эжекторный усилитель тяги газотурбинного двигателя

Формула изобретения

Эжекторный усилитель тяги газотурбинного двигателя, содержащий кольцевую камеру смешения, выполненную с переменным поперечным сечением, и установленное в ней многосопловое устройство двигателя, образующее с камерой входной участок и участок смешения, расположенный на среднем расстоянии от среза сопл до выходного сечения камеры, отличающийся тем, что внутренняя стенка камеры на участке смешения выполнена сужающейся в направлении от соплового устройства к выходному сечению, площадь которого составляет

F_вых= (6,5-40,0)F_o,

где F_вых. - площадь выходного сечения камеры смешения;

F_o - сумма площадей выходных сечений сопл,

при этом выходное сечение камеры расположено на среднем расстоянии от среза сопл, составляющем:

L = (0,35 - 1,4) D_вых.,

где L - среднее расстояние от среза сопл до выходного сечения камеры смешения;

D_вых. - диаметр выходного сечения камеры смешения,

а угол наклона внутренней стенки на участке смешения к оси составляет 5 - 17^o.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области реактивных газотурбинных двигателей, а более конкретно к реактивным соплам газотурбинных двигателей, и может быть использовано в силовых установках воздушных и надводных транспортных средств.

Известен эжекторный усилитель тяги, имеющий камеру смешения струй газа с эжектируемым воздухом и установленное в ней многосопловое устройство двигателя с дефлекторами, образующими входное устройство камеры смешения (авт. свид. СССР N 450033, МКИ F 04 F 5/14, 1975).

Вход в камеру смешения выполнен из нескольких кольцевых дефлекторов. Принцип работы аналога показан в приложении 1. В междефлекторных каналах эжектируемый поток воздуха меняет направление движения, при этом перпендикулярно поверхности дефлекторов возникает аэродинамическая сила, проекция которой на ось направлена против направления скорости воздуха на выходе из междефлекторных каналов. Эта сила увеличивает тягу двигателя. Через внутренние полости дефлекторов подводится эжектирующий газ.

Эжекторный усилитель тяги имеет участок смешения камеры с увеличивающейся площадью внутреннего поперечного сечения вниз по потоку (диффузорную). Статическое давление в выходном сечении диффузорной камеры смешения равно внешнему давлению, но вверх по потоку статическое давление уменьшается. На стенке камеры смешения от разности внешнего и внутреннего давлений возникает сила, перпендикулярная к стенке, проекция которой на ось дает составляющую, направленную по направлению скорости смеси газа и воздуха, что уменьшает силу тяги двигателя. Увеличение тяги двигателя, создаваемое дефлекторами на входном участке камеры смешения, уменьшается силой, возникающей на ее стенке.

Недостатком аналога является недостаточно высокая тяга, создаваемая эжекторным усилителем, что является следствием выполнения внутренней стенки участка смешения камеры с увеличивающейся по потоку площадью поперечного сечения (диффузорной), которая уменьшает приращение тяги, полученное на дефлекторах входного участка.

Кроме того, поскольку входной участок камеры смешения выполнен с пустотелыми дефлекторами, через которые подводится горячий газ под давлением, он имеет большой вес и технологическую сложность изготовления.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является эжекторный усилитель тяги газотурбинного двигателя ("Авиационные эжекторные усилители тяги". Под редакцией д.т.н. Клячкина А.Л., Москва, "Машиностроение", 1980 г., стр. 16, фиг. 1.5, B2). Этот усилитель тяги содержит камеру смешения в виде кольца, выполненную с переменным поперечным сечением. В ней установлено многосопловое устройство двигателя, образующее с камерой входной участок смешения, расширяющийся по направлению потока, т.е. к выходному сечению (диффузорный). Многосопловое устройство выполнено с периферийными соплами, отклоненными к стенке камеры смешения. Такая конструкция многосоплового устройства позволяет несколько увеличить тягу. Это происходит за счет выравнивания поля скоростей в выходном сечении камеры смешения, следствием чего является увеличение расхода эжектируемого воздуха, который в свою очередь увеличивает разряжение в камере смешения и определяет величину дополнительной тяги.

Недостатком прототипа является то, что участок смешения в камере выполнен диффузорным, поэтому так же, как и в аналоге, возникает сила, уменьшающая силу многосоплового устройства.

