СМЕСИТЕЛЬ ПОТОКОВ С ИЗМЕНЯЕМЫМ СЕЧЕНИЕМ ДЛЯ ДВУХКОНТУРНОГО ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ СВЕРХЗВУКОВОГО САМОЛЕТА Российский патент 2012 года по МПК F02K1/28 F02K1/38 F02K1/46 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится в целом к области смесителей потоков с изменяемым сечением для двухконтурных турбореактивных двигателей с низкой степенью двухконтурности для сверхзвуковых самолетов.

Уровень техники

Двухконтурные турбореактивные двигатели с низкой степенью двухконтурности для сверхзвукового самолета по существу содержат двухпоточный газогенератор (создающий холодный поток и горячий поток), удлиненный с помощью сопла, которое образует канал выброса газа.

Двухконтурные турбореактивные двигатели с низкой степенью двухконтурности для оборудования сверхзвуковых самолетов для использования в гражданской авиации, должны соответствовать двум требованиям: во-первых, они должны иметь как можно меньшее аэродинамическое сопротивление во время стадий околозвукового и сверхзвукового крейсерского полета; и, во-вторых, они должны иметь приемлемые уровни шумности при взлете с учетом все более жестких требований со стороны органов сертификации относительно шумности турбореактивных двигателей гражданских самолетов.

К сожалению, эти два требования является противоречивыми. Первое требование приводит к конструкциям турбореактивных двигателей небольшого диаметра, в то время как второе требование требует увеличения тяги за счет увеличения массового расхода газа, что приводит к большим диаметрам вентилятора (и тем самым к большим диаметрам турбореактивных двигателей).

Одно известное решение для соответствия этим требованиям заключается в использовании смесителя потоков с изменяемым сечением. Такой смеситель потоков обеспечивает возможность введения в турбореактивный двигатель во время стадий взлета самолета потока воздуха, который является наружным для турбореактивного двигателя, с целью смешивания с потоком газа, приходящим из газогенератора. Смеситель для смешивания наружного воздуха с потоком газа, приходящего из газогенератора, служит для увеличения полного массового расхода газа, который обеспечивается турбореактивным двигателем. Таким образом, при постоянной тяге скорость, с которой выбрасывается газ, можно уменьшать по сравнению с двухконтурным турбореактивным двигателем, который не имеет смесителя. Поскольку реактивный шум увеличивается с увеличением скорости выброса газа, то это уменьшение скорости приводит к сильному уменьшению уровня шумности при взлете.

На практике наружный воздух вводят в турбореактивный двигатель после газогенератора через отверстия, которые распределены по всей окружности сопла. Воздух, вводимый таким образом, смешивается с потоком газа, приходящим от газогенератора, с помощью направляющих, которые проходят в радиальном направлении поперек канала выброса газового потока. Эти направляющие являются подвижными между положением, в котором они открывают отверстия и обеспечивают смешивание (во время стадий взлета самолета), и другим положением, в котором они загораживают отверстия для других стадий полета.

Хотя данное решение является удовлетворительным, оно имеет тот недостаток, что требует значительного удлинения турбореактивного двигателя с целью обеспечения смешивания потока наружного воздуха и газового потока, приходящего из газогенератора. К сожалению, турбореактивный двигатель можно удлинять лишь в ущерб его веса. Кроме того, обычно требуется прибегать к акустической изоляции на внутренней стенке выходного сопла турбореактивного двигателя для поглощения наиболее неблагоприятных звуковых частот.

Из заявки на патент Франции №06/50127 (опубликована под номером FR 2896274), поданной данным заявителем, известен также смеситель, в котором направляющие являются лопастями, каждая из которых имеет азимутальную составляющую в одном и том же направлении для придания вращательного движения наружному воздуху, впускаемому в турбореактивный двигатель, когда лопасти находятся в своем открытом положении.

Хотя это решение является эффективным для снижения уровня шумности турбореактивного двигателя на взлете с обеспечением его компактности, тем не менее это решение приводит к потере тяги за счет вращения наружного воздуха, вводимого в турбореактивный двигатель, когда лопасти находятся в своем открытом положении.

Сущность изобретения

Таким образом, основной целью данного изобретения является уменьшение указанных недостатков посредством создания смесителя потоков с изменяемым сечением, который обеспечивает снижение уровня реактивного шума турбореактивного двигателя во время взлета компактным образом и без уменьшения при этом тяги турбореактивного двигателя.

