ДВУХКОНТУРНЫЙ ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2016 года по МПК F04D29/66 F02C7/45 F02K3/06 

Настоящее изобретение относится к двухконтурному турбореактивному двигателю для летательного аппарата, в частности для самолета.

Основной задачей является снижение уровня шума самолетов в аэропортовых зонах, и с этой целью принимаются все более строгие регламентные нормы.

Исследования позволили идентифицировать и количественно определить основные явления, ответственные за высокие уровни шума, создаваемого самолетами в фазе посадки и взлета. Эти шумы можно разделить на две основные категории, а именно на шумы планера и на шумы двигателей.

Шум планера связан с взаимодействиями воздушного потока и препятствий или неровностей поверхности самолета, таких как взлетно-посадочное шасси, предкрылки, закрылки и т.д.

В случае двухконтурного турбореактивного двигателя шум двигателя в основном включает в себя шум реактивной струи, производимый горячими газами, с высокой скоростью выходящими из реактивного сопла, шум вентилятора, связанный с взаимодействиями между воздушным потоком и неподвижной конструкцией в результате вращения лопастей вентилятора, питающего вторичный поток.

Известно, что двухконтурный турбореактивный двигатель содержит рабочее колесо вентилятора, содержащее лопатки и вращающееся в кольцевом картере. На выходе вентилятора часть потока направляется в первичный контур, в котором циркулирует первичный поток, сжимаемый компрессором низкого давления и компрессором высокого давления для питания камеры сгорания, при этом другая часть потока, выходящего из вентилятора, направляется во вторичный контур, в котором расположен спрямляющий лопаточный аппарат.

Акустический спектр вентилятора можно разложить на тональную часть и на широкополосную часть, величина которой увеличивается с появлением турбореактивных двигателей с очень высокой степенью разбавления, в которых циркулирует большой вторичный поток.

Существует много источников широкополосного шума в вентиляторе, и определяющим источником является взаимодействие между струей, выходящей из рабочего колеса вентилятора, и статором, в частности спрямляющим аппаратом.

Чтобы минимизировать шумы, создаваемые вентилятором, предусмотрено решение, состоящее в оптимизации профиля лопаток спрямляющего аппарата. Однако требования к КПД двигателя на крейсерской скорости не позволяют оптимально адаптировать лопатки во время работы при заходе на посадку и на взлете.

В патенте US 3730639 предложено оборудовать внешний картер вентилятора средствами всасывания, содержащими воздухозаборное отверстие, выполненное в виде щели и расположенное на входе радиально наружных концов лопаток вентилятора, и всасывающий насос.

Таким образом, часть граничного слоя, образующегося на внутренней стенке внешнего картера, всасывается, что позволяет ограничить взаимодействия между этим граничным слоем и лопатками вентилятора и снизить, таким образом, шум. Это решение практически не уменьшает доминантную составляющую шума, создаваемую при взаимодействии между выходящей струей вентилятора и находящимся сзади спрямляющим аппаратом.

Кроме того, наличие зазора между картером и концами лопаток рабочего колеса вентилятора приводит к образованию завихрений за счет явления увлечения верхнего потока, которые являются носителями высокой турбулентной кинетической энергии и, после смешивания с граничным слоем на картере, значительно способствуют появлению широкополосного шума взаимодействия между турбулентной выходной струей и спрямляющим аппаратом.

Известное решение предусматривает средства нагнетания воздуха на уровне турбулентных зон вентилятора. Для этого в лопатках рабочего колеса вентилятора необходимо выполнить воздушные каналы, что повышает сложность изготовления этих лопаток, в частности, когда их выполняют из композиционного материала.

Задачей настоящего изобретения является разработка простого, эффективного и экономичного решения этой задачи.

В связи с этим объектом изобретения является двухконтурный турбореактивный двигатель, содержащий рабочее колесо вентилятора, содержащее лопатки и охваченное кольцевым картером, характеризующийся тем, что картер содержит средства всасывания воздуха в кольцевом зазоре, образованном между картером и радиально наружными концами лопаток рабочего колеса вентилятора.

Расположенные таким образом средства всасывания позволяют всасывать турбулентный поток в вершине лопаток рабочего колеса вентилятора, чтобы он не взаимодействовал с лопаточным спрямляющим аппаратом на выходе, и существенно снизить, таким образом, шум, создаваемый в результате взаимодействия между струей, выходящей из вентилятора, и статором, в частности, с находящимся сзади спрямляющим аппаратом.

Согласно отличительному признаку изобретения средства всасывания содержат входное отверстие, выполненное в виде, по меньшей мере, одной щели во внутренней стенке картера и соединенное с всасывающим каналом, проходящим вниз по потоку.

Предпочтительно эта входная щель средств всасывания расположена напротив радиального наружного конца лопаток (2) рабочего колеса вентилятора, а именно только напротив трети их хорды, размещенной в осевом направлении вверху по потоку.

