Шумоглушащее сопло воздушно-реактивного двигателя
NOISE-SUPPRESSING NOZZLE OF AIR-JET ENGINE

Изобретение относится к области авиации, в частности, к соплам сверхзвуковых пассажирских самолетов (СПС) с устройствами для снижения шума струи воздушно-реактивного двигателя.
Осуществление крейсерского полета СПС возможно с использованием турбореактивных двухконтурных двигателей (ТРДД) 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.
Выполнение СПС предполагаемых норм по шуму для дозвуковых самолетов невозможно без создания и исследования технических решений, обеспечивающих существенное снижение скорости истечения реактивной струи, являющейся преобладающим источником шума на режимах взлета и набора высоты, а так же высокий уровень тягово-экономических характеристик силовой установки на всех режимах полета.
Известны плоское и осесимметричное шумоглушащие сопла воздушно реактивного двигателя (Патент RU 2313680 С2, 2016 г) в которых канал сопла в области критического сечения сопла разделен перегородками на ряд малых сопл, а на противоположных сторонах среза сопла между перегородками шарнирно прикреплены отклоняемые панели. На режиме шумоглушения у соседних малых сопл имеет место чередование углов установки панелей, прикрепленных к обечайке. Это приводит к тому, что вектора скорости истечения из соседних малых сопл направлены под углом друг к другу, увеличивая интенсивность смешения струи с набегающим потоком и уменьшая начальный участок зоны смешения, в результате чего происходит шумоглушение. Недостатком этих сопел является то, что за счет перегородок в критическом сечении увеличиваются потери тяги сопла, отсутствуют экранирующие поверхности, препятствующие распространению акустического излучения, источником которого является начальный участок слоя смешения высоконапорной струи с набегающим потоком, вниз и вбок. Кроме того, эффективность отклонения струи заметно снижается ввиду бокового перетекания наружного воздуха в боковые зазоры между створками.
Известно осесимметричное сопло с шумоглушением, содержащее обечайку и центральное тело, между которыми расположены пилоны, разделяющие основной канал сопла на ряд каналов, а также эжектор, причем каждый пилон снабжен двумя панелями, подвижно соединенными с пилоном вдоль кромок, и механизмом поворота панелей (патент США №2940252, МПК F02K 1/26, 1960). Недостатком этого сопла является то, что крепление панелей к кромкам пилонов удлиняет внутренний канал сопла на длину панелей вдоль оси сопла, что уменьшает длину смешения внутреннего потока и внешнего воздуха в эжекторе и, соответственно, уменьшает уровень снижения шума. Кроме того, сверхзвуковая часть сопла формируется одной панелью, что не позволяет оптимальным образом регулировать сопло в широком диапазоне режимов полета и приводит к дополнительным потерям тяги. Кроме того, отсутствует экранирование зоны смешения высоконапорной струи, являющейся основным источником шума струи.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению, принятому за прототип, является шумоглушащее сопло воздушно-реактивного двигателя (патент RU 1565345 U1, 2015 г), содержащее дозвуковую и сверхзвуковую части с прямоугольной формой критического сечения сопла, а так же расположенные в сверхзвуковой части верхние и нижние ряды отклоняемых по управляющему сигналу шумоглушения створок. 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 разряжения, 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. Недостатками этого сопла являются выступающие во внешнюю область сопла боковые перегородки, приводящие к увеличению аэродинамического сопротивления, а так же отсутствие экранирования зоны смешения высоконапорной струи, являющейся основным источником шума на режимах взлета - посадки.
В результате, указанные недостатки не позволяют эффективно применять данные сопла для СПС нового поколения.
Задачей и техническим результатом изобретения являются разработка высокоэффективного шумоглушащего сопла, обеспечивающего низкий уровень шума на режиме взлета и посадки, а также высокие тягово-экономические характеристики на всех режимах полета.
