ВЫХОДНОЕ УСТРОЙСТВО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области турбостроения. Устройство разработано для турбовинтового двигателя, однако может быть использовано для других авиационных двигателей вертолетов и самолетов, и в установках промышленного назначения.
Выходные устройства (ВУ) для выпуска выхлопных газов конструируют таким образом, чтобы минимизировать потери давления, связанные с выхлопом газов сгорания. Такие потери давления могут значительно снизить производительность газотурбинного двигателя.
Поток выхлопных газов, выходящих из секции турбины, часто имеет относительно сложное поле потока с завихрениями. Полезная модель направлена на раскрытие конструкции устройства, которое должно перенаправлять поток газов сгорания в направлении, отличном от входящего. Сложные поля потока газов сгорания могут создавать перепады давления, что, в свою очередь, может вызвать разделение потока вдоль внутренних поверхностей канала внутри самого ВУ. Разделение потока увеличивает сопротивление, налагаемое на поток газов сгорания, а также увеличивает потери давления, связанные с выхлопом газов сгорания.
Известно ВУ с обводным каналом для направления потока газов сгорания в газотурбинный двигатель, раскрытое в описании патента US 8099943 В2, F02C 7/08, опубл. 24.01.2012. Устройство содержит входное отверстие для приема потока газов сгорания из турбинного участка газотурбинного двигателя; выходное отверстие, сообщающееся по текучей среде с входным отверстием; и переходную часть, образующую проход между входным и выходным отверстиями. Переходная часть содержит прерывистую кольцевую область, имеющую первую боковую часть и вторую боковую часть, которые разделены разделителем потока. По меньшей мере, один обводной канал соединяет первую боковую часть и вторую боковую часть прерывистой кольцевой области.
Переходная часть устройства в виде прерывистой кольцевой части с разделителем потока и обводным каналом имеет сложную конструкцию, требующую сложной технологической оснастки. Кроме того, устройство выполнено с одним выходным патрубком.
Известно ВУ для газотурбинного двигателя по заявке на изобретение US 2016177872 A1, F02K 1/40, опубл. 23.06.2016.
Описанное в заявке устройство содержит кольцевой входной патрубок, расположенный на входной оси. По меньшей мере, два выходных патрубка ответвляются от выхода входного патрубка вдоль соответствующих центральных линий, которые отличаются друг от друга. Центральные линии выходных патрубков при проецировании на плоскость, перпендикулярной входной оси отстоят от входной оси так, чтобы не пересекаться. Устройство позволяет осуществлять вывод потока выхлопных газов на две стороны радиально наружу относительно входного патрубка. Однако в таком варианте выполнения имеет место множество вихревых зон и зон с обратным течением. Эти недостатки решаются в дополнительных частных аспектах реализации изобретения за счет выполнения разделителей в месте пересечения выхлопных патрубков и ограничительной стенки кольцевого входного патрубка.
Такое устройство разработано корпорацией «Пратт энд Уитни» для турбовинтовых двигателей типа РТ-6. Тем не менее, визуализация структуры течения потока выхлопных газов в устройстве-аналоге, выполненная по результатам трехмерного расчета в CFD ANSYS, показала, что имеются явно выраженные зоны с обратным течением на выходе из патрубков, также отмечены явные вихревые зоны. Неравномерность течения выхлопных газов приводит увеличению гидравлических потерь. Сложность конструкции в сочетании с недостатками структуры потока являются недостатками этого аналога.
Известно устройство по авторскому свидетельству SU 436163 А, F01D 25/30, опубл. 15.07.1974. Устройство представляет собой диффузор содержащий осевую, переходную и радиальную части, образованные соответственно наружной и внутренней стенками, при этом наружная стенка радиальной части выполнена в виде дуги окружности.
Радиальная часть устройства с наружной стенкой, которая выполнена в виде дуги окружности, имеет удовлетворительные характеристики выравнивания структуры потока выхлопных газов только в случае больших осевых габаритов. Другим недостатком известного устройства является низкий КПД за счет больших потерь полного давления выхлопных газов.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для выпуска газов из турбомашины RU 2144986 C1, F01D 25/30 (2000.01), F04D 29/54 (2000.01), опубл. 27.01.2000, выбранное в качестве прототипа. Устройство выполнено с кольцевым диффузором, который содержит осевую и радиальную части, образованные соответственно наружной и внутренней стенками, при этом наружная стенка радиальной части выполнена в виде дуги окружности. Отношение радиуса R дуги окружности к ширине Н кольцевого зазора на выходе из осевой части диффузора равно 0,4-1,1, а ΔH/R<1, где ΔН - разность между величинами ширины кольцевых зазоров на выходах радиальной и осевой части диффузора. Отношение площадей входного и выходного сечений осевой части диффузора находится в интервале 1,5-2,0. Такое выполнение устройства для выпуска газов приводит к уменьшению потерь по сравнению с предыдущим аналогом. Кроме того, в прототипе радиальная часть выполнена с улиткой, образованной передней, боковой и задней стенками. Улитка позволяет уменьшить осевые габариты выхлопного устройства, имеет хорошие характеристики выравнивания структуры потока выхлопных газов в сочетании с простотой и технологичностью ее конструкции.
Недостатком прототипа является односторонний выхлоп. Энергия струи выхлопного газа выше, чем в случае с двухсторонним выхлопом, из-за чего выхлопная струя охлаждается гораздо медленнее. Односторонний выхлоп дополнительно может создавать реактивный момент при использовании устройства на летательных аппаратах.
