УСТРОЙСТВО ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ШУМА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2004 года по МПК F02K1/34 F01N1/16 

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к устройствам для снижения шума газотурбинных двигателей.

Известен “Способ и устройство эжекторного типа для снижения шума сверхзвукового реактивного двигателя” (патент США №5761899 от 11 мая 1995 г.), в котором в задней части двигателя перед соплом устанавливается секция для входа наружного воздуха. Для его пропуска имеются подвижные створки с силовым приводом, которые открываются внутрь двигателя. Створки могут устанавливаться в положение, при котором открываются окна реверса тяги. На остальных режимах без снижения шума и реверсирования тяги створки полностью закрывают окна. Регулирование критического сечения сопла осуществляется регулируемым центральным телом, поперечное сечение которого изменяется от минимального на режиме снижения шума до максимального на режиме реверсирования тяги. Между подвижными створками и соплом находится набор пластин, параллельных оси двигателя, которые образуют продольные каналы для наружного воздуха, причем эти каналы чередуются с каналами для газа двигателя.

Недостатком такой системы снижения шума является повышенный уровень усилий на подвижные створки, так как створки не являются аэродинамически разгруженными и, как следствие этого, приводы и другие подвижные элементы устройства имеют большую массу. Кроме того из-за загромождения проточной части двигателя каналами для прохода наружного воздуха увеличен уровень потерь внутренней тяги двигателя.

Известно “Устройство, снижающее шум газотурбинного двигателя” (патент США №5261229, от 3 августа 1992 г.). Оно представляет собой набор желобов, установленных перед основным соплом двигателя, которые направляют наружный воздух внутрь двигателя и смешивают его с газом двигателя для снижения шума. Створки желобов образуют критическое сечение на выходе из устройства перед основным соплом двигателя. Основное сопло двигателя при этом раскрывается для пропуска газа и эжектируемого наружного воздуха.

К недостатку данного устройства относится повышенный уровень потерь внутренней тяги двигателя на тех режимах, на которых снижать шум не надо. На режиме реверсирования тяги желоба смыкаются, перекрывая проходное сечение двигателя, и направляют газ двигателя в окна реверса. Газ оказывает силовое воздействие на желоба, поэтому на режимах снижения шума и реверсирования тяги возникают большие усилия, которые воспринимаются подвижными элементами и их приводами. Как следствие этого, конструкция подвижных элементов устройства и приводов имеет большую массу.

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является “Шумопоглощающее сопло воздушно-реактивного двигателя” (патент РФ №2092708 от 7 сентября 1993 г.), где перед срезом сопла двигателя расположены полые пилоны, разделяющие проточную часть двигателя на ряд каналов, через которые протекает внешний воздух. При этом образуются чередующиеся зоны течения, по которым протекают газ и внешний воздух. Происходит смешение потоков и уменьшение скорости смеси на выходе из сопла, что приводит к снижению шума. За каждым пилоном расположены поворотные панели с осями вращения, проходящими через заднюю кромку неподвижной части, имеющие силовой привод для установки их в нужное положение. Проточная часть каждого из каналов регулируется по аналогии с обычным сверхзвуковым соплом.

Недостатком данного устройства является то, что такое устройство нельзя применить на двигателях с форсажной камерой из-за ее разрушения при высокой температуре газов на форсированных режимах. К недостаткам устройства относятся также сложность конструкции и большая масса, а также высокий уровень потерь тяги на докритических перепадах давления на сопле из-за постоянного загромождения проточной части двигателя нерегулируемыми полыми пилонами.

Решение проблемы уменьшения шума газотурбинного двигателя всегда связано с увеличением массы, габаритов, ухудшением его тяговых характеристик что, как следствие, приводит к снижению грузоподъемности и дальности полета самолета. Поэтому большое значение имеет поиск таких решений проблемы снижения шума двигателя, которые приводят к наименьшему ухудшению основных характеристик двигателя.

Целью предлагаемого технического решения является уменьшение потерь внутренней тяги двигателя, снижение усилий на механизмы приводов и уменьшение массы устройства.

