РЕГУЛИРУЕМЫЙ СМЕСИТЕЛЬ ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ СТЕПЕНИ ДВУХКОНТУРНОСТИ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВУХКОНТУРНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2005 года по МПК F02K3/75 

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к устройствам, регулирующим степень двухконтурности и обеспечивающим снижение шума двухконтурных турбореактивных двигателей.

Известно "Устройство и метод снижения шума газотурбинного двигателя", патент США №5157916 от 27.10.1992 г., предназначенные для снижения шума струи двигателя на взлете. На остальных режимах полета, кроме взлетного, шум не снижается. Для этого на двигателе, за турбиной, установлен смеситель лепесткового типа для смешения газа с воздухом наружного контура, за которым образуется первая зона смешения. Для интенсификации снижения шума вблизи смесителя установлен поглотитель шума. Далее вниз по течению газа расположен смеситель эжекторного типа, за которым образуется вторая зона смешения. После взлета, когда снижать шум не надо, этот смеситель убирается для уменьшения привносимой им дополнительной потери тяги.

Недостатком данного устройства является то, что оно не предназначено для снижения шума, который генерируется внутренними источниками шума газогенератора путем перекрытия направлений его распространения. Оно обеспечивает только снижение шума струи двигателя. Кроме того, устройство имеет большую массу, так как вместо одного смесителя, как на обычных двигателях, здесь установлены два смесителя, причем дополнительный смеситель выполнен убирающимся, что также увеличивает его массу.

Известно "Регулируемое устройство экспериментального двигателя изменяемого процесса Ge-23" фирмы "Дженерал Электрик", США, описанное в монографии авторов Ю.И.Нечаева, В.И.Кобелькова, А.С.Полева "Авиационные турбореактивные двигатели с изменяемым рабочим процессом для многорежимных самолетов", Москва, Машиностроение, 1988 г., стр.33-41, которое снижает шум на взлете и позволяет изменять соотношение расходов воздуха и газа между контурами для изменения степени двухконтурности и шума путем смешения с малыми потерями в потоках, обладающих различной энергией.

Для снижения шума воздух наружного контура через полые стойки подается во внутреннюю часть, а горячий газ, выходящий из турбины, выпускается во внешнюю часть сопла. При этом обеспечивается "перевернутый" профиль скоростей, при котором холодный воздух оказывается вблизи оси струи, а горячий газ - снаружи. Эффект снижения шума струи обусловлен смещением спектра шума кольцевой высокоскоростной зоны, имеющей малый гидравлический диаметр, в сторону высоких частот и более быстрой диссипацией высокочастотного шума в окружающей среде. Данное устройство представляет собой клапан створчатой конструкции, обеспечивающий смешение или разделение потоков.

Недостатком данного технического решения является сложность конструкции, большая масса устройства и слабое экранирование смесителем источников шума внутри газогенератора.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является "Устройство для смешения потоков в канале", патент США №5381655 от 17.01.1995 г., которое может быть использовано в двухконтурных двигателях с переменной степенью двухконтурности для смешения газа с воздухом наружного контура при работе двигателя на двухконтурном режиме или для перекрытия воздуха наружного контура при работе двигателя на одноконтурном режиме.

Данное устройство не предназначено для снижения шума, генерируемого внутренними источниками шума двигателя, что является его недостатком. Конструкция предложенного в данном патенте смесителя даже в случае применения на его поверхностях шумопоглощающего покрытия не позволит полностью экранировать шум газогенератора двигателя.

Задачей предлагаемого технического решения является упрощение конструкции регулируемого смесителя, уменьшение массы и увеличение степени экранирования шума турбины и других внутренних источников шума газогенератора.

Предлагаемое устройство позволяет достигнуть наибольшего снижения шума, когда происходит полное экранирование направлений, по которым распространяется шум без отражений от внутренней поверхности газогенератора. Это достигается за счет многократного отражения звуковых волн от стенок устройства, покрытых звукопоглощающим покрытием. Таким свойством не обладает ни одно известное устройство. Кроме того, предлагаемое устройство может плавно изменять степень двухконтурности и смешение газа с воздухом наружного контура от максимального значения до минимального.

Технический результат достигается в регулируемом смесителе, содержащем затурбинный кок, цилиндрическую обечайку, набор клапанов и чередующихся с ними желобов. Клапаны состоят из расположенных на обечайке окон, имеющих регулируемые передние и задние козырьки, а желоба выполнены поворотными и имеют дно и боковые стенки, при этом боковые стенки желобов шарнирно присоединены к дну желобов. При поднятых козырьках в передней части окон дно желобов имеет, по крайней мере, одну общую точку с затурбинным коком. При опущенных козырьках в передней части окон боковые стенки желобов расположены по касательной к обечайке и имеют вместе с дном по одной общей точке с обечайкой. На поверхности передних и задних козырьков, а также желобов нанесено шумопоглощающее покрытие.

