ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2009 года по МПК F01D5/14 F02K3/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к авиации, к повышению эффективности турбореактивных двигателей - ТРД, снижения шума. Цель изобретения достигается построением корпуса ТРД по форме усеченного параболоида вращения, построением лопаток турбины и компрессора по форме двух парабол.

Известна лопасть воздушного винта /1/, передняя и задняя кромки образуются по форме двух парабол, и профиль нижней и верхней лопасти образуется пересечением двух парабол, пересекаются под острым углом на передней кромке. Недостатком данной лопасти является малая рабочая площадь, что снижает подъемную силу.

Известны ТРД /2, 3/, имеющие входное сопло, компрессор, камеру сгорания, турбину, форсажную камеру, реактивное сопло. Недостатком данной лопасти является малая рабочая площадь, что снижает подъемную силу.

Известны ТРД /2, 3/, имеющие входное сопло, компрессор, камеру сгорания, турбину, форсажную камеру, реактивное сопло. Недостатком конструкций является малая эффективность, большие шумы.

Известен гаситель шума выходных газов двигателя внутреннего сгорания /4/, содержащий корпус с впускным и выпускными патрубками в виде сопряженных между собой тел вращения в форме эллиптических параболоидов вращения. Недостатком данной конструкции является эллиптический параболоид вращения, не обеспечивающий равномерного прохождения ламинарного потока газа, где скорость возрастает в узком пространстве по сравнению с широким пространством эллипса, что приводит к искажению и неполному шумопоглощению В/Ч составляющих звука.

Известны лопатки, профиль которых выполнен в виде квадратичной параболы, касающейся окружности /6/, где используется метод автора /5, стр.116-117/, который разработал метод профилирования межлопаточного пространства, где для спинки профиля используется парабола второго порядка и где используется метод профилирования параболистической спинки реактивной решетки, и парабола является огибающей проведенных прямых; затем можно строить кривую вогнутой поверхности профиля, которая может быть также параболой или окружностью, сопряженной с прямой, и используя получающийся межлопаточный канал плавно сужающимся. Автор /5, стр.171/ отмечает: без необходимости дополнительных экспериментальных исследований можно строить компрессорные решетки и рассчитывать их характеристики, используя богатый экспериментальный материал, накопленный при исследовании одиночных крыльев и винтов самолетов. Недостатком конструкций /5, 6/ является метод профилирования построения параболы второго порядка, который разработан и показан только для спинки решетки /лопатки/, для вогнутой поверхности допускается окружность, а для решетки вообще - профиль крыла или винта самолета; нет четкой математической формулировки построения параболы, что ведет к неопределенности и многочисленным испытаниям без набора статистики. В конструкции лопатки сечения, как правило, повернуты относительно друг друга /7/, угол закрутки в отдельных случаях достигает 30° и более. Известно /7/, что для построения перезадают расчетные координаты профиля для нескольких сечений при плавном переходе от одного сечения к другому, используя хорошо зарекомендованные исходные профили. Приведены лопатки с бандажными полками и без них. Недостатком конструкции лопаток является метод профилирования профиля лопатки, который не обеспечивает математически точный расчет; закрутка лопатки, хотя и повышает ее эффективность, но усложняет конструкцию. Лопатки с бандажными полками центробежный поток направляют в противоположную сторону, создавая шумы, снижая КПД. Лопатки без бандажных полок также снижают КПД, не направляя центробежный поток в рабочую сторону.

Глушитель шума выхлопных газов ДВС /SU 1745992 A1, 1992 г./, выполненный в форме тела вращения эллиптических параболоидов, в фокусном центре одного из тел вращения расположен выпускной клапан. Недостатком является то, что подавление высокочастотных шумов производится в ограниченном диапазоне частоты выхлопных газов, связанной с постоянством ограниченного пространства глушителя. Частота выхлопа меняется, а время пролета газа остается постоянным, происходит не вычитание, а сложение шума, появляется явление взрывного выхлопа. Кроме того, эллиптический параболоид не обеспечивает полную фокусировку по сравнению с параболоидом вращения.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для повышения эффективности лопаток компрессора /турбины/ выходная и входная кромки пера образуются двумя параболами: У₁=К₁Х^1/2, У₂=2R_o+K₂X^1/2 соответственно /ФИГ.1а/, касающимися окружности радиусом R≥2R_o, центр которой находится на расстоянии l≥2/3L, где L - проекция длины пера на координату Х. Изначально задают следующие величины:

- угол атаки и угол начального наклона пера α=/7°÷15°/;

- угол атаки - поворот входной кромки относительно потока, не показан;

- величины проекций длины пера L, где L=/0,05÷0,15/ м, и величины проекции положения центра окружности радиусом R - l≥2/3L;

