ТРУБА ДЛЯ ВЫПУСКА ГАЗОВ ИЗ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ ДВУХКОНТУРНОЙ КОНСТРУКЦИИ С СЕЧЕНИЕМ ОТВЕРСТИЯ ДЛЯ ВЫПУСКА ГАЗОВ ИЛИ ГОРЛОВИНЫ, ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ ЗА СЧЕТ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ВТОРИЧНОГО ОБТЕКАТЕЛЯ, И ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2011 года по МПК F02K1/09 F02K3/06 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области применения труб для выпуска отработанных газов, которыми оборудуются турбореактивные двигатели двухконтурной конструкции с переменным сечением отверстия, а более конкретно изобретение касается трубы двигателя, имеющей такое сечение в месте истечения из нее газов или в месте расположения в ней горловины, которое способно изменяться в зависимости от соответствующего режима работы турбореактивного двигателя.

Предшествующий уровень техники

Труба двухконтурных турбореактивных двигателей состоит, как правило, из центрального кольцеобразного корпуса, симметрично расположенного вдоль продольной оси трубы, первичного кольцеобразного обтекателя, охватывающего коаксиальным образом указанный выше центральный корпус с тем, чтобы сформировать совместно с ним первичный кольцеобразный канал; и вторичного кольцеобразного обтекателя, охватывающего коаксиальным образом первичный обтекатель таким образом, чтобы сформировать совместно с ним вторичный кольцеобразный канал, располагаемый коаксиально по отношению к первичному каналу.

В предлагаемом изобретении автор понимает под термином «сечение горловины трубы» то поперечное сечение вторичного канала, которое является самым малым на всем протяжении рассматриваемой трубы, а под термином «сечение трубы в месте выпуска газов» то поперечное сечение вторичного канала, которое располагается ближе всего к выходу из трубы.

Хорошо известно, что если изменять сечение трубы в месте выпуска из нее газов или сечение горловины трубы турбореактивного двигателя, то появляется возможность управлять расходом воздуходувки последней, причем таким образом, что двигатель начинает работать в таких условиях, которые будут соответствовать ее оптимальной производительности, и это независимо от того режима, в котором работает турбореактивный двигатель. Трубы для истечения газов с изменяющимися геометрическими размерами выпускного сечения широко применяются в военной технике. В известных конструкциях устройств рассматриваемого назначения применяются обычно специальные лопатки, располагаемые в продолжении выходной части трубы, отклонение которых позволяет уменьшать или напротив увеличивать сечение отверстия для выпуска газов или сечение горловины трубы.

Тем не менее, подобное техническое решение достаточно трудно реализовать в случае труб турбореактивных двигателей не военного, а гражданского назначения. Указанное обстоятельство связано, прежде всего, с напряжениями, возникающими при установке гондолы в определенное положение по отношению к крыльям самолета, а также с необходимостью обеспечения соответствующего дорожного просвета, а также толщины и формы задних кромок гондолы. Кроме того, стоимость изготовления подобных труб с переменным сечением отверстия для выпуска отработанных газов все еще достаточно высока.

Учитывая эти обстоятельства, трубы, используемые в агрегатах гражданского назначения, имеют, как правило, геометрически постоянное в отношении размеров сечение в месте выпуска из них газов или в месте расположения в них горловины, причем величина указанного сечения специально подбирается оптимальной для выполнения именно полетов по маршруту, которые представляют собой основную часть работы гражданских самолетов. Этим объясняется в частности тот факт, что трубы для выпуска газов с постоянными геометрическими размерами сечения работают недостаточно устойчиво как на высоких рабочих режимах (соответствующих режимам взлета летательного аппарата и набора им высоты), так и на низких рабочих режимах (соответствующих режимам спуска, приближения летательного аппарата к месту посадки и торможения двигателей).

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение имеет основной целью, таким образом, устранить указанные недостатки за счет использования в турбореактивном двигателе двухконтурной конструкции таких труб для выпуска газов, у которых геометрические размеры сечения в месте выпуска из них газов или в месте расположения в них горловины могут изменяться в зависимости от конкретного режима работы турбореактивного двигателя.

