способ обеспечения устойчивой работы вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя и смеситель для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ обеспечения устойчивой работы вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя со смешением потоков путем изменения соотношения расходов воздуха через каналы внешнего и внутреннего контуров, отличающийся тем, что осуществляют пристенное выдувание высокоскоростной тонкой газовой струи на поверхности обечайки смесителя в концевой области со стороны канала внешнего контура.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для создания высокоскоростной тонкой газовой струи, выдуваемой со стороны канала внешнего контура, используют газовый поток внутреннего контура.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для создания высокоскоростной тонкой газовой струи, выдуваемой со стороны канала внешнего контура, используют газовый поток от внешнего источника давления.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют пристенное выдувание высокоскоростной тонкой газовой струи на поверхности обечайки смесителя в концевой области со стороны канала внутреннего контура.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что для создания высокоскоростной тонкой газовой струи, выдуваемой со стороны канала внутреннего контура, используют воздушный поток внешнего контура.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что для создания высокоскоростной тонкой газовой струи, выдуваемой со стороны канала внутреннего контура, используют газовый поток от внешнего источника давления.

7. Смеситель двухконтурного турбореактивного двигателя, содержащий обечайку с регулируемыми створками на выходе, отличающийся тем, что обечайка выполнена с расположенными в срединной части створок в плоскости поперечного сечения профилированными щелевыми отверстиями, снабженными направляющими козырьками со стороны канала внешнего контура.

8. Смеситель по п.7, отличающийся тем, что обечайка выполнена с расположенными в срединной части створок в плоскости поперечного сечения дополнительными профилированными щелевыми отверстиями, снабженными направляющими козырьками со стороны канала внутреннего контура.

9. Смеситель по п.8, отличающийся тем, что дополнительные профилированные щелевые отверстия расположены в одной плоскости поперечного сечения с основными профилированными щелевыми отверстиями поочередно.

10. Смеситель по п.8, отличающийся тем, что плоскость размещения дополнительных профилированных щелевых отверстий расположены перед плоскостью размещения основных профилированных щелевых отверстий по ходу движения потока.

11. Смеситель по п.8, отличающийся тем, что плоскость размещения дополнительных профилированных щелевых отверстий расположена за плоскостью размещения основных профилированных щелевых отверстий по ходу движения потока.

12. Смеситель по пп.6 и 8, отличающийся тем, что образующие направляющих козырьков расположены параллельно образующей регулируемых створок.

13. Смеситель по п.7, отличающийся тем, что оси профилированных щелевых отверстий направлены под острым углом по отношению к продольной оси смесителя, вершина которого направлена навстречу движению потока.

14. Смеситель по п.8, отличающийся тем, что оси дополнительных профилированных щелевых отверстий направлены под острым углом по отношению к продольной оси смесителя, вершина которого направлена по ходу движения потока.

15. Смеситель по пп.7 - 14, отличающийся тем, что профилированные щелевые отверстия в поперечном сечении имеют форму суживающихся каналов в направлении движения потока.

16. Смеситель по пп.7 - 15, отличающийся тем, что профилированные щелевые отверстия снабжены дополнительными направляющими козырьками, выполненными в виде части обечайки, отогнутой навстречу набегающему потоку со стороны, противоположной месторасположению основных направляющих козырьков.

Описание изобретения к патенту

Группа изобретений относится к области авиадвигателестроения и может быть использована в авиационных двухконтурных турбореактивных двигателях с регулируемой степенью двухконтурности для обеспечения устойчивой работы вентиляторов двигателей.

Известен способ обеспечения устойчивой работы вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя со смешением потоков при неизменяемой степени двухконтурности путем увеличения длины обтекателя канала внешнего контура и смесителя [1].

Уменьшения удельного расхода топлива в двухконтурных турбореактивных двигателях со смешением потоков можно добиться только при малых потерях в процессе смешения. При больших степенях двухконтурности турбореактивных двигателей возрастает относительная доля потерь давления в канале внешнего контура и становится трудно достичь равномерного поля температуры потоков воздуха и газа. Для смешения этих потоков необходимы длинный обтекатель канала внешнего контура и смеситель, что может привести к дополнительным потерям. При этом одновременно повышаются масса и габариты.

