ПЛОСКОЕ ШУМОГЛУШАЩЕЕ СОПЛО ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2000 года по МПК F02K1/46 

Изобретение относится к области авиации, в частности к соплам летательных аппаратов с устройствами для снижения шума.

Одним из основных требований к двигателям гражданских самолетов является низкий уровень шума на взлете и посадке. Снижение шума в особенности актуально для сверхзвуковых пассажирских самолетов (СПС), для которых шум на местности определяется шумом струй двигателей.

Известно сопло для СПС со сниженным уровнем шума за счет протока внешнего воздуха на режиме взлета через полые пилоны. При этом сверхзвуковая часть сопла выполняет роль эжектора. На режиме крейсерского сверхзвукового полета пилоны убираются, сверхзвуковая часть сопла формируется створками, расположенными на внутренней поверхности эжектора (AIAA Paper N 80-0165. Flight and wind tunnel test results of a mechanical jet noise suppressor nozzle. R. D. FitzSimmons, R.A. McKinnon and E.S. Johnson Douglas Aircraft Company McDonnell Douglas Corporation and J.R. Brooks Rolls-Royce, Limited). Исследования этого сопла показали, что при снижении шума на взлете и посадке на 16 EPNdB потери тяги составляют 5-6%. При этом конструкция сопла получается сложной с тремя группами подвижных элементов (дозвуковые створки, регулирующие критическое сечение, убираемые пилоны, сверхзвуковые створки) и, как следствие, c большим весом.

Известно сопло для СПС, содержащее осесимметричное сужающееся сопло и эжектор (патент Великобритании 1,207,194 United Aircraft Corp., 1967 г.). При высоких тяговых характеристиках этого сопла снижение шума незначительно, т. к. в коротком эжекторе без разбиения основной струи на ряд мелких невозможно обеспечить коэффициент эжекции достаточным для существенного снижения скорости истекающей струи и соответственно шума.

Известно сопло со сниженным уровнем шума, содержащее обечайку, центральное тело с расположенными вокруг него полыми пилонами, через которые проходит внешний воздух (Thrust performance of isolated plug nozzles with two tipes of 40-spoke noise suppressor at mach numbers from 0 to 0.45. by D. E. Harrington and J.J. Scbloemer, NASA TM X-2951, 1974). Недостатками этого сопла являются большие потери тяги сопла на режимах полета с шумоглушением, которые составляют около 16% идеальной тяги сопла.

Известно сопло со сниженным уровнем шума, содержащее обечайку и центральное тело, между которыми расположены полые пилоны, разделяющие основной канал сопла на ряд каналов, а также эжектор, причем каждый пилон снабжен двумя панелями, подвижно соединенными с пилонами вдоль кромок, и механизмом поворота панелей (патент США 2940252, F 02 K 1/26, 1960). Недостатком этого сопла является то, что крепление панелей к кромкам пилонов удлиняет внутренний канал сопла на длину панелей вдоль оси сопла, что уменьшает длину смешения внутреннего потока и внешнего воздуха в эжекторе и соответственно уменьшает уровень снижения шума. Кроме того, сверхзвуковая часть сопла формируется одной панелью, что не позволяет оптимальным образом регулировать сопло в диапазоне режимов полета и приводит к дополнительным потерям тяги.

Известно шумоглушащее сопло воздушно-реактивного двигателя, содержащее эжектор, обечайку и центральное тело, между которыми расположены полые пилоны, разделяющие основной канал сопла на ряд секторов и пары панелей, подвижно соединенных с пилоном вдоль кромок, и механизмами поворота, предназначенными для изменения формы секторов между пилонами. Оно снабжено дополнительно не менее, чем двумя панелями, подвижно соединенными между собой и установленными за каждым пилоном (патент РФ N2092708). Недостатками этого сопла являются большие потери тяги на дозвуковых скоростях полета, поскольку конструкция не позволяет регулировать площадь выходного сечения сопла.

