СПОСОБ РАБОТЫ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ФОРСАЖНОЙ КАМЕРОЙ И ПОВОРОТНЫМ РЕАКТИВНЫМ СОПЛОМ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1999 года по МПК F02K3/10 

Изобретение относится к турбореактивным двигателям с дополнительным подводом тепла в форсажной камере и поворотным реактивным соплом.

Известен способ работы турбореактивного двигателя с форсажной камерой и реактивным неповоротным соплом, включающий подачу воздуха и топлива в форсажную камеру [1].

В таком двигателе относительно простыми известными решениями удается обеспечить надежное охлаждение реактивного сопла на всех режимах работы двигателя.

Наиболее близким решением из известных является способ работы турбореактивного двигателя с форсажной камерой и поворотным реактивным соплом, включающий подачу воздуха и топлива в форсажную камеру и охлаждение стенок форсажной камеры и поворотного сопла путем обдува охлаждающим воздухом их наружных поверхностей [2].

Однако при повороте указанного реактивного сопла охлаждение его резко ухудшается. Это ухудшение объясняется рядом причин.

Во-первых, при повороте сопла значительно увеличивается тепловое воздействие потока газов, поступающих из форсажной камеры на стенки сопла, расположенные со стороны, противоположной отклонению продольной оси сопла от продольной оси двигателя. В этом месте сопла вместо течения потока газа вдоль стенок происходит частичное набегание потока на стенку сопла, вследствие чего поток частично тормозится и увеличивается теплоотдача от газа к стенкам.

Во-вторых, по причине частичного торможения потока газа на стенках сопла, расположенных со стороны, противоположной отклонению продольной оси сопла от продольной оси двигателя, ухудшается работа и самой системы охлаждения сопла. Связано это с тем, что из-за торможения потока газа при его повороте в сопле располагаемый перепад давлений охлаждающего воздуха, который обтекает внутреннюю поверхность стенок сопла, расположенных со стороны, противоположной отклонению продольной оси сопла от продольной оси двигателя, падает. Это сразу вызывает уменьшение расхода охлаждающего воздуха и, как следствие, уменьшение съема тепла со стенок сопла в этом месте.

Таким образом, имеются по меньшей мере две серьезные причины для ухудшения охлаждения этого места сопла и увеличения его температуры. Само увеличение температуры этого места помимо прогара стенок может еще привести к их короблению и, как следствие, даже к заклиниванию механизма поворота сопла, что вообще недопустимо с точки зрения безопасности полета высокоманевренного самолета.

Задача изобретения - при повороте сопла снизить температуру его стенок до безопасного уровня как с точки зрения ее собственной работоспособности (отсутствие прогаров, обеспечение прочностных показателей и т.д.), так и с точки зрения ее работоспособности в механизме сопла (отсутствие заклинов и т. д. ) и, таким образом, компенсировать ухудшение охлаждения стенок сопла, расположенных со стороны, противоположной отклонению продольной оси сопла от продольной оси двигателя.

Указанная задача достигается тем, что в способе работы турбореактивного двигателя с форсажной камерой и поворотным реактивным соплом, включающем подачу воздуха и топлива в форсажную камеру, по команде на поворот сопла в набегающем газовом потоке у стенок поворотного сопла увеличивают соотношение расходов воздуха и топлива. Это достигают различными приемами, а именно:
а) тем, что в районе стенок в форсажной камере уменьшают расход подаваемого топлива;
б) тем, что по поперечному сечению форсажной камеры перераспределяют расход подаваемого в нее топлива, для чего, помимо уменьшения расхода топлива у стенок, увеличивают его в остальных зонах форсажной камеры;
в) тем, что в районе стенок форсажной камеры подают дополнительный воздух.

Новым здесь является то, что по команде на поворот сопла, в газовом потоке у стенок поворотного сопла увеличивают соотношение расходов воздуха и топлива. Для этого:
а) в районе стенок в форсажной камере уменьшают расход подаваемого топлива, при этом еще и по поперечному сечению форсажной камеры перераспределяют расход подаваемого в нее топлива, для чего, помимо уменьшения расхода топлива у стенок, соответственно увеличивают его в остальных зонах форсажной камеры или (и)
б) в районе стенок форсажной камеры подают дополнительный воздух.

