способ изготовления реактивного сопла второго контура двухконтурного газотурбинного двигателя

Формула изобретения

Способ изготовления реактивного сопла второго контура двухконтурного газотурбинного двигателя преимущественно со степенью двухконтурности m=15 - 17, включающий деформацию заготовки на заданную геометрию, отличающийся тем, что реактивное сопло изготавливают из материала с памятью формы, преимущественно из никелида титана, а деформацию заготовки осуществляют в два этапа с получением требуемых геометрий на крейсерском и взлетном режимах при температуре стенки реактивного сопла на одном этапе, соответствующей температуре на крейсерском режиме с учетом положительного температурного отклонения от стандартных атмосферных условий окружающего воздуха, и на другом этапе при температуре, соответствующей взлетному режиму с учетом отрицательного температурного отклонения от стандартных атмосферных условий окружающего воздуха.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области изготовления реактивного сопла второго контура двухконтурного газотурбинного двигателя, преимущественно со степенью двухконтурности m=15-l7.

Известен способ изготовления сопла переменной геометрии. Для изменения геометрии сопла предусмотрено механическое устройство, перемещающее конусообразный профиль, расположенный в конце обечайки (фиг.1), (патент США 3138921). Такое исполнение реактивного сопла существенно увеличивает вес его конструкции и тем самым ухудшает эффективность двигателя и силовой установки в целом.

Известен способ изготовления реактивного сопла авиационного газотурбинного двигателя из стали включающий деформацию заготовки на заданную геометрию (Е. Л. Фельдман, Авиационный турбореактивный двигатель РД-3М-500, М. "Транспорт", 1968 г. стр. 157 и А.М.Абрамов и др. Производство газотурбинных двигателей. М.Машиностроение, 1966 г. стр. 184-186), (фиг. 2).

При таком способе изготовления реактивного сопла выходная площадь его остается неизменной во всей области условий эксплуатации авиационного газотурбинного двигателя, что делает сопло неоптимальным в основных условиях эксплуатации на некоторых режимах работы и является его недостатком.

Задачей изобретения является разработка способа изготовления реактивного сопла второго контура двухконтурного газотурбинного двигателя, преимущественно со степенью двухконтурности m=15-l7, создающего повышенную эффективность авиационного двигателя в широком диапазоне высот и скоростей полета как в стандартных атмосферных условиях, так и при температурных отклонениях воздуха.

Реактивное сопло изготавливают из материала с "памятью" формы, преимущественно из никелида титана. Деформируют заготовку сопла в два этапа. Получают требуемые геометрии ее на крейсерском и взлетном режимах. Заготовку деформируют при температуре стенки реактивного сопла соответствующей температуре на крейсерском режиме с учетом положительного температурного отклонения от стандартных атмосферных условий окружающего воздуха и при температуре, соответствующей взлетному режиму с учетом отрицательного температурного отклонения от стандартных атмосферных условий окружающего воздуха. Причем последовательность этапов деформации заготовки сопла любая и не зависит от режима работы и типа двигателя

Часть материала представлена графически.

На фиг. 1 показана схема реактивного сопла с механически изменяемой геометрией (патент США 3138921).

На фиг. 2 изображена схема реактивного сопла неизменной геометрии, получаемое деформацией заготовки на заданную геометрию (А.М.Абрамов и др. "Производство газотурбинных двигателей", М. Машиностроение, 1966 г. cтp. 184-186).

На фиг. 3 приведены для сведения изменения по высоте стандартной температуры окружающего воздуха и ее положительные и отрицательные отклонения в соответствии с ДОС-9051-AH/896, принятого ИКАО (см. в книге "Единые нормы летной годности гражданских, транспортных самолетов стран членов СЭВ", 1985 г. стр. 32).

На фиг. 4 показана зависимость температур, при которых проявляется способность никелида титана восстанавливать свою форму в зависимости от содержания никеля в сплаве (построена по материалам приведенным в таблице книги: И.И.Корнилов, 0.К.Белоусов, Е.В.Качур, "Никелид титана и другие сплавы с эффектом "памяти", М. Наука, 1977 г. стр. 124).

На фиг. 5 показана схема последовательной деформации заготовки сопла для получения требуемых геометрий на крейсерском и взлетном режимах.

На фиг. 6 приведены зависимости изменения удельного расхода топлива на крейсерском и взлетном режимах от изменения площади сопла второго контура винте-вентиляторного двигателя с указанием значений на крейсерском и взлетном режимах для случая конкретной реализации способа изготовления реактивного сопла второго контура винто-вентиляторного двигателя (FcIIкр, FcIIвзл).

Эффект "памяти" формы присущ многим материалам. Однако эффект "памяти" формы на никелиде титана, в отличие от подобных эффектов у других материалов, уникален. Он полностью обратим, может повторяться в течение многих тысяч циклов. Материал обладает хорошими механическими свойствами, прочен, пластичен, коррозионно стоек. Из него можно получать листы, ленту, фольгу, поковки.

