ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВУХКОНТУРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С БИРОТАТИВНЫМ ВЕНТИЛЯТОРОМ Российский патент 2007 года по МПК F02K3/72 

Изобретение относится к турбореактивным двухконтурным двигателям авиационного применения.

Известен авиационный газотурбинный двигатель с противоточной схемой газовоздушного тракта и с незакапотированным двухрядным (биротативным) вентилятором противоположного вращения [Патент РФ №2075658, F16C 21/00, 1997 г.].

Недостатком такой конструкции является повышенный уровень шума, создаваемый незакапотированным вентилятором.

Наиболее близким к заявляемому является турбореактивный двухконтурный двигатель с биротативным вентилятором, приводимым во вращение биротативной турбиной, и с лопатками вентилятора, размещенными в канале наружного контура, ограниченного с внешней стороны мотогондолой [Патент ЕПВ №1340903, F02K 3/072, 2003 г.].

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является пониженная взлетная тяга двигателя, повышенные вес и гидравлическое сопротивление мотогондолы, а также отсутствие устройства для реверсирования тяги.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении экономичности, надежности и снижении веса путем увеличения взлетной тяги и снижения гидравлических потерь за счет уменьшения наружного диаметра биротативного вентилятора, регулирования проходной площади сопла и уменьшения кривизны внешней поверхности мотогондолы.

Сущность изобретения заключается в том, что турбореактивный двухконтурный двигатель с биротативным вентилятором, расположенным в канале наружного контура, ограниченного с внешней стороны мотогондолой, а также газогенератором, согласно изобретению дополнительно снабжен реверсивным устройством с отклоняющими решетками, на выходе из канала наружного контура установлено сопло с подвижным в осевом направлении кожухом, а обтекатель газогенератора двигателя выполнен с шарнирной створкой, соединенной с исполнительным механизмом, при этом

D_c/D_в=1÷1,5; d_к/d_в=1,05÷1,3 и F_p/F_отв=3÷10, где:

D_c - наружный диаметр сопла на выходе из канала наружного контура;

D_в - наружный диаметр биротативного вентилятора по входной кромке первой по потоку воздуха лопатки;

d_в - минимальный диаметр обтекателя газогенератора на срезе сопла;

d_к - максимальный наружный диаметр обтекателя газогенератора на срезе сопла;

F_p - проходная площадь отклоняющих решеток реверсивного устройства;

F_отв - проходная площадь отверстий в створках и между створок обтекателя газогенератора в режиме реверсивной тяги двигателя.

Наличие реверсивного устройства с отклоняющими решетками, сопла с подвижным в осевом направлении кожухом и обтекателя газогенератора с шарнирной створкой, соединенной с исполнительным механизмом, позволяет на взлетном режиме при низкой напорности биротативного вентилятора обеспечивать минимальный наружный диаметр d_в обтекателя газогенератора на срезе сопла, минимизировать гидравлические потери истекающего из сопла потока, способствуя повышению взлетной тяги и надежности двигателя.

На режиме реверсирования подвижный в осевом направлении кожух сдвигается назад по потоку и открывает отклоняющие решетки реверсивного устройства, при этом одновременно устанавливают шарнирные перфорированные створки обтекателя таким образом, чтобы они перекрывали канал наружного контура. Такое расположение конструктивных элементов приводит к истечению потока воздуха через отклоняющие решетки и получению обратной тяги.

Отверстия в створках обтекателя и между створками исключают перегрев решеток и попадание газа на вход в двигатель. Через эти отверстия поток газа поступает в сопло, где его скорость существенно снижается и способствует резкому уменьшению прямой тяги.

При D_с/D_в<1 существенно увеличивается вес и повышается гидравлическое сопротивление мотогондолы, а при D_c/D_в>1,5 понижается экономичность двигателя из-за повышения скоростей потока воздуха в биротативном вентиляторе, что приводит к снижению его КПД.

При d_к/d_в<1,05 существенно снижается тяга двигателя на взлетном режиме из-за повышенных гидравлических потерь в сопле, а при d_к/d_в>1,3 существенно увеличиваются масса и габариты регулируемого сопла.

Соотношение F_p/F_отв выбирают из условия недопущения раскрутки компрессора и его помпажа на режимах реверсирования тяги. При F_p/F_отв<3 существенно снижается реверсивная тяга двигателя, а при F_p/F_отв>10 надежность двигателя снижается из-за возможности перегрева отклоняющих решеток реверсивного устройства и попадания горячих газов на вход в двигатель.

Заявляемая конструкция позволяет уменьшить наружный диаметр биротативного вентилятора и увеличить диаметр сопла на выходе из канала наружного контура, обеспечивая выполнение внешней поверхности мотогондолы с минимальной кривизной в осевом направлении со снижением ее гидравлического сопротивления, что способствует повышению экономичности двигателя. При этом вес мотогондолы и двигателя снижается из-за уменьшения диаметра биротативного вентилятора со снижением веса лопаток и дисков вентилятора.