Расположение всасывающей щели только напротив передней части хорды позволяет всасывать поток зазора сразу при появлении завихрения на углу передней кромки. Действительно, моделирование показало, что существует несколько мест зарождения завихрений в вершине лопатки, при этом самые энергичные среди них находятся примерно на первой трети хорды в вершине лопатки. Таким образом, щели расположены в зоне, где проявляется наиболее значительная турбулентная активность.

Таким образом, предпочтительно входная щель средств всасывания расположена напротив радиального наружного конца лопаток (2) рабочего колеса вентилятора, а именно только напротив трети их хорды, размещенной в осевом направлении вверху по потоку.

Предпочтительно входная щель имеет осевой размер, составляющий от 3 до 10% хорды лопаток на их радиально наружном конце.

Таким образом, отбирается только незначительная часть потока, что не влечет за собой снижения КПД двигателя.

Согласно другому отличительному признаку изобретения входная щель является кольцевой или образована множеством отверстий, распределенных вокруг оси вентилятора.

Средства всасывания могут содержать всасывающий насос, установленный в картере.

Согласно варианту выполнения изобретения средства всасывания содержат, по меньшей мере, две входные щели, выполненные во внутренней стенке картера и смещенные в осевом направлении относительно друг друга.

Предпочтительно средства всасывания воздуха содержат кольцевой коллектор, выполненный в картере и соединенный с входной щелью или с входными щелями всасывающими каналами.

Кроме того, средства всасывания воздуха содержат выходные воздушные отверстия, выполненные вниз по потоку относительно рабочего колеса вентилятора в наружной стенке или во внутренней стенке картера вентилятора.

В частности, выходные отверстия средств всасывания воздуха могут быть выполнены во внутренней стенке картера вентилятора сзади вниз по потоку относительно спрямляющего аппарата вентилятора.

Изобретение и его другие детали, отличительные признаки и преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве неограничительного примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображает схематичный вид в разрезе части турбореактивного двигателя согласно первому варианту осуществления изобретения.

Фиг. 2 - схематичный вид, аналогичный фиг. 1, второго варианта осуществления изобретения.

Фиг. 3 - схематичный увеличенный вид в разрезе части турбореактивного двигателя согласно третьему варианту осуществления изобретения.

На фиг. 1 показана часть турбореактивного двигателя, содержащая рабочее колесо 1 вентилятора с лопатками 2, охваченное кольцевым картером 3. На выходе вентилятора часть создаваемого потока направляется в первичный контур 4, в котором циркулирует первичный поток, предназначенный для сжатия в компрессоре низкого давления и в компрессоре высокого давления для питания камеры сгорания (не показана), при этом другая часть потока, выходящего из вентилятора, направляется во вторичный контур 5, в котором расположен лопаточный спрямляющий аппарат 6, называемый также OGV (Outlet Guide Vane). Этот спрямляющий аппарат 6 предназначен для спрямления вторичного воздушного потока, выходящего из вентилятора, чтобы ограничить его завихрение.

На выходе лопаточного спрямляющего аппарата 6 находятся радиальные конструктивные стойки 7, обладающие повышенной механической прочностью и тоже расположенные во вторичном контуре 5.

Согласно изобретению картер 3 содержит средства всасывания воздуха, сообщающиеся с кольцевым зазором 8, образованным между картером 3 и радиально наружными концами лопаток 2 рабочего колеса 1 вентилятора.

В варианте выполнения, представленном на фиг. 1, средства всасывания воздуха содержат, по меньшей мере, один всасывающий канал 9, имеющий входное отверстие, открывающееся в вышеупомянутый кольцевой зазор 8 и выполненное в виде входной щели 10 во внутренней стенке 11 картера 3. Щель 10 проходит по всей окружности внутренней стенки картера 3, и каждый всасывающий канал 9, проходящий в сторону выхода, выходит на наружную стенку 12 картера в определенной зоне, например в зоне, расположенной в осевом направлении сзади спрямляющего аппарата 6, для нагнетания воздуха наружу с целью прижатия граничного слоя к наружной стенке 12 картера, когда в этом возникает необходимость.

Размеры и положение щелей 10 и всасывающих каналов 9 определяют таким образом, чтобы лишь незначительная часть воздушного потока, проходящего через вентилятор, попадала в щель 10, например, от 0,5 до 2% от общего потока, предпочтительно примерно 1%.

Всасываемый воздушный поток по существу пропорционален скоростям вращения вала турбины низкого давления, который вращает рабочее колесо 1 вентилятора, меняющимся в широком диапазоне между фазами посадки и взлета. Всасываемый воздушный поток зависит от радиального зазора 8 между наружными концами лопаток 2 и внутренней стенкой 11 картера 3.

Входная щель 10 имеет осевой размер от 3 до 10% хорды лопаток 2 на их радиально наружном конце. Следует напомнить, что хорда лопатки является расстоянием между ее ребром атаки 13, то есть ее передней кромкой, и ее ребром обтекания 14, то есть ее задней кромкой.

