СУЖАЮЩЕЕСЯ-РАСШИРЯЮЩЕЕСЯ СОПЛО ТУРБОМАШИНЫ, ДВУХКОНТУРНЫЙ ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И ТУРБОВИНТОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2017 года по МПК F02K1/82 F02K3/06 

Предшествующий уровень техники

Изобретение относится к области сопел турбомашин. В частности, оно касается геометрического профиля сопел сужающегося-расширяющегося типа.

Областями применения изобретения являются двухконтурные турбореактивные двигатели и турбовинтовые двигатели летательного аппарата.

Известно, что сопло двухконтурного турбореактивного двигателя содержит центральное тело, первичный кожух, коаксиально размещенный вокруг центрального тела для ограничения вместе с ним первичного канала истечения горячего потока, и вторичный кожух, коаксиально размещенный вокруг первичного кожуха для ограничения вместе с ним вторичного канала истечения холодного потока. Когда сопло относится к сужающемуся-расширяющемуся типу, оно имеет поперечное сечение первичного канала и/или вторичного канала, которое сужается к задней части для того, чтобы расшириться в самой ее задней крайней точке.

Аналогично, сопло турбовинтового двигателя содержит центральное тело и кольцевой кожух, коаксиально размещенный вокруг центрального тела для ограничения вместе с ним кольцевого канала истечения горячего потока, поступающего из турбовинтового двигателя. Когда сопло относится к сужающемуся-расширяющемуся типу, оно имеет поперечное сечение канала, которое сужается к задней части для того, чтобы расшириться в самой ее задней крайней точке.

Данный тип сужающихся-расширающихся сопел позволяет улучшить эксплуатационные качества компрессоров, обеспечивающих подачу в сопла (например, нагнетательный вентилятор в рамках сопла двухконтурного турбореактивного двигателя). Действительно, при одном и том же критическом сечении сужающееся-расширающееся сопло позволяет добиться при взлете большего расхода, чем с просто сужающимся соплом.

Однако начертание сопла сужающегося-расширающегося типа представляет собой сложный и ответственный процесс; плохая концепция геометрической формы сопел может сильно ухудшить их аэродинамические характеристики, не получив при этом улучшения эксплуатационных качеств двигателя (т.е. в вопросе регулирования расхода сопла между двумя рабочими точками турбомашины).

Раскрытие изобретения

Таким образом, задача настоящего изобретение состоит в устранении вышеуказанных недостатков и в разработке особой геометрической формы сопла сужающегося-расширающегося типа, которая позволит улучшить его аэродинамические характеристики, сохранив при этом его эксплуатационные качества.

Данная задача решается сужающимся-расширающимся соплом турбомашины, которое содержит кольцевой центральный конструктивный элемент и кольцевой кожух, коаксиально размещенный вокруг центрального конструктивного элемента для ограничения вместе с ним кольцевого канала истечения потока газов, поступающих из турбомашины, и в котором, согласно изобретению, между критическим сечением сопла и сечением истечения из сопла центральный конструктивный элемент и кожух имеют, в продольном сечении, внутренние профили, смоделированные при помощи кривых линий, соответствующие радиусы кривизны которых идентичны в абсолютной величине.

Заявителем было обнаружено, что по сравнению с сужающимся-расширающимся соплом на базе достигнутого уровня техники идентичные радиусы кривизны (в абсолютных величинах) между кривыми линиями, моделирующими соответствующие внутренние профили центрального конструктивного элемента (которым может быть, например, первичный кожух двухконтурного турбореактивного двигателя) и кожуха сопла (которым может быть, например, вторичный кожух двухконтурного турбореактивного двигателя), приводят к значительному улучшению аэродинамических характеристик сопла и эксплуатационных качеств двигателя.

Предпочтительно, в продольном сечении соответствующие внутренние профили центрального конструктивного элемента и кожуха симметричны относительно оси симметрии.

В этом случае ось симметрии может быть наклонена относительно продольной оси турбомашины и образовывать с ней угол, составляющий от 5° до 20°.

Задача изобретения также решается двухконтурным турбореактивным двигателем, содержащим сужающееся-расширающееся сопло, которое было определено ранее.