На фиг.1 показан продольный разрез двигателя с максимально закрытым соплом канала наружного контура. На фиг.2 - продольный разрез двигателя с максимально открытым соплом канала наружного контура, а на фиг.3 представлен продольный разрез двигателя на режиме реверсирования тяги.

Турбореактивный двухконтурный двигатель 1 состоит из газогенератора 2 и биротативного (двухрядного) вентилятора 3, приводимого во вращение биротативной турбиной 4. Биротативный вентилятор 3 состоит из первого ряда рабочих лопаток 5 и второго ряда лопаток 6 по потоку воздуха 7, размещенных в канале 8 наружного контура, ограниченного с внешней стороны мотогондолой 9. Каждая из рабочих лопаток 5 и 6 выполнена с входной кромкой 10 и 11 соответственно.

Мотогондола 9 выполнена с внешней поверхностью 12 уменьшенной кривизны в осевом направлении; на выходе из канала 8 наружного контура установлено регулируемое по площади сопло 13, состоящее из закрепленной на мотогондоле 9 отклоняющей решетки 14 реверсивного устройства 15, подвижного в осевом направлении кожуха 16 и закрепленных на газогенераторе 2 шарнирных створок 17 и 18 первого и второго ряда соответственно, образующих совместно обтекатель 19 газогенератора 2 и управляемых с помощью исполнительных механизмов 20 (например, гидроцилиндров).

Двигатель 1 выполнен с противоточной схемой газовоздушного тракта 21; воздух 7 из биротативного вентилятора 3 поступает в компрессор низкого давления 22, который приводится во вращение турбиной 23 компрессора низкого давления, выполненной без соплового аппарата на входе, т.е. с ротором 24 противоположного направления вращения по отношению к последней по потоку газа 25 лопатке 26 биротативной турбины 4.

Компрессор низкого давления 22 через промежуточный канал 27, ограниченный внешней стенкой 28, и поворотный участок 29 на входе соединен с компрессором высокого давления 30 газогенератора 2 и далее - с камерой сгорания 31. Компрессор высокого давления 30 приводится во вращение турбиной высокого давления 32, которая на выходе соединена с биротативной турбиной 4. Таким образом, газогенератор 2, включающий в себя компрессор высокого давления 30, камеру сгорания 31 и турбину высокого давления 32, соединен с двигателем только газовоздушным трактом, т.е. газодинамически и, как наиболее теплонапряженный элемент двигателя, может быть заменен при ремонте без съема двигателя 1 с крыла.

Поток газа 25 из турбины низкого давления 23 проходит поворотный участок 33 и через патрубок 34 поступает в канал 8 наружного контура, где перемешивается с потоком воздуха 7 и далее истекает через регулируемое сопло 13.

Для исключения попадания потока газа 25 на вход в двигатель 1 на режимах реверсирования и исключения перегрева отклоняющей решетки 14 в створках первого ряда 17 преимущественно по потоку газа 25 от патрубков 34 выполнены отверстия 35, соединяющие на режимах реверсирования канал наружного контура 8 с соплом 13. Отверстия 35 могут быть выполнены также в виде зазоров и щелей (не показано) между створками 17 в положении 36 реверсирования тяги.

Коробка приводов 37 вместе с агрегатами (не показано) установлена на газогенераторе 2 и приводится во вращение от ротора компрессора высокого давления 30.

Работает данное устройство следующим образом.

При работе турбореактивного двигателя 1 поток воздуха 7 поступает в биротативный вентилятор 3, где сжимается. На выходе из вентилятора поток воздуха 7 смешивается с потоком поступающего из патрубков 34 газа 25, далее полученная газовоздушная смесь истекает через сопло 13.

Низкая напорность биротативного вентилятора 3 приводит к тому, что на взлетном режиме скорость истекающего из сопла 13 потока становится дозвуковой, что способствует снижению шума истекающей из сопла 13 струи, и на этом режиме сопло 13 максимально открыто по площади. Створки 17 и 18 занимают положение, соответствующее минимальному наружному диаметру d_в обтекателя 19 газогенератора 2 на срезе сопла 13. Гидравлические потери истекающего из сопла 13 потока при этом минимальны.

После взлета самолета к напорности биротативного вентилятора добавляется скоростной (динамический) напор набегающего потока воздуха 7, что приводит к увеличению скорости течения потока в критическом сечении сопла 13. На крейсерском режиме полета регулируемое сопло максимально прикрыто (для поддержания оптимальных КПД вентилятора). Створки 17 и 18 занимают положение, соответствующее максимальному наружному диаметру d_к обтекателя 19 газогенератора 2 на срезе сопла 13.

