим колесом по ходу потока. Постоянно нарастающее разрежение от рабочего колеса к рабочему колесу способствует непрерывному осевому ускорению потока не только в межлопаточных каналах предыдущего рабочего колеса, но и в промежутке между рабочими колесами. Ускорение потока в межлопаточных каналах способствует увеличению относительной скорости и при сохранении расхода требует сужающегося газодинамического тракта.

Последнее рабочее колесо по заявляемому способу создания тяги до входной кромки всегда вакуумирует поток, после входной кромки вне зависимости от диффузорности лопаток всегда работает в режиме сжатия воздушного потока, при этом статическое давление в выходном сечении вентилятора по заявляемому способу всегда меньше статического давления на выходе из реактивного сопла второго контура прототипа (Р_н) и при скорости полета, равной 0, всегда меньше атмосферного давления Р_н. При увеличении скорости полета статика на входе в первое рабочее колесо 1 растет, но это статическое давление воздушного потока уменьшается от рабочего колеса к рабочему колесу и на выходе достигает значений, которые при одинаковой скорости полета значительно меньше не только по сравнению с прототипом, но и с воздушным винтом тоже. Это значит, что удельная полетная тяга (полетная тяга, отнесенная к мощности двигателя) по заявляемому способу будет превосходить аналогичный параметр для прототипа и воздушного винта, что позволяет повысить полетную скорость при одинаковой мощности двигателя.

Необходимость в направляющих аппаратах по заявляемому способу создания тяги отпадает полностью, т.к. осевая скорость потока обеспечивается соответствующей геометрией лопаток.

Таким образом, уменьшение статического давления и площадей на выходе путем увеличения осевой скорости истечения потока регламентирует увеличение тяги и повышение надежности работы за счет устранения газодинамических неустойчивостей. Расчеты и модельные испытания показывают, что по заявляемому способу создания тяги не требуется такой большой скорости истечения воздушного потока из выходного сечения вентилятора, какая имеется в прототипе, для достижения одной и той же тяги, разница скоростей истечения составляет 14% , что говорит об эффективности заявляемого способа. Заявляемый способ создания тяги с тем же самым и более лучшим (в пределах КПД) техническим результатом может работать и без наружного обтекателя 2, т.к. центробежные силы, при V_п = 0, никогда не превосходят силы вакуумно-динамического поля, направленные к оси по ходу потока, т.е. заявляемый способ без наружного обтекателя 2 может быть применен и для винтовентиляторных двигателей спутного вращения воздушных винтов, в частности для биротативных винтов спутного вращения. С увеличением скорости полета лишнее статическое давление будет покидать биротативные винты спутного вращения в радиальном направлении через зазор между рабочими колесами, устанавливая баланс сил, тяга при этом уменьшается, однако полетная тяга, как показывают расчеты и модельные испытания, будет превосходить тягу известных биротативных контрвращающихся винтов на 5-10%.

Режим авторотации предыдущих по ходу потока рабочих колес исключен, гидравлические потери меньше, а конструкция проще чем у прототипа.

Модельные испытания осевого вентилятора по заявляемому способу создания тяги показали, что при любых режимах дросселирования воздушного потока на выходе из третьего рабочего колеса неустойчивая работа, помнаж отсутствуют полностью, КПД модели по полным параметрам потока составляет 92%, тяга возрастает на 15% относительно одинарного рабочего колеса, шум работы глухой.

Таким образом, заявляемый способ создания тяги позволяет экономично, в режиме работы винта (ТВД самые экономичные) повысить тягу до требуемого значения в зависимости от подведенной мощности привода при соблюдении только прочностных ограничений лопаток, повысить газодинамическую устойчивость работы на всех режимах, включая переходные, снизить гидравлические потери, шум, упростить конструкцию.

Применение заявляемого способа создания тяги в осевых вентиляторах для цеховых нужд позволило при меньших радиальных габаритах рабочих колес дать требуемый расход воздуха, например, 200-миллиметровый осевой вентилятор по заявляемому способу заменяет стандартный вентилятор N 5 (500 мм).

Расчеты и испытания модели осевого вакуумно-динамического вентилятора по заявляемому способу создания тяги показывают также, что, например, модернизация любого ТВД типа АИ или ТВВД типа НК-12М позволит уменьшить их массу, упростить технологичность изготовления, повысить тягу на 10-15% при сохранении мощности и уменьшении габаритов лопастей, что сделает эти двигатели конкурентоспособными ТРДД при больших дозвуковых скоростях полета, т. к. с увеличением скорости полета эффективность заявляемого способа создания тяги выше чем у прототипа или винта ТВД, поскольку статическое давление в выходном сечении растет с меньшей скоростью. Применение заявляемого способа создания тяги в вентиляторах двухконтурных ГТД позволит увеличить тягу последних на 8-12% при одной и той же мощности двигателя.

Использование: в авиадвигателестроении при проектировании вентиляторов двухконтурных ГТД, для ТВД взамен винта, для вентиляторов ТВВД, для вентиляторов аэродинамических труб, для устройств перекачки жидкостей и газов и для вакуумирования. Целью изобретения является увеличение тяги, упрощение конструкции, повышение надежности и безопасности работы за счет устранения газодинамических неустойчивостей. Это достигается тем, что за рабочими колесами вентилятора создают дополнительное понижение статического давления путем увеличения осевой скорости потока от колеса к колесу, при этом тягу вентилятора на любом режиме его работы, рассчитывают по формуле: где R - тяга вентилятора, P_н - давление невозмущенной среды; F_н - площадь входа; - движение и площадь на выходе из вентилятора. 1 ил.

СПОСОБ СОЗДАНИЯ ТЯГИ, включающий понижение статического давления в воздухозаборнике перед основным рабочим колесом, отличающийся тем, что, с целью увеличения тяги, упрощения конструкции, повышения надежности и безопасности работы за счет устранения газодинамических неустойчивостей, создают дополнительное понижение статического давления перед дополнительными рабочими колесами путем нарастания осевой скорости воздушного потока от колеса к колесу, при этом тягу R вентилятора при любом режиме работы рассчитывают по формуле

где P_н - давление окружающей среды в зоне невозмущенного потока;
F_н - площадь сечения струи в невозмущенном потоке, расход воздуха через которую равен расходу воздуха через вентилятор, зависит от скорости полета;
- статическое давление на выходе из вентилятора, зависит от скорости полета;
- площадь выходного сечения.