Решение поставленной задачи и технический результат достигается тем, что в шумоглушащем сопле воздушно-реактивного двигателя, содержащем дозвуковую и сверхзвуковую части с прямоугольной формой критического сечения сопла, расположенные в сверхзвуковой части верхние и нижние ряды отклоняемых по управляющему сигналу шумоглушения створок, сверхзвуковая часть сопла продлена по потоку посредством нижней и боковых стенок с увеличением по потоку площади поперечного сечения. Сопло дополнительно содержит эжектор подачи наружного воздуха в сверхзвуковую часть сопла через выходные отверстия под нижним рядом створок.
Технический результат достигается также тем, что критическое сечение сопла имеет удлиненный профиль до 0,25-0,5 калибра (высоты критического сечения) с наклоном к оси двигателя вниз на угол 0…4°.
Технический результат достигается также тем, что длина сверхзвуковой части сопла составляет 8-10 калибров.
Технический результат достигается также тем, что створки верхнего ряда выполнены с возможностью отклонения на угол 0…20° от нижней стенки.
Технический результат достигается также тем, что верхний ряд створок выполнен с возможностью раздельного отклонения соседних створок по управляющему сигналу шумоглушения с разницей их углов отклонения 5…20°.
Технический результат достигается также тем, что что створки верхнего ряда, отклоняемые вверх относительно соседних створок, имеют ширину в 1,3-1,5 раз больше, чем соседние.
Технический результат достигается также тем, что что створки верхнего ряда, отклоняемые вверх относительно соседних створок, выполнены в форме трапеции на виде сверху с соотношением оснований 1:1,3…1,5 с расширением по потоку, а соседние - с сужением.
Технический результат достигается также тем, что что створки нижнего ряда выполнены с возможностью закрытия выходных отверстий эжектора при отсутствии управляющего сигнала шумоглушения и открытия - при его наличии.
Технический результат достигается также тем, створки нижнего ряда выполнены с возможностью синхронного отклонения вверх вместе с расположенными над ними створками верхнего ряда.
Технический результат достигается также тем, что на нижней стенке ниже по потоку между следами створок нижнего ряда дополнительно расположены выходные отверстия эжектора, открываемые по управляющему сигналу шумоглушения отклоняемыми створками на угол 5…12° от нижней стенки (второй ряд нижних створок).
Технический результат достигается также тем, что отклоняемые створки второго нижнего ряда выполнены с боковыми продольными перегородками.
Технический результат достигается также тем, что отклоняемые створки нижнего ряда выполнены с боковыми продольными перегородками.
Технический результат достигается также тем, что сопло воздушно-реактивного двигателя содержит заслонку на нижней наружной поверхности сопла, перекрывающую вход эжектора при отсутствии управляющего сигнала шумоглушения и открывающую вход эжектора - при его наличии.
Изобретение иллюстрируется графическими материалами, где на фиг. 1 показан вид сверху шумоглушащего сопла воздушно-реактивного двигателя, на фиг. 2 - общий вид, на фиг. 3 - вид в сечениях А-А, а на фиг. 4 - вид в сечении В-В. На фиг. 5 представлена акустическая эффективность (в EPNdB) шумоглушащего сопла по сравнению с осесимметричным соплом.
Шумоглушащее сопло воздушно-реактивного двигателя состоит (фиг. 3, 4) из дозвуковой части 1, сверхзвуковой части 2, продленной по потоку на 8-10 калибров (один калибр равен высоте критического сечения) посредством нижней 4 и боковых стенок 5 (фиг. 2) с увеличением по потоку площади поперечного сечения, критического сечении 3 с удлиненным профилем до 0,25-0,5 калибра и наклоном к оси двигателя на угол 0°…-4° (фиг. 4), отклоняемых створок нижнего ряда 6, отклоняемых створок верхнего ряда 7 на угол 0…20° от нижней стенки, отклоняемых створок второго нижнего ряда 8, эжектора 9, заслонки 10 на нижней наружной поверхности сопла.
Управление створками верхнего ряда 7 и нижнего ряда 6, а так же створок второго нижнего ряда 8 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.