Известен смеситель двухконтурного турбореактивного двигателя, выполненный в виде неподвижной цилиндрической обечайки лепесткового типа [1].

Такая конструкция смесителя, в силу неизменяемой площади проходного сечения внешнего контура, не позволяет регулировать степень двухконтурности турбореактивного двигателя и другие термодинамические параметры в зависимости от режима полета с целью повышения газодинамической устойчивости вентилятора и компрессора турбореактивного двигателя.

В рассматриваемом смесителе двухконтурного турбореактивного двигателя для интенсификации процесса смешения воздуха, поступающего из внешнего контура, с газовым потоком, вытекающим из турбины внутреннего контура, необходимо увеличение длины обтекателя канала внешнего контура и смесителя, что может привести к дополнительным потерям. При этом одновременно повышаются масса и габариты.

Наиболее близким к заявляемому способу, принятым в качестве прототипа, является способ обеспечения устойчивой работы вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя со смешением потоков путем изменения соотношения расходов воздуха через каналы внешнего и внутреннего контуров [2].

Возможность изменения степени двухконтурности и расхода воздуха через двигатель в данном способе достигается за счет того, что смеситель выполнен в виде обечайки с регулируемыми створками на выходе потока и камера смешения в этом случае выполняет функцию регулируемого дросселя как в отношении вентилятора внешнего контура, так и в отношении газовой турбины. Это позволяет согласовать расходные характеристики воздухозаборника, двигателя и реактивного сопла и тем самым снизить внешнее сопротивление и улучшить эффективные параметры двигателя.

Однако изменение площади выходного сечения камеры смешения приводит к изменению степени диффузорности выходных каналов внешнего или внутреннего контура, что в определенных случаях может привести к отрыву потока от поверхности обечайки.

Известно, что возникновение срывных явлений в компрессоре или вентиляторе и потеря ими газодинамической устойчивости весьма сильно зависят от выходных устройств, работающих в системе повышения давления. Для вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя таким выходным устройством является смеситель. Количественное изменение границы устойчивости вентилятора определяется не только формой смесителя, но и в значительной мере зависит от окружной и радиальной протяженности возмущенной зоны, которая определяет степень взаимодействия вентилятора со смесителем [3].

При повороте регулируемых створок обечайки смесителя на раскрытие канала внешнего контура и дозвуковом течении воздушного потока в наружном контуре на расчетных режимах на поворотном участке обечайки поток будет разгоняться и затем тормозиться, причем интенсивность торможения будет зависеть от степени раскрытия диффузора (в данном случае от угла наклона створок обечайки в направлении к оси двигателя). Чем больше степень раскрытия диффузора, тем интенсивнее торможение потока. Такой характер течения на поворотном участке обечайки приводит к интенсивному росту пограничного слоя. В результате действия тормозящего влияния обратного перепада давления происходит отрыв пограничного слоя в определенной точке (преимущественно в срединной части створок) от поверхности обечайки и возникает зона обратных токов. Образующийся вихревой след в сочетании с вихревым следом, сходящим с нижней кромки створок обечайки, формирует полосу сильно турбулизированного течения, размеры которого в радиальном направлении в общем случае определяются положением точки отрыва. В результате образования этого вихревого следа существенно возрастают потери энергии, снижается качество смешения потоков, а также повышается уровень шума струи.

Вследствие обратного влияния турбулентного вихревого следа течение в районе точки отрыва потока характеризуется существенной нестационарностью, проявляющейся в изменении положения точки отрыва во времени. Такого рода возмущения генерируют пульсации давления и скорости, которые, распространяясь вверх по течению внешнего контура, оказывают негативное влияние на газодинамическую устойчивость вентилятора и двигателя в целом. Особенно опасно это влияние для вентиляторов, имеющих трансзвуковые и сверхзвуковые ступени, диапазон устойчивой работы которых по расходу воздуха очень узкий.

