ВЫХОДНОЕ УСТРОЙСТВО ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2023 года по МПК B64D33/04 F02K1/04 F02K1/12 F02K1/46 F02K1/52 

Изобретение относится к авиации, в частности к выходным устройствам турбореактивных двигателей летательных аппаратов, выполненных с возможностью снижения уровня создаваемого акустического шума.

Осуществление крейсерского полета сверхзвуковых пассажирских самолетов (СПС) возможно с использованием турбореактивных двухконтурных двигателей низкой степени двухконтурности (m<2), что приводит к высокой скорости истечения струи и, как следствие, высокому уровню акустического излучения на режимах взлета-посадки. Однако нормативная база, регламентирующая уровень шума на местности для СПС, находится в процессе разработки и на сегодняшний день отсутствует.

Одним из основных требований к двигателям СПС является низкий уровень шума на местности при взлете и посадке. Для реализации данного требования необходимо проектировать двигатель, имеющий низкую скорость истечения реактивного потока его выходного устройства (но при этом достаточную для обеспечения необходимой тяги на данном режиме).

Снижение скорости истечения может быть достигнуто, например, посредством конструкции выходного устройства из ТРД.

Известно выхлопное сопло воздушно-реактивного двигателя, в котором содержится корпус, состоящий из дозвуковой части, сужающейся в поперечном сечении полости сопла и имеющей в выходном сечении прямоугольную форму, и сверхзвуковой части с увеличивающейся по потоку газа площадью прямоугольного поперечного сечения полости сопла, состыкованного с дозвуковой частью в выходном ее сечении и имеющей верхнюю, нижнюю и вертикальные стенки и поворотные створки, шарнирно закреплены на верхней и нижней стенках корпуса с осями шарниров, расположенными в плоскостях этих стенок, для изменения направления потока газа и площади проходного сечения полости сверхзвуковой части сопла, отличающееся тем, что верхняя и нижняя стенки сверхзвуковой части установлены под углом к оси сопла и снабжены вырезами, в каждом из которых размещена каждая из поворотных створок, каждая поворотная створка снабжена двумя вертикальными перегородками, расположенными на боковых кромках створок со стороны, противоположной полости сопла, и сопряженными с боковыми кромками перемычек между вырезами в стенках, причем вырезы в верхней и нижней стенках выполнены в шахматном порядке и по ширине равны ширине перемычек между ними (Патент на полезную модель RU №156534 U1, МПК F02K 1/12; опубл. 10. 11.2015).

На режиме взлета и посадки соседние створки верхнего ряда, синхронно со створками нижнего ряда, отклоняются в шахматном порядке (в противоположные стороны). Отклоняемые створки верхнего и нижнего рядов выполнены с боковыми продольными перегородками, что препятствует боковому перетеканию наружного воздуха под створку в область разрежения, ухудшающего смешение высоконапорной струи с наружным воздухом и, как следствие, эффективность шумоглушения. На режиме крейсерского полета все створки верхнего и нижнего рядов отклонены на одинаковые углы, создавая оптимальную степень расширения струи. Верхняя и нижняя стенки выходной части установлены под углом к оси сопла и снабжены вырезами, в каждом из которых размещена одна из поворотных створок, каждая поворотная створка снабжена двумя вертикальными перегородками, расположенными на боковых кромках створок со стороны, противоположной полости сопла, и сопряженными с боковыми кромками перемычек между вырезами в стенках, причем вырезы в верхней и нижней стенках выполнены в шахматном порядке и по ширине равны ширине перемычек между ними. Такое исполнение выхлопного сопла позволяет уменьшить тепловую напряженность деталей сопла, в частности вертикальных стенок, разделяющих выходное сечение сопла на отдельные секции, поскольку все детали сопла на всех режимах работы эффективно охлаждаются встречным потоком воздуха.

Недостатками этого решения являются выступающие во внешнюю область сопла боковые перегородки, приводящие к увеличению аэродинамического сопротивления, а также отсутствие экранирования зоны смешения высоконапорной струи, являющейся основным источником шума на режимах взлета/посадки.

Известно шумоглушащее сопло воздушно-реактивного двигателя, содержащее дозвуковую и сверхзвуковую части с прямоугольной формой критического сечения сопла, расположенные в сверхзвуковой части верхние и нижние ряды отклоняемых по управляющему сигналу шумоглушения створок, отличающееся тем, что сверхзвуковая часть сопла продлена по потоку посредством нижней и боковых стенок с увеличением по потоку площади поперечного сечения, а также дополнительно содержит эжектор подачи наружного воздуха в сверхзвуковую часть сопла через выходные отверстия под нижним рядом створок (Патент на изобретение RU №2732360; МПК: F02K 1/00, F02K 1/06, F02K 1/12, F02K 1/36, F02K 1/46; опубл. 15.09.2020).

