ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ СВЕРХВЫСОКОЙ СТЕПЕНИ ДВУХКОНТУРНОСТИ Российский патент 2008 года по МПК F02K1/54 

Изобретение относится к турбореактивным двигателям сверхвысокой степени двухконтурности авиационного применения.

Известен турбореактивный двигатель с реверсивным устройством и регулируемым соплом наружного контура, в котором изменение проходной площади сопла происходит за счет осевого перемещения подвижной кольцевой обечайки внешней мотогондолы [Международная заявка №9612881, F02K 1/09, 1995 г.].

Недостатком такой конструкции является повышенный вес и увеличенный удельный расход топлива двигателя из-за повышенного гидравлического сопротивления внешней поверхности мотогондолы при увеличенной проходной площади сопла.

Наиболее близким к заявляемому является турбореактивный двигатель с решетчатым реверсивным устройством наружного контура [Патент РФ №2237184, F02K 1/68, 2004 г.].

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является низкая надежность турбореактивного двигателя сверхвысокой степени двухконтурности из-за повышенной температуры газа на взлетном режиме.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности турбореактивного двигателя за счет снижения температуры газа перед турбиной на взлетном режиме работы двигателя.

Сущность технического решения заключается в том, что в турбореактивном двигателе, включающем реверсивное устройство наружного контура, содержащее отклоняющую решетку, неподвижные и подвижные корпуса с уплотнительным элементом между ними, поворотные створки, шарнирно соединенные двухзвенным рычажным механизмом с неподвижным корпусом и с контактными площадками, а также обтекатель газогенератора, согласно изобретению наружный и внутренний подвижные корпуса соединены между собой и образуют выходную кромку регулируемого по площади сопла, обтекатель газогенератора на срезе сопла выполнен конусным с углом α образующей, равным 15-30°, ниже по потоку от уплотнительного элемента на внешней поверхности внутреннего подвижного корпуса установлено дополнительное уплотнительное устройство, а на переднем торце внутреннего подвижного корпуса выполнена заходная фаска, при этом между неподвижным и наружным подвижным корпусами выполнена открытая в сторону сопла щелевая полость, причем h/δ=0,6-2, где

h - радиальная высота заходной фаски;

δ - радиальный зазор между внутренним подвижным корпусом и отклоняющей решеткой реверсивного устройства.

Соединение наружного и внутреннего подвижных корпусов между собой с образованием выходной кромки регулируемого по площади сопла позволяет при перемещении выходной кромки сопла по течению потока воздуха увеличивать проходную площадь сопла из-за уменьшения диаметра внутренней конусной стенки канала наружного контура. При этом обтекатель газогенератора на срезе сопла выполнен конусным с углом образующей α, равным 15-30°.

Если угол α будет меньше 15°, то возрастут осевые габариты и вес реверсивного устройства. Если угол α будет превышать 30°, то существенно возрастут гидравлические потери воздуха, истекающего из сопла.

При работе двигателя на режиме реверсирования тяги подвижные и неподвижные корпуса испытывают значительные газодинамические нагрузки, которые приводят к упругим деформациям этих корпусов. Для исключения поломки дополнительного уплотнительного устройства при переходе двигателя от режима обратной тяги к режиму прямой тяги, т.е. для безударного контакта дополнительного уплотнительного устройства при осевом перемещении вперед внутреннего подвижного корпуса в условиях упругой деформации корпусов, на переднем торце внутреннего подвижного корпуса выполнена заходная фаска.

Герметичность канала и снижение паразитных утечек воздуха при таком перемещении обеспечивается благодаря дополнительному уплотнительному устройству, установленному ниже по потоку от уплотнительного элемента и контактирующему с внешней поверхностью внутреннего подвижного корпуса. Возможные несущественные паразитные утечки воздуха через дополнительное уплотнительное устройство осуществляются во внешнюю среду через открытую в сторону сопла щелевую полость между неподвижным и наружным подвижным корпусами, создавая дополнительную тягу газотурбинного двигателя.

Существенным признаком является отношение радиальной высоты заходной фаски h к радиальному зазору δ между внутренним подвижным корпусом и отклоняющей решеткой реверсивного устройства.

При h/δ<0,6 возможна поломка дополнительного уплотнительного устройства при осевом перемещении вперед внутреннего подвижного корпуса. При h/δ>2 существенно возрастают осевые габариты и вес реверсивного устройства.

На взлетных режимах работы двигателя при малых скоростях сопло максимально раскрывается до получения максимальной площади между выходной кромкой и поверхностью обтекателя газогенератора, что ведет к существенному снижению температуры газа перед турбиной высокого давления.

На фиг.1 показан продольный разрез турбореактивного двигателя заявляемой конструкции.

На фиг.2 представлен элемент I на фиг.1 в увеличенном виде. Реверсивное устройство с регулируемым соплом показано при минимальной выходной площади сопла.