Предлагаемое устройство для снижения шума газотурбинного двигателя обеспечивает подмешивание наружного воздуха к продуктам сгорания перед соплом с помощью регулируемых открываемых окон в обечайке двигателя и набора конструктивных элементов, которые на режиме снижения шума формируют суммарное проходное сечение каналов, равное проходному сечению сопла двигателя, направляют и смешивают эжектируемый наружный воздух с газом двигателя, а на режиме реверсирования тяги перекрывают проходное сечение двигателя и обеспечивают выброс газа в открытые окна. На остальных режимах работы двигателя конструктивные элементы устанавливают в положение, при котором обеспечивается низкий уровень потерь внутренней тяги двигателя. Впускные окна для наружного воздуха и выпускные окна для выхода газа на режиме реверсирования тяги управляются задвижками с приводами.

Для упрощения конструкции, снижения массы и габаритов устройства впускные и выпускные окна могут быть функционально совмещены, то есть может использоваться один набор окон последовательно на режимах снижения шума и реверсирования тяги.

Устройство для снижения шума газотурбинного двигателя установлено за турбиной в проточной части двигателя, содержит обечайку, затурбинный кок, пилоны, выполненные в виде плоских неповоротных лопаток, и механизмы приводов. Набор конструктивных элементов, регулирующих проходное сечение двигателя и направляющих поток наружного воздуха, состоит из неповоротных лопаток, которые устанавливают радиально параллельно оси двигателя и перемежающихся с ними поворотных лопаток, оси вращения которых расположены между входными и выходными кромками поворотных лопаток и направлены радиально. Концы их осей находятся на обечайке и затурбинном коке двигателя. На режиме снижения шума поворотные лопатки устанавливают под углом к неповоротным лопаткам, частично перекрывая проходное сечение двигателя, и оставляют открытой суммарную площадь всех образовавшихся каналов, равную площади критического сечения сопла двигателя. При этом поворотные лопатки вместе с неповоротными образуют с подветренной стороны донные области пониженного давления для эжектирования наружного воздуха через окна внутрь этих зон. На режиме реверсирования тяги поворотные лопатки перекрывают проходное сечение двигателя. На режимах без снижения шума и без реверсирования тяги поворотные лопатки устанавливают вдоль оси двигателя. При этом достигается низкий уровень потерь внутренней тяги, так как все лопатки выполнены хорошо обтекаемыми, плоскими. Газодинамическая часть устройства, кроме системы приводов, расположена внутри проточной части двигателя, поэтому не создает дополнительного внешнего сопротивления в полете. Поворотные лопатки устройства аэродинамически уравновешены, поэтому требуются небольшие усилия для изменения положения и удержания их в заданном положении и, как следствие, небольшая масса лопаток и механизмов приводов.

На конических частях затурбинного кока оси лопаток могут быть установлены неперпендикулярно оси двигателя. При неосевом направлении потока газа неповоротные лопатки могут устанавливаться параллельно направлению потока газа. Для регулирования на разных режимах проходных сечений между лопатками неповоротные лопатки могут перемещаться в продольном направлении. Для снижения теплового потока на внутреннюю поверхность сопла и уменьшения его нагрева длину поворотных лопаток выбирают из условия перекрытия проекции зазора между поворотными и неповоротными лопатками на плоскость, перпендикулярную оси двигателя. В этом случае длину поворотных лопаток определяют по формуле

где L(r) - длина поворотных лопаток;

r - текущий радиус;

N - число лопаток;

π - число π;

а - угол поворота поворотных лопаток.

На фиг.1 изображена схема устройства для снижения шума в продольном разрезе газотурбинного двигателя.

На фиг.2 - положение поворотных лопаток на режиме работы двигателя со сниженным шумом.

На фиг.3 - положение поворотных лопаток на режиме реверсирования тяги двигателя.

На фиг.4 - положение поворотных лопаток на режиме работы двигателя без снижения шума и без реверсирования тяги.

На фиг.1-4 стрелки показывают направление движения газа, знак “+” - направление радиального движения воздуха к оси двигателя в зоне пониженного давления.

