ШУМОПОДАВЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГОНДОЛЫ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ, ОСНАЩЕННОЕ ПОДВИЖНЫМИ ШЕВРОННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ, И СООТВЕТСТВУЮЩАЯ ГОНДОЛА
NOISE KILLER FOR TURBOJET NACELLE EQUIPPED WITH MOVING HERRING-BONE-LIKE ELEMENTS AND NACELLE THEREWITH

Изобретение относится к гондоле турбореактивного двигателя, снабженной устройством подавления шума, создаваемого указанным двигателем.
Гондола имеет, как правило, трубчатую конструкцию. Она включает в себя воздухозаборник, находящийся выше по потоку от турбореактивного двигателя, среднюю секцию, охватывающую вентилятор турбореактивного двигателя, и заднюю секцию, в которой размещены средства реверсирования тяги и которая охватывает газогенератор, а также, в большинстве случаев, реактивное сопло, выход которого находится ниже по потоку от турбореактивного двигателя.
Гондолы рассчитаны на размещение в них одно- или двухконтурного турбореактивного двигателя.
Обычно существенная часть шума, производимого турбореактивным двигателем летательного аппарата, создается вследствие большой скорости выброса сгоревших газов, выходящих из сопла гондолы, а точнее - вследствие взаимодействия выбрасываемых соплом сгоревших газов с окружающим наружным воздухом.
Снижение уровня шума, особенно на этапе взлета летательного аппарата, является одной из важнейших задач при конструировании турбореактивных двигателей и гондол для таких двигателей.
Известно, что для достижения этой цели часть внутренней стенки воздухоприемного конструктивного элемента гондолы выполняют в виде ячеистой структуры, гасящей энергию звуковых волн.
Также известно, что для достижения этой цели в нижней по потоку части гондолы можно предусмотреть вырезы в форме шевронов, улучшающие смешивание потока сгоревших газов, выходящих из турбореактивного двигателя, с окружающим наружным воздухом и тем самым снижающие шум, создаваемый турбореактивным двигателем.
Однако такие шевронные элементы выполняют обычно неподвижными, что отрицательно сказывается на эксплуатационных характеристиках летательного аппарата.
Например, по сравнению со случаем ровного сопла увеличивается количество расходуемого топлива при сопоставимой силе тяги.
По этой причине в данной области техники были предложены устройства, снижающие уровень аэроакустических шумов турбореактивного двигателя на этапе взлета и при этом не ухудшающие сколько-нибудь заметно эксплуатационные характеристики летательного аппарата на других этапах полета.
В качестве примера можно указать устройство, описанное в патенте FR 2868131, где раскрыто сопло гондолы с изменяемой геометрией, адаптированное для двухконтурного турбореактивного двигателя. Под "двухконтурным турбореактивным двигателем" здесь понимается двигатель, генерирующий посредством вращающихся лопастей вентилятора поток горячего воздуха (или первичный поток), выходящий из камеры сгорания турбореактивного двигателя, а также поток холодного воздуха (вторичный поток), циркулирующий снаружи турбореактивного двигателя по тракту, образованному между обтекателем двигателя и внутренней стенкой гондолы, причем оба эти воздушных потока, выбрасываемые из двигателя через заднюю часть гондолы, смешиваются с потоком окружающего наружного воздуха.
В этой связи задачей настоящего изобретения является разработка гондолы, снабженной устройством снижения аэроакустических шумов, которое так же как и в вышеупомянутом случае обладает изменяемой геометрией, но имеет альтернативную конструкцию.
Другая задача изобретения заключается в создании устройства снижения аэроакустических шумов, обладающего изменяемой геометрией, но имеющего альтернативную конструкцию, которое можно размещать на гондоле турбореактивного двигателя.
В рамках решения поставленных задач желательно разработать такое устройство снижения аэроакустических шумов, обладающее изменяемой геометрией, которое могло бы регулировать эффективность смешивания потока газов, выходящих из турбореактивного двигателя, с окружающим воздухом и при этом могло бы снижать уровень аэродинамических потерь, несмотря на наличие в нем шевронных элементов.