Указанная задача может достигаться и тем, что в способе работы турбореактивного двигателя с форсажной камерой и поворотным реактивным соплом, включающем подачу воздуха и топлива в форсажную камеру, по команде на поворот сопла в набегающем газовом потоке у стенок поворотного сопла, расположенных со стороны, противоположной отклонению продольной оси сопла от продольной оси двигателя, увеличивают соотношение расходов воздуха и топлива. Это достигают различными приемами, а именно:
а) в форсажной камере со стороны, противоположной отклонению продольной оси сопла от продольной оси двигателя, уменьшают подачу топлива;
б) при этом еще и по поперечному сечению форсажной камеры перераспределяют расход подаваемого в нее топлива, для чего, помимо уменьшения расхода топлива со стороны, противоположной отклонению продольной оси сопла от продольной оси двигателя, соответственно увеличивют его в остальных зонах форсажной камеры;
в) в форсажной камере со стороны, противоположной отклонению продольной оси сопла от продольной оси двигателя, подают охлаждающий воздух.

Новым здесь является то, что по команде на поворот сопла в набегающем газовом потоке у стенок поворотного сопла, расположенных со стороны, противоположной отклонению продольной оси сопла от продольной оси двигателя, увеличивают соотношение расходов воздуха и топлива. Для этого:
а) в форсажной камере со стороны, противоположной отклонению продольной оси сопла от продольной оси двигателя, уменьшают подачу топлива;
б) при этом еще и по поперечному лечению форсажной камеры перераспределяют расход подаваемого в нее топлива, для чего, помимо уменьшения расхода топлива со стороны, противоположной отклонению продольной оси сопла от продольной оси двигателя, соответственно увеличивают его в остальных зонах форсажной камеры:
в) в форсажной камере со стороны, противоположной отклонению продольной оси сопла от продольной оси двигателя, подают охлаждающий воздух.

Увеличивая по команде на поворот сопла соотношение расходов воздуха и топлива у стенок форсажной камеры, мы снижает температуру газового потока у стенок поворотного сопла, что позволяет держать на стенках поворотного сопла температуру не выше той, что там имелась до команды на поворот сопла. Причем самым простым решением здесь является просто снижение расхода топлива в форсажной камере у ее стенок. Но это не всегда приемлемо, так как это ведет к соответствующему снижению тяги двигателя. Поэтому более эффективно решение, в котором общий расход топлива в форсажную камеру остается неизменным, а снижение расхода топлива у стенок форсажной камеры компенсируется его перераспределением в сторону центральной зоны сопла. Ту же задачу, практически без потери тяги, можно решить, подав в зону у стенок сопла дополнительный воздух, отбираемый из соответствующей по давлению ступени компрессора. Этот дополнительный воздух остается в проточной части двигателя, то есть потери для двигателя в целом от такой подачи несущественны.

Если по команде на поворот сопла увеличение соотношения расходов воздуха и топлива выполнять только со стороны, противоположной отклонению продольной оси сопла от продольной оси двигателя, то помимо выполнения основной задачи - а именно, снижения температуры стенок сопла до безопасного уровня, можно добиться выполнения и дополнительной задачи - а именно, уменьшения окружной неравномерности температур сопла. Для этого:
а) в форсажной камере со стороны, противоположной отклонению продольной оси сопла от продольной оси двигателя, уменьшают подачу топлива, при этом по поперечному сечению форсажной камеры перераспределяют расход подаваемого в нее топлива, для чего, помимо уменьшения расхода топлива со стороны, противоположной отклонению продольной оси сопла от продольной оси двигателя, соответственно увеличивают его в остальных зонах форсажной камеры;
б) в форсажной камере со стороны, противоположной отклонению продольной оси сопла от продольной оси двигателя, подают охлаждающий воздух.

Это решение позволяет снижать температуру стенок сопла именно в той зоне сопла, где имеет место максимальное тепловое воздействие набегающего газового потока на стенки поворотного сопла и, таким образом, уменьшить окружную температурную неравномерность, возникающую при повороте реактивного сопла.