Изобретение позволяет увеличить тягу многосоплового устройства газотурбинного двигателя при сохранении расхода топлива за счет обеспечения возможности возникновения дополнительной силы на стенке участка смешения камеры, служащей дополнительной тягой к тяге многосоплового устройства.

Это достигается в эжекторном усилителе тяги газотурбинного двигателя, содержащем кольцевую камеру смешения, выполненную с переменным поперечным сечением, и установленное в ней многосопловое устройство двигателя, образующее с камерой входной участок и участок смешения. Новым является то, что внутренняя стенка камеры на участке смешения выполнена сужающейся в направлении от соплового устройства к выходному сечению, площадь которого составляет

F_вых = (6,5-40)F_o,

где F_вых - площадь выходного сечения камеры смешения;

F_o - сумма площадей выходных сечений сопл.

При этом выходное сечение камеры расположено на среднем расстоянии от среза сопл, составляющем

L = (0,35 - 1,4)D_вых,

где L - среднее расстояние от среза сопл до выходного сечения камеры смешения, D_вых - диаметр выходного сечения камеры смешения, а угол наклона внутренней стенки на участке смешения к ее оси составляет 5 - 17^o.

Все известные конструктивные варианты эжекторных усилителей тяги газотурбинных двигателей имеют диффузорные или цилиндрические участки смешений кольцевых камер. Эта конструктивная особенность указывает на то, что при оценке эффективности эжекторных усилителей тяги (ЭУТ) на ставилась задача повышения тяги многосоплового устройства за счет изменения геометрии внутренней стенки участка смешения камеры.

Выполнение внутренней стенки камеры на участке смешения (конфузорной), т. е. сужающейся в направлении от соплового устройства к выходному сечению с площадью, размер которой составляет (6,5 - 40,0) суммы диаметров сопл, а также выходного сечения камеры, расположенного на среднем расстоянии от среза сопл, составляющем (0,35 - 1,4) его диаметра, и угла наклона внутренней стенки участка смешения камеры к ее оси составляющего 5 - 17^o, позволяет в совокупности обеспечить высокий коэффициент увеличения тяги двигателя при неувеличении расхода топлива.

При эжектировании газа внутри камеры смешения создается давление меньше внешнего атмосферного и осевая составляющая силы от разности внутреннего и внешнего давлений, возникающая на внутренней стенке камеры, состоит из осевой составляющей, возникающей во входном ее участке и участке смешения. Входной участок камеры, как правило, выполнен сужающимся от входной кромки к соплам и его осевая составляющая от разности внешнего и внутреннего давлений всегда однонаправлена с основной тягой.

Осевая составляющая силы от разности внутреннего и внешнего давлений, возникающая на внутренней стенке участка смешения камеры, который согласно изобретению выполнен сужающимся (конфузорным), направлена против скорости потока смеси газа и воздуха, т.е. так же, как и на входном участке в одну сторону с основной тягой двигателя.

При выполнении эжекторного усилителя с углом наклона внутренней стенки участка смешения камеры к ее оси, составляющим более 17^o, выходным сечением камеры смешения с площадью F_вых > 40F_o - суммы площадей выходных сечений сопл и расположенным на среднем расстоянии от среза сопл, составляющем менее 0,35 его диаметра, т.е. при значительном размере выходного сечения, малом расстоянии его до сопла и большим углом наклона внутренней стенки участка смешения камеры к ее оси уменьшается разряжение на внутренней поверхности участка смешения камеры. В результате чего уменьшается осевая составляющая равнодействующей сил давления внешнего и внутреннего на стенке участка смешения камеры, т.е. уменьшается до незначительных величин дополнительная тяга, возникающая в ней.

Если камера смешивания выполнена с площадью выходного сечения F_вых < 6,5F_o суммы площадей выходных сечений сопл, которое расположено на расстоянии более чем в 1,4 раза превышающем его диаметр и углом наклона внутренней стенки участка смешения камеры к ее оси составляющем менее 5^o, т.е. недостаточном размере выходного сечения, большой длине канала и малым углом наклона внутренней стенки участка смешения камеры к ее оси, уменьшается расход эжектируемого воздуха, при этом уменьшается разряжение на внутренней стенке участка смешения камеры, что ведет так же, как и в предыдущем случае, к снижению до незначительных величин дополнительной тяги, возникающей в ней.

На фиг. 1 изображен продольный разрез эжекторного усилителя тяги малоразмерного газотурбинного двигателя.

На фиг. 2 изображена принципиальная схема эжекторного усилителя тяги газотурбинного двигателя.

