Регулируемое шумоглушащее сопло сверхзвукового пассажирского самолета Российский патент 2023 года по МПК F02K1/34 

Изобретение относится к авиационной технике, а именно к конструкциии регулируемого шумоглушащего сопла сверхзвукового пассажирского самолета, и может быть использовано при производстве плоских выходных устройств турбореактивного двигателя, предназначенных для длительной работы в сверхзвуковом режиме полета пассажирского самолета.

Проблема создания эффективной силовой установки для сверхзвукового летательного аппарата связана как с задачей минимизации потерь тяги сопла, так и с минимизацией внешнего сопротивления на сверхзвуковых режимах полета. Для сверхзвукового пассажирского самолета добавляется задача минимизации шума сопла в районе аэропорта. Сопротивление компоновки на сверхзвуке в первую очередь определяется характером изменения вытесняемой площади по ее длине, и корма с выходным устройством вносит в него существенный вклад. Одной из особенностей, приводящей к этому является сильное изменение площади, занимаемой полностью расширенной струей, при переходе от трансзвукового разгона к крейсерскому сверхзвуковому полету. Так при крейсерском числе Маха 1.8 и двигателе степени двухконтурности порядка 2.5 площадь струи крейсерского режима более чем на половину площади критического сечения сопла превосходит площадь струи трансзвукового режима. Механическое регулирование среза сопла путем изменения угла внутренней образующей приводит к увеличению угла внешней образующей и соответственно к росту внешнего сопротивления. Роль этого сопротивления растет с ростом двухконтурности двигателя и его относительных размеров. Известными подходами к этой проблеме являются сопла с аэродинамическим регулированием, в частности сопла с центральным телом и сопла с эжектором. Описываемое регулируемое сопло, как и ряд аналогов, сочетает в себе свойства плоского сопла с центральным телом и эжекторного сопла.

Известно регулируемое шумоглушащее сопло газотурбинного двигателя, содержащее боковые и верхнюю и нижнюю удлиненную стенки, включающее образующие выпукло-вогнутую трактовую поверхность сопла канал основного контура, образованный верхней и боковыми стенками сопла и разделителем потоков, канал вторичного контура, расположенный ниже относительно канала основного контура, и верхний и нижний дополнительные каналы, причем каналы вторичного контура и дополнительные каналы сообщены на выходе с каналом основного контура (патент RU 2686535, 2019 г.). В известном техническом решении верхняя стенка канала основного контура и соответствующая стенка верхнего дополнительного канала включают соответствующие поворотные створки, шарнирно закрепленные на верхней кромке выходного сечения сопла с возможностью взаимодействия соответствующих свободных кромок между собой для создания и регулирования щелевой полости между ними, а нижний дополнительный канал включает промежуточное тело с профилированной поверхностью, установленное с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения. В режиме взлета и посадки поворотная створка верхнего дополнительного канала и промежуточное тело нижнего дополнительного канала обеспечивают организацию акустического экрана потока воздуха канала основного контура. В крейсерском и трансзвуковом режимах полета промежуточное тело перекрывает нижний дополнительный канал, а положение поворотной створки верхнего дополнительного канала обеспечивает сброс воздуха. Снижение потерь тяги сопла обеспечивается положением поворотной створки верхней стенки канала основного контура. Такое выполнение каналов основного и вторичного контуров приводит к увеличению суммарной высоты взаимодействующих кромок и щелевой полости при относительно большом угле задней кромки, что в свою очередь сопровождается снижением коэффициента тяги и ростом внешнего сопротивления на крейсерском, и особенно на трансзвуковом режимах. При этом интенсификация смешения потоков с подводом потока через верхний канал вторичного контура слабо повлияет на шум, распространяющийся вниз и вбок от сопла. На режиме взлета - посадки расположение промежуточного тела вблизи задней кромки сопла не обеспечивает достаточного уровня снижения шума, излучаемого вниз.