В заявляемом регулируемом смесителе при поднятых козырьках в передней части окон образуются зоны разрежения, которые способствуют выходу газа в наружный контур. Задние козырьки окон обеспечивают экранирование направлений выхода звуковых волн от внутренних источников шума газогенератора через окна назад без промежуточных отражений. Совместное регулирование расходов газа и воздуха, проходящих через клапаны и желоба, изменяет степень двухконтурности и шум двигателя.

При положении козырьков и желобов регулируемого смесителя, соответствующем частичному перекрытию окон и частичному повороту желобов, газ внутреннего контура частично протекает в осевом направлении, при этом предлагаемое устройство выполняет функции обычного смесителя контуров двигателя.

В заявляемом регулируемом смесителе минимальное смешение газа происходит при опущенных козырьках в передней части окон, когда боковые стенки желобов расположены по касательной к обечайке и имеют вместе с дном по одной общей точке с обечайкой. При таком положении козырьков, дна желобов и их боковых стенок заявляемый регулируемый смеситель превращается в обечайку двигателя.

При описанных положениях элементов конструкции заявляемый регулируемый смеситель выполняет функции наибольшего снижения шума, обычного смесителя контуров двигателя или функцию обечайки двигателя. Заявляемый регулируемый смеситель устанавливают в конце обечайки, разделяющей контуры двухконтурных двигателей, не имеющих смесителя контуров и на двигателях со смесителями контуров, вместо смесителей. Для усиления эффекта снижения шума на поверхности передних и задних козырьков, а также желобов наносят шумопоглощающее покрытие.

Если обечайка выполнена, например, сужающейся по течению газа, то высота задних козырьков окон превышает наибольшую разность радиусов точек, расположенных на осях вращения передних и задних козырьков окон. Газовая струя, проходя через окна регулируемого смесителя, превращается в ряд более мелких струй, в результате чего повышается частота звуковых волн и происходит интенсивное ослабление шума газовой струи в окружающем пространстве.

Заявляемый регулируемый смеситель позволяет также перераспределять потоки внутреннего и наружного контуров без изменения степени двухконтурности двигателя для перевода газа внутреннего контура в наружный контур и интенсификации смешения.

На фиг.1 изображен общий вид заявляемого регулируемого смесителя двухконтурного турбореактивного двигателя.

На фиг.2 изображено продольное сечение регулируемого смесителя по линии А-А на фиг.1 в положении, соответствующем наибольшему снижению шума.

На фиг.3 изображено продольное сечение регулируемого смесителя по линии А-А на фиг.1 в положении, соответствующем работе обычного смесителя.

Регулируемый смеситель, изображенный на фиг.1-3, содержит обечайку 1, клапаны 17, состоящие из окон 2, выполненных в обечайке 1, регулируемых передних козырьков 3 и задних козырьков 4 окон 2, желобов 18, имеющих дно 6, боковые стенки 7, выходные кромки 9 дна 6 желобов 18 и выходные кромки 15 боковых стенок 7 желобов 18, направления 5 движения газа внутреннего контура в окнах 2, направления 8 движения воздуха наружного контура в желобах 18, оси 10 вращения регулируемых передних козырьков 3, оси 11 вращения желобов 18, направления 12 течения газа при верхнем положении желобов 18, затурбинный кок 13, оси вращения 14 задних козырьков 4, оси вращения 16 боковых стенок 7 желобов 18, r_н и r_к - радиусы точек, расположенных на осях 10 и 14 вращения передних и задних козырьков 3 и 4 соответственно.

На фиг.1, где изображен общий вид предлагаемого регулируемого смесителя двухконтурного турбореактивного двигателя, боковые стенки 7 соседних желобов 18 имеют общую выходную кромку 15, а дно 6 каждого желоба 18 содержит, по крайней мере, одну общую точку с затурбинным коком 13, такое положение регулируемых элементов соответствует максимальному снижению шума и изменению степени двухконтурности двигателя.

На фиг.2, где изображено продольное сечение регулируемого смесителя по линии А-А на фиг.1 при положении элементов, когда боковые стенки 7 соседних желобов 18 имеют общую выходную кромку 15, а дно 6 желоба 18 содержит, по крайней мере, одну общую точку с затурбинным коком 13, такое положение регулируемых элементов смесителя соответствует максимальному снижению шума.

На фиг.3, где изображено продольное сечение регулируемого смесителя по линии А-А на фиг.1 при положении элементов, когда все желоба 18 подняты и не имеют общих выходных кромок 15, передние козырьки 3 окон 2 клапанов 17 частично опущены, а задние козырьки 4 окон 2 клапанов 17 опущены полностью и дно 6 каждого желоба 18 не имеет точек касания с затурбинным коком 13, при этом часть газа внутреннего контура протекает вдоль затурбинного кока 13 и через щели между желобами 18, это положение элементов соответствует режиму работы обычного смесителя.

