СМЕСИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВУХКОНТУРНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Устройство предназначено для смешения потоков контуров двухконтурного газотурбинного реактивного двигателя (ТРДД), снижения шума реактивной струи ТРДД и глушения инфракрасного излучения его задней опоры.
В современных ТРДД смешение потоков осуществляется для повышения характеристик двигателя и снижения шума реактивной струи. При смешении потоков первого и второго контуров крупные вихри трактового газа, истекающие из турбины, измельчаются под воздействием потока воздуха второго контура. Как известно из теоретических основ аэроакустики, мелкие вихри быстрее затухают, и именно поэтому снижается уровень генерируемого ими шума.
Шум при истечении струи газа из реактивного сопла возникает в процессе ее смешения с окружающим воздухом. Основным источником шума при истечении струи является турбулентные пульсации. Турбулентное течение реактивной струи имеет сложную несимметричную относительно оси сопла структуру, а спектр турбулентных пульсаций имеет явно выраженный широкополосный характер. Максимум спектральной плотности пульсаций соответствует большим энергосодержащим вихрям [Численное моделирование нестационарных явлений в газотурбинных двигателях: Научное издание. / Августинович В.Г., Шмотин Ю.Н., Сипатов А.М., Румянцев Д.Б., Ташлыков Д.Н., Старков Р.Ю., Повышев И.А., Полулях А.И. - М.: Машиностроение, 2005, 536 с, с. 473].
Известно, что струя, истекающая из сопла, имеет 3 характерных участка: начальный, переходный и основной. Начальный участок (протяженность - 4-5 диаметров сопла длиной) содержит потенциальное ядро и зону смешения с окружающей средой. Из теории воздушно-реактивных двигателей известно [Теория воздушно-реактивных двигателей Текст./ под ре. С.М. Шляхтенко. - М.: Машиностроение, 1975, 568 с, с. 470], что наибольший вклад в общий шум струи вносит ее начальный участок.
В конструкциях современных ТРДД предусмотрена реализация таких способов снижения шума, как разбиение струи газа внутреннего контура дискретными струями воздуха наружного контура.
Известно, например, устройство для снижения шума - шевронное выхлопное сопло (патент РФ №2213240, F02F 1/40, 28.08.1998, опубл. 27.09.2009), включающее в себя выхлопную трубу для протекания газовой реактивной струи, на заднем конце которой расположено множество смежных шевронов, ограничивающих выхлопное отверстие. Каждый из шевронов имеет треугольную конфигурацию с основанием, вершиной, сходящимися между боковыми задними кромками и ограниченными таким образом противолежащими в радиальном направлении первой и второй поверхностями. Задние кромки смежных шевронов разнесены друг от друга в поперечном направлении, определяя соответствующие расходящиеся пазы, сообщающиеся по потоку с трубой. Шевроны имеют вогнутый контур в осевом направлении между основаниями и вершинами, который способствует смешиванию реактивных струй через пазы. Изобретение позволит снизить шум истечения отработавших газов и инфракрасную характеристику при минимальном снижении характеристик двигателя.
Прототипом данной полезной модели может служить шумоглушащее устройство, описанное в патенте (РФ №2303151 F02K 1/34, F01N 1/24, 15.12.2005, опубл. 20.07.2007 Бюл. №20) и содержащее обтекатель, каналы внутреннего и наружного контуров, сопло с цилиндрическими патрубками, выполненными с внешними кольцевыми полостями, и полые пилоны, соединяющие кольцевые полости с каналом наружного контура, отличающееся тем, что оболочка обтекателя выполнена пористой и заполнена звукопоглощающим материалом на основе специальных алюминосодержащих сплавов.
Недостатками прототипа и аналога следует считать следующие. Обе конструкции, равно как и иные применяемые в настоящий момент, не позволяют активно влиять на протяженность основного участка реактивной струи. Поэтому они не достигают значительной степени снижения шума, т.к. от протяженности именно этого участка и зависит уровень генерируемого шума.