В соответствии с предлагаемым изобретением достижение указанной цели обеспечивается за счет применения в указанных двигателях таких труб, в которых вторичный обтекатель состоит из неподвижной части и подвижной части, расположенной в продольном продолжении неподвижной части и способной перемещаться в продольном направлении вперед и назад относительно неподвижной части и относительно первичного обтекателя, причем перемещаться таким образом, чтобы в результате такого перемещения изменялись геометрические размеры сечения трубы в месте выпуска из нее газов и/или в месте расположения в ней горловины, причем неподвижная часть вторичного обтекателя имеет на своей поверхности множество одинаковых по форме и повторяющихся выступов, расположенных вдоль окружности и представляющих собой продолжение в продольном направлении ее задней кромки, а подвижная часть вторичного обтекателя содержит на своей наружной поверхности множество углублений, форма которых дополняет собой выступы неподвижной части.

Путем перемещения в продольном направлении вперед или назад относительно подвижной части первичного обтекателя можно приоткрывать или перекрывать в непрерывном режиме и на точно рассчитанную величину сечение трубы в месте выпуска из нее газов или в месте расположения в ней горловины, в зависимости от конкретных режимов работы турбомашины. Описанная система обладает большим числом преимуществ, в частности она отличается повышенной прочностью конструкции, точностью работы, совместимостью с существующими конструкциями труб аналогичного назначения, незначительным увеличением массы по сравнению с известными конструкциями, а также может быть легко установлена на турбореактивных двигателях двухконтурной конструкции, используемых в аппаратах гражданского назначения. В частности, следует отметить, что рассмотренная система может быть легко применена на трубах для выпуска газов, реверсирование тяги в которых достигается за счет перемещения вторичного обтекателя.

Наличие выступов, представляющих собой продолжение задней кромки неподвижной части вторичного обтекателя, позволяет, с одной стороны, уменьшить паразитный след, остающийся из-за «ступеньки», которая неизбежно появляется между неподвижной и подвижной частями вторичного обтекателя при перемещении подвижной части, а, с другой стороны, способствует снижению акустических излучений, причем указанное снижение происходит при любых положениях подвижной части вторичного обтекателя.

Согласно одному из преимуществ предлагаемого изобретения внутренний диаметр подвижной части вторичного обтекателя уменьшается в направлении расположения выходной части рассматриваемой трубы, а первичный обтекатель имеет на уровне той своей части, которая располагается напротив подвижной части вторичного обтекателя, выходной кольцеобразный участок, наружный диаметр которого уменьшается в сторону выходной части трубы, причем подвижная часть вторичного обтекателя обладает возможностью перемещаться в продольном направлении между двумя крайними положениями, а именно между крайним выходным положением, соответствующим номинальному значению сечения трубы в месте истечения из нее газов или в месте расположения в ней горловины, и крайним входным положением, соответствующим максимально уменьшенному сечению трубы в месте истечения из нее газов или в месте расположения в ней горловины.

Вторичный обтекатель трубы может содержать, по меньшей мере, один гидроцилиндр, предназначенный для перемещения в продольном направлении подвижной части указанного обтекателя.

Предлагаемое изобретение касается также турбореактивного двигателя, содержащего вышеописанную трубу.

Краткое описание чертежей

Другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут более понятны из приведенного ниже описания, сопровождаемого чертежами, которые иллюстрируют один из возможных примеров осуществления предлагаемого изобретения, не носящих ограничительный характер.

В частности, фиг.1 иллюстрирует частичный вид в продольном разрезе одной из симметричных половин турбореактивного двигателя, оборудованного трубой согласно предлагаемому изобретению;

фиг.2 - в увеличенном масштабе вид, представленный на фиг.1; и

фиг.3 - частичный вид в изометрии и в разборе трубы, представленной на фиг.1.

Подробное описание способа осуществления предлагаемого изобретения

На фиг.1 схематично представлен в продольном разрезе турбореактивный двигатель двухконтурного типа, оборудованный трубой согласно предлагаемому изобретению. Турбореактивный двигатель имеет продольную ось симметрии 12 и состоит из двигателя 14 и кольцеобразной гондолы 16, симметричной относительно оси 12, и концентрично расположенной вокруг двигателя.