В известном сопле управление створками осуществляется в автоматическом режиме системой управления, которая на режимах, требующих шумоглушения (взлет-посадка), подает управляющий сигнал шумоглушения, в соответствии с которым створки устанавливаются в требуемое положение, при этом разница углов отклонения соседних створок верхнего ряда составляет 5...20°, а отклонение происходит синхронно с расположенными под ними створками нижнего ряда.

Недостатком сопла является то, что оно представляет собой сопло одностороннего расширения, что приведет к созданию крутящего момента в продольном направлении и неизбежно усложнит управление летательным аппаратом, кроме того, поскольку нижняя и боковые стенки сопла существуют и на сверхзвуковом режиме полета, это создаст дополнительное сопротивление.

Прототипом изобретения является Выходное устройство используемое для снижения шума реактивного двигателя, содержащее обечайку, пристыковываемую к кормовой части обтекателя ТРД, выполненную с возможностью осевого перемещения, и внутреннее сопло, содержащее входной срез, жестко закрепляемый к корпусу ТРД в месте выхода реактивного потока, выходной срез, расположенный относительно входного по ходу потока и корпус внутреннего сопла, расположенного между ними (Патентный документ US 2002092948 (А1); МПК B64D 33/02, F02K 1/46, B64D 29/00; опубл. 18. 07. 2002).

В случае необходимости снижения уровня шума, создаваемого ТРД, обечайка перемещается в осевом направлении, образуя щель между ней и обтекателем, при этом эжектируемый через нее внешний воздух, смешивается с потоком газовоздушной смеси, исходящей из внешнего среза внутреннего сопла, уменьшая скорость потока и, тем самым, уменьшая уровень создаваемого акустического шума.

Недостатком прототипа является то, что при режимах движения по аэродрому, взлет или посадка, из-за небольшой скорости самолета, количество эжектированного воздуха будет не велико, что не позволит снизить скорость газовоздушной смеси из внешнего среза внутреннего сопла и глушение уровня создаваемого акустического шума будет недостаточным.

Технической задачей, решаемой при создании изобретения, являлось создание выходного устройства реактивного потока из ТРД, обеспечивающего возможность снижения создаваемого двигателем уровня акустического шума при соответствующих требованиях к режиму его работы.

Решением задачи является техническое решение, представляющее сущность изобретения: выходное устройство для турбореактивного двигателя (ТРД), содержащее обечайку, пристыковываемую к кормовой части обтекателя ТРД, выполненную с возможностью осевого перемещения, и внутреннее сопло, содержащее входной срез, жестко закрепляемый к корпусу ТРД в месте выхода реактивного потока, выходной срез, расположенный относительно входного по ходу потока, и корпус внутреннего сопла, расположенного между ними, при этом корпус внутреннего сопла выполнен из сегментов, сомкнутых друг к другу боковыми поверхностями, с возможностью перемещения всех или части этих сегментов для образования щелей между смежными боковыми поверхностями соответственно.

Техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения является возможность снижение создаваемого двигателем уровня акустического шума при соответствующим требовании к режиму его работы.

В частных случаях исполнения:

- для оптимизации кинематической схемы при образовании щелей, внутреннее сопло может быть выполнено с возможностью радиального перемещения торцов подвижных сегментов, расположенных у выходного среза, относительно оси внутреннего сопла;

- для повышения жесткости конструкции, в случае возможности перемещения части из сегментов корпуса, торцы не перемещаемых сегментов корпуса внутреннего сопла, расположенных у выходного среза, могут быть жестко связаны друг с другом;

- для ускорения скорости потока из выходного среза сопла, при крейсерском режиме работы ТРД, площадь входного среза внутреннего сопла может быть больше площади выходного среза, при этом, для оптимизации технологичности выполнения конструкции, корпус внутреннего сопла может быть выполнен в виде усеченного конуса;

- для формирования направления вектора смешанного реактивного потока при перемещении обечайки в крайнее положение, выходной срез обечайки может быть расположен дальше по течению реактивного потока, чем выходной срез внутреннего сопла.