Известно шумоглушащее сопло воздушно-реактивного двигателя, содержащее обечайку, гофрированное сопло, периферийные каналы, эжектор (патент США 3749316 Sound Suppressing Thrust Augmenting Apparatus, 1972). Недостатками сопла являются его нерегулируемость, неприменимость на сверхзвуковых самолетах.

Известно плоское эжекторное сопло для воздушно-реактивного двигателя, содержащее обечайку, внутреннее гофрированное сопло, эжектор, перегородки в эжекторе, которые изготовлены из звукоплоглощающего материала (Великобритания заявка 1345786 Ejectors; jet propulsion nozzles BERTIN & CIE, 1971). Недостатками сопла являются его нерегулируемость, неприменимость на сверхзвуковых самолетах.

За прототип настоящего изобретения выбрано плоское сопло, содержащее обечайку, сужающийся канал, гофры, подвижно соединенные с сужающимся каналом, воздухозаборники эжектора, сверхзвуковые панели сопла, внешние панели сопла и боковые стенки сопла (Jet mixing characteristics for a supersonic ejector. T. Oishi, T. Watanabe, Y. Udagawa, Y. Nacamura, IHI Aero-Engine & Space Operations, Tokyo, Japan, 6^th International Conference on LASER ANEMOMETRY, August 13-18, 1995. The Westin Resort, Hilton Head Island, South Carolina, USA).

Недостатком прототипа является то, что наличие одного комплекта гофр не позволяет полностью перемешать струю сопла с внешним потоком в эжекторе. Снижение шума при этом составляет около 10 EPNdb (AIAA N 96-1668. 2^th AIAA/CEAS AeroAcoustics Conference May 6-8, 1996/State College, PA. An experimental study of 2-d mixer-ejector noise and thrust characteristics. S. Ju. Krasheninnikov, A.K. Mironov CIAM, Moscow, Russia, E.V. Paulukov, V.K. Zitenev TsAGI, Zukovskiy, Russia, J. Julliard, E. Maingre SNECMA Villaroche, Moissy Cramayel, France).

Задачей изобретения является снижение уровня шума в аэропортах и их окрестностях.

Техническим результатом изобретения является снижение уровня шума сопла на взлетном режиме.

Технический результат достигается тем, что сопло снабжено дополнительными каналами, соединяющими внутреннюю полость суживающегося канала сопла с эжектором. Дополнительные каналы снабжены клапанами, перекрывающими проток газа на режимах полета без шумоглушения. Выступы гофр обращены к внешней стороне сопла и располагаются между дополнительными каналами на режимах полета без шумоглушения. А также тем, что сверхзвуковые панели на режиме взлета с шумоглушением располагаются внутри эжектора, разделяют на части проток эжектора и являются дополнительными поверхностями для поглощения звука ЗПК (звукопоглощающими конструкциями).

На фиг. 1 показан продольный разрез плоского шумоглушащего сопла с положением подвижных деталей на режиме взлета в сечении А- А;
на фиг. 2 показан вид сзади плоского шумоглушащего сопла на режиме взлета;
на фиг. 3 показан вид сверху плоского шумоглушащего сопла с механизмами поворота панелей воздухозаборников, гофр и внешних панелей сопла на режиме взлета;
на фиг.4 показано сечение В-В с чертежа на фиг. 1, с механизмами перекрытия дополнительных каналов 4 клапанами 5 на режиме взлета;
на фиг.5 показан продольный разрез плоского шумоглушащего сопла с положением подвижных деталей на режиме без шумоглушения;
на фиг. 6 показан поперечный разрез плоского шумоглушащего сопла в сечении Б-Б на фиг.3 на режиме полета без шумоглушения;
на фиг. 7 показан вид сверху плоского шумоглушащего сопла с механизмами поворота панелей воздухозаборников, гофр и внешних панелей сопла на режиме полета без шумоглушения;
на фиг.8 показано сечение В-В на фиг.5 с механизмами перекрытия дополнительных каналов 4 клапанами 5 на режиме полета без шумоглушения;
на фиг. 9 показана общая схема механизма поворота панелей воздухозаборников, гофр и внешних панелей сопла;
на фиг. 10 показан вид сбоку плоского шумоглушащего сопла и положение сверхзвуковых панелей сопла на режиме взлета с механизмами переноса оси подвески сверхзвуковых панелей;
на фиг. 11 показаны вид сбоку плоского шумоглушащего сопла и положение сверхзвуковых панелей сопла на режиме полета без шумоглушения;
на фиг. 12 показана схема механизма поворота и перемещения сверхзвуковых панелей сопла.