Известно регулируемое шумоглушащее сопло воздушно-реактивного двигателя, содержащее боковые, верхнюю и нижнюю удлиненную стенки, образующие выпукло-вогнутую трактовую поверхность канала основного контура, и эжектор, выполненный в виде дополнительного канала, сообщенного с выходом канала основного контура, и включающего установленные на входе и выходе с возможностью поворота соответствующие створки (патент RU 2732360, 2020 г.). В известном техническом решении регулирование смешения потоков воздуха осуществляется путем изменения угла наклона рядов отклоняемых створок, расположенных на нижней удлиненной стенке канала основного контура. В результате множество отдельных створок при крейсерском режиме полета определяет большую длину линий их примыкания к стенкам канала основного контура, через которые неизбежны утечки. Регулирование площади среза выходного сечения канала основного контура от режима дозвукового полета до крейсерского режима происходит за счет поворота верхнего ряда створок на одинаковый оптимальный угол, что приводит к росту угла их внешних образующих и росту внешнего сопротивления. Аналогично известному техническому решению, указанному выше, выполнение верхнего ряда створок поворотными, определяет их значительную толщину при большом угле по задней кромке, что также отрицательно влияет на коэффициент тяги и внешнее сопротивление.

Наиболее близким по технической сущности и назначению является регулируемое шумоглушащее сопло сверхзвукового самолета, содержащее, боковые и верхнюю стенки, и нижнюю удлиненную стенку с поворотной створкой, ось вращения которой совмещена с задней кромкой створки и закреплена на выходе сопла, включающее образующие выпукло - вогнутую трактовую поверхность сопла канал основного контура, образованный верхней и боковыми стенками сопла и разделителем потоков, канал вторичного контура, расположенный ниже относительно канала основного контура, и дополнительный канал, причем канал вторичного контура и дополнительный канал сообщены на выходе с каналом основного контура (патент RU 2603945, 2015 г.) В известном техническом решении разделитель потоков выполнен в виде поворотной створки, ось которой размещена на входе канала основного контура, а подвижная кромка расположена с возможностью взаимодействия с обращенной к ней передней кромкой поворотной створки нижней удлиненной стенки с образованием между ними щелевого зазора, высота которого регулируется в зависимости от режима полета. При этом в известном техническом решении существует необходимость размещения начала зоны смешения основного потока со вторичным на всех режимах полета на значительном расстоянии вниз по потоку от критического сечения сопла. Кроме того, известное техническое решение не обеспечивает возможность эжекции внешнего воздуха для шумоглушения в режимах взлета - посадки.

Таким образом, общим существенным недостатком известных технических решений, указанных выше, является низкая эффективность работы на различных режимах полета.

Техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в расширении арсенала технических средств, а именно в создании регулируемого шумоглушащего сопла сверхзвукового пассажирского самолета, обеспечивающего эффективность работы на различных режимах полета.

Технический результат, достигаемый при реализации настоящего изобретения, заключается в реализации его назначения, т.е. в создании регулируемого шумоглушащего сопла сверхзвукового пассажирского самолета, обеспечивающего эффективность работы на различных режимах полета путем повышения тяговых характеристик сопла и уровня шумоглушения за счет регулирования площади струи перенаправлением потока вторичного воздуха и эжекции внешнего потока на режиме взлет-посадка.

Заявленный технический результат достигается тем, что в регулируемом шумоглушащем сопле сверхзвукового пассажирского самолета, содержащем боковые и верхнюю стенки, и нижнюю удлиненную стенку с поворотной створкой, ось вращения которой совмещена с задней кромкой створки и закреплена на выходе сопла, включающем образующие выпукло-вогнутую трактовую поверхность сопла канал основного контура, образованный верхней и боковыми стенками сопла и разделителем потоков, канал вторичного контура, расположенный ниже относительно канала основного контура, и дополнительный канал, причем канал вторичного контура и дополнительный канал сообщены на выходе с каналом основного контура, согласно предлагаемому техническому решению разделитель потоков выполнен в виде неподвижной перегородки, канал вторичного контура образован промежуточной перегородкой, передняя кромка которой закреплена на нижней удлиненной стенке, а задняя кромка и соответствующая кромка неподвижной перегородки совмещены с критическим сечением сопла, поворотная створка установлена с возможностью совмещения ее передней подвижной кромки с обращенными к ней соответствующими кромками неподвижной и промежуточной перегородок, дополнительный канал расположен ниже относительно канала вторичного контура и образован боковыми стенками, промежуточной перегородкой и нижней удлиненной стенкой сопла и предназначен для сброса воздуха, а сопло снабжено сквозным окном, выполненным в нижней удлиненной стенке сопла напротив промежуточной перегородки и предназначенным для эжекции наружного воздуха, заслонкой, установленной в направляющих с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения относительно окна и образующей щелевой зазор между внутренней поверхностью передней кромки заслонки и внешней поверхностью кромки окна, и карманом, выполненным в нижней удлиненной стенке сопла и предназначенным для размещения заслонки.