Задача изобретения также решается турбовинтовым двигателем, содержащим сужающееся-расширающееся сопло, которое было определено ранее.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения представлены в нижеследующем описании, приводимым со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображен вариант практического осуществления, не имеющий ограничительного характера:

- фиг. 1 представляет собой схематический вид в продольном сечении половины детали двухконтурного турбореактивного двигателя, содержащего сопло согласно изобретению;

- фиг. 2А представляет собой увеличенный вид фиг. 1, изображающий соответствующие внутренние профили конструктивных элементов сопла, представленного на фиг. 1, и

- фиг. 2В изображает пример практического осуществления соответствующих внутренних профилей сопла, представленного на фиг. 2A.

Подробное описание изобретения

Изобретение применяется к любому соплу сужающегося-расширающегося типа, которым оснащена турбомашина, в частности двухконтурный турбореактивный двигатель 10, изображенный на фиг. 1.

На данной фиг. 1 двухконтурный турбореактивный двигатель 10 имеет продольную ось 12 и состоит из газотурбинного двигателя 14 и кольцевой гондолы 16, центрированной по оси 12 и концентрично размещенной вокруг двигателя.

Если следовать от передней части назад по направлению движения потока воздуха через турбомашину, то двигатель 14 содержит воздухозаборник 18, нагнетательный вентилятор 20, компрессор низкого давления 22, компрессор высокого давления 24, камеру сгорания 26, турбину высокого давления 28 и турбину низкого давления 30, причем каждый из этих конструктивных элементов расположен согласно продольной оси 12.

Сопло 32 истечения газов, образованных в такой турбомашине, состоит из кольцевого центрального тела 34, центрированного по продольной оси 12 турбореактивного двигателя, кольцевого первичного кожуха 36, коаксиально размещенного вокруг центрального тела для ограничения вместе с ним первичного кольцевого канала 38, и кольцевого вторичного кожуха 40, коаксиально размещенного вокруг первичного кожуха для ограничения вместе с ним вторичного кольцевого канала 42, коаксиально расположенного относительно первичного канала (согласно примеру практического осуществления, представленному на фиг. 1; причем гондола 16 турбореактивного двигателя и вторичный кожух 40 сопла выполнены как единый целый конструктивный элемент).

Сопло 32 относится к сужающемуся-расширающемуся типу, т.е. оно имеет поперечное сечение первичного канала 38 и/или вторичного канала 42, которое сужается к задней части для того, чтобы расшириться в самой ее задней крайней точке. Согласно примеру, изображенному на фиг. 1 и 2, речь идет о вторичном канале 42, который имеет поперечное сечение, сужающееся к задней части для того, чтобы расшириться в самой ее задней крайней точке.

Кроме того, далее в описании критическое сечение 44 определено как минимальное поперечное сечение вторичного канала 42 по всей длине сопла. Аналогично, сечение истечения 46 определено как поперечное сечение вторичного канала, которое находится в самой задней точке сопла.

Согласно изобретению, между критическим сечением 44 и сечением истечения 46 сопла соответствующие внутренние профили первичного кожуха 35 и вторичного кожуха 40 имеют в продольном сечении внутренние профили, смоделированные при помощи кривых линий C₃₆, С₄₀, соответствующие радиусы кривизны γ₃₆, γ₄₀ которых идентичны в абсолютной величине.

Фиг. 2A более детально изображает сопло в разрезе, выполненном в продольной плоскости (т.е. в плоскости, в которой расположена продольная ось турбореактивного двигателя).

Как показано на данной фиг. 2A, первичный кожух 36 имеет внутренний профиль, который может быть смоделирован между критическим сечением 44 и сечением истечения сопла посредством кривой линии C₃₆, способной принимать в ортонормированном положении форму уравнения типа γ(x). Аналогичная ситуация сложилась и для кривой линии C₄₀, моделирующей внутренний профиль вторичного кожуха 40.

Соответствующие радиусы кривизны γ₃₆ и γ₄₀ кривых линий, изображающих в продольном сечении внутренние профили первичного кожуха и вторичного кожуха на их участках, расположенных между критическим сечением и сечением истечения, образуются методом аппроксимации производной второго порядка ординаты y данных кривых линий C₃₆, С₄₀ относительно осевого положения вдоль данной кривой линии или:

Согласно изобретению, данные радиусы кривизны γ₃₆ и γ₄₀ идентичны в абсолютной величине (один является положительным, а другой - отрицательным).

На фиг. 2B изображен пример практического осуществления соответствующих внутренних профилей первичного и вторичного кожухов сопла, представленного на фиг. 2A, с соблюдением условий идентичности их соответствующих радиусов кривизны γ₃₆ и γ₄₀.