Эта цель достигается с помощью смесителя потоков с изменяемым сечением для двухконтурного турбореактивного двигателя сверхзвукового самолета, при этом смеситель содержит: центральное кольцевое тело вокруг продольной оси; первичную кольцевую оболочку, коаксиально окружающую центральное тело для взаимодействия с ним с образованием первичного кольцевого канала; вторичную кольцевую оболочку, коаксиально окружающую первичную оболочку для взаимодействия с ней с образованием вторичного кольцевого канала, коаксиального с первичным каналом; и кольцевое сопло, центрированное на продольной оси и расположенное в продольном направлении на линии со вторичной оболочкой, при этом сопло имеет множество отверстий для впуска наружного воздуха, распределенных по всей его окружности, открывающихся в зону схождения потоков, приходящих из первичного и вторичного каналов, и внутри которых установлены лопасти с возможностью перемещения между двумя различными положениями: закрытым положением, в котором они загораживают отверстия сопла, и развернутым положением, в котором они освобождают указанные отверстия и проходят радиально в сопло для обеспечения впуска наружного воздуха в зону схождения; при этом все лопасти имеют общую азимутальную составляющую в общем направлении для придания вращательного движения наружному воздуху, который попадает в зону схождения, когда лопасти находятся во втором положении; при этом смеситель дополнительно содержит множество продольных канавок, занимающих, по меньшей мере, часть центрального тела, при этом все канавки имеют общую азимутальную составляющую в общем направлении, которое противоположно направлению азимутальной составляющей лопастей.

Использование лопастей, имеющих азимутальную составляющую, в значительной мере способствует смешиванию потока воздуха, наружного для турбореактивного двигателя, и потока газа, приходящего из первичного и вторичного каналов, за счет придания вращательного движения наружному воздуху. Наличие канавок в центральном теле дополнительно усиливает смешивание газовых потоков. Дополнительно к этому все канавки имеют азимутальную составляющую в направлении, противоположном направлению лопастей, что обеспечивает «распрямление» потока воздуха, приведенного во вращение лопастями, за счет закручивания в противоположном направлении. В результате, на тягу турбореактивного двигателя не оказывается отрицательного влияния за счет вращения, вызываемого азимутальной составляющей лопастей смесителя.

Смеситель предпочтительно имеет столько же канавок, сколько и лопастей.

Азимутальная составляющая канавок предпочтительно идентична по величине азимутальной составляющей лопастей.

Изобретение предлагает также турбореактивный двигатель для сверхзвукового самолета, при этом турбореактивный двигатель имеет указанный выше смеситель потоков с изменяемым сечением.

Краткое описание чертежей

Другие характеристики и преимущества данного изобретения следуют из приведенного ниже подробного описания варианта выполнения, не имеющего ограничительного характера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

Фиг.1 и 2 - продольный разрез половины турбореактивного двигателя, снабженного смесителем, согласно изобретению, в закрытом и своем раскрытом положениях;

Фиг.3 - смеситель, согласно Фиг.1, в раскрытом положении, в изометрической проекции;

Фиг.4 - разрез по линии IV-IV на Фиг.1;

Фиг.5 - лопасти и канавки смесителя, согласно Фиг.1-4, в развернутом виде; и

Фиг.6 - смеситель, согласно Фиг.2, на виде сзади.

Подробное описание варианта выполнения

На Фиг.1-6 показан смеситель потоков с изменяемым сечением, согласно изобретению. Смеситель предназначен, в частности, для установки в двухконтурный турбореактивный двигатель с низкой степенью двухконтурности для сверхзвукового самолета.

Смеситель 2 содержит в основном центральное кольцевое тело 4, первичную кольцевую оболочку 6 и вторичную кольцевую оболочку 8, при этом все эти элементы центрированы на продольной оси 10 турбореактивного двигателя.

Первичная оболочка 6 окружает коаксиально центральное тело 4 для взаимодействия с ним с образованием первичного кольцевого канала 12 для прохождения потока горячего газа, приходящего от турбореактивного двигателя.

Вторичная оболочка 8 окружает коаксиально первичную оболочку 6 для взаимодействия с ней с образованием вторичного кольцевого канала 14 коаксиально над первичным каналом и служащего для прохождения потока холодного воздуха, приходящего из турбореактивного двигателя.

Смеситель включает также кольцевое сопло 16 для выброса газа, которое центрировано на продольной оси 10 и расположено в продольном направлении на линии с вторичной оболочкой 8. Холодный и горячий потоки, приходящие из турбореактивного двигателя, смешиваются внутри этого сопла 16 в зоне 18 схождения (см. Фиг.1).

Сопло 16 имеет множество продольных отверстий 20 для впуска наружного воздуха, при этом отверстия распределены (предпочтительно равномерно) по всей его окружности. Эти отверстия 20 открываются наружу турбореактивного двигателя и ведут в сопло, по существу в зону 18 схождения между холодным и горячим потоками.

Следует отметить, что центральное тело 4 турбореактивного двигателя проходит в продольном направлении внутри сопла за первичную и вторичную оболочки 6 и 8, так что отверстия 20 открываются по существу напротив центрального тела.