- параметры начального радиуса - R_o=/1/5÷1/10/L и радиуса окружности - R=/2÷3/R_o. Коэффициенты К₁ и К₂ рассчитываются по формулам:

К₁=У_1A/Х^1/2 _1А; К₂=(У_2В-2R_o)Х^1/2 _2В; где точки А и В - точки касания параболами У₁ и У₂ окружности радиусом R. Точка А является пересечением угла наклона α=/7°÷15°/ с перпендикуляром, восстановленным из точки l≥2/3L; точка В - конец диаметра, отложенного от точки А окружности радиусом R на восстановленном перпендикуляре. Профиль корыта пера и его спинки образуются пересечением парабол: У₃=К₃Х^1/2 и У₄=2R^• _o+К₄Х^1/2 /ФИГ.1d/, где коэффициенты К₃ и К₄ выбираются из следующих величин: К₃=/1÷3/, К₄=/0,4÷0,8/К₃, уточненных опытными испытаниями. Входная кромка пера закруглена радиусом R^•≥R^• _o на расстоянии R^• от места пересечения парабол для улучшения обтекаемости. Конец пера лопатки загнут радиально радиусом R≥R_o на угол β=/45°÷60°/ /ФИГ.1с/ для направления центробежного потока в рабочую сторону, увеличивая производительность компрессора, при этом верхняя часть пера скруглена указанным радиусом. Величина начальная R^• _o пера выбирается наибольшей у полки лопатки и линейно уменьшается с увеличением ее длины /ФИГ.1с/. Концы пера лопаток проект компрессора, турбины механически могут быть замкнуты кольцом для уменьшения свободных колебаний, возникающих при ударных нагрузках потока воздуха или газа на перо, которое является стержнем, издающим звуковые колебания. Лопатки изготавливаются из жаропрочного материала ЖС-32 по технологии метода направленной кристаллизации /10, стр.31/.

Профиль межлопаточного канала /ФИГ.2/; для построения параболы на двух нормальных прямых Р и N, отстоящих друг от друга на величину S, находят две точки А и В, которые выбираются предпочтительно опытным путем /5/. Далее проведем графическую постановку декартовых координат: линия Р будет соответствовать координате Х, а начало координат - У должно проходить через центр закругления выходной кромки радиусом R_o /ФИГ.2/. Кривые для спинки профиля и для корыта определяются двумя параболами: У₁=К₁Х² и У₂=2R_o+К₂Х², где коэффициенты К₁ и К₂ рассчитываются по формулам: К₁=У₁/Х² ₁; К₂=(У₂-2R_o)X² ₂, где У₁=У₂, Х₁, Х₂=Х₁-2R^• _o - координаты точек пересечения диаметра скругления, окружности входной кромки с линией N /ФИГ.2/. Для снижения свободных колебаний от ударных нагрузок газа и воздуха проект концы профиля межлопаточного канала механически замыкаются кольцом, предпочтительно в начале входной кромки и на выходной кромке (не показано). Профиль соседней решетки имеет декартовые координаты Х_о, У_о /ФИГ.3/.

Для повышения эффективности ТРД используется усеченный по фокус параболоид вращения У=Z²+X², образованный вращением параболы У=Х² около оси / ось ОУ/ /ФИГ.3/ /8/. Используя для параболоида вращения каноническое уравнение для параболы вверх: Х²=2РУ, где Р - фокус параболы, вычислим радиус Х_о усеченного параболоида вращения при фокусе Р=У_о, получим: . Для формирования корпуса ТРД используем усеченный по фокус Р параболоид вращения, повернутый по горизонтали, образованный от вращения канонической параболы: У²=2РХ, /9, стр.211/, где радиус усеченного по фокус Р параболы будет равен: , общая площадь параболоида вращения равна: Х=У²+Z².

Оперируя вращением усеченной параболы около оси /ось ОХ/, получим усеченный параболоид вращения. Используя этот метод, получим следующие уравнения парабол: - для корпуса компрессора: У² ₁=2Р₁Х^о ₁; - для камеры сгорания: У² ₁=-2Р₂Х^о ₂ (величина отрицательная, так как парабола повернута на 180° относительно оси Х); - для форсажной камеры: У² ₂=2Р₃Х₃; - для реактивного сопла: У² ₂=-2Р₄Х^о ₄ (минус аналогично форсажной камере); где Х^о _i=/X_i-P_i/, при этом начало декартовых координат соответствует каждой камере свое /ФИГ.4/. При этом КПД ТРД повышается до 15%. На чертеже ФИГ.1а изображена проекция пера - 1 с хвостовиком - 5, 2 - загиб конца пера на угол β=/45°÷60°/, У₁ и У₂ - спинка и корыто пера соответственно, показано направление вращения пера компрессора, вращение пера турбины противоположное /не показано/. На чертеже ФИГ.1b, ФИГ.1с и ФИГ.1d изображены общий вид лопатки, ее профиль и проекция профиля, где 1 - лопатка, 2 - радиальный загиб пера на угол β=/45°÷60°/, 3 - перо, 4 - полка хвостовика, 5 - хвостовик. На чертеже ФИГ.2 изображен профиль межлопаточного канала, где У₁ и