Плоское шумоглушащее сопло (фиг. 1) состоит из обечайки 1, сужающегося канала 2, гофр 3, подвижно соединенных с сужающимся каналом 2, дополнительных каналов 4, расположенных между сужающимся каналом 2 и обечайкой 1, клапанов 5, перекрывающих дополнительные каналы 4, панелей воздухозаборников 6, воздухозаборников 7, сверхзвуковых панелей сопла 8, внешних панелей сопла 9 и боковых стенок сопла 10. Перекрытие дополнительных каналов 4 клапанами 5 осуществляется силовой системой, состоящей из гидравлических цилиндров 11 и системы рычагов 12, устанавливающих клапаны в необходимое положение (фиг.4, 8). Поворот панелей воздухозаборников 6 осуществляется силовой системой, состоящей из гидравлических цилиндров 13 и системы рычагов 14. Поворот гофр 3 осуществляется силовой системой, состоящей из гидравлических цилиндров 15 и системы рычагов 16. Поворот внешних панелей сопла 9 осуществляется силовой системой, состоящей из гидравлических цилиндров 17 и системы рычагов 18 (фиг.3, 7). Общая схема механизма поворота панелей воздухозаборников 6, гофр 3, внешних панелей сопла 9 показана на фиг.9. Поворот и перемещение сверхзвуковых панелей сопла 8 осуществляются силовой системой, состоящей из гидравлических цилиндров 19 и системы рычагов 20, перемещение оси подвеса 21 сверхзвуковых панелей сопла осуществляется с помощью силовой системы, состоящей из гидравлических цилиндров 22, системы рычагов 23 и диска 24 (фиг. 10, 11, 12). На фиг. 1, 2, 3, 4, 10 показано положение панелей воздухозаборников 6, гофр 3, сверхзвуковых панелей сопла 8 и внешних панелей сопла 9 на режиме взлета. На фиг. 5, 6, 7, 8, 11 показано положение панелей воздухозаборников 6, гофр 3, сверхзвуковых панелей сопла 8 и внешних панелей сопла 9 на режиме полета без шумоглушения.

Сопло работает следующим образом.

На режиме взлета с шумоглушением поток газа от двигателя разделяется на две части. Одна часть направляется во внутреннее гофрированное сопло, где разделяется на ряд мелких струй, по числу гофр 3, и поступает в эжектор. Вторая часть потока газа от двигателя через открытые клапаны 5 поступает в сужающиеся дополнительные каналы 4, расположенные по периферии сопла, и через них в эжектор. Панели воздухозаборников 6 открыты, что обеспечивает проток внешнего воздуха в проток эжектора, образованный внешними панелями сопла 9 и боковыми стенками сопла 10. Такая конфигурация сопла обеспечивает чередование струй газа от двигателя и внешнего воздуха на входе в эжектор. Смешение газа струи от двигателя и внешнего воздуха происходит в эжекторе, что приводит к уменьшению скорости потока на выходе из сопла и соответственно к снижению шума. Сверхзвуковые панели сопла 8 располагаются внутри эжектора и разделяют проток эжектора на части, такое расположение сверхзвуковых панелей приводит к дополнительному снижению шума, поскольку сверхзвуковая панель является дополнительной поверхностью для размещения звукопоглощающих конструкций (фиг. 1).