В каждом из отверстий 20 установлена направляющая 22 для воздуха в виде образующей в сечении канал лопасти, установленной с возможностью перемещения между двумя положениями: первым положением (см. Фиг.1, 3 и 4), называемым «закрытым» положением, в котором лопасть загораживает соответствующее отверстие; и вторым положением (см. Фиг.2 и 6), называемым «раскрытым» положением, в котором лопасть открывает соответствующее отверстие и развертывается в радиальном направлении внутри сопла 16.

Закрытое положение лопастей 22 соответствует всем стадиям полета сверхзвукового самолета, снабженного турбореактивным двигателем, за исключением стадий взлета (например, оно соответствует стадиям сверхзвукового крейсерского полета). В этом положении лопасти отведены назад в структуру сопла 16 с закрыванием отверстий 20. В результате, воздух, наружный для турбореактивного двигателя, не пропускается в сопло.

Раскрытое положение лопастей 22 соответствует стадиям, во время которых сверхзвуковой самолет, снабженный турбореактивным двигателем, совершает взлет. В этом положении лопасти развернуты, так что они проходят в радиальном направлении поперек канала выброса, образованного соплом (таким образом, ось каждой лопасти наклонена относительно продольной оси 10). Таким образом, они действуют в качестве направляющих для обеспечения прохождения воздуха, который является наружным для турбореактивного двигателя, в сопло 16 через отверстия 20 с целью смешивания с холодным и горячим потоками. С помощью этого дополнительного наружного воздуха увеличивается расход газа, создаваемый турбореактивным двигателем, во время взлета самолета.

Как показано на Фиг.1 и 2, в каждом из впускающих наружный воздух отверстий 20 установлена лопатка 24, предназначенная для поворота вокруг неподвижного шарнира 26. Каждая лопатка 24 соединена также с помощью звена 28 с лопастью 22, соответствующей впускающему наружный воздух отверстию.

Таким образом, когда лопасти 22 разворачиваются в открытое положение (см. Фиг.2), то лопатки 24 поворачиваются вместе с лопастями для обеспечения впускания наружного воздуха в сопло. Аналогичным образом, когда лопасти закрываются (см. Фиг.1), то лопатки поворачиваются в противоположном направлении вместе с лопастями и закрывают отверстия 20, исключая проникновение наружного воздуха в сопло.

Лопасти 22 шарнирно соединены с соплом 16 у их входных концов с помощью шарниров 30, и они перемещаются в свои два положения с помощью, по меньшей мере, одного исполнительного механизма 32 (например, гидравлического, пневматического или электрического исполнительного механизма). Как показано на Фиг.3, смещение лопастей может быть синхронизировано, например, с помощью кабеля синхронизации 34, соединяющего все исполнительные механизмы 32.

Кроме того, лопасти 22 имеют азимутальные составляющие, которые все имеют одинаковое направление. Лопасть называется имеющей азимутальную составляющую, когда лопасть изогнута так, что ее выходной конец покидает радиальную плоскость, в которой поворачивается лопасть.

Как показано на Фиг.5, в развернутом виде каждая лопасть 22 имеет над соплом одинаковый изменяемый наклон θ относительно продольной оси 10. В качестве примера наклон θ может достигать примерно 20°.

Естественно, что отверстия 20 в сопле 16, в которых установлены лопасти 22, имеют сами форму, дополняющую выступание лопастей, т.е. выступание каждой лопасти на сопле также имеет наклон относительно продольной оси 10.

Кроме того, азимутальная составляющая направлена в одинаковом направлении для каждой из лопастей 22. Таким образом, все лопасти «закручены» в одинаковом направлении для придания вращательного движения наружному воздуху, впускаемому в зону 18 схождения, когда лопасти находятся в развернутом положении.

Согласно изобретению смеситель имеет также множество продольных канавок (или углублений) 36, которые проходят, по меньшей мере, по части центрального тела 4, при этом все канавки имеют одинаковую азимутальную составляющую в одинаковом направлении, которое противоположно направлению азимутальных составляющих лопастей.

Таким образом, в развернутом виде, показанном на Фиг.5, каждую канавку 36 можно рассматривать как имеющую над соплом 16 одинаковый изменяемый наклон θ' относительно продольной оси 10, при этом этот наклон θ' проходит в противоположном направлении наклону θ лопастей 22, и предпочтительно идентичен (по абсолютной величине) указанному наклону θ.

Центральное тело 4 предпочтительно имеет столько же канавок 36, сколько имеется лопастей 22. Таким образом, в показанном на Фиг.6 варианте выполнения смеситель имеет шестнадцать лопастей и шестнадцать канавок. Канавки 36 проходят в продольном направлении, по меньшей мере, по части центрального тела.