Существенность отличительных признаков технического решения подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающих изобретение, позволяет обеспечить решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, заключающегося в реализации ее назначения, т.е. в создании регулируемого шумоглушащего сопла сверхзвукового пассажирского самолета, обеспечивающего эффективность работы на различных режимах полета путем повышения тяговых характеристик сопла и уровня шумоглушения за счет регулирования площади струи перенаправлением потока вторичного воздуха и эжекции внешнего потока на режиме взлет-посадка.

Изобретение поясняется следующим подробным описанием и иллюстрациями, где:

- на фиг. 1 изображена схема работы сопла в режиме взлета-посадки;

- на фиг. 2 изображена схема работы сопла в крейсерском сверхзвуковом режиме;

- на фиг. 3 изображена схема работы сопла в трансзвуковом режиме.

На фигурах 1-3 приняты следующие обозначения:

1 - боковая стенка;

2 - верхняя стенка;

3 - нижняя удлиненная стенка;

4 - поворотная створка;

5 - ось вращения;

6 - канал основного контура;

7 - канал вторичного контура;

8 - дополнительный канал;

9 - неподвижная перегородка;

10 - промежуточная перегородка;

11 - сквозное окно;

12 - заслонка;

13 - щелевой зазор;

14 - карман.

Регулируемое шумоглушащее сопло сверхзвукового пассажирского самолета содержит боковые стенки 1, верхнюю стенку 2 и нижнюю удлиненную стенку 3 с поворотной створкой 4. Ось вращения 5 поворотной створки 4 совмещена с ее задней кромкой и закреплена на выходе сопла. Последнее включает образующие выпукло-вогнутую трактовую поверхность сопла канал 6 основного контура, канал 7 вторичного контура и дополнительный канал 8 (см. фиг. 1-3). Канал 6 основного контура образован верхней стенкой 2, боковыми стенками 1 сопла и разделителем потоков, выполненным в виде неподвижной перегородки 9. Канал 7 вторичного контура, расположен ниже относительно канала 6 основного контура и образован промежуточной перегородкой 10, передняя кромка которой закреплена на нижней удлиненной стенке 3, при этом задняя кромка промежуточной перегородки 10 и соответствующая кромка неподвижной перегородки 9 совмещены с критическим сечением сопла, а поворотная створка 4 установлена с возможностью совмещения ее передней подвижной кромки с обращенными к ней соответствующими кромками неподвижной и промежуточной перегородок 9 и 10. Дополнительный канал 8 расположен ниже относительно канала 7 вторичного контура и образован боковыми стенками 1, промежуточной перегородкой 10 и нижней удлиненной стенкой 3 сопла, и предназначен для сброса воздуха. Сопло снабжено сквозным окном 11, выполненным в нижней удлиненной стенке 3 сопла напротив промежуточной перегородки 10 и предназначенным для эжекции наружного воздуха, а также заслонкой 12, установленной в направляющих (на чертеже не показаны) с возможностью осевого возвратно -поступательного перемещения относительно сквозного окна 11. При этом заслонка установлена с возможностью образования щелевого зазора 13 между внутренней поверхностью передней кромки заслонки 12 и внешней поверхностью кромки сквозного окна 11. Кроме того, сопло снабжено карманом 14, выполненным в нижней удлиненной стенке 3 сопла и предназначенным для размещения заслонки 12.