В направлении от входа к выходу по ходу движения воздушного потока 5, пересекающего турбореактивный двигатель, двигатель 14 включает в себя входное отверстие 18 для поступления воздуха внутрь двигателя, воздуходувку 20, компрессор низкого давления 22, компрессор высокого давления 24, камеру сгорания 26, турбину высокого давления 28 и турбину низкого давления, причем каждый из этих элементов расположен симметрично относительно продольной оси 12.

Труба 32 для выпуска газов, образующихся в результате работы подобного турбореактивного двигателя, состоит из: центрального кольцеобразного корпуса 34, симметрично расположенного относительно продольной оси 12 турбореактивного двигателя, первичного кольцеобразного обтекателя 36, охватывающего коаксиально центральный корпус, причем охватывающего его таким образом, чтобы сформировать совместно с указанным корпусом первичный кольцеобразный канал 38; и вторичного кольцеобразного обтекателя 40, охватывающего коаксиально первичный обтекатель, причем охватывающего его таким образом, чтобы сформировать совместно с этим первичным обтекателем вторичный кольцеобразный канал 42, располагаемый коаксиально по отношению к первичному каналу (в рассматриваемом примере согласно фиг.1 гондола 16 турбореактивного двигателя и вторичный обтекатель 40 трубы представляют собой одну и ту же и единственную деталь).

Следует также отметить, что в примере, представленном на фиг.1, центральный корпус 34 трубы 32 относится к наружному типу, иными словами указанный центральный корпус простирается в продольном направлении за пределы задней кромки первичного обтекателя 36.

В то же время следует отметить, что, предлагаемое изобретение может быть применено и в конструкциях труб внутреннего типа с раздельными контурами циркуляции потоков, в которой задняя кромка первичного обтекателя простирается в продольном направлении за пределы центрального корпуса, причем простирается таким образом, что полностью перекрывает этот центральный корпус.

Циркуляция воздуха внутри турбореактивного двигателя происходит следующим образом. Воздух поступает внутрь турбореактивного двигателя через входное отверстие 18. За пределами воздуходувки воздушный поток разделяется на два, из которых первый циркулирует по вторичному каналу 42, а второй - по первичному каналу 38. В первичном канале воздух сжимается компрессорами 22, 24, смешивается с топливом в камере сгорания 26 и полученная смесь сжигается. Газы, образующиеся в процессе сгорания воздушно-топливной смеси, перед тем как покинуть турбореактивный двигатель приводят во вращение турбины высокого давления 28 и низкого давления 30.

Как это представлено на фиг.2, труба 32, служащая для выпуска газов, имеет в месте расположения ее горловины 44 такое сечение, которое соответствует минимальному поперечному сечению вторичного канала 42 на всей протяженности рассматриваемой трубы, а в месте непосредственного истечения газов из трубы - сечение 46, соответствующее поперечному сечению вторичного канала в самом конце рассматриваемой трубы.

Согласно предлагаемому изобретению вторичный обтекатель 40 трубы состоит из неподвижной части 48 и подвижной части 50, расположенной в продольном продолжении неподвижной части и способной перемещаться в продольном направлении вперед или назад относительно неподвижной части 48 и относительно первичного обтекателя 36, для обеспечения изменения сечения 44 горловины и/или сечения 46 трубы в месте выпуска из нее газов.

Следует отметить, что неподвижная часть 48 вторичного обтекателя имеет кольцеобразную форму и внутренний диаметр, уменьшающийся в сторону выхода из трубы. Что касается подвижной части 50, то она имеет передний участок 50a явно выраженной цилиндрической формы, расположенный внутри неподвижной части 48 вторичного обтекателя, концентрично расположенного относительно указанной выше неподвижной части и продлевающегося в направлении выходной части трубы выходным участком 50b. Этот последний участок имеет внутренний диаметр, уменьшающийся в сторону выходной части трубы таким образом, чтобы обеспечивалась непрерывность уменьшения диаметра неподвижной части 48 вторичного обтекателя. Таким образом тогда, когда подвижная часть 50 вторичного обтекателя находится в положении, представленном на фиг.2 сплошной линией, его выходной участок 50b располагается в продолжении неподвижной части 48 и воспроизводит общую геометрию гондолы 16 турбореактивного двигателя. Кроме того, на уровне своего участка, расположенного напротив подвижной части 50 вторичного обтекателя 40, первичный обтекатель 36 располагает кольцеобразным участком 36a с наружным диаметром, уменьшающимся в сторону выходной части рассматриваемой трубы.