При раскрытии сущности изобретения используются следующие графические материалы:

Фиг. 1 - Фрагмент ТРД с установленным выходным устройством при режиме крейсерского полета, изометрическое изображение (частный случай исполнения внутреннего сопла в виде усеченного конуса);

Фиг. 2 - Фрагмент ТРД с установленным выходным устройством при работе ТРД в режиме снижения уровня создаваемого акустического шума, изометрическое изображение (частный случай исполнения внутреннего сопла в виде усеченного конуса и возможностью перемещения всех сегментов);

Фиг. 3 - Фрагмент ТРД с установленным выходным устройством при работе ТРД в режиме снижения уровня создаваемого акустического шума, изометрическое изображение (частный случай исполнения внутреннего сопла в виде усеченного конуса и возможностью перемещения части сегментов);

Фиг. 4 - Осевое сечение Фиг. 1 - схема образования реактивной струи ТРД при работе выходного устройства в штатном режиме крейсерского полета;

Фиг. 5 - Осевое сечение Фиг. 2 или Фиг. 3 - схема образования реактивной струи ТРД при работе выходного устройства в режиме снижения уровня создаваемого акустического шума.

Изобретение относится ко всем видам турбореактивных двигателей (ТРД), в которых в процессе работы создается реактивный поток, являющийся движителем транспортного средства, в том числе к двухконтурным и т.п.

Выходное устройство турбореактивного двигателя содержит обечайку 1 и внутреннее сопло 2 (Фиг. 1-3).

Обечайка 1 пристыковывается к кормовой части 15 обтекателя 16, например гондолы, ТРД 14 по потоку 18 реактивной струи из ТРД (Фиг. 1).

Пристыковка осуществляется с возможностью осевого прямолинейного перемещения обечайки 1, по оси потока реактивной струи 18, относительно обтекателя 16 с образованием щели 19 между торцом обечайки и кормовой частью 15 обтекателя соответственно.

Перемещение обечайки может быть осуществлено с помощью управляемого механизма 20 с электро-, пневмо- или гидроприводом, закрепленного на корпусах обтекателя 16 и обечайки 1.

Внутреннее сопло 2, содержит входной срез 3 и выходной срез 4. Срезы представляют собой контуры корпуса сопла по его отверстиям, через которые реактивный поток (реактивная струя) из ТРД входит во внутреннее сопло и, преобразованный, выходит из него в виде реактивной струи при работе ТРД в штатном режиме крейсерского полета.

При монтаже, входной срез 3 жестко закрепляется к корпусу ТРД 14, например болтовыми соединениями, в месте выхода 17 реактивного потока 18 из ТРД, а выходной срез 4 располагается по ходу потока относительно входного.

Между входным срезом 3 и выходным срезом 4 расположен корпус 5 внутреннего сопла.

Корпус внутреннего сопла 5 выполнен из сегментов 6, Сегменты сомкнуты друг к другу боковыми поверхностями 7. При этом обеспечивается возможность перемещения всех или части этих сегментов с образованием щелей 8 между смежными боковыми поверхностями 7, соответственно. Перемещение подвижных сегментов может быть осуществлено посредством их шарнирного соединения с ТРД с помощью управляемых механизмов 21 с электро-, пневмо- или гидроприводом, закрепленных на внешних поверхностях этих сегментов 16 и корпусе ТРД.

Для оптимизации кинематической схемы при образовании щелей, внутреннее сопло может быть выполнено с возможностью радиального перемещения торцов 11 подвижных сегментов 6, расположенных у выходного среза 4, относительно оси 10 внутреннего сопла.

Для повышения жесткости конструкции, в случае возможности перемещения части из сегментов 6 корпуса 5, торцы 12 не перемещаемых сегментов 6 корпуса 5 внутреннего сопла 2, расположенных у выходного среза 4, могут быть жестко связаны друг с другом 12, например, жестко закрепленным на них ободом 13 (Фиг. 3).

Выходное устройство работает следующим образом.

При штатном - крейсерском режиме работы ТРД обечайка 1 пристыкована к кормовой части 15 обтекателя 16 ТРД, образуя с ним целостную (без щели) внешнюю поверхность, сегменты 6 внутреннего сопла 2, сомкнуты друг с другом смежными боковыми поверхностями 7, образуя целостную (без щелей) поверхность бокового корпуса 5.