На фиг.3 показан элемент II на фиг.2 в увеличенном виде, на фиг.4 - реверсивное устройство с регулируемым соплом при максимальной выходной площади сопла.

Фиг.5 представляет реверсивное устройство в открытом положении, т.е. на режиме обратной тяги двигателя, на фиг.6 - вид А на фиг.3.

Турбореактивный двигатель сверхвысокой степени двухконтурности 1 состоит из биротативного (двухрядного) вентилятора 2, компрессора низкого давления 3 и газогенератора 4, состоящего из компрессора высокого давления 5, камеры сгорания 6 и турбины высокого давления 7.

Вентилятор 2 приводится во вращение биротативной турбиной 8, а компрессор низкого давления 3 - турбиной низкого давления 9.

Двигатель 1 выполнен с противоточной схемой газовоздушного тракта 10, что позволяет выполнить валы 11 и 12 биротативного вентилятора, а также вал 13 компрессора низкого давления 3 укороченными и увеличенного диаметра.

Лопатки 14 и 15 биротативного вентилятора 2 расположены в канале 16 наружного контура, на выходе из которого установлено решетчатое реверсивное устройство 17 с регулируемым по площади соплом 18 канала 16 наружного контура.

Реверсивное устройство 17 с соплом 18 состоит из неподвижного корпуса 19 с установленными на нем передним уплотнительным эластичным элементом 20, задним дополнительным уплотнительным устройством 21 и отклоняющей решеткой 22, а также из наружного 23 и внутреннего 24 подвижных корпусов, соединенных между собой на выходе из канала наружного контура с образованием выходной кромки 25 и обтекателя 26 газогенератора 5, который на выходе выполнен конусным с углом α образующей конуса 27.

Со стороны канала 16 на передней части внутреннего подвижного корпуса 24 шарнирными соединениями 28 установлены створки 29 реверсивного устройства 17, соединенные двухзвенным рычажным механизмом 30 с неподвижным корпусом 19. Двухзвенный механизм 30 состоит из переднего 31 и заднего 32 рычагов по потоку воздуха 33 в канале наружного контура 16. Передний рычаг 31 соединен с корпусом 19 шарнирным соединением 34, задний рычаг 32 соединен с передним рычагом шарнирным соединением 35 и со створкой 29 - шарнирным соединением 36. Створка 29 и задний рычаг 32 выполнены с контактными площадками 37 и 38 соответственно, по которым они контактируют при раскрытии реверсивного устройства 17.

Внутренний подвижный корпус 24 выполнен с передним торцом 39, который служит для контакта с уплотнительным эластичным элементом 20 при минимальной площади регулируемого сопла 18 и с последующей за торцом 39 внешней цилиндрической поверхностью 40, контактирующей с задним дополнительным уплотнительным устройством 21 на всех режимах работы регулируемого сопла 18, т.е. от минимальной площади F₁ сопла до максимальной - F₂. Между торцом 39 и цилиндрической поверхностью 40 корпуса 24 выполнена обращенная во внешнюю сторону заходная фаска 41 высотой h.

Дополнительное уплотнительное устройство 21 состоит из отдельных сегментов 42, контактирующих поверхностью 43 с цилиндрической поверхностью 40 корпуса 24 и прижатых к ней в радиальном направлении упругим элементом 44, например пружиной. Сегменты 42 выполняются из материала с низким коэффициентом трения, например из фторопласта, армированного волокнами углерода.

Неподвижный корпус 19 по наружной поверхности 45 выполнен с внешним козырьком 46, направленным по потоку воздуха 33, а наружный подвижный корпус 23 выполнен с внутренним козырьком 47, направленным против потока воздуха 33.

Козырьки 46 и 47 образуют между собой полость 48, соединенную на выходе с внешней средой 49 щелевой полостью 50, направленной преимущественно по потоку воздуха 33.

На режимах прямой тяги, при минимальной площади F₁ сопла 18 (сопло 18 закрыто) двухзвенный механизм 30 находится в сложенном положении 51, расположен в полости 52 створки 29 и не выступает за пределы внешней поверхности 53 канала наружного контура 16.

При максимальной площади сопла 18 (площадь F₂) двухзвенный механизм 30 частично раскладывается в канале 16 в положении 54.

При открытом реверсивном устройстве 17, т.е. на режиме обратной тяги, двухзвенный механизм 30 раскладывается в положение 56, перекрывая таким образом канал 16 наружного контура двигателя 1 створками 29.

Работает данное устройство следующим образом.

При работе двигателя 1 сверхвысокой степени двухконтурности в полете (например, на крейсерском режиме полета) к напорности вентилятора добавляется динамический напор набегающего на вход в двигатель потока воздуха, что приводит к повышению давления выходящего из биротативного вентилятора 2 воздуха и к повышению скорости истечения потока воздуха 33 из сопла 18. Поэтому на этих режимах площадь F₁ на выходе из сопла 18 минимальна, а канал наружного контура 16 уплотняется от паразитных утечек воздуха эластичным элементом 20 и задним дополнительным уплотнительным устройством 21. Рычажный двухзвенный механизм 30 расположен в полости 52 створок 29, что минимизирует гидравлические потери потока воздуха 33 в канале наружного контура 16.