Вначале в продольной плоскости проводится прямая линия D, образующая угол α с продольной осью 12 турбореактивного двигателя, причем данный угол α является конструктивным параметром. Например, угол α составляет от 75° до 80°.

Пересечение прямой линии D с внутренней обшивкой первичного кожуха 36 образует точку A. Расположенная на прямой линии D окружность Ω с центром O затем чертится таким образом, чтобы граничить с внутренней обшивкой первичного кожуха 36 (проходя, таким образом, через точку A). Диаметр данной окружности, а также угол α подбираются в зависимости от уширения сопла, необходимого для обеспечения эксплуатационных качеств двигателя (под термином «уширение» понимается соотношение между критическим сечением и сечением истечения сопла). Точкой, симметричной точке A относительно точки O, является точка B, расположенная на окружности.

Таким образом, проведена ось симметрии Δ; причем данная ось перпендикулярна прямой линии D и проходит через точку O. Таким образом, начертан симметричный элемент внутреннего профиля C₃₆ первичного кожуха 36 относительно данной оси симметрии для образования внутреннего профиля C₄₀ вторичного кожуха. Предпочтительно, существует, таким образом, симметрия (в продольном сечении) соответствующих внутренних профилей первичного кожуха и вторичного кожуха.

Кроме того, с углом α, составляющим от 75° до 80°, ось симметрии Δ образует угол, составляющий от 5° до 20°, с продольной осью 12 турбомашины.

После изображения, таким образом, внутренних профилей первичного и вторичного кожухов в продольной плоскости, показанной на фиг. 2B, производится полный оборот вокруг продольной оси 12 турбореактивного двигателя для образования таких же профилей на 360°.

Согласно примеру, описание которого приведено ранее, сопло относится к сужающемуся-расширающемуся типу на уровне вторичного канала. Безусловно, оно могло бы быть, в качестве альтернативного варианта, на уровне первичного канала, причем в этом случае условие идентичности кривых линий применялось бы к профилям центрального тела и расположенного против него первичного кожуха.

Сужающееся-расширяющееся сопло турбомашины содержит кольцевой центральный конструктивный элемент и кольцевой кожух, коаксиально размещенный вокруг центрального конструктивного элемента таким образом, чтобы ограничивать вместе с ним кольцевой канал потока газов двигателя. Между критическим сечением сопла и сечением истечения сопла наружный профиль центрального конструктивного элемента и внутренний профиль кожуха сформированы, в продольном сечении, посредством кривых линий, радиусы кривизны которых имеют значение производной второго порядка функции y(x), определяющей форму указанных кривых линий, относительно осевого положения вдоль соответствующей кривой линии. Соответствующие радиусы кривизны кривых линий идентичны по абсолютной величине. Другие изобретения группы относятся к двухконтурному турбореактивному двигателю и турбовинтовому двигателю, содержащему указанное выше сопло. Группа изобретений позволяет повысить аэродинамические характеристики сопла. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Сужающееся-расширяющееся сопло турбомашины, содержащее кольцевой центральный конструктивный элемент (36) и кольцевой кожух (40), коаксиально размещенный вокруг центрального конструктивного элемента таким образом, чтобы ограничивать вместе с ним кольцевой канал (42) потока газов двигателя, причем между критическим сечением (44) сопла и сечением истечения (46) сопла наружный профиль центрального конструктивного элемента и внутренний профиль кожуха сформированы, в продольном сечении, посредством кривых линий (С₃₆, С₄₀), радиусы кривизны (γ36, γ40) которых имеют значение производной второго порядка функции y(x), определяющей форму указанных кривых линий (С₃₆, С₄₀), относительно осевого положения (x) вдоль соответствующей кривой линии, причем соответствующие радиусы кривизны (γ36, γ40) кривых линий (С₃₆, С₄₀) идентичны по абсолютной величине.

2. Сопло по п. 1, в котором, в продольном сечении, соответствующие внутренние профили центрального конструктивного элемента и кожуха симметричны относительно оси симметрии.

3. Сопло по п. 2, в котором ось симметрии наклонена относительно продольной оси (12) турбомашины и образует с ней угол, составляющий от 5° до 20°.

4. Двухконтурный турбореактивный двигатель, содержащий сужающееся-расширяющееся сопло по любому из пп. 1-3.

5. Турбовинтовой двигатель, содержащий сужающееся-расширяющееся сопло по любому из пп. 1-3.