У₂ - параболы спинки и корыта соответственно, R^• _o и R_o - скругление входной и выходной кромок соответственно. На чертеже ФИГ.3 изображен параболоид вращения - У=X². Усеченная часть параболоида вращения находится выше фокусного расстояния - Р. На чертеже ФИГ.4 изображен общий вид ТРД, где 1 - входное сопло, 2 - компрессор, 3 - камера сгорания, 4 - турбина, 5 - форсажная камера, 6 - реактивное сопло, 7, 9 - кольца системы уменьшения шумов входного и реактивного сопла в трех точках соединены с кольцом и вынесены из зоны потока газовой и воздушной струи; 8, 10 - штанги, соединенные через демпфирующее устройство - 11 с корпусом для взаимного гашения свободных колебаний.

Цель изобретения - повышение тяги - достигается применением параболообразных лопаток с повышенной рабочей площадью при конструировании турбины и компрессора, использованием параболоида вращения, усеченного по фокус при конструировании корпусов компрессора, камеры сгорания, форсажной камеры и реактивного сопла, чего нет у прототипов /2 и 3/ до 15%. Достигается снижение шумов более 20% за счет механического замыкания проект кольцом решеток межлопаточного канала, проект концов лопаток компрессора и турбины; за счет замыкания входного и реактивного сопла через штангу и демпфирующее устройство на корпус ТРД, гасящие свободные колебания, возникающие в колоколообразных этих устройствах при ударных воздействиях воздуха и газа.

Входное и выходное реактивное сопло образуют независимые устройства - «колокол» /рупор/, имеющий собственную частоту колебаний, с максимальной амплитудой в конце. Соединение сопла, предпочтительнее снаружи, треугольником через штангу с демпфером /приглушенной пружиной/ значительно снижает звук /рев реактивного двигателя/.

РАБОТА ТРД.

Воздух, попадая через входное сопло, нагнетается параболообразными лопатками компрессора в теле усеченного параболоида вращения в камеру сгорания, где смешивается с топливом, которое, сгорая, создает повышенное газовое давление, которое, в свою очередь, вращает лопатки турбины. Далее газовый поток попадает в форсажную камеру, где дополнительно получает повышенное давление за счет сгорания дополнительного топлива, и этот газовый поток вылетает через ракетное сопло, выполненное, в свою очередь, в виде усеченного параболоида вращения, создавая поток, параллельный оси реактивного сопла. При этом КПД ТРД возрастает примерно на 15% по сравнению с /2, 3/. Шумы снижаются более 20% за счет механически замкнутых кольцом лопаток компрессора и турбины, а также за счет замкнутости конца входного и реактивного сопла не менее чем в трех точках с кольцом, которое через штангу и демпфирующее устройство замкнуто на корпус ТРД, взаимно гася свободные колебания. Проведенные сравнительные испытания на изготовленном макете лопатки параболообразной формы и /2/ показали повышение КПД примерно на 10%.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент №2228882, от 20.05.2004 г.

2. БОЛЬШАЯ СОВЕТСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ, т.25, М.: СОВ. ЭНЦ., 1977 г.

3. Патент №2109974, от 10.09.1998 г.

4. ПАТЕНТ №1745992 от 11.09.92 Г.

5. СТЕПАНОВ Г.Ю. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЛОПАТОЧНЫХ МАШИН. КОМБИНИРОВАННЫЕ И ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. М.: МАШГИЗ, 1958 г.

6. УВАРОВ В.В. И ДР. ЛОКОМОТИВНЫЕ ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ. М.: МАШГИЗ, 1962 г.

7. ВЬЮНОВ С.А. И ДР. КОНСТРУКЦИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВИАЦИОННЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. М.: МАШИНОСТРОЕНИЕ, 1989 г.

8. М.Я.ВЫГОДСКИЙ. СПРАВОЧНИК ПО ВЫС. МАТЕМАТИКЕ. М.: ГОС. ИЗД. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТ. 1962 г.

9. СПРАВОЧНИК ПО МАТЕМАТИКЕ. БРОНШТЕЙН И.Н. И ДР. М.: ГОС. ИЗД. ТЕХНИКО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЛИТ. 1957 г.