Аналогичная картина течения, характеризующаяся отрывами потока, наблюдается при отклонении регулируемых створок обечайки смесителя в направлении периферии двигателя, только отрывная зона в этом случае будет возникать со стороны газового потока внутреннего контура.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству для осуществления способа, взятым в качестве прототипа, является смеситель двухконтурного турбореактивного двигателя, содержащий цилиндрическую обечайку с регулируемыми створками на выходе из каналов внешнего и внутреннего контуров [2].

В рассматриваемом смесителе с регулируемыми створками возможен отрыв потока от обтекаемой поверхности обечайки смесителя при изменении степени диффузорности, обусловленный торможением потока вследствие изменения градиента давления и значительным снижением кинетической энергии в этой области. Причем отрыв потока возможен как со стороны канала внешнего контура - при отклонении регулируемых створок обечайки смесителя в направлении к оси двигателя (на раскрытие диффузора), так и со стороны канала внутреннего контура - при отклонении створок в направлении периферии двигателя. Это приводят к сужению диапазона устойчивой работы вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя и повышению уровня шума.

Основной технической задачей, решаемой группой изобретений, является расширение диапазона устойчивой работы вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя со смешением потоков и снижение уровня шума путем обеспечения безотрывного характера течения газовых потоков на поверхности обечайки смесителя двигателя со стороны канала внешнего контура.

Технической задачей, решаемой группой изобретений, является также расширение диапазона устойчивой работы вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя со смешением потоков, повышение эффективности процесса смешения и снижение уровня шума путем обеспечения безотрывного характера течения газовых потоков на поверхности обечайки смесителя двигателя со стороны канала внутреннего контура.

Для достижения поставленной задачи в способе обеспечения устойчивой работы вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя со смешением потоков путем изменения соотношения расходов воздуха через каналы внешнего и внутреннего контуров, согласно изобретению осуществляют пристенное выдувание высокоскоростной тонкой газовой струи на поверхности обечайки смесителя в концевой области со стороны канала внешнего контура.

В частных случаях использования способ осуществляют в следующих вариантах.

Согласно изобретению для создания высокоскоростной тонкой газовой струи, выдуваемой со стороны канала внешнего контура, используют газовый поток внутреннего контура.

Согласно изобретению для создания высокоскоростной тонкой газовой струи, выдуваемой со стороны канала внешнего контура, используют газовый поток от внешнего источника давления.

Согласно изобретению осуществляют пристенное выдувание высокоскоростной тонкой газовой струи на поверхности обечайки смесителя в концевой области со стороны канала внутреннего контура.

Согласно изобретению для создания высокоскоростной тонкой газовой струи, выдуваемой со стороны канала внутреннего контура, используют воздушный поток внешнего контура.

Согласно изобретению для создания высокоскоростной тонкой газовой струи, выдуваемой со стороны канала внутреннего контура, используют газовый поток от внешнего источника давления.

Для достижения поставленной задачи в смесителе двухконтурного турбореактивного двигателя, содержащем обечайку с регулируемыми створками на выходе, согласно изобретению обечайка выполнена с расположенными в срединной части створок в плоскости поперечного сечения профилированными щелевыми отверстиями, снабженными направляющими козырьками со стороны канала внешнего контура.

В частных случаях исполнения устройство дня осуществления способа имеет следующие варианты.

Согласно изобретению обечайка выполнена с расположенными в срединной части створок в плоскости поперечного сечения дополнительными профилированными щелевыми отверстиями, снабженными направляющими козырьками со стороны канала внутреннего контура.

Согласно изобретению дополнительные профилированные щелевые отверстия расположены в одной плоскости поперечного сечения с основными профилированными щелевыми отверстиями поочередно.

Согласно изобретению плоскость размещения дополнительных профилированных щелевых отверстий расположена перед плоскостью размещения основных профилированных щелевых отверстий по ходу движения потока.

Согласно изобретению плоскость размещения дополнительных профилированных щелевых отверстий расположена за плоскостью размещения основных профилированных щелевых отверстий по ходу движения потока.

Согласно изобретению образующие направляющих козырьков расположены параллельно образующей регулируемых створок.