При наличии таких особенностей конструкции и при расположении подвижной части 50 вторичного обтекателя 40 в положении, представленном на фиг.2 сплошной линией (иными словами в крайнем заднем положении), сечение в месте расположения горловины 44 и сечение трубы 46 в месте истечения газов из трубы 32 находятся в положении, называемом «номинальным», которое специально подбирается оптимальным для выполнения именно полетов по маршруту. Как это было уже отмечено выше, в этом положении неподвижная и подвижная части вторичного обтекателя расположены относительно друг друга таким образом, чтобы обеспечивалась воспроизводимость общей геометрии гондолы 16 турбореактивного двигателя, что позволяет ограничить те вредные последствия, которые могут иметь место в случае разделения на две части вторичного обтекателя.

Когда подвижная часть 50 вторичного обтекателя 40 перемещается вперед в продольном направлении и занимает в итоге положение, обозначенное на фиг.2 пунктирной линией (иными словами занимает крайнее переднее положение), подвижная часть 50 обтекателя сокращается по длине под неподвижной частью 48, а сечение горловины 44' и сечение трубы в месте выпуска из нее газов 46' располагаются в положении, максимально приближенном к их соответствующим положениям, представленным на фиг.2 сплошной линией. Указанное положение может подбираться, например, оптимальным для высокого и низкого режимов работы турбореактивного двигателя. Можно привести такой пример возможностей, предоставляемых предлагаемой конструкцией: в диапазоне перемещения подвижной части 50 вторичного обтекателя 40 из одного крайнего положения в другое возможно получение перекрытия сечения 46 трубы в месте выпуска из нее газов порядка 15%.

Продольное перемещение подвижной части 50 вторичного обтекателя может быть реализовано посредством, по меньшей мере, одного гидроцилиндра 52, закрепленного на неподвижной части 48 вторичного обтекателя, связанного с подвижной частью и управляемого посредством соответствующего устройства управления (не показан), позволяющего обеспечить непрерывное перемещение указанной подвижной части из одного крайнего положения в другое. Разумеется, в рассматриваемом случае может быть использовано и любое другое эквивалентное средство, позволяющее обеспечить перемещение подвижного сегмента относительно остальной части первичного обтекателя.

При перемещении вперед подвижной части 50 неизбежно появляется «ступенька» (или вырез, расположенный перпендикулярно по отношению к направлению истечения во вторичном канале) между неподвижной и подвижной частями вторичного обтекателя трубы. Наличие подобного излома в общей геометрии гондолы турбореактивного двигателя приводит к появлению ярко выраженного следа в спутной струе последней, что в частности отрицательно сказывается на аэродинамических характеристиках указанной гондолы.

Кроме того, согласно предлагаемому изобретению и с целью уменьшения паразитного следа, создаваемого указанной выше «ступенькой», неподвижная часть 48 вторичного обтекателя 40 оборудована множеством повторяющихся выступов 54, располагаемых вдоль окружности и в продольном продолжении ее задней кромки, а подвижная часть 50 вторичного обтекателя содержит на своей наружной поверхности множество углублений 56, имеющих форму, дополняющую выступы 54, предусмотренные на неподвижной части.

В примере реализации предлагаемого изобретения, представленном на фиг.3, неподвижная часть 48 вторичного обтекателя снабжена множеством выступов 54 треугольной формы. Таким образом, газы, протекающие вдоль вторичного обтекателя, завихряются вокруг верхушек указанных треугольных выступов 54, сохраняя при этом свое основное направление перемещения вдоль продольной оси 12 турбореактивного двигателя, что позволяет уменьшить образование паразитного следа. Кроме того, наличие выступов треугольной формы позволяет снизить также и акустические излучения за счет уменьшения деформации выходящей газовой струи.

Могут применяться выступы и любой другой формы (прямоугольной, квадратной, криволинейной и так далее); основополагающим является обеспечение выбранной конструктором формой снижения образования паразитного следа, возникающего из-за излома в общей геометрии гондолы.

В случае применения выступов треугольной формы, на наружной поверхности подвижной части 50 вторичного обтекателя предусмотрено на уровне ее переднего участка 50a углубление 56a, имеющее поперечное сечение в форме открытой наружу буквы V и продолжающееся на уровне заднего участка 50b пазом 56b треугольной формы.