По управляющему сигналу шумоглушения отклоняемые створки верхнего ряда 7 и нижнего ряда 6 увеличивают площадь соприкосновения высоконапорной струи воздушно-реактивного двигателя с набегающим потоком, кроме того, отклонение створок нижнего ряда 6 приводит к открытию выходных отверстий эжектора 9 на угол 5…12° от нижней стенки, обеспечивающего дополнительную подачу наружного воздуха в сверхзвуковую часть сопла, а отклонение заслонки 10 - к открытию входа в эжектор. Таким образом, длина начального участка зоны смешения, являющегося источником акустического излучения, уменьшается, благодаря чему становится возможным ее экранирование нижней и боковыми стенкам сверхзвуковой части сопла, уменьшая акустическое излучение по направлению вниз и вбок соответственно. Наличие второго нижнего ряда отклоняемых створок 8 с расположенными под ними дополнительными выходными отверстиями эжектора 9 исключает появление высокочастотных пульсация давления при взаимодействии высокоскоростной струи воздушно-реактивного двигателя с набегающим потоком в окрестности задней кромки сопла (нижней стенки) и, как следствие, улучшает эффективность шумоглушения. При отсутствии управляющего сигнала шумоглушения вход эжектора 9 на нижней наружной поверхности сопла перекрыт заслонкой 10, а выход - отклоняемыми под нулевым углом по отношению к нижней стенки створками нижнего ряда 6 и второго нижнего ряда 8.
При наличии управляющего сигнал шумоглушения (режимы взлета-посадки) и характерных для двигателей низкой степени двухконтурности (m<2) скоростях истечения U~550 - 600 м/с потери тяги сопла равны 5,5-6% идеальной тяги сопла. На основании предположения о том, что преобладающим источником шума на режиме взлета-посадки является шум высоконапорной струи воздушно-реактивного двигателя, исследование акустических характеристик шумоглушащего сопла происходит в двух контрольных точках: в боковой контрольной точке (сбоку от сопла) и контрольной точке набора высоты (снизу от сопла). Акустическая эффективность (в EPNdB) шумоглушащего сопла по сравнению с осесимметричным соплом растет при увеличении скорости истечения струи (фиг. 5 а, б). При скоростях истечения высоконапорной струи воздушно-реактивного двигателя U~550-600 м/с ожидаемое снижение воспринимаемого шума струи на местности составляет величину порядка 8 EPNdB (фиг. 5а) в боковой контрольной точке, а в контрольной точке набора высоты 6 EPNdB (фиг. 5б). Данные результаты подтверждены в расчетных исследованиях с использованием методов вычислительной газовой динамики и в экспериментальных исследованиях крупномасштабной модели на акустическом стенде с горячими струями.
При отсутствии управляющего сигнал шумоглушения (режимы транзвукового и крейсерского полета) потери тяги соответствуют значениям потери тяги осесимметричного сопла.
Створки верхнего ряда 7, отклоняемые вверх относительно соседних створок и имеющие ширину в 1:1,3…1,5 раз больше, чем соседние, благоприятно сказываются на отклонение за ними струи вверх и на перемешивание струи с набегающим потоком, вследствие чего происходит уменьшение максимальной скорости в выходном сечении сопла на 10% а увеличение потерь внутренней тяги составляет 0,1% идеальной тяги сопла. Такой же результат достигается со створкам верхнего ряда 7, отклоняемыми вверх относительно соседних створок и выполненными в форме трапеции на виде сверху с соотношением оснований 1:1,3…1,5 с расширением по потоку, а соседние - с сужением. Наличие боковых продольных перегородок отклоняемых створок нижних рядов (фиг. 2) приводит к уменьшению потерь тяги на 0,5%.
Таким образом, технические результаты изобретения, а именно обеспечение низкого уровня шума и высоких тягово-экономических характеристик, достигаются за счет использования шумоглушащего сопла воздушно-реактивного двигателя, в котором при наличии управляющего сигнала шумоглушения акустическая эффективность (в EPNdB) увеличивается с увеличением скорости истечения струи и составляет 8 EPNdB в боковой контрольной точке и 6 EPNdB в контрольной точке набора высоты по отношению к эквивалентному осесимметричному соплу при скорости истечения струи ~550 м/с, а потери тяги сопла равны 5,5-6% идеальной тяги сопла.