Согласно изобретению оси профилированных щелевых отверстий направлены под острым углом по отношению к продольной оси смесителя, вершина которого направлена навстречу движению потока.

Согласно изобретению оси дополнительных профилированных щелевых отверстий направлены под острым углом по отношению к продольной оси смесителя, вершина которого направлена по ходу движения потока.

Согласно изобретению профилированные щелевые отверстия в поперечном сечении имеют форму суживающихся каналов в направлении движения потока.

Согласно изобретению профилированные щелевые отверстия снабжены дополнительными направляющими козырьками, выполненными в виде части обечайки, отогнутой навстречу набегающему потоку со стороны, противоположной месторасположению основных направляющих козырьков.

Пристенное выдувание высокоскоростной тонкой газовой струи на поверхности обечайки смесителя в концевой области со стороны канала внешнего контура исключает условия для возникновения отрыва воздушного потока, возникающие, когда выходной канал внешнего контура имеет форму расширяющегося канала. Эта струя, сформировавшаяся в виде оболочки, образует границу между пограничным слоем на поверхности обечайки и воздушным потоком внешнего контура, вследствие чего изменение характера течения в пограничном слое не оказывает влияния на течение в ядре потока.

При этом подаваемая активная струя благоприятно воздействует на течение потока не только ниже точки выдува, но и выше этой точки, так как оказывает одновременно эжектирующее воздействие на течение потока выше данной точки.

Использование газового потока внутреннего контура для создания высокоскоростной тонкой газовой струи, выдуваемой со стороны канала внешнего контура, позволяет осуществлять управление струей активной жидкости без внешнего источника давления - за счет существующего перепада давления по обеим сторонам обечайки.

Использование газового потока от внешнего источника давления для создания высокоскоростной тонкой газовой струи, выдуваемой со стороны канала внешнего контура, является одним из вариантов использования изобретения.

Аналогичным образом пристенное выдувание высокоскоростной тонкой газовой струи на поверхности обечайки смесителя в концевой области со стороны канала внутреннего контура исключает условия для возникновения отрыва воздушного потока, возникающие, когда форму расширяющегося канала имеет выходной канал внутреннего контура. Эта струя, в свою очередь, отделяет пограничный слой на поверхности обечайки смесителя от газового потока внутреннего контура ниже точки выдува и также препятствует торможению газового потока, неизбежному в этой области, и снижению его кинетической энергии.

Подаваемая активная струя в то же время благоприятно воздействует на течение потока не только ниже точки выдува, но и выше этой точки, так как оказывает одновременно эжектирующее воздействие на течение потока выше данной точки.

Использование воздушного потока внешнего контура в качестве высокоскоростной тонкой газовой струи, выдуваемой со стороны канала внутреннего контура, позволяет осуществлять управление струей активного газа без внешнего источника давления - за счет существующего перепада давления по обеим сторонам обечайки.

Использование газового потока от внешнего источника давления для создания высокоскоростной тонкой газовой струи, выдуваемой со стороны канала внутреннего контура, является одним из вариантов использования изобретения.

Выполнение обечайки смесителя с расположенными в срединной части створок в плоскости поперечного сечения профилированными щелевыми отверстиями, снабженными направляющими козырьками со стороны канала внешнего контура, позволяет создавать пристенное выдувание высокоскоростной тонкой газовой струи на поверхности обечайки смесителя в концевой области со стороны канала внешнего контура, используя газовый поток внутреннего контура.

Выполнение обечайки с расположенными в срединной части створок в плоскости поперечного сечения дополнительными профилированными щелевыми отверстиями, снабженными направляющими козырьками со стороны канала внутреннего контура, позволяет создавать пристенное выдувание высокоскоростной тонкой газовой струи на поверхности обечайки смесителя в концевой области со стороны канала внутреннего контура, используя воздушный поток внешнего контура.

Расположение дополнительных профилированных щелевых отверстий в одной плоскости поперечного сечения с основными профилированными щелевыми отверстиями поочередно обеспечивает отсос приторможенного потока с поверхности обечайки со стороны внешнего контура за счет эжекции газовым потоком внутреннего контура, тем самым предотвращается отрыв потока на части поверхности обечайки со стороны внешнего контура и в то же время предотвращается отрыв потока со стороны внутреннего контура, если регулируемые створки обечайки повернуты на прикрытие канала внешнего контура.