Следует отметить, что из-за того, что мы воздействуем на набегающий газовый поток в наиболее оптимальном месте двигателя, само это воздействие по величине минимально, что позволяет двигателю практически сохранить все свои параметры, например сохранить величину тяги двигателя.

Из уровня техники не выявлены решения, связывающие команду на поворот сопла с процессом увеличения соотношения расходов воздуха и топлива в набегающем газовом потоке у стенок поворотного сопла.

Из уровня техники не выявлены также и решения, связывающие команду на поворот сопла с процессом увеличения соотношения расходов воздуха и топлива в набегающем газовом потоке у стенок поворотного сопла, расположенных со стороны, противоположной отклонению продольной оси сопла от продольной оси двигателя.

Таким образом, предлагаемое нами решение соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

На фиг. 1 показан турбореактивный двигатель с форсажной камерой и поворотным реактивным соплом, реализующий предлагаемый способ его работы;
на фиг. 2 показано сечение по дополнительному топливному коллектору в форсажной камере;
на фиг. 3 показано сечение по воздушному коллектору в форсажной камере.

Турбореактивный двигатель содержит компрессор 1, основную камеру сгорания 2, турбину 3, форсажную камеру 4 с топливными коллекторами 5 и поворотное реактивное сопло 6 с охлаждаемыми стенками 7, имеющее возможность поворачиваться вверх-вниз вокруг горизонтальной оси 8. В форсажной камере 6 установлен дополнительный топливный коллектор 9, имеющий верхнюю 10 и нижнюю 11 секции, соединенные трубопроводами 12 и 13 через переключающий клапан 14 с магистралью подачи форсажного топлива 15. Переключающий клапан 14 связан с командным клапаном 16, работающим по команде на поворот сопла. Также в форсажной камере 6 установлен воздушный коллектор 17, имеющий верхнюю 18 и нижнюю 19 секции, соединенные трубопроводами 20 и 21 через переключающий клапан 22 и трубопровод 23 с компрессором 1. Переключающий клапан 22 связан с командным клапаном 16, работающим по команде на поворот сопла. В коллекторе 9 имеются отверстия 24 подвода форсажного топлива, а в коллекторе 17 - отверстия 25 подвода дополнительного воздуха.

Способ реализуют следующим образом.

При работе двигателя подают в форсажную камеру воздух от компрессора 1 через основную камеру сгорания 2 и турбину 3 и форсажное топливо через коллекторы 5. По команде на поворот сопла 6 в набегающем газовом потоке у стенок 7 поворотного сопла увеличивают соотношение расходов воздуха и топлива. Для этого по сигналу от командного клапана 16 с помощью переключающего клапана 14 отключают подачу форсажного топлива в дополнительный топливный коллектор 9 или (и) по сигналу от командного клапана 16 с помощью переключающего клапана 22 включают подачу дополнительного воздуха от компрессора 1 через трубопроводы 23, 20 и 21 и отверстия 25 воздушного коллектора 17 к стенкам форсажной камеры 4. Топливо от дополнительного топливного коллектора с помощью переключающего клапана 14 перебрасывают на остальные коллектора 5, расположенные ближе к центральной зоне форсажной камеры 4.

Увеличивая по команде на поворот сопла соотношение расходов воздуха и топлива у стенок форсажной камеры, мы снижаем температуру газового потока у стенок поворотного сопла, что позволяет держать на стенках поворотного сопла температуру не выше той, какая там имелась до команды на поворот сопла. После отмены команды на поворот сопла соотношение расходов воздуха и топлива приводят в состояние, которое было в форсажной камере до этой команды.

Способ реализуют и следующим образом.

При работе двигателя подают в форсажную камеру воздух от компрессора 1 через основную камеру сгорания 2 и турбину 3 и форсажное топливо через коллекторы 5. По команде на поворот сопла 6 "вниз" в газовом потоке у стенок 7 поворотного сопла, расположенных сверху от продольной оси двигателя, увеличивают соотношение расходов воздуха и топлива. Для этого по сигналу от командного клапана 16 с помощью переключающего клапана 14 отключают подачу форсажного топлива в секцию 10 дополнительного топливного коллектора 9 или (и) по сигналу от командного клапана 16 с помощью переключающего клапана 22 включают подачу дополнительного воздуха от компрессора 1 через трубопроводы 23, 20 и 21 и отверстия 25 секции 18 воздушного коллектора 17 к стенкам форсажной камеры 4, расположенным наверху. Топливо из секции 10 дополнительного топливного коллектора с помощью переключающего клапана 14 перебрасывают на остальные коллекторы 5, расположенные ближе к центральной зоне форсажной камеры 4.