Поставленные задачи решены путем создания гондолы турбореактивного двигателя, снабженной на своем нижнем по потоку конце соплом, содержащим внутреннюю стенку, с внутренней стороны которой циркулирует первый поток, поступающий из турбореактивного двигателя, и внешнюю стенку, снаружи которой циркулирует второй поток, соответствующий окружающему наружному воздуху, а также устройством снижения аэроакустических шумов турбореактивного двигателя, содержащим группу шевронных элементов, размещенных на окружности сопла. Гондола характеризуется тем, что указанное устройство снижения аэроакустических шумов снабжено полозом, установленным на окружности сопла с возможностью поворота вокруг оси указанного сопла, причем каждый шевронный элемент соединен с полозом с помощью направляющего элемента, который может перемещаться по полозу при его повороте, обеспечивая тем самым перемещение указанного шевронного элемента.
Поставленные задачи решены также путем создания устройства снижения аэроакустических шумов турбореактивного двигателя, оснащенного группой шевронных элементов, размещаемых на окружности сопла гондолы турбореактивного двигателя. Устройство характеризуется тем, что оно снабжено полозом, размещенным на окружности сопла и выполненным с возможностью поворота вокруг оси указанного сопла, причем каждый шевронный элемент соединен с этим полозом через направляющий элемент, выполненный с возможностью перемещения по полозу при его повороте с обеспечением перемещения указанного шевронного элемента.
Благодаря предложенному изобретению удается получить гондолу, снабженную устройством снижения аэроакустических шумов, которое особо эффективно на этапе взлета и посадки летательного аппарата и в котором шевронные элементы могут изменять ориентацию или убираться, что улучшает регулировку аэродинамических потерь в турбореактивном двигателе на этапах, отличных от взлета и посадки летательного аппарата, относящихся к действию рассматриваемого устройства.
Преимущество изобретения состоит в том, что оно обеспечивает разумный компромисс между акустической эффективностью устройства снижения аэроакустических шумов и величиной аэродинамических потерь, обусловленных действием этого устройства во время полета.
В зависимости от варианта исполнения изобретения, предлагаемое устройство может характеризоваться одним или несколькими из нижеперечисленных признаков, которые могут рассматриваться как по отдельности, так и в различных технически осуществимых комбинациях:
- устройство снижения аэроакустических шумов содержит группу рычагов, каждый из которых установлен одним из своих концов на полозе с помощью направляющего элемента, при этом каждый рычаг прикреплен своим противоположным концом к шевронному элементу таким образом, что шевронный элемент может совершать поворотное движение;
- полоз представляет собой круговое кольцо, которое размещено между внутренней стенкой и внешней стенкой сопла и радиус которого изменяется таким образом, что каждый шевронный элемент может совершать поворотное движение вокруг оси, касательной к окружности сопла;
- каждый шевронный элемент имеет трапецеидальную форму;
- полоз имеет волнистую или треугольную форму в зависимости от окружности сопла, вследствие чего каждый шевронный элемент может совершать поступательное движение между первым положением, в котором он убран в пространство между внутренней и внешней стенками сопла, и вторым положением, соответствующим выдвинутому положению шевронного элемента;
- гондола снабжена группой направляющих рельсов, расположенных между внутренней стенкой и внешней стенкой сопла и обеспечивающих направленное перемещение каждого шевронного элемента между указанными первым положением и вторым положением;
- гондола снабжена направляющим рельсом с каждой стороны каждого шевронного элемента, что обеспечивает возможность независимого направленного перемещения каждого шевронного элемента;
- каждый направляющий рельс имеет охватывающую форму, а соответствующий ему шевронный элемент имеет ответные охватываемые формы с боков;
- два шевронных элемента, последовательно расположенные на окружности сопла, наклоняются по-разному для обеспечения более эффективного смешивания первого потока со вторым потоком, представляющим собой окружающий наружный воздух;
- первый шевронный элемент расположен параллельно внутренней стенке сопла, а второй шевронный элемент расположен параллельно внешней стенке сопла;
- гондола снабжена зубчатой рейкой, приводимой в действие электродвигателем либо электрическим или гидравлическим силовым цилиндром для обеспечения поворота полоза по окружности сопла.