На режиме реверсирования тяги кожух 16 сдвигается назад по потоку 7, открывая отклоняющие решетки 14 реверсивного устройства 15. Одновременно створки 17 первого ряда гидроцилиндрами 20 устанавливаются в положение 36, перекрывая таким образом канал 8 наружного контура, что приводит к истечению потока воздуха 7 через решетки 14 и получению обратной тяги. Поток газа 25 из патрубков 34, а также частично поток воздуха 7 для исключения перегрева решеток и исключения попадания газа на вход в двигатель 1 через отверстия 35 в створках 17 поступает в сопло 13, где скорость потока газа 25 существенно снижается, что способствует резкому уменьшению прямой тяги от этого потока.

Низкие окружные скорости лопаток 5 и 6 вентилятора 3, а также низкие скорости истекающей из сопла 13 струи способствуют существенному снижению уровня шума двигателя 1.

Снижению уровня шума также способствует многослойное капотирование стенкой 28 и створками 17, 18 газогенератора 2, а также наличие поворотных участков 29 и 33 газовоздушного тракта 21. Одновременно существенно снижается уровень инфракрасного излучения турбин 32, 4 и 23, а также камеры сгорания 31.

При работе турбореактивного двигателя 1 в полете внешняя поверхность 12 мотогондолы 9 обтекается высокоскоростным околозвуковым воздушным потоком, что могло бы привести к существенному нарастанию на ней пограничного слоя, образованию местных сверхзвуковых скачков уплотнения и существенному возрастанию гидравлического сопротивления мотогондолы. Однако этого не происходит, так как уменьшение наружного диаметра D_в биротативного вентилятора 3 и увеличение диаметра D_c сопла 13 на выходе из канала 8 наружного контура позволяет выполнить внешнюю поверхность 12 мотогондолы 9 с минимальной кривизной в осевом направлении с соответствующим снижением ее гидравлического сопротивления, что способствует повышению экономичности двигателя 1. Одновременно снижается вес двигателя 1 из-за уменьшения диаметра биротативного вентилятора 3 со снижением веса лопаток 5, 6 и дисков вентилятора 3, а также снижается вес мотогондолы 9.

Соединение биротативной турбины 4 патрубками 34 с каналом 8 наружного контура позволяет организовать смешение потоков воздуха 7 и газа 25 при минимальной длине и весе мотогондолы 9, что также способствует повышению экономичности, снижению веса двигателя 1 и устранению вредного влияния гондолы силовой установки на аэродинамические свойства крыла.

Привод агрегатов от ротора компрессора ВД 30 обеспечивает легкий доступ к приводным и неприводным агрегатам, расположенным в хвостовой части двигателя, при их техобслуживании и замене.

Турбореактивный двухконтурный двигатель содержит биротативный вентилятор, расположенный в канале наружного контура и ограниченный с внешней стороны мотогондолой, а также газогенератор и реверсивное устройство с отклоняющими решетками. На выходе из канала наружного контура установлено сопло с подвижным в осевом направлении кожухом. Обтекатель газогенератора двигателя выполнен с шарнирной створкой, соединенной с исполнительным механизмом. Отношение наружного диаметра сопла на выходе из канала наружного контура к наружному диаметру биротативного вентилятора по входной кромке первой по потоку воздуха лопатки равно 1÷1,5. Отношение минимального диаметра обтекателя газогенератора на срезе сопла к максимальному наружному диаметру обтекателя газогенератора на срезе сопла равно 1,05÷1,3. Отношение проходной площади отклоняющих решеток реверсивного устройства к проходной площади отверстий в створках и между створок обтекателя газогенератора в режиме реверсивной тяги двигателя равно 3÷10. Изобретение повышает экономичность, надежность и снижает вес турбореактивного двухконтурного двигателя путем увеличения взлетной тяги и снижения гидравлических потерь за счет уменьшения наружного диаметра биротативного вентилятора, регулирования проходной площади сопла и уменьшения кривизны внешней поверхности мотогондолы. 3 ил.

Турбореактивный двухконтурный двигатель с биротативным вентилятором, расположенным в канале наружного контура и ограниченный с внешней стороны мотогондолой, а также газогенератором, отличающийся тем, что дополнительно снабжен реверсивным устройством с отклоняющими решетками, на выходе из канала наружного контура установлено сопло с подвижным в осевом направлении кожухом, а обтекатель газогенератора двигателя выполнен с шарнирной створкой, соединенной с исполнительным механизмом, при этом

D_с/D_в=1÷1,5; d_к/d_в=1,05÷1,3 и F_p/F_отв=3÷10, где

D_c - наружный диаметр сопла на выходе из канала наружного контура;

D_в - наружный диаметр биротативного вентилятора по входной кромке первой по потоку воздуха лопатки;

d_в - минимальный диаметр обтекателя газогенератора на срезе сопла;

d_к - максимальный наружный диаметр обтекателя газогенератора на срезе сопла;

F_p - проходная площадь отклоняющих решеток реверсивного устройства;

f_отв - проходная площадь отверстий в створках и между створок обтекателя газогенератора в режиме реверсивной тяги двигателя.