Регулируемое шумоглушащее сопло сверхзвукового пассажирского самолета работает следующим образом.

В режиме взлета заслонка 12 размещена в кармане 14, а сквозное окно 11 полностью открыто. Поворотная створка 4 находится в нижнем положении, параллельно нижней удлиненной стенке 3 сопла (см. фиг. 1). При этом через сквозное окно 11 осуществляется эжектирование потока внешнего воздуха, который поступает в дополнительный канал 8 и обеспечивает экранирование потока воздуха в канале 7 вторичного контура, что позволяет повысить уровень глушения шума, направленного вниз относительно сопла. При этом на выходе дополнительного канала 8 происходит интенсификация смешения потока внешнего воздуха с потоками воздуха в канале 6 основного и канале 7 вторичного контуров, которое начинается в продольной координате критического сечения сопла и осуществляется при помощи соответствующих шевронов (на чертеже не показаны), выполненных соответственно на кромках неподвижной и промежуточной перегородок 9 и 10.

В режиме крейсерского полета необходимо обеспечить сброс воздуха канала 7 вторичного контура, что сложно осуществить через канал 6 основного контура сопла из-за его низкого полного давления потока воздуха вторичного контура относительно статического давления потока воздуха основного контура. Кроме того, в крейсерском полете нет необходимости увеличивать площадь струи в целях аэродинамического регулирования сопла. При этом сквозное окно 11 полностью закрывается заслонкой 12 с образованием щелевого зазора 13 между внутренней поверхностью передней кромки заслонки 12 и внешней поверхностью кромки сквозного окна 11. Поворотная створка 4 поднимается вверх и ее передняя подвижная кромка совмещается с соответствующей кромкой неподвижной перегородки 9 (см. фиг. 2). Таким образом обеспечивается оптимальная выпукло-вогнутая трактовая поверхность сопла без разрывов и с небольшой длиной линии совмещения шевронов передней подвижной кромки поворотной створки 4 с шевронами обращенной к ней кромки неподвижной перегородки 9. Выход канала 7 вторичного контура через дополнительный канал 8 сообщается с щелевым зазором 13, происходит формирование Z-образного потока воздуха, который из канала 7 вторичного контура через дополнительный канал 8 и щелевой зазор 13 сбрасывается наружу, что обеспечивает снижение сопротивления потока за счет уменьшения угла наклона внешней образующей поворотной створки 4.

В трансзвуковом режиме полета потери полного давления в канале 7 вторичного контура значительно меньше, как и перепад давления в канале 6 основного контура. При этом возникает необходимость максимального увеличения площади струи на выходе канала 6 основного контура для обеспечения возможности аэродинамического регулирования. В трансзвуковом режиме, аналогично крейсерскому режиму, сквозное окно 11 полностью закрыто заслонкой 12 и образуется щелевой зазор 13 между внутренней поверхностью передней кромки заслонки 12 и внешней поверхностью кромки окна 11. При этом поворотная створка 4 находится в среднем положении, а ее передняя подвижная кромка совмещена с соответствующей кромкой промежуточной перегородки 10. В результате перекрывается дополнительный канал 8, а выход канала 7 вторичного контура сообщается с каналом 6 основного контура (см. фиг. 3), и происходит наращиване площади полного расширения суммарного потока воздуха за счет смешения потока канала 6 основного контура с потоком канала 7 вторичного контура, начинающееся от продольной координаты критического сечения, что позволяет избежать падения коэффициента тяги сопла, связанного с перерасширением потока и обеспечивает в результате повышение эффективности работы сопла.

В режиме посадки регулируемое шумоглушащее сопло сверхзвукового пассажирского самолета работает аналогично режиму взлета.