Следует, однако, отметить, что присутствие подобных повторяющихся выступов в месте крепления гондолы посредством кронштейна к крылу самолета может оказать негативное воздействие на формирование инсталляционного следа. В самом деле, существует возможность возникновения новых или повышения интенсивности уже существующих аэродинамических ударов при резком увеличении сечения в месте крепления гондолы к крылу самолета. Чтобы избежать подобного явления можно предусмотреть в указанном выше месте крепления гондолы к крылу самолета посредством кронштейна зону, лишенную описанных выше повторяющихся выступов.

Труба выпуска газов из турбореактивного двигателя содержит центральный корпус, первичный и вторичный обтекатели. Первичный кольцеобразный обтекатель охватывает коаксиально центральный корпус, формируя совместно с ним первичный кольцеобразный канал. Вторичный обтекатель охватывает коаксиально первичный обтекатель, формируя совместно с ним вторичный кольцеобразный канал, расположенный коаксиально по отношению к первичному каналу. Вторичный обтекатель состоит из неподвижной и подвижной частей, причем в результате перемещения подвижной части изменяется сечение трубы в месте истечения из нее газов и/или в месте расположения в ней горловины. На неподвижной части вторичного обтекателя предусмотрено множество выступов, продолжающих в продольном направлении ее заднюю кромку. Подвижная часть вторичного обтекателя содержит на своей наружной поверхности множество углублений, форма которых дополняет собой выступы неподвижной части. Другое изобретение группы относится к двухконтурному газотурбинному двигателю, содержащему указанную выше трубу. Изобретения позволяют повысить аэродинамические характеристики гондолы газотурбинного двигателя, а также снизить акустические излучения трубы выпуска газов. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Труба (32) для выпуска газов из турбореактивного двигателя двухконтурной конструкции, содержащая центральный кольцеобразный корпус (34), симметрично расположенный относительно продольной оси симметрии (12) трубы, первичный кольцеобразный обтекатель (36), охватывающий коаксиально центральный корпус с возможностью формирования совместно с указанным центральным корпусом первичного кольцеобразного канала (38), и вторичный кольцеобразный обтекатель (40), охватывающий коаксиально первичный обтекатель с возможностью формирования совместно с указанным первичным обтекателем вторичного кольцеобразного канала (42), располагаемого коаксиально по отношению к первичному каналу, отличающаяся тем, что вторичный обтекатель (40) состоит из неподвижной части (48) и подвижной части (50), расположенной в продольном продолжении неподвижной части и выполненной с возможностью перемещаться в продольном направлении вперед или назад относительно неподвижной части и относительно первичного обтекателя, причем в результате такого перемещения изменяется сечение трубы в месте истечения из нее газов (46) и/или в месте расположения в ней горловины (44), причем на неподвижной части (48) вторичного обтекателя предусмотрено множество одинаковых повторяющихся выступов (54), располагаемых вдоль окружности и продолжающих собой в продольном направлении ее заднюю кромку, а подвижная часть (50) вторичного обтекателя содержит на своей наружной поверхности множество углублений (56), форма которых дополняет собой выступы неподвижной части.

2. Труба по п.1, в которой внутренний диаметр подвижной части (50) вторичного обтекателя (40) уменьшается в сторону выхода из трубы, а первичный обтекатель (36) имеет на уровне ее участка, расположенного напротив подвижной части вторичного обтекателя, задний кольцеобразный участок (36а), наружный диаметр которого уменьшается в сторону выхода из трубы, причем подвижная часть вторичного обтекателя выполнена с возможностью перемещаться в продольном направлении из одного крайнего положения в другое, при этом крайнее заднее положение соответствует номинальному сечению трубы в месте выпуска из нее газов (46) или в месте расположения в ней горловины (44), а крайнее переднее положение соответствует максимально уменьшенному сечению трубы в месте выпуска из нее газов или в месте расположения в ней горловины.

3. Труба по одному из пп.1 или 2, в которой вторичный обтекатель (40) содержит по меньшей мере один гидроцилиндр (52), предназначенный для перемещения в продольном направлении подвижной части (50) указанного обтекателя.

4. Двухконтурный газотурбинный двигатель, отличающийся тем, что содержит трубу (32) для истечения газов по любому из пп.1-3.