Прототип, аналог и все имеющиеся на данный момент устройства по снижению шума реактивной струи снижают шум за счет процесса смешения воздуха второго контура и трактового газа, никак не используя хладоресурс воздуха, смешиваемого с газом. Между тем воздух второго контура имеет очень низкую температуру.
Для устранения вышеуказанных недостатков устройств предлагается следующая конструкция устройства для шумоглушения и использования хладоресурса воздуха второго контура для блокировки ИК-излучения от задней опоры.
С целью смешения потоков первого и второго контуров, шумоглушения и использования хладоресурса воздуха второго контура для блокировки ИК-излучения от задней опоры предлагается устройство, содержащее полые стойки стоечного узла для протекания воздуха второго контура, и задний обтекатель с центральной полостью, сообщающейся с полостями в стойках, для выброса воздуха второго контура в осевую часть зоны его смешения с трактовым газом.
Предлагаемая конструкция позволяет, во-первых, выдувая воздух второго контура в центральное отверстие, разбивать крупные вихри, за счет чего снижается шум реактивной струи; во-вторых, использовать хладоресурс воздуха второго контура для охлаждения стоек, проходящего в них масляного коллектора, для блокировки ИК-излучения (в случае применения на двигателях для военной авиации) и организации защиты задней опоры от теплового влияния форсажной камеры. Полезный результат, получаемый от предлагаемой модели, достигается без применения дополнительных конструкций, утяжеляющих массу двигателя.
Таким образом, преимущество предполагаемой полезной модели заключается в достижении более высокого уровня снижения шума, снижению температуры стоек и протекающего в их полостях масла для смазки задней опоры ротора, в блокировке ИК-излучения от задней опоры для достижения ИК-малозаметности самолетов военной авиации, а также в организации воздушной защиты задней опоры двигателя для военной авиации от нагревания тепловым потоком от форсажной камеры. Предлагаемая полезная модель не предполагает увеличение массы двигателя.
Целью создания смесительного устройства турбореактивного двухконтурного двигателя является смешение потоков контуров, эффективное снижение шума реактивной струи, охлаждение заднего стоечного узла и масляного коллектора подачи масла к задней опоре ротора, блокировка ИК-излучения двигателя для военной авиации.
Технический результат при этом выражается в получаемых без увеличения веса снижении шума двигателя, снижении температуры заднего стоечного узла, снижении его теплового излучения, снижении температуры масла для смазки задней опоры ротора.
Технический результат достигается тем, что в смесительном устройстве турбореактивного двухконтурного двигателя, содержащем задний стекатель и задний стоечный узел с радиальными стойками, радиальные стойки имеют по две внутренние полости, причем одна из полостей соединяется через отверстия вверху - со вторым контуром, а внизу - с полостью в заднем стекателе, имеющем в свою очередь центральное, расположенное на оси двигателя отверстие, сообщающееся с затурбинным каналом, в который поступает трактовый газ.
Предлагаемое смесительное устройство содержит задний стоечный узел с радиальными стойками 1 (фиг. 1), имеющими две внутренние полости, причем одна из полостей соединяется через отверстия вверху - со вторым (наружным) контуром 2, а внизу - с полостью в заднем стекателе 3, имеющем в свою очередь центральное отверстие 4, расположенное на оси двигателя 5 и сообщающееся с затурбинным каналом, в который поступает трактовый газ.
Принцип действия предлагаемого смесительного устройства заключается следующем. В полые радиальные стойки заднего стоечного узла подается холодный воздух из второго контура ТРДД (причем, второй контур полностью или частично перекрывается в области задних стоек). Затем воздух поступает в полость в заднем стекателе, откуда выдувается в центральную часть реактивной струи через отверстие, располагающееся по центральной оси двигателя. Холодный воздуха второго контура, протекая по стойкам и полости в заднем стекателе, охлаждает масляный коллектор, препятствует нагреванию задней опоры в случае наличия на двигателе форсажной камеры. Вытекая в отверстие в заднем стекателе, расположенное на оси двигателя, воздух смешивается с трактовым газом в центральном участке струи, разбивая крупные вихри на мелкие, вследствие чего эффективно снижается шум струи.