Таким образом, выполнение разделителя потоков в виде неподвижной перегородки, образование канала вторичного контура промежуточной перегородкой, передняя кромка которой закреплена на нижней удлиненной стенке, совмещение задней кромки и соответствующей кромки неподвижной перегородки с критическим сечением сопла, установка поворотной створки с возможностью совмещения ее передней подвижной кромки с обращенными к ней соответствующими кромками неподвижной и промежуточной перегородок, расположение дополнительного канала ниже относительно канала вторичного контура, образование его боковыми стенками, промежуточной перегородкой и нижней удлиненной стенкой сопла и предназначение для сброса воздуха, а также снабжение сопла сквозным окном, выполненным в нижней удлиненной стенке сопла напротив промежуточной перегородки и предназначенным для эжекции наружного воздуха, заслонкой, установленной в направляющих с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения относительно окна и образующей щелевой зазор между внутренней поверхностью передней кромки заслонки и внешней поверхностью кромки окна, и карманом, выполненным в нижней удлиненной стенке сопла и предназначенным для размещения заслонки, обеспечивает эффективность работы на различных режимах полета путем повышения тяговых характеристик сопла и уровня шумоглушения за счет регулирования площади струи перенаправлением потока вторичного воздуха и эжекции внешнего потока на режиме взлет-посадка.

Изобретение относится к авиационной технике, а именно к конструкции регулируемого шумоглушащего сопла сверхзвукового пассажирского самолета, и может быть использовано при производстве плоских выходных устройств турбореактивного двигателя, предназначенных для длительной работы в сверхзвуковом режиме полета пассажирского самолета. Регулируемое шумоглушащее сопло содержит боковые и верхнюю стенки, и нижнюю удлиненную стенку с поворотной створкой и включает канал основного контура, образованный верхней и боковыми стенками сопла и разделителем потоков, канал вторичного контура, расположенный ниже относительно канала основного контура, и дополнительный канал. Разделитель потоков выполнен в виде неподвижной перегородки, канал вторичного контура образован промежуточной перегородкой, задняя кромка которой и соответствующая кромка неподвижной перегородки совмещены с критическим сечением сопла, а поворотная створка установлена с возможностью совмещения ее передней подвижной кромки с обращенными к ней соответствующими кромками неподвижной и промежуточной перегородок. Дополнительный канал расположен ниже относительно канала вторичного контура и предназначен для сброса воздуха. Сопло снабжено сквозным окном, предназначенным для эжекции наружного воздуха, заслонкой, установленной в направляющих с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения относительно окна, и карманом, выполненным в нижней удлиненной стенке сопла и предназначенным для размещения заслонки. Изобретение обеспечивает повышение эффективности работы регулируемого шумоглушащего сопла на различных режимах работы. 3 ил.

Регулируемое шумоглушащее сопло сверхзвукового пассажирского самолета, содержащее боковые и верхнюю стенки, и нижнюю удлиненную стенку с поворотной створкой, ось вращения которой совмещена с задней кромкой створки и закреплена на выходе сопла, включающее образующие выпукло-вогнутую трактовую поверхность сопла канал основного контура, образованный верхней и боковыми стенками сопла и разделителем потоков, канал вторичного контура, расположенный ниже относительно канала основного контура, и дополнительный канал, причем канал вторичного контура и дополнительный канал сообщены на выходе с каналом основного контура, отличающееся тем, что разделитель потоков выполнен в виде неподвижной перегородки, канал вторичного контура образован промежуточной перегородкой, передняя кромка которой закреплена на нижней удлиненной стенке, а задняя кромка и соответствующая кромка неподвижной перегородки совмещены с критическим сечением сопла, поворотная створка установлена с возможностью совмещения ее передней подвижной кромки с обращенными к ней соответствующими кромками неподвижной и промежуточной перегородок, дополнительный канал расположен ниже относительно канала вторичного контура и образован боковыми стенками, промежуточной перегородкой и нижней удлиненной стенкой сопла и предназначен для сброса воздуха, а сопло снабжено сквозным окном, выполненным в нижней удлиненной стенке сопла напротив промежуточной перегородки и предназначенным для эжекции наружного воздуха, заслонкой, установленной в направляющих с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения относительно окна и образующей щелевой зазор между внутренней поверхностью передней кромки заслонки и внешней поверхностью кромки окна, и карманом, выполненным в нижней удлиненной стенке сопла и предназначенным для размещения заслонки.