Реактивный поток 18 поступает из ТРД во входной срез 3 внутреннего сопла, проходит внутри полости 23 ограниченной сомкнутыми сегментами 6 выходя из выходного среза 4, при его обтекании среза внутреннего сопла - расширяется в области 24, в областях прилегающих к его контуру и смешивается с воздухом 25 из эжекторного контура 9 образованного внешней поверхностью ТРД и смежной поверхностью обтекателя. При смешении потоков образуется «жидкая стенка» и наступает автомодельный режим течения сопла. (Фиг. 4). В результате образуется свободная струя, которая присоединяется к обечайке. Вследствие вязкости на границе свободной струи развивается турбулентный слой смешения 26, в который вовлекается некоторое количество эжекторного воздуха из рециркуляционной зоны 27. В этой зоне и на большей части поверхности свободной струи устанавливается всюду одинаковое давление. Лишь в области присоединения потока к обечайке создается местное увеличение статического давления, вызванное сжатием газа в скачке уплотнения. Для уменьшения потерь, связанных с турбулентным слоем смешения 26 и со скачком уплотнения, увеличивают подачу эжекторного воздуха 25 и подбирают оптимальную длину обечайки, чтобы место присоединения потока к обечайке было максимально близко к ее выходному срезу 22, а также, для уменьшения интенсивности скачка, так как в ином случае будут увеличенные потери из-за нарастания пограничного слоя и потерь в дополнительных скачках уплотнения. После среза обечайки смешанный поток истекает наружу в виде реактивной струи 28.

Для ускорения скорости реактивного потока из выходного среза 4 внутреннего сопла, при крейсерском режиме работы ТРД, площадь входного среза 3 внутреннего 2 сопла может быть больше площади выходного среза 4.

Так же, с учетом оптимизации технологичности выполнения конструкции корпуса внутреннего сопла 2, может быть выполнен в виде усеченного конуса (при сомкнутых сегментах 6 соответственно (Фиг. 1).

В случае необходимости снижения уровня создаваемого ТРД акустического шума, обечайка 1 перемещается относительно кормовой части 15 обтекателя 16 ВРД, в крайнее положение, образуя щель 19 между торцом обечайки и кормовой частью 15 обтекателя (Фиг. 2, 3).

Сегменты 6 внутреннего сопла 2, перемещаясь, размыкаются, в результате чего образуются щели 8 между смежными боковыми поверхностями 7 соответственно.

Наличие разрыва контура приводит к возникновению трех различных режимов течения в эжектронных соплах, определяемых величиной степени понижения давления в сопле π_С. В начале образуется отрывной режим, когда границы реактивной струи, истекающей из внутреннего контура, находятся достаточно далеко от внутренней поверхности обечайки. На этом режиме относительное давление в эжекторном контуре сопла и потери тяги достаточно слабо изменяются при изменении π_С. На этом режиме эжекторный контур сообщается с окружающей средой (атмосферой). Конец отрывного режима и начало переходного режима сопровождается началом резкого снижения давления в эжекторном контуре и ростом потерь тяги. При этом максимальное падение давления и пик потерь тяги соответствует моменту касания слоя смешения реактивной струи кромки обечайки. Этот момент характеризует конец переходного и начало автомодельного режима и называется моментном запуска сопла. В зависимости от геометрии переходный режим может иметь место в очень узком диапазоне изменения π_С. При дальнейшем увеличении π_С наступает автомодельный режим течения, когда давление в эжекторном контуре перестает зависеть от давления окружающей среды. Потери тяги при этом изменяются также, как и потери обычных сверхзвуковых сопел с жестким контуром, то есть соответствуют режимам перерасширения, расчетному и недорасширения.

Реактивный поток 18 поступает из двигателя во входной срез 3 внутреннего сопла, происходит разделение основного потока за счет открытых щелей, подсос воздуха из внешней атмосферы 29 за счет отодвинутой обечайки. Из-за разбиения основного потока и смешения его с внешним воздухом в области 30 между входным срезом сопла 3 и торцами сегментов происходит снижение скорости реактивной струи (Фиг. 5).

Многочисленные струи основного газового потока от двигателя втягивают поток эжектируемого воздуха под обечайку и интенсивно смешиваются с ним, выравнивая поступательный импульс, после чего смешанный поток реактивной струи 31 истекает через срез обечайки со сниженной скоростью.

Для формирования направления вектора смешанного потока при перемещении обечайки 1 в крайнее положение, выходной срез 22 обечайки 1 может быть расположен дальше по течению реактивного потока, чем выходной срез 4 внутреннего сопла (учитывая, что при любых перемещениях сегментов, их торцы не выходят за контур, ограниченный выходным срезом в сомкнутом положении).