Устройство для снижения шума газотурбинного двигателя на фиг.1 содержит двухконтурный газотурбинный двигатель 1, реактивное сопло 2, смеситель 3 контуров двигателя 1, затурбинный кок 4 двигателя 1, поворотные лопатки 5, оси 6 (на фиг.1 не показаны) поворотных лопаток 5, неповоротные лопатки 7, окна 8, окна 9, канал 10, направление 11 входа наружного воздуха, направление 12 выхода продуктов сгорания на режиме реверсирования тяги, задвижки 13, задвижки 14, направление 15 приложения усилий от приводов (не показаны) к задвижкам 13, направление 16 приложения усилий от приводов к задвижкам 14, обечайка 17 двигателя.

Работа предлагаемого устройства для снижения шума газотурбинного двигателя осуществляется следующим образом.

На режиме снижения шума поворотные лопатки 5 с помощью приводов (не показаны) поворачиваются вокруг осей 6 и устанавливаются в положении, показанном на фиг. 2, образуя вместе с неповоротными лопатками 7 углы, обтекаемые газом двигателя и являющиеся донными областями с зонами пониженного давления. Суммарная площадь минимальных проходных сечений между лопатками всех образовавшихся каналов выбирается равной площади критического сечения сопла двигателя на этом режиме. Одновременно с этим приводы тянут в направлении 15 и открывают задвижки 13 окон 8 для наружного воздуха, через которые наружный воздух в направлении 11 устремляется в зоны пониженного давления, двигаясь в направлении к оси двигателя. Происходит обтекание донных уступов, образованных поворотными лопатками 5 и неповоротными лопатками 7, потоком газа, что приводит к появлению области пониженного давления, эжектированию наружного воздуха в эту область и, как следствие, снижению шума двигателя. Критическое сечение сопла 2 на этом режиме открыто для пропуска смеси газа с эжектируемым наружным воздухом.

На режиме реверсирования тяги поворотные лопатки 5 с помощью приводов поворачиваются вокруг осей 6 в положение, показанное на фиг.3, перекрывая проточную часть двигателя. При этом газ из двигателя выходит через окна 9 для газа на поверхности двигателя и далее через каналы 10 на поверхности двигателя для продуктов сгорания на режиме реверсирования тяги, образуя обратную тягу. В связи с тем, что поворотные лопатки 5 аэродинамически уравновешены, приводы и все лопатки имеют небольшую массу.

На режимах без снижения шума и без реверсирования тяги поворотные лопатки 5 устанавливаются вдоль оси двигателя (фиг 4). В связи с тем, что все лопатки выполнены плоскими и хорошо обтекаемыми, на этих режимах они оказывают слабое воздействие на поток газа, и дополнительные потери внутренней тяги на основных режимах работы двигателя минимальны. При этом поворотные и неповоротные лопатки, кроме силовых приводов, располагаются внутри двигателя и не увеличивают его габариты.

Таким образом, предлагаемое устройство для снижения шума обеспечивает уменьшение потерь внутренней тяги двигателя, снижение усилий на механизмы приводов, уменьшение массы двигателя и снижение внешнего сопротивления на двигатель в полете.

Устройство для снижения шума газотурбинного двигателя установлено за турбиной в проточной части двигателя, содержит обечайку, затурбинный кок, пилоны и механизмы приводов. Пилоны выполнены в виде плоских неповоротных лопаток, установленных радиально и параллельно направлению набегающего потока газа двигателя и перемежающихся с неповоротными лопатками плоских поворотных лопаток. Оси вращения плоских поворотных лопаток расположены между входными и выходными кромками этих лопаток. Концы осей вращения плоских поворотных лопаток находятся на обечайке и затурбинном коке. Изобретение позволит уменьшить потери внутренней тяги двигателя, снизить усилия на механизмы приводов и уменьшить массу устройства. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для снижения шума газотурбинного двигателя, установленное за турбиной в его проточной части, содержащее обечайку, затурбинный кок, пилоны и механизмы приводов, отличающееся тем, что пилоны выполнены в виде плоских неповоротных лопаток, установленных радиально, параллельно направлению набегающего потока газа двигателя и перемежающихся с ними плоских поворотных лопаток, оси вращения которых расположены между входными и выходными кромками плоских поворотных лопаток, причем концы их осей находятся на обечайке и затурбинном коке.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что длину поворотных лопаток определяют по формуле

где L(r) - длина поворотных лопаток;

r - текущий радиус;

N - число лопаток;

π - число π;

а - угол поворота поворотных лопаток.