Эжекторный усилитель тяги газотурбинного двигателя (фиг. 1 и 2) содержит кольцевую камеру смешения 1. В камере смешения 1 установлено многосопловое устройство 2 двигателя, образующего с камерой входной участок 3 и участок смешения 4, расположенный на среднем расстоянии от среза сопл до выходного сечения камеры 1. Многосопловое устройство 2 может быть выполнено с периферийными соплами, имеющими наклон к внутренней стенке камеры смешения или без него. Внутренняя стенка камеры 1 на участке смешения 4 выполнена сужающейся в направлении от многосоплового устройства 2 к ее выходному сечению. Площадь выходного сечения камеры смешения 1 составляет F_вых = (6,5 - 40,0)F_o, где F_вых - площадь выходного сечения камеры смешения, а F_o - сумма площадей выходных сечений сопл. Выходное сечение расположено на среднем расстоянии от среза сопл устройства 2, составляющем L = (0,35 - 1,4)D_вых, где L - среднее расстояние от среза сопл до выходного сечения камеры смещения, а D_вых - диаметр выходного сечения камеры смешения. Угол наклона внутренней стенки камеры смешения 1 к ее оси составляет 5 - 17^o. Наружная поверхность камеры смешения 1 может быть выполнена с криволинейной поверхностью и с формой, определяемой условиями безотрывного обтекания внешним потоком.

На фиг. 2 обозначены вектора сил, действующих в эжекторном усилителе тяги следующими позициями:

5 - равнодействующая сила внешнего и внутреннего давлений, действующих на камеру смешения 1;

6 - осевая составляющая равнодействующей силы 5 (дополнительная тяга, возникающая в камере на участке смешения);

7 - направление скорости эжектирующих газовых струй;

8 - направление основной тяги, создаваемой двигателем;

9 - эпюра области пониженного (меньше внешнего атмосферного) давления потока воздуха и смеси газа с ним внутри камеры смешения 1;

10 - направление скорости выхода смеси воздуха и газа из камеры 1.

Устройство работает следующим образом.

Газы 7, истекая из сопл устройства 2, эжектируют окружающий воздух в камере смешения 1, в которую он поступает через входной участок 3. На всей внутренней поверхности камеры смешения 1, от передней входной кромки входного участка 3 до ее выходного сечения D_вых, газовыми струями, истекающими из сопл устройства 2, эжектированием создается давление меньше внешнего атмосферного (см. эпюру 9). На всей внешней поверхности камеры смешения сохраняется внешнее атмосферное давление. Осевая составляющая 6 силы 5 от разности этих давлений, возникающая на внутренней стенке участка смешения камеры, направлена против скорости потока смеси газа и воздуха 10, т.е. в одном направлении с основной тягой 8 двигателя. Поэтому она является дополнительной тягой.

Экспериментальная проверка проведена на малоразмерной модели эжекторного усилителя тяги, состоящего из кольцевой камеры смешения с установленным в нее шестнадцатисопловым устройством. Диаметр каждого сопла составлял 4 мм. Камера на участке смешения выполнена сужающейся от соплового устройства к выходному сечению с диаметром 58 мм, который выбран из условия F_вых = 15F_o, где F_вых - площадь выходного сечения камеры смешения, а F_o - сумма площадей выходных сечений сопл. Выходное сечение располагалось на среднем расстоянии от среза сопл, составляющем L = 61 мм, т.е. L = 1,05 D_вых. Угол наклона внутренней стенки камеры смешения к ее оси составил 7^o.

К соплу для создания тяги подводился сжатый воздух от заводской сети с давлением 2 кг/см², температурой 315 K и расходом G = 0,3578 кг/с. Все параметры воздуха измерялись и контролировались стандартными манометром и термометром и выполнялись соответствующие корректировки. Замер тяги выполнялся на точных пружинных тарельчатых весах.

Первоначально замерялась тяга только многосоплового устройства без камеры смешения. Затем устанавливалась камера смешения и вновь измерялась тяга.

Тяга многосоплового устройства: основная R₀ = 13,23 кг, суммарная замеренная тяга R_у.т = 29,38 кг.

Таким образом, из экспериментальных данных видно, что эжекторный усилитель тяги газотурбинного двигателя, выполненный с профилем и геометрическими размерами согласно изобретению, позволяет увеличить тягу более чем в два раза при сохранении расхода топлива.