Большинство ученых согласно с теорией, что изменение формы никелида титана возникает тогда, когда на атомном уровне происходит переход от сложной ромбической структуры к менее сложной кубической, и вызвано температурным перепадом, составляющим всего +9 градусов Цельсия. Процесс изменения формы полностью обратим. Обратный температурный перепад, составляющий всего -9 градусов вызывает обратный переход от кубической структуры к ромбической с восстановлением исходной формы никелида титана.

Приводим пример конкретной реализации способа изготовления реактивного сопла второго контура винто-вентиляторного двигателя с указанием температур, при которых производят деформацию на заданные конфигурации сопла, соответствующие крейсерскому и взлетному режимам с учетом влияния на стенку сопла не только температуры наружного воздуха, но и температуры истекающей из сопла реактивной воздушной струи. Предварительно выбирают сплав с необходимым соотношением никеля и титана.

Например, для взлетного режима сопло второго контура винто-вентиляторного двигателя из никелида титана, содержащего 50,83% никеля и 49,17% титана, деформируют при температуре t_взл 10 ^oC, а для крейсерного режима деформируют при t_кр 30^oC. Причем последовательность деформации заготовки сопла любая, не зависит от режима работы и типа двигателя по причине полной обратимости эффекта "памяти" формы изделий из никелида титана.

Сопло второго контура винто-вентиляторного двигателя имеет превышение температуры по сравнению с температурой окружающего воздуха всего на t_c +1 градус как на взлетном, так и на крейсерском режимах, что объясняется невысокой степенью повышения давления во втором контуре винто-вентилятора равной ^*_ввII = 1,211,26.

В этом случае можно принять, что расчетная температура сопла определяется по выражению



где t_сопла температура материала сопла,

t_н температура наружного воздуха,

t_{ст.струи} статическая температура истекающей из сопла реактивной воздушной струи.

Например, взлетный режим в стандартных атмосферных условиях (H=0, Мп=0, Рн=1,0332 кгс/см²,t_н+15^oC).

Температура наружного воздуха t_н+15^o.С

Статическая температура истекающей из сопла реактивной воздушной струи t_{ст.струи} +17,2^oC. Температура материала сопла t_сопла +16,1^oC.

Превышение температуры сопла над температурой наружного воздуха t_c +1,1.

Другой пример: крейсерский режим в стандартных атмосферных условиях (H= II км, Мп=0,75, Pн=0,2314 кгс/см², t_н -56,5^oС)

Температура наружного воздуха t_н -56,5^oС.

Статическая температура истекающей из сопла реактивной воздушной струи t_{ст.струи} -53,8^oC.

Температура материала сопла t_сопла -55,2^oC.

Превышение температуры сопла над температурой наружного воздуха t_c +1,3.

Сплав из никелида титана, содержащий 50,83% никеля и 49,17% титана, выбран предварительно. Этот сплав имеет характеристики, полученные по построению материалов, приведенных в таблице 1, на стр. 8 в книге А.С.Тихонова и др. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении, M. Машиностроение, 1981 г.

Mн температура начала прямого мартенситного превращения Mн - 25^oС;

Mк температура конца прямого мартенситного превращения Мк - 51^oС;

Ан температура начала обратного мартенситного превращения Ан - 14^oС; Ак температура конца обратного мартенситного превращения Ак +11,5^oС.

Исходя из выше приведенных данных с учетом температурных отклонений окружающего воздуха, например, для взлетного режима сопло деформируют при температуре t_д.взл -10^oC, для крейсерского режима сопло деформируют при t_д.кр -3-^oC.

При нагреве выше температуры обратного мартенситного превращения Ак + 11,5^oС или при охлаждении ниже температуры прямого мартенситного превращения Mк 51^oС сопло принимает форму, соответствующую взлетному или крейсерскому режиму (книга А.С.Тихонова и др. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении,M. Mашиностроение, 1981 г. стр. 4).

На режиме взлет в стандартных атмосферных условиях и при положительном температурном отклонении окружающего воздуха обеспечивается форма сопла, соответствующая режиму взлет.

На крейсерском режиме обеспечивается форма сопла, соответствующая этому режиму в стандартных атмосферных условиях и при отрицательном температурном отклонении окружающего воздуха.

Реактивное сопло, изготовленное по предложенному способу, работает следующим образом.

На режиме взлет в стандартных атмосферных условиях и при любом положительном отклонении, реактивное сопло имеет заданную геометрическую форму 3 (см. фиг. 5).

При суточном колебании температур окружающего воздуха форма 3 сопла сохраняется.

В процессе разгона набора высоты самолетом происходит понижение температуры окружающего воздуха (см. фиг 3).2 При достижении материалом сопла температуры конца прямого мартенситного превращения Мк 51^oС сопло принимает геометрическую форму 2, соответствующую крейсерскому режиму, и сохраняет форму при любых положительных и отрицательных отклонениях от стандартных полетных условий.

Применение изобретения позволяет:

изменить геометрическую форму реактивного сопла в соответствии с заданной оптимальной геометрической формой на крейсерском режиме и режиме взлет;

выполнить конструкцию сопла изменяемой геометрии с минимальным весом;

повысить экономичность авиационного газотурбинного двигателя на режиме взлет путем снижения удельного расхода топлива на 2,6% (см. фиг. 6).