Расположение плоскости размещения дополнительных профилированных щелевых отверстий перед плоскостью размещения основных профилированных щелевых отверстий по ходу движения потока является одним из вариантов исполнения устройства.

Расположение плоскости размещения дополнительных профилированных щелевых отверстий за плоскостью размещения основных профилированных щелевых отверстий по ходу движения потока является другим вариантом исполнения устройства.

Расположение образующих направляющих козырьков параллельно образующей регулируемых створок позволяет ориентировать высокоскоростную тонкую газовую струю строго вдоль поверхности обечайки смесителя.

Расположение осей основных и дополнительных профилированных щелевых отверстий под острым углом по отношению к продольной оси смесителя обеспечивает безударный вход высокоскоростной тонкой газовой струи в щелевое отверстие.

Выполнение профилированных щелевых отверстий в поперечном сечении в форме суживающихся каналов в направлении движения потока способствует формированию высокоскоростной газовой струи.

Снабжение профилированных щелевых отверстий дополнительными направляющими козырьками, выполненными в виде части обечайки, отогнутой навстречу набегающему потоку со стороны, противоположной месторасположению основных козырьков, позволяет более точно ориентировать воздушный поток, формирующий активную газовую струю, и обеспечивает безударный вход потока в профилированное щелевое отверстие, что уменьшает потери энергии.

Таким образом, заявляемая группа изобретений связана единым изобретательским замыслом.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема типового двухконтурного турбореактивного двигателя с предлагаемым смесителем, на фиг. 2 вынесен увеличенный фрагмент I смесителя в нейтральном положении регулируемых створок, на фиг. 3 вынесен увеличенный фрагмент I смесителя в положении регулируемых створок на прикрытие канала внешнего контура, на фиг. 4 вынесен увеличенный фрагмент I смесителя в положении регулируемых створок на раскрытие канала внешнего контура, на фиг. 5 - вид А на фиг. 1, развертка цилиндрической поверхности обечайки смесителя в нейтральном положении регулируемых створок, на фиг.6 - сечение Б-Б на фиг.5 регулируемой створки обечайки смесителя с основным профилированным щелевым отверстием и направляющими козырьками.

Двухконтурный турбореактивный двигатель содержит вентилятор 1, внешний контур 2 со смесителем в виде обечайки 3 с регулируемыми створками 4 на выходе, внутренний контур 5 с последовательно расположенными в нем по ходу движения воздушного потока подпорной ступенью 6, компрессором высокого давления 7, камерой сгорания 8 и турбинами 9, 10 соответственно высокого и низкого давлений. Обечайка 3 смесителя выполнена с расположенными в срединной части регулируемых створок 4 в плоскости поперечного сечения профилированными щелевыми отверстиями 11, снабженными направляющими козырьками 12 со стороны канала внешнего контура 2. В частном случае исполнения обечайка 3 выполнена с расположенными в срединной части створок 4 в плоскости поперечного сечения дополнительными профилированными щелевыми отверстиями 13, снабженными направляющими козырьками 14 со стороны канала внутреннего контура 5. В преимущественном варианте исполнения плоскость размещения дополнительных профилированных щелевых отверстий 13 расположена перед плоскостью размещения основных профилированных щелевых отверстий 11 по ходу движения потока (см. фиг. 5), что обуславливается технологическими соображениями.

В других вариантах исполнения дополнительные профилированные щелевые отверстия 13 могут быть расположены в одной плоскости поперечного сечения с основными профилированными щелевыми отверстиями 11 поочередно (на чертеже не показано) или же плоскость их размещения может быть расположена за плоскостью размещения основных профилированных щелевых отверстий 11 по ходу движения потока (на чертеже не показано).