Другие особенности, задачи и преимущества изобретения станут более понятными из рассмотрения ниже описанных вариантов его осуществления, не ограничивающих объем правовой охраны изобретения и раскрытых со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
фиг.1а изображает гондолу, оснащенную устройством снижения аэроакустических шумов, соответствующим первому варианту изобретения;
фиг.1b изображает фрагмент показанной на фиг.1а конструкции, относящийся к полозу и направляющему элементу устройства снижения аэроакустических шумов гондолы;
фиг.2 изображает три возможных положения - закрытое, среднее и открытое - шевронных элементов показанного на фиг.1а устройства снижения аэроакустических шумов гондолы;
фиг.3 схематически изображает гондолу, оснащенную устройством снижения аэроакустических шумов, соответствующим второму варианту изобретения, где иллюстрируется действие этого устройства при обеспечении возможных положений шевронных элементов, т.е. убранного положения (слева) и выдвинутого положения (справа);
фиг.4 более детально изображает полоз волнистой или квазисинусоидальной формы, входящий в состав устройства снижения аэроакустических шумов, соответствующего второму варианту изобретения;
фиг.5 изображает вариант выполнения полоза треугольной формы, входящего в состав устройства снижения аэроакустических шумов, соответствующего второму варианту изобретения;
фиг.6 дает общий вид устройства снижения аэроакустических шумов, соответствующего второму варианту изобретения и оснащенного полозом, альтернативным полозу, представленному на фиг.4;
фиг.7 изображает фрагмент показанной на фиг.6 конструкции, относящийся к рельсам устройства снижения аэроакустических шумов, соответствующего второму варианту изобретения;
фиг.8 в разрезе изображает внутреннюю и внешнюю стенки сопла гондолы, а также шевронный элемент, установленный параллельно внутренней стенке сопла;
фиг.9 в разрезе изображает внутреннюю и внешнюю стенки сопла гондолы, а также другой шевронный элемент, соседний показанному на фиг.8 и параллельный внешней стенке сопла, образующей линию обтекания для окружающего наружного воздуха;
фиг.10 в разрезе изображает внутреннюю и внешнюю стенки сопла гондолы, а также показанный на фиг.8 шевронный элемент, находящийся в выдвинутом положении, при котором сечение сопла увеличивается.
Фиг.1а, 1b и 2 иллюстрируют первый вариант изобретения.
В изобретении предложена гондола 1 турбореактивного двигателя. На ее нижнем по потоку конце имеется сопло 10, содержащее внутреннюю стенку, с внутренней стороны которой циркулирует первый поток, выходящий из турбореактивного двигателя, и внешнюю стенку 102, снаружи которой циркулирует второй поток, представляющий собой окружающий наружный воздух.
Кроме того, гондола 1 снабжена устройством 20 снижения аэроакустических шумов турбореактивного двигателя, которое содержит группу шевронных элементов 201, размещенных по окружности сопла 10.
Согласно изобретению, устройство снижения аэроакустических шумов турбореактивного двигателя содержит полоз 202, размещенный на окружности сопла 10 и выполненный с возможностью поворота вокруг оси этого сопла, причем каждый шевронный элемент соединен с этим полозом 202 с помощью направляющего элемента 204, установленного с возможностью перемещения по полозу 202 во время его поворота с обеспечением перемещения шевронного элемента 201.
В предпочтительном случае указанный направляющий элемент 204 представляет собой ролик.
В соответствии с первым вариантом изобретения, полоз 202 представляет собой круговое кольцо, которое размещено между внутренней стенкой 101 и внешней стенкой 102 сопла 10 и радиус которого изменяется таким образом, что каждый шевронный элемент 201 может совершать вращательное движение вокруг оси, касательной к окружности сопла 10.
Для этого устройство снижения аэроакустических шумов также снабжено группой рычагов 203, каждый из которых присоединен одним из своих концов через ролик 204 к полозу 202, а противоположным концом прикреплен к шевронному элементу 201, вследствие чего шевронный элемент 201 может совершать поворотное движение.
Так, например, если радиус кольца 202 уменьшается по отношению к среднему положению (часть 3 на фиг.2, иллюстрирующая «открытое» положение), то шевронный элемент 201 будет демонстрировать тенденцию к подъему в направлении внешней стенки 102 сопла 10, поворачиваясь вокруг оси его вращения.
Напротив, если радиус кольца 202 увеличивается по отношению к среднему положению (центральная часть на фиг.2 или стрелка F на фиг.1), то шевронный элемент демонстрирует тенденцию к опусканию в направлении внутренней стенки 101 сопла 10, поворачиваясь вокруг оси его вращения