При разных температурах вторичного (эжектируемого) 29 и первичного (основного) 18 потоков, необходимо равенство отношения приведенных расходов воздуха, что оценивается по формуле

где:

индекс «2» - контур эжектируемого воздуха;

индекс «1» - основной поток;

- коэффициент эжекции;

- приведенный коэффициент эжекции;

- относительное полное давление во вторичном потоке.

Акустическая мощность струи W в соответствии с теорией Лайтхилла производится по газодинамическим и геометрическим параметрам струи в выходном сечении реактивного сопла.

Наилучшее совпадение расчетных данных с экспериментальными для холодных и горячих струй наблюдается при вычислении W по формуле 1:

где - коэффициент пропорциональности, который равен:

- скорость и плотность струи в выходном сечении сопла;

- скорость полета;

- площадь выходного сечения сопла;

- скорость звука в окружающей среде.

Как видно из формулы акустической мощности струи, со снижением скорости истечения из сопла данная мощность падает.

Максимальный уровень шума, создаваемый двигателями самолета в статических условиях или при его разбеге, определяется зависимостью:

где - излучаемая одним двигателем акустическая мощность, Вт;

- расстояние от точки прослушивания до самолета в направлении максимального излучения;

- коэффициент, учитывающий поверхность распространения шума;

- фактор направленности;

- коэффициент, учитывающий дополнительное ослабление шума по суммарному уровню, при его распространении вдоль земной поверхности;

- коэффициент, учитывающий количество и взаимное расположение двигателей на самолете.

Ранее было сказано, что со снижением скорости истечения из сопла падает акустическая мощность. Как видно из формулы выше, с падением акустической мощности падает максимальный уровень шума, создаваемый при работе выходного устройства в режиме снижения уровня создаваемого ТРД акустического шума.

Таким образом, обеспечивается достижение технического результата - возможность снижения создаваемого двигателем уровня акустического шума при соответствующем требовании к режиму его работы, например, при движении по аэродрому, взлете или посадке.

Изобретение относится к турбореактивным двигателям летательных аппаратов. Выходное устройство турбореактивного двигателя (ТРД) (14) летательного аппарата содержит обечайку (1), пристыковываемую к кормовой части (15) обтекателя (16) ТРД, выполненную с возможностью осевого перемещения, и внутреннее сопло (2). Внутреннее сопло (2) содержит входной срез (3), жестко закрепляемый к корпусу ТРД (14) в месте выхода (17) реактивного потока (18), выходной срез (4) и корпус (5) внутреннего сопла, расположенного между ними. Корпус внутреннего сопла (5) выполнен из сегментов (6), сомкнутых друг к другу боковыми поверхностями (7). Все или часть из сегментов (6) выполнены с возможностью перемещения до образования щелей (8) между смежными боковыми поверхностями (7). Достигается возможность снижения создаваемого двигателем уровня акустического шума при соответствующем требовании к режиму его работы. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Выходное устройство турбореактивного двигателя (ТРД) содержит обечайку, пристыковываемую к кормовой части обтекателя ТРД, выполненную с возможностью осевого перемещения, и внутреннее сопло, содержащее входной срез, жестко закрепляемый к корпусу ТРД в месте выхода реактивного потока, выходной срез и корпус внутреннего сопла, расположенного между ними, отличающееся тем, что корпус внутреннего сопла выполнен из сегментов, сомкнутых друг к другу боковыми поверхностями, с возможностью перемещения всех или части этих сегментов для образования щелей между смежными боковыми поверхностями соответственно.

2. Выходное устройство ТРД по п. 1, в котором обеспечивается возможность радиального перемещения относительно оси внутреннего сопла торцов подвижных сегментов корпуса внутреннего сопла, расположенных у выходного среза.

3. Выходное устройство ТРД по п. 1 или 2, в котором, в случае возможности перемещения части из сегментов корпуса, торцы не перемещаемых сегментов корпуса внутреннего сопла, расположенных у выходного среза, жестко связаны друг с другом.

4. Выходное устройство ТРД по п. 1, в котором площадь входного среза внутреннего сопла больше площади выходного среза.

5. Выходное устройство ТРД по п. 4, в котором корпус внутреннего сопла выполнен в виде усеченного конуса.

6. Выходное устройство ТРД по п. 1, в котором при перемещении обечайки в крайнее положение, выходной срез обечайки расположен дальше по течению реактивного потока, чем выходной срез внутреннего сопла.