Образующие направляющих козырьков 12, 14 расположены параллельно образующей регулируемых створок 4. Оси профилированных щелевых отверстий 11 направлены под острым углом по отношению к продольной оси смесителя, вершина которого направлена навстречу движению потока. Оси дополнительных профилированных щелевых отверстий 13 направлены под острым углом по отношению к продольной оси смесителя, вершина которого направлена по ходу движения потока. Профилированные щелевые отверстия 11, 13 в поперечном сечении имеют форму суживающихся каналов в направлении движения потока (см. фиг.6). Профилированные щелевые отверстия 11, 13 снабжены дополнительными направляющими козырьками 15, 16, выполненными в виде части обечайки, отогнутой навстречу набегающему потоку со стороны, противоположной месторасположению основных козырьков 12, 14.

Оборудование смесителя регулируемыми створками 4 с профилированными щелевыми отверстиями 11, 13, снабженными направляющими козырьками 12, 13, позволяет предотвратить или затянуть отрыв потока с регулируемых створок 4 смесителя.

Способ осуществляется следующим образом.

При перекладке регулируемых створок 4 смесителя на некоторый угол на раскрытие внешнего контура 2 (см. фиг.4) поток, обтекающий выпуклую часть смесителя, образованную обечайкой 3 и створками 4, будет разгоняться, и его давление в этой части уменьшается. На вогнутой стороне смесителя (с противоположной стороны) течение будет сопровождаться повышением давления. Под действием образующегося перепада давления часть потока, перемещающаяся вдоль вогнутой стороны смесителя, направляемая дополнительными козырьками 15, поступает в профилированные щелевые отверстия 11, откуда подается на верхнюю поверхность створок 4. Суживающаяся форма канала щелевых отверстий 11 позволяет разогнать поток и сформировать высокоскоростную струю, которая направляющими козырьками 12 ориентируется вдоль верхней поверхности створок 4, создавая тонкую пристенную газовую струю. Струи, выдуваемые через каждое из щелевых отверстий 11, в совокупности образуют на поверхности регулируемых створок 4 смесителя тонкую газовую оболочку. В месте выдува увеличивается скорость потока, за счет эжекции отсасывается пограничный слой с верхней части регулируемых створок 4 и сдувается с нижней их части в направлении движения потока. Удаление газа, наиболее приторможенного в пограничном слое, приводит к смещению точки отрыва потока к задней кромке 17 регулируемых створок 4 или к полному устранению отрыва потока при данном угле установки створок 4.

При перекладке регулируемых створок 4 в направлении периферии двигателя - на закрытие канала внешнего контура 2 выпуклой оказывается поверхность смесителя, образованная поверхностями обечайки 3 и регулируемых створок 4 со стороны канала внутреннего контура 5. Для предотвращения отрыва потока служат дополнительные профилированные щелевые отверстия 13. Процесс формирования высокоскоростной тонкой газовой струи в данном случае аналогичен рассмотренному выше.

Одним из вариантов реализации заявляемого способа является использование внешнего источника давления для формирования высокоскоростной тонкой газовой струи. В этом случае в качестве внешнего источника давления может быть использован газовый поток за компрессором 7 авиационного двигателя или воздушный поток внешнего контура 2, подводимый по системе трубопроводов и каналов к поверхности регулируемых створок 4 (на чертеже не показано).

Таким образом, за счет обеспечения безотрывного характера течения газовых потоков на поверхности обечайки смесителя двухконтурного турбореактивного двигателя как со стороны канала внешнего контура, так и со стороны канала внутреннего контура достигается расширение диапазона устойчивой работы вентилятора двигателя и одновременно снижение уровня шума. Кроме того, снижаются потери энергии на смешение потоков и обеспечивается достаточно равномерное поле скоростей и давления на выходе из смесителя.

Литература

1. Пономарев Б. А. Настоящее и будущее авиационных двигателей / - М.: Воениздат, 1982 г., с. 41-42, рис. 21.

2. Пономарев Б. А. Настоящее и будущее авиационных двигателей / - М.: Воениздат, 1982 г., с. 231-232, рис. 112.

3. Грейцер Е.М. Явление срыва потока в осевых компрессорах / Теоретические основы инженерных расчетов, М.: Мир, 1980 г., N 2, с. 72-97.