10. ТЕХНИКА МОЛОДЕЖИ, №889, ОКТЯБРЬ, 2007 г. /СТР.31/.

Турбореактивный двигатель имеет входное сопло, компрессор, камеру сгорания, турбину, форсажную камеру, реактивное сопло. Выходная и входная кромки пера лопатки образованы двумя параболами: У₁=K₁X^1/2, У₂=2R_о+К₂Х^1/2, касающимися окружности радиусом R≥2R_o, центр которой находится на расстоянии 1≥(2/3)L, где L - проекция длины пера на координату X. Угол атаки и наклона α=(7°-15°). Радиус R_o равен (1/5-1/10)L. Радиус окружности R равен (2-3)R_o. Величины проекций длины пера L равно (0,05-0,15) м, центра окружности радиусом R равно 1≥(2/3)L. Коэффициенты K₁ и K₂ рассчитываются по формулам: K₁=У_1A/Х^1/2;

K₂=(У_2В-2R_o)/X^l/2 _2В, где точки А и В - точки касания параболами У₁ и У₂ окружности радиусом R. Точка А является пересечением угла наклона α=(7°-15°) с перпендикуляром, восстановленным из точки 1≥(2/3)L, точка В - конец диаметра, отложенного от точки А окружности радиусом R на восстановленном перпендикуляре. Профиль корыта пера и его спинки образуются пересечением парабол:

У₃=К₃Х^1/2, У₄=2R^• _o+K₄X^l/2, где коэффициенты К₃ и

К₄ выбираются из следующих величин: К₃=(1-3), К₄=(0,4-0,8)К₃. Выходная кромка пера закруглена радиусом R^•≥R^• _o. Конец пера загнут радиально радиусом R≥R_o на угол β=(45°-60°). Изобретение направлено на повышение эффективности. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Турбореактивный двигатель - ТРД, имеющий входное сопло, компрессор, камеру сгорания, турбину, форсажную камеру, реактивное сопло, лопатки компрессора, турбины, профиль межлопаточного канала, отличающийся тем, что выходная и входная кромки пера лопатки образуются двумя параболами: У₁=K₁X^1/2,
У₂=2К_о+К₂Х^1/2, касающимися окружности радиусом R≥2R_o, центр которой находится на расстоянии 1≥(2/3)L, где L - проекция длины пера на координату X; изначально задают следующие величины: угол атаки и угол наклона α=(7°-15°), параметры начального радиуса R_o=(1/5-1/10)L, радиус окружности R=(2-3)R_o, величины проекций длины пера L=(0,05-0,15) м, и центра окружности радиусом R
1≥(2/3)L; коэффициенты K₁ и K₂ рассчитываются по формулам: К₁=У_1А/Х^1/2 _1А; K₂=(У_2В-2R_o)/X^l/2 _2В, где точки А и В - точки касания параболами У₁ и У₂ окружности радиусом R, точка А находится пересечением угла наклона α=(7°-15°) с перпендикуляром, восстановленным из точки 1≥(2/3)L; точка В - конец диаметра, отложенного от точки А окружности радиусом R на восстановленном перпендикуляре; профиль корыта пера и его спинки образуются пересечением двух парабол: У₃=К₃Х^1/2, У₄=2R^• _o+K₄X^l/2, где коэффициенты К₃ и К₄ выбираются из следующих величин: К₃=(1-3), К₄=(0,4-0,8)К₃; выходная кромка пера закруглена радиусом R^•≥R^• _o, конец пера загнут радиально радиусом R≥R_o на угол β=(45°-60°).

2. ТРД по п.1, отличающийся тем, что при построении корпуса ТРД используется форма усеченного параболоида вращения, полученного при вращении около оси /ОХ/ следующих усеченных парабол: для корпуса компрессора У² ₁=2P₁X^o ₁, для камеры сгорания У² ₂=-2Р₂Х^о ₂, для форсажной камеры: У² ₂=2P₃X^o ₃, для реактивного сопла: У² ₂=-2Р₄Х^о ₄; где X^o _i=(X_i-P_i) для своих декартовых координат, соответственно; входное сопло и выходное реактивное сопло в трех и более точках соединены механически с кольцом, которое через штангу и демфирующее устройство соединено с корпусом ТРД.

3. ТРД по п.1, отличающийся тем, что профиль межлопаточного канала определяется двумя параболами для спинки профиля и для корыта соответственно: У₁=K₁X², У₂=2R_о+К₂Х², коэффициенты K₁ и К₂ рассчитывают по формулам: K₁=У₁/X², K₂=(У₂-2R_o)/X² ₂, где R_o - радиус округления выходной кромки пересечением окружности скругления входной кромки R_o с линией N; задают линии Р и N с расстоянием S между ними.