Дополнительно к этому, как показано на Фиг.4, каждая канавка 36 имеет ширину, которая по существу равна ширине лопастей 22. А именно, каждая канавка 36 предпочтительно вписывается в угловой раскрыв 38, в который вписывается соответствующая лопасть 22.

Как показано на Фиг.6, наличие канавок 36 в центральном теле 4 смесителя обеспечивает возможность придания газовой смеси холодного и горячего потоков, приходящих из канавки, вращательного движения в направлении, которое противоположно направлению вращательного движения наружного воздуха, впускаемого в сопло с помощью лопастей 22. Это приводит к лучшему смешиванию, во-первых, холодного и горячего потоков и, во-вторых, наружного воздуха, впускаемого с помощью лопастей. Это уменьшает реактивный шум от сопла во время взлета. Дополнительно к этому, наличие этого вращательного движения смеси холодного и горячего потоков служит для «распрямления» потока наружного воздуха, который приводится во вращение лопастями, вынуждая его вращаться в противоположном направлении. В результате тяга турбореактивного двигателя не уменьшается за счет особой формы лопастей.

Смеситель потоков содержит центральное кольцевое тело вокруг продольной оси, первичную кольцевую оболочку, коаксиально окружающую центральное тело с образованием первичного кольцевого канала и вторичную кольцевую оболочку, коаксиально окружающую первичную оболочку с образованием вторичного кольцевого канала, коаксиального с первичным каналом. Также смеситель содержит кольцевое сопло, центрированное на продольной оси и расположенное в продольном направлении на линии с вторичной оболочкой. Сопло имеет множество отверстий для впуска наружного воздуха, распределенных по всей его окружности, открывающихся в зону схождения потоков. Отверстия приходят из первичного и вторичного каналов, и внутри отверстий установлены лопасти с возможностью перемещения между двумя различными положениями: закрытым положением, в котором они загораживают отверстия сопла, и раскрытым положением, в котором они открывают указанные отверстия и проходят радиально в сопло. Все лопасти имеют общую азимутальную составляющую в одинаковом направлении для придания вращательного движения наружному воздуху, который попадает в зону схождения, когда лопасти находятся во втором положении. Смеситель дополнительно содержит множество продольных канавок, занимающих часть центрального тела, при этом все канавки имеют общую азимутальную составляющую в одинаковом направлении, которое противоположно направлению азимутальной составляющей лопастей. Другим объектом изобретения является турбореактивный двигатель, содержащий смеситель потоков, описанный выше. Изобретение позволяет снизить реактивный шум от сопла во время взлета без отрицательного влияния на тягу турбореактивного двигателя. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Смеситель (2) потоков с изменяемым сечением для двухконтурного турбореактивного двигателя сверхзвукового самолета, при этом смеситель содержит:
центральное кольцевое тело (4) вокруг продольной оси (10); первичную кольцевую оболочку (6), коаксиально окружающую центральное тело для взаимодействия с ним с образованием первичного кольцевого канала (12);
вторичную кольцевую оболочку (8), коаксиально окружающую первичную оболочку для взаимодействия с ней с образованием вторичного кольцевого канала (14), коаксиального с первичным каналом; и
кольцевое сопло (16), центрированное на продольной оси (10) и расположенное в продольном направлении на линии с вторичной оболочкой (8), при этом сопло (16) имеет множество отверстий (20) для впуска наружного воздуха, распределенных по всей его окружности, открывающихся в зону (18) схождения потоков, приходящих из первичного и вторичного каналов, и внутри отверстий установлены лопасти (22) с возможностью перемещения между двумя различными положениями: закрытым положением, в котором они загораживают отверстия (20) сопла, и раскрытым положением, в котором они открывают указанные отверстия и проходят радиально в сопло для обеспечения впуска наружного воздуха в зону (18) схождения; при этом все лопасти (22) имеют общую азимутальную составляющую в общем направлении для придания вращательного движения наружному воздуху, который попадает в зону схождения, когда лопасти находятся во втором положении;
отличающийся тем, что смеситель дополнительно содержит множество продольных канавок (36), занимающих, по меньшей мере, часть центрального тела (4), при этом все канавки имеют общую азимутальную составляющую в общем направлении, которое противоположно направлению азимутальной составляющей лопастей.

2. Смеситель по п.1, отличающийся тем, что количества канавок (36) и лопастей в нем (22) равны.

3. Смеситель по любому из пп.1 или 2, в котором азимутальная составляющая канавок (36) является идентичной по величине с азимутальной составляющей лопастей (22).

4. Турбореактивный двигатель для сверхзвукового самолета, отличающийся тем, что он имеет смеситель (2) потоков с изменяемым сечением по любому из пп.1-3.