При малых скоростях полета, например при взлете, давление воздуха 33 на выходе из вентилятора 2 из-за низкого динамического напора набегающего потока воздуха минимально, и поэтому сопло 18 двигателя 1 максимально раскрывается путем осевого перемещения подвижных корпусов 23 и 24 с кромкой 25 вниз по потоку 33 до получения максимальной площади F₂ между кромкой 25 и поверхностью 27 обтекателя газогенератора 26. При этом существенно возрастает КПД вентилятора 2, что приводит к существенному снижению температуры газа перед турбиной высокого давления 7 с соответствующим повышением надежности двигателя 1.

При перемещении корпусов 23 и 24 вниз по потоку двухзвенный механизм 30 частично раскладывается в положении 54 в канале наружного контура 16, а створки 29 под действием динамического напора потока воздуха 33 канале 16 находятся в исходном положении, т.е. заподлицо с внешней поверхностью 53 канала 16, что минимизирует гидравлические потери воздуха 33 в канале 16.

От паразитных утечек воздуха 33 канал 16 уплотняется с помощью дополнительного уплотнительного устройства 21, работающего по поверхности 40 внутреннего подвижного корпуса 24.

Возможные паразитные утечки воздуха 33 из полости 48 через щелевую полость 50 истекают во внешнюю среду 49 преимущественно в сторону сопла, создавая таким образом дополнительную тягу двигателя 1.

Для получения обратной тяги при включении реверсивного устройства 17 двигателя 1 подвижные корпусы 23 и 24 двигаются далее вниз по потоку 33, а дополнительное уплотнительное устройство 21 прекращает контактировать с поверхностью 40 корпуса 24. Задний рычаг 32 и створка 29 при этом контактируют по площадкам 38 и 37, под действием момента сил створки 29 поворачиваются вокруг шарнирных соединений 28, перекрывая таким образом канал 16 наружного контура. Одновременно открывается отклоняющая решетка 22, створки 29 занимают положение 56, а двухзвенный рычажный механизм 30 - положение 55. Поток воздуха 33, отклоняемый створками 29, истекает через решетку 22, создавая таким образом обратную тягу.

При переходе двигателя 1 с обратной тяги на прямую подвижные корпуса 23 и 24 перемещаются в осевом направлении вверх против потока воздуха 33, и корпус 24 с помощью заходной фаски 41 безударно входит в контакт по поверхности 40 с уплотнительным устройством 21.

Турбореактивный двигатель сверхвысокой степени двухконтурности содержит реверсивное устройство наружного контура, включающее отклоняющую решетку, неподвижные и подвижные корпусы с уплотнительным элементом между ними, поворотные створки, шарнирно соединенные двухзвенным рычажным механизмом с неподвижным корпусом и с контактными площадками, а также обтекатель газогенератора. Наружный и внутренний подвижные корпусы соединены между собой и образуют выходную кромку регулируемого по площади сопла. Обтекатель газогенератора на срезе сопла выполнен конусным с углом образующей, равным 15-30°. Ниже по потоку от уплотнительного элемента на внешней поверхности внутреннего подвижного корпуса установлено дополнительное уплотнительное устройство. На переднем торце внутреннего подвижного корпуса выполнена заходная фаска. Между неподвижным и наружным подвижным корпусами выполнена открытая в сторону сопла щелевая полость. Отношение радиальной высоты заходной фаски к радиальному зазору между внутренним подвижным корпусом и отклоняющей решеткой реверсивного устройства равно 0,6-2. Изобретение повышает надежность турбореактивного двигателя за счет снижения температуры газа перед турбиной на взлетном режиме работы двигателя. 6 ил.

Турбореактивный двигатель сверхвысокой степени двухконтурности, включающий реверсивное устройство наружного контура, содержащее отклоняющую решетку, неподвижные и подвижные корпусы с уплотнительным элементом между ними, поворотные створки, шарнирно соединенные двухзвенным рычажным механизмом с неподвижным корпусом и с контактными площадками, а также обтекатель газогенератора, отличающийся тем, что наружный и внутренний подвижные корпусы соединены между собой и образуют выходную кромку регулируемого по площади сопла, обтекатель газогенератора на срезе сопла выполнен конусным с углом образующей, равным 15-30°, ниже по потоку от уплотнительного элемента на внешней поверхности внутреннего подвижного корпуса установлено дополнительное уплотнительное устройство, а на переднем торце внутреннего подвижного корпуса выполнена заходная фаска, при этом между неподвижным и наружным подвижным корпусами выполнена открытая в сторону сопла щелевая полость, причем h/δ=0,6-2,

где h - радиальная высота заходной фаски;

δ - радиальный зазор между внутренним подвижным корпусом и отклоняющей решеткой реверсивного устройства.