Это решение позволяет снижать температуру стенок сопла именно в той зоне сопла, где имеют место максимальное тепловое воздействие набегающего газового потока на стенки поворотного сопла и, таким образом, уменьшить окружную температурную неравномерность, возникающую при повороте реактивного сопла. Следует отметить, что из-за того, что мы воздействуем на набегающий газовый поток в наиболее оптимальном месте двигателя, само это воздействие по величине минимально, что позволяет двигателю практически сохранить все свои параметры, например сохранить величину тяги двигателя. После отмены команды на поворот сопла соотношение расходов воздуха и топлива приводят в состояние, которое было в форсажной камере до этой команды.

Как видно из описания, способ реализуют с помощью широко известных в промышленности устройств. Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует и критерию промышленной применимости.

Источники информации:
1. Патент США N 4203286, НКИ 60/266, опубл. 1980 г. - аналог.

2. Патент США N 4274593, НКИ 239/265.35, опубл. 1981 г. - прототип.

Способ работы турбореактивного двигателя с форсажной камерой и поворотным реактивным соплом может быть использован в авиационной промышленности, а именно в газотурбинных двигателях с дополнительным подводом тепла в форсажной камере, имеющих реактивное сопло с изменяемым по направлению вектором тяги. Способ работы турбореактивного двигателя с форсажной камерой и поворотным реактивным соплом включает подачу воздуха и топлива в форсажную камеру. По команде на поворот сопла у стенок поворотного сопла в набегающем газовом потоке, расположенных со стороны, противоположной отклонению продольной оси сопла от продольной оси двигателя, увеличивают соотношение расходов воздуха и топлива. Такой способ позволит снизить температуру стенок сопла до безопасного уровня как с точки зрения их собственной работоспособности (отсутствие прогаров, обеспечение прочности показателей и т.д.), так и с точки зрения их работоспособности в механизме сопла (отсутствие заклинов и т.д.). 2 с. и 6 з. п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ работы турбореактивного двигателя с форсажной камерой и поворотным реактивным соплом, включающий подачу воздуха и топлива в форсажную камеру, отличающийся тем, что по команде на поворот сопла у стенок поворотного сопла в набегающем газовом потоке увеличивают соотношение расходов воздуха и топлива. 2. Способ работы по п.1, отличающийся тем, что в районе стенок в форсажной камере уменьшают расход подаваемого топлива. 3. Способ работы по пп.1 и 2, отличающийся тем, что по поперечному сечению форсажной камеры перераспределяют расход подаваемого в нее топлива, для чего помимо уменьшения расхода топлива у стенок увеличивают его в остальных зонах форсажной камеры. 4. Способ работы по п.1, отличающийся тем, что в районе стенок форсажной камеры подают дополнительный воздух. 5. Способ работы турбореактивного двигателя с форсажной камерой и поворотным реактивным соплом, включающий подачу воздуха и топлива в форсажную камеру, отличающийся тем, что по команде на поворот сопла в набегающем газовом потоке у стенок поворотного сопла, расположенных со стороны, противоположной отклонению продольной оси сопла от продольной оси двигателя, увеличивают соотношение расходов воздуха и топлива. 6. Способ работы по п.5, отличающийся тем, что в форсажной камере со стороны, противоположной отклонению продольной оси сопла от продольной оси двигателя, уменьшают подачу топлива. 7. Способ работы по пп.5 и 6, отличающийся тем, что по поперечному сечению форсажной камеры перераспределяют расход подаваемого в нее топлива, для чего помимо уменьшения расхода топлива со стороны, противоположной отклонению продольной оси сопла от продольной оси двигателя, увеличивают его в остальных зонах форсажной камеры. 8. Способ работы по п.5, отличающийся тем, что в форсажной камере со стороны, противоположной отклонению продольной оси сопла от продольной оси, подают охлаждающий воздух.