На режиме полета без шумоглушения панели воздухозаборников 6 перекрывают проток внешнего воздуха через воздухозаборники 7. Дополнительные каналы 4 перекрываются клапанами 5. Гофры 3 откидываются таким образом, что выступы гофр, обращенные к обечайке сопла 1, размещаются между дополнительными каналами 4 и освобождают проток газа по центральной части сопла (фиг.5). Такая перестройка приводит к уменьшению потерь тяги в сопле, поскольку сужающийся канал 2 и сверхзвуковые панели 8 образуют сужающе-расширяющееся сопло с низкими потерями тяги (фиг.5). Механизмы поворота и перемещения панелей аналогичны известным механизмам регулирования сопл и других створчатых конструкций современных летательных аппаратов (фиг. 9 - 12).

Как показали многочисленные исследования эжекторных сопл с шумоглушением, одним из основных параметров, влияющих на снижение шума, является количество гофр, разделяющих основную струю на более мелкие струи (Гритрекс, Браун. Исследование шумоглушащих сопл. Проблемы уменьшения шума реактивных двигателей, сборник переводов под редакцией Л.И. Соркина, Издательство Иностранной литературы, Москва, 1961). В предлагаемом сопле количество гофр увеличено от 8 до 22 (при относительной площади A=D_a/D_j=3, где D_a - диаметр эжектора, D_j - диаметр эквивалентного по расходу осесимметричного сопла), что приводит к снижению уровня шума на 3 EPNdb (фиг. 13). Наличие дополнительных поверхностей внутри эжектора эквивалентно (в первом приближении) увеличению длины эжектора. Для данного типа сопл параметр L/D_экв увеличивается от 2.5 до 3.5 (L - длина эжектора, D_экв - диаметр эквивалентного по расходу осесимметричного сопла), что приводит к дополнительному снижению уровня шума на 1.5-2 EPNdb (AIAA N 96-1668. 2^th AIAA/CEAS AeroAcoustics Conference May 6-8, 1996/State College, PA. An experimental study of 2-d mixer-ejector noise and thrust characteristics. S. Ju. Krasheninnikov, A.K. Mironov CIAM, Moscow, Russia, E. V. Paulukov, V.K. Zitenev TsAGI, Zukovskiy, Russia, J. Julliard, E. Maingre SNECMA Villaroche, Moissy Cramayel, France). Суммарное снижение уровня шума в предлагаемом сопле относительно прототипа составит 4-5 EPNdb.

Изобретение предназначено для использования в летательных аппаратах с устройствами для снижения шума. Сопло состоит из обечайки, сужающегося канала, гофр, эжектора, сверхзвуковых панелей, воздухозаборников. Сопло снабжено дополнительными каналами, соединяющими внутреннюю полость сужающегося канала сопла с эжектором. Дополнительные каналы снабжены клапанами, перекрывающими проток газа на режимах полета без шумоглушения. Выступы гофр обращены к внешней стороне сопла и располагаются между дополнительными каналами, а проток эжектора разделен на части сверхзвуковыми панелями. Такая конструкция сопла позволяет снизить уровень шума на взлетном режиме. 13 ил.

Плоское шумоглушащее сопло, состоящее из обечайки, сужающегося канала, гофров, подвижно соединенных с кромкой сужающегося канала, эжектора, сверхзвуковых панелей, воздухозаборников, отличающееся тем, что сопло снабжено дополнительными каналами, соединяющими внутреннюю полость сужающегося канала с эжектором, и клапанами, расположенными в начале дополнительных каналов, причем выступы гофров, обращенные к внешней стороне сопла, расположены между дополнительными каналами, а проток эжектора разделен на части сверхзвуковыми панелями.