Задачей полезной модели является создание выходного устройства, в котором поток газов сгорания разделяется на две стороны относительно направления входа потока. Такое выполнение приводит к снижению потерь полного давления в ВУ. При этом конструкция устройства является простой и технологичной и имеет улучшенные характеристики структуры течения потока выхлопных газов.
Задача решается путем усовершенствования выходного устройства, которое содержит кольцевой диффузор, имеющий осевую и радиальную части, образованные соответственно наружной и внутренней стенками, и улитку, соединенную с кольцевым диффузором. При этом наружная стенка радиальной части диффузора выполнена в виде дуги окружности. Согласно полезной модели, улитка выполнена с двумя выходными патрубками, направленными в противоположные стороны тангенциально осевому направлению входа потока, причем оси патрубков расположены в плоскостях, имеющих наклон (β) к горизонтальной плоскости и расположенных на равном расстоянии (HP) от оси ВУ, кроме того, оси патрубков расположены под углом более 90° (α>90°) относительно осевого направления входа потока.
В одном из конкретных вариантов осуществления полезной модели углы наклона выхлопных патрубков составляют α=102° и β=11,25°, a расстояние HP составляет 90 мм.
Такое выполнение приводит к уменьшению потерь в ВУ, созданию парирующего реактивного момента от движителя-винта в случае применения на самолете, что улучшает курсовую устойчивость самолета в полете. Разделение потока газа за двигателем на левый и правый патрубок также приводит к разделению общей энергии потока, вследствие чего при выхлопе быстрее происходит смешивание и охлаждение струй газа с турбулизированным потоком от винта, что обеспечивает минимальное воздействие выхлопной струи на обшивку объекта установки.
Согласно предпочтительному варианту осуществления полезной модели для радиального участка диффузора отношение радиуса R дуги окружности наружной стенки радиальной части диффузора к ширине Н кольцевого зазора на входе в диффузор лежит в диапазоне 2,5-3, а отношение ΔН/Н<0,6, где ΔН - разность между величинами ширины кольцевого зазора на выходе из радиальной части диффузора и входе в диффузор.
В этом случае имеет место безотрывное течение газов на выходе из диффузора и минимальные потери полного давления. При R/H>3 происходит резкое увеличение потерь полного давления в выхлопной системе. По той же причине разность между величинами ширины кольцевых зазоров на выходе из радиальной части диффузора и входе в диффузор (АН) не должна превышать ширину кольцевого зазора на входе (ΔН/Н<0,6).
Кроме того, отношение площадей входного и выходного сечений диффузора S1/S2 находится в интервале 1,5-2,0..
Выбор такого отношения площадей входного (S1) и выходного (S2) сечений диффузора обеспечивает эквивалентный угол диффузорности не более 34°, а также минимальную длину L осевой части диффузора. Если отношение S1/S2 и эквивалентный угол не укладываются в соответствующие интервалы, то невозможно обеспечить необходимую минимальную осевую длину диффузора, наблюдается отрыв потока воздуха от стенок диффузора, что приводит к увеличению потерь полного давления.
Полезная модель иллюстрируется следующими фигурами.
На фиг. 1 показан частичный разрез заявляемого устройства, на котором поясняется устройство диффузора и улитки.
На фиг. 2 - поперечный вид устройства, на котором отображены выходные патрубки и расположение их осей относительно горизонтальной плоскости, стрелкой на рисунке обозначено направление закрутки потока.
На фиг. 3 - вид устройства сверху, где показано расположение патрубков относительно оси входа потока.
ВУ содержит кольцевой диффузор 1, содержащий цилиндрическую осевую часть и радиальную часть, улитку 11 и два выхлопных патрубка 9] 10. Цилиндрическая осевая часть диффузора, образована внутренней 2 и наружной 3 стенками. Радиальная часть образована внутренней 7 и наружной 6 стенками. Образующая наружной стенки 6 имеет форму дуги окружности с радиусом R и высотой ΔН. Кольцевой зазор на входе осевой части диффузора 1 обозначен Н. Улитка образована передней стенкой 4, наружной стенкой 5 и задней стенкой 8, соединенной радиусным переходом с внутренней стенкой радиального диффузора 7.
Выходные патрубки расположены симметрично относительно центральной оси ВУ (фиг. 2) тангенциально осевому направлению входа потока в диффузор, и направлены в противоположные стороны каждый в сторону направления закрутки потока. Выхлопные патрубки 9 и 10 расположены под углом большим 90° (α=102°) к оси ВУ. Оси выхлопных патрубков не являются соосными и расположены в плоскостях равноудаленных от оси ВУ, в конкретном примере на расстояниях HP=90 мм, и имеющих наклон β=11,25° к горизонтальной плоскости.
При работе выхлопной системы газотурбинной установки газ, выходящий из турбины, поступает в диффузор 1, проходит через осевую и радиальную часть и, снижая скорость потока, поступает в улитку. Выхлопной газ, выходящий из осевой части диффузора 1, благодаря известному из аэродинамики эффекту Коанда, течет вдоль наружной стенки 6, и обеспечивает безотрывность потока вдоль наружной стенки диффузора по всему его сечению. В улитке поток меняет радиальное направление на тангенциальное, выравнивается, и, разделяясь, отводится в атмосферу посредством двух выхлопных патрубков под углом 102° к осевому направлению на входе в ВУ. Благодаря такому характеру течения потока потери в выхлопной системе минимальны.