На фиг.2 и 3 проекция дна 6 желобов 18 совпадает с осью 16 вращения боковых стенок 7 желобов 18, а проекция окон 2 клапанов 17 совпадает с проекцией обечайки 1.

Работа заявляемого регулируемого смесителя для изменения степени двухконтурности ТРДД, изображенного на фиг.1-3, осуществляется следующим образом.

На режиме наибольшего снижения шума газогенератора и изменения степени двухконтурности двигателя регулируемые передние козырьки 3, расположенных на обечайке 1 окон 2, подняты и создают область разряжения. Газ внутреннего контура проходит через окна 2 клапанов 17 в направлении 5 в пространство, занятое воздухом наружного контура, минуя задние козырьки 4 окон 2 клапанов 17. Воздух наружного контура по желобам 18, образованным дном 6 и боковыми стенками 7, в направлении 8 проходит мимо выходных кромок 9 дна 6 и выходных кромок 15 боковых стенок 7 желобов 18 и затурбинного кока 13 в пространство внутреннего контура. При положении регулируемых элементов, показанных на фиг.1 и 2, согласно изобретению происходит полное экранирование внутренних источников шума газогенератора, и эффективно снижается шум струи двигателя.

На фиг.3 передние и задние козырьки 3 и 4 окон 2 клапанов 17 опущены и частично закрывают окна 2 клапанов 17, а желоба 18 отодвинуты от затурбинного кока 13, что обеспечивает проход газа внутреннего контура вдоль затурбинного кока 13 в направлении 12 и между желобами 18, а также приводит к снижению потерь полного давления в тракте двигателя. В таком положении элементов работа регулируемого смесителя подобна работе смесителя обычного типа.

Таким образом, применение предлагаемого технического решения позволит улучшить конструкцию регулируемого смесителя, уменьшить его массу и увеличить степень экранирования шума, исходящего от внутренних источников шума газогенератора, вплоть до полного перекрытия направлений его распространения. Полное перекрытие этих направлений не обеспечивается другими известными техническими решениями. При этом весь выходящий шум будет многократно отражаться от внутренних поверхностей, имеющих шумопоглощающее покрытие, и ослабляться. Кроме того, увеличатся поверхности элементов конструкции, на которые может быть нанесено шумопоглощающее покрытие. Дополнительно к этому произойдет разделение газовой струи на ряд более мелких газовых струй, что приведет к повышению частоты звука и, как следствие, к более интенсивному ослаблению звука в окружающей среде. Заявляемый регулируемый смеситель позволяет также перераспределять потоки внутреннего и наружного контуров, когда газ внутреннего контура потечет в наружный контур, а воздух наружного контура потечет во внутренний контур с изменением или без изменения степени двухконтурности двигателя.

Регулируемый смеситель для изменения степени двухконтурности турбореактивного двухконтурного двигателя содержит затурбинный кок, цилиндрическую обечайку, набор клапанов и чередующихся с ними желобов. При этом клапаны состоят из расположенных на обечайке окон, имеющих регулируемые передние и задние козырьки, а желоба выполнены поворотными и имеют дно и боковые стенки, шарнирно присоединенные к дну желобов. При этом при поднятых козырьках в передней части окон дно желобов имеет, по крайней мере, одну общую точку с затурбинным коком, а при опущенных козырьках в передней части окон боковые стенки желобов расположены по касательной к обечайке и имеют вместе с дном по одной общей точке с обечайкой. Использование изобретения позволяет упростить конструкцию регулируемого смесителя, уменьшить его массу и увеличить степень экранирования шума турбины и других внутренних источников шума газогенератора. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Регулируемый смеситель для изменения степени двухконтурности турбореактивного двухконтурного двигателя, содержащий затурбинный кок, цилиндрическую обечайку, набор клапанов и чередующихся с ними желобов, при этом клапаны состоят из расположенных на обечайке окон, имеющих регулируемые передние и задние козырьки, а желоба выполнены поворотными и имеют дно и боковые стенки, отличающийся тем, что боковые стенки желобов шарнирно присоединены к дну желобов, при этом при поднятых козырьках в передней части окон дно желобов имеет, по крайней мере, одну общую точку с затурбинным коком, а при опущенных козырьках в передней части окон боковые стенки желобов расположены по касательной к обечайке и имеют вместе с дном по одной общей точке с обечайкой.2. Регулируемый смеситель по п.1, отличающийся тем, что на поверхности передних и задних козырьков, а также желобов нанесено шумопоглощающее покрытие.