Входная щель 10 средств всасывания расположена в осевом направлении только напротив передней половины хорды лопаток 2 на их радиально наружном конце. Таким образом, входная щель 10 не расположена на входе концов лопаток или напротив задней половины хорды лопаток 2.

Вместо кольцевой входной щели 10 можно предусмотреть ряд отверстий, распределенных в окружном направлении вокруг оси вентилятора.

В случае, показанном на фиг. 1, давление р₂ на выходе всасывающего канала или каждого всасывающего канала 9 меньше давления р₁ на входе в щели 10, при этом разность давления позволяет избежать потери напора в канале 9 и обеспечивает всасывание воздуха. Поэтому нет необходимости оборудовать канал или каналы 9 всасывающим насосом.

В варианте выполнения, показанном на фиг. 2, наоборот, всасывающий канал 9 выходит на внутреннюю стенку 11 картера 3 на выходе спрямляющего аппарата 6 в зоне, где давление р₃ выше, чем во входной щели 10. Поэтому необходимо оборудовать всасывающий канал всасывающим насосом 15, установленным в картере 3.

Разумеется, число и положение каналов 9 могут меняться в зависимости от вариантов применения.

В варианте выполнения, представленном на фиг. 3, внешний картер 3 содержит, по меньшей мере, две входные щели 10, выполненные во внутренней стенке 11 картера 3 и смещенные в осевом направлении относительно друг друга. Всасывающие каналы 9 проходят назад от каждой из входных щелей 10 до кольцевого коллектора 16, расположенного в картере 3. Затем воздух в коллекторе 16 всасывается при помощи насоса 15, после чего удаляется либо на внутреннюю стенку 11 картера 3, либо на наружную стенку 12 аналогично представленному выше варианту.

Таким образом, независимо от применяемого варианта выполнения, изобретение позволяет отбирать воздух в вершине лопатки 2 вентилятора, чтобы ограничить взаимодействие между этим сильным турбулентным потоком и находящимся сзади лопаточным спрямляющим аппаратом 6. Это позволяет практически снижать широкополосный шум, возникающий в результате этого взаимодействия. Поскольку отбираемая часть потока, создаваемого вентилятором, является незначительной, на КПД вентилятора это по существу не сказывается.

Двухконтурный турбореактивный двигатель содержит рабочее колесо вентилятора, имеющее лопатки и охваченное кольцевым картером. Картер содержит средства всасывания воздуха в кольцевом зазоре, образованном между картером и радиально наружными концами лопаток рабочего колеса вентилятора. Средства всасывания содержат входное отверстие, выполненное в виде, по меньшей мере, одной входной щели во внутренней стенке картера и соединенное с всасывающим каналом, проходящим вниз по потоку. Входная щель средств всасывания расположена в осевом направлении только напротив размещенной вверху по потоку хорды лопаток рабочего колеса вентилятора на их радиально наружном конце. Изобретение направлено на упрощение конструкции и уменьшение широкополосного шума. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Двухконтурный турбореактивный двигатель, содержащий рабочее колесо (1) вентилятора, содержащее лопатки (2) и охваченное кольцевым картером (3), при этом картер (3) содержит средства (9, 10) всасывания воздуха в кольцевом зазоре (8), образованном между картером (3) и радиально наружными концами лопаток (2) рабочего колеса (1) вентилятора, при этом средства всасывания содержат входное отверстие, выполненное в виде, по меньшей мере, одной входной щели (10) во внутренней стенке (11) картера (3) и соединенное с всасывающим каналом (9), проходящим вниз по потоку, отличающийся тем, что входная щель (10) средств всасывания расположена в осевом направлении только напротив размещенной вверху по потоку хорды лопаток (2) рабочего колеса вентилятора на их радиально наружном конце.

2. Турбореактивный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что входная щель (10) имеет осевой размер, составляющий от 3 до 10% хорды лопаток (2) на их радиально наружном конце.

3. Турбореактивный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что входная щель (10) является кольцевой или образована множеством отверстий, распределенных вокруг оси вентилятора.

4. Турбореактивный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что средства всасывания содержат всасывающий насос (15), установленный в картере (3).

5. Турбореактивный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что средства всасывания содержат, по меньшей мере, две входные щели (10), выполненные во внутренней стенке (11) картера (3) и смещенные в осевом направлении относительно друг друга.

6. Турбореактивный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что средства всасывания воздуха содержат кольцевой коллектор (16), расположенный в картере (3) и соединенный с входной щелью или входными щелями (10) всасывающими каналами (9).

7. Турбореактивный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что средства всасывания воздуха содержат выходные воздушные отверстия (15), выполненные вниз по потоку относительно рабочего колеса (1) вентилятора в наружной стенке (12) или во внутренней стенке (11) картера (3) вентилятора.

8. Турбореактивный двигатель по п. 7, отличающийся тем, что выходные отверстия (15) средств всасывания воздуха выполнены во внутренней стенке (11) картера (3) вентилятора вниз по потоку относительно спрямляющего аппарата (6) вентилятора.