СМЕСИТЕЛЬ ДВУХКОНТУРНОГО ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ (ТРДД) Российский патент 2005 года по МПК F02K1/34 

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

Низкий уровень шума турбореактивных двигателей на режиме взлета и посадки является важным требованием, предъявляемым к современным пассажирским самолетам. Допустимый уровень шума ограничен международными нормами по шуму, которые регулярно пересматриваются в сторону ужесточения. Одним из важных источников шума в двигателе является турбина внутреннего контура, в которой шум генерируется при взаимодействии газа с лопатками и другими элементами конструкции.

Применяемые в двухконтурных турбореактивных двигателях смесители, предназначенные для интенсификации смешения газа и воздуха внутреннего и наружного контуров, частично экранируют турбину со стороны сопла. При этом смеситель отражает часть звуковых волн на внутреннюю поверхность проточной части двигателя и сопла. В результате многократных отражений звуковой волны от этих поверхностей происходит некоторое ослабление шума двигателя.

Известен смеситель двухконтурного турбореактивного двигателя, рекламный проспект "ПС - 90А - 154 самолета Ту - 154М2", 2003 г., стр.1-2, который состоит из обечайки и лепестков, расположенных равномерно по окружности.

Недостатком данного технического решения является то, что происходит лишь частичное экранирование турбины внутреннего контура и незначительное снижение исходящего от нее шума.

Известен смеситель с двойными лепестками, предназначенный для уменьшения шума струй двухконтурных турбореактивных двигателей, патент ЕР 0761956 В1 от 09.09.96 г., который снижает шум за счет более активного, чем при применении традиционных смесителей, выравнивания полей температур и скоростей потоков внутреннего и наружного контуров двигателя, так как интенсивность шума, генерируемого газовыми потоками, снижается при уменьшении разности температур и скоростей смешиваемых потоков. Интенсификация смешения достигается в этом смесителе за счет применения двойных лепестков вместо обычных одинарных, что улучшает смешение потоков из-за увеличения поверхностей смешения.

Недостатком данного технического решения является то, что смеситель с двойными лепестками так же, как смесители традиционной формы, не обеспечивают эффективного экранирования шума, генерируемого турбиной, поэтому звуковые волны выходят из двигателя не ослабленными многократными отражениями от внутренних поверхностей проточной части двигателя.

Технической задачей заявляемого технического решения является снижение шума двухконтурного турбореактивного двигателя.

Технический результат достигается в заявляемом смесителе двухконтурного турбореактивного двигателя (ТРДД) путем полного экранирования турбины и ослабления шума от внутреннего контура двигателя за счет многократного отражения звуковых волн от элементов смесителя и внутренней поверхности сопла, а также интенсификации смешения потоков внутреннего и наружного контуров двигателя при минимальной дополнительной потере тяги двигателя и небольшом увеличении его массы. Смеситель, расположенный в сопле, содержит обечайку, выходные кромки которой выполнены в виде шевронов, за обечайкой находятся каналы для прохода газа и воздуха соответственно внутреннего и наружного контуров. Каналы для прохода газа и воздуха образованы шевронами и двумя рядами чередующихся между собой перегородок, одни из которых являются изогнутыми, а другие плоскими, лежащими в плоскостях, проходящих через ось двигателя. Выходные кромки изогнутых перегородок расположены в плоскостях плоских перегородок ниже их по течению газа. В заявленном смесителе канал для прохода воздуха наружного контура образован шевронами, перегородками и внутренней поверхностью сопла, а канал для прохода газа - шевронами и перегородками. При этом выходные кромки перегородок, линии пересечения плоских перегородок с поверхностями шевронов и линии взаимного пересечения тех и других перегородок формируют окна для выхода газа из смесителя.

Заявляемый смеситель, который, кроме смешения потоков внутреннего и наружного контуров, осуществляет полное экранирование турбины со стороны сопла двигателя при небольших дополнительных потерях его тяги. При применении данного смесителя в двигателе все звуковые волны выходят из сопла двигателя ослабленными после многократных отражений внутри проточной части двигателя. Степень ослабления шума может быть увеличена за счет нанесения шумопоглощающего покрытия на смеситель и внутреннюю поверхность сопла.

Заявленный смеситель не вызывает значительных дополнительных потерь тяги, так как расход газа через внутренний контур у двухконтурных турбореактивных двигателей, предназначенных для современных пассажирских самолетов, существенно меньше, чем расход воздуха через наружный контур. Поэтому дополнительная потеря тяги во внутреннем контуре, которая может возникнуть у двигателя пассажирского самолета с заявляемым смесителем, приведет к небольшой потере тяги всего двигателя.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого смесителя, установленного в сопле ТРДД.

На фиг.2 показана схема цилиндрической обечайки предлагаемого смесителя, выходные кромки которой выполнены в виде шевронов.

На фиг.3 представлена развертка линий пересечения перегородок с цилиндрической обечайкой предлагаемого смесителя.

На фиг.4 дан вид предлагаемого смесителя по стрелке А на фиг.1.

На фиг.5 показана развертка линий пересечения перегородок с цилиндрической обечайкой предлагаемого смесителя, где плоские перегородки выполнены с изогнутыми выходными участками.

Заявляемый смеситель двухконтурного турбореактивного двигателя (ТРДД), показанный на фигурах 1, 2, 3, 4, 5, расположен в сопле 1. Смеситель 2 имеет цилиндрическую обечайку 3, выходные кромки которой выполнены в виде шевронов 4, а также плоские перегородки 5, проходящие через ось двигателя, и изогнутые перегородки 6. Причем плоские перегородки 5 с выходными кромками 7 короче изогнутых перегородок 6 с выходными кромками 8. Пересекаются плоские перегородки 5 с поверхностями шевронов 4 по линиям 10. Между собой перегородки 5 и 6 пересекаются по линиям 9. Окна 11 для выхода газа из смесителя образованы выходными кромками 7 плоских перегородок 5 и выходными кромками 8 изогнутых перегородок 6, линиями 9 взаимного пересечения плоских 5 и изогнутых 6 перегородок и линиями 10 пересечения плоских перегородок 5 и поверхностей шевронов 4. Расположен смеситель 2 внутри сопла 1 перед его выходным сечением 12. Плоские перегородки могут иметь изогнутый выходной участок 13.

Работает предлагаемый смеситель следующим образом.

Газ проходит внутри смесителя 2 по каналу, образованному внутренними поверхностями шевронов 4 и плоских перегородок 5 или плоских перегородок 5 с изогнутыми выходными участками 13, а также изогнутыми перегородками 6, мимо выходных кромок 7 и 8 перегородок 5 и 6 вдоль линий 9 взаимного пересечения перегородок 5 и 6 и линий 10 пересечения плоских перегородок 5 с поверхностями шевронов 4 и выходит через окна 11, предназначенные для выхода газа из смесителя 2. Воздух проходит снаружи смесителя 2 по каналу, образованному внутренними поверхностями шевронов 4, плоских перегородок 5 и изогнутых перегородок 6 и внутренней поверхностью сопла 1. Через выходное сечение 12 сопла 1 выходит смесь газа и воздуха внутреннего и наружного контуров.

Газ вытекает из окон 11 под некоторым углом к оси двигателя. Изогнутые перегородки 6 спрофилированы так, чтобы уменьшить угол поворота потока. В результате этого газ после смесителя вытекает слабо закрученным. Угол закрутки потока внутреннего контура за предлагаемым смесителем зависит от количества секторов у смесителя и от его длины. При увеличении числа секторов в смесителе или его длины по сравнению с оптимальным числом или оптимальной длиной уменьшается угол закрутки потока, но увеличиваются вязкие потери на внутренних и наружных поверхностях смесителя из-за увеличения суммарной площади омываемых поверхностей и увеличивается его масса. При уменьшении числа секторов по сравнению с оптимальным или уменьшении его длины также увеличиваются потери тяги из-за увеличения угла закрутки потока внутреннего контура. Поэтому при создании смесителя для конкретного двигателя число секторов в смесителе и его длина должны быть оптимизированы расчетными и экспериментальными методами из условия получения максимальной тяги двигателя.

Небольшая закрутка потока газа внутреннего контура на выходе из смесителя не приводит к существенным потерям тяги у двухконтурных двигателей современных пассажирских самолетов, так как расход газа внутреннего контура у этих двигателей значительно меньше, чем расход воздуха наружного контура, который не закручен. Так, степень двухконтурности большинства двигателей современных пассажирских самолетов находится в пределах 4-10, смесь газа и воздуха в выходном сечении сопла после смешения оказывается у этих двигателей закрученной гораздо слабее, чем был закручен газ внутреннего контура на выходе из смесителя.

Кроме того, при проектировании вентилятора двигателя, на котором будет использоваться предлагаемый смеситель, может быть предусмотрена остаточная закрутка воздуха наружного контура за вентилятором в противоположном направлении по отношению к направлению закрутки газа внутреннего контура за смесителем. В этом случае достигается осевое направление течения смеси газа и воздуха в выходном сечении сопла, что обеспечит некоторый прирост тяги по сравнению с двигателями, использующими традиционные смесители.

Площадь всех окон 11, предназначенных для выхода газа из смесителя, выбирается равной или большей площади поперечного сечения цилиндрической обечайки 2 смесителя 3 для того, чтобы поворот потока газа в предлагаемом смесителе происходил при малой скорости газа и, следовательно, при небольших потерях полного давления.

Применение предлагаемого смесителя позволяет снизить шум ТРДД за счет полного экранирования турбины и ослабления шума от внутреннего контура двигателя вследствие многократного отражения звуковых волн от элементов смесителя и внутренней поверхности сопла, а также интенсифицировать смешение потоков внутреннего и наружного контуров двигателя. Оптимизация формы смесителя и его элементов конструкции приведет к тому, что будут минимизированы дополнительные потери или даже получен некоторый прирост тяги двигателя.

Так же, как смесители традиционной формы, предлагаемый смеситель может применяться совместно с устройствами для снижения шума и реверсивными устройствами, используемыми на пассажирских самолетах.

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к устройствам для снижения шума газотурбинных двигателей. Смеситель двухконтурного турбореактивного двигателя содержит сопло, обечайку и находящиеся за обечайкой каналы для прохода газа и воздуха внутреннего и наружного контуров. Выходные кромки обечайки выполнены в виде шевронов. Каналы образованы шевронами и двумя рядами чередующихся между собой перегородок, одни из которых являются плоскими, расположенными в плоскостях, проходящих через ось двигателя, а другие - изогнутыми. Выходные кромки изогнутых перегородок лежат в плоскости плоских перегородок и находятся ниже их по течению газа. Канал для прохода воздуха наружного контура образован шевронами, перегородками и внутренней поверхностью сопла. Канал для прохода газа образован шевронами и перегородками. Изобретение позволяет понизить шум двухконтурного турбореактивного двигателя путем многократного отражения звуковых волн от элементов смесителя и внутренней поверхности сопла, а также интенсифицировать смешение потоков внутреннего и наружного контуров двигателя. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Смеситель двухконтурного турбореактивного двигателя (ТРДД), содержащий сопло, обечайку, выходные кромки которой выполнены в виде шевронов, а за обечайкой находятся каналы для прохода газа и воздуха внутреннего и наружного контуров, отличающийся тем, что каналы образованы шевронами и двумя рядами чередующихся между собой перегородок, одни из которых являются плоскими, расположенными в плоскостях, проходящих через ось двигателя, а другие - изогнутыми, при этом выходные кромки изогнутых перегородок лежат в плоскости плоских перегородок и находятся ниже их по течению газа, причем канал для прохода воздуха наружного контура образован шевронами, перегородками и внутренней поверхностью сопла, а канал для прохода газа образован шевронами и перегородками.2. Смеситель по п.1, отличающийся тем, что плоские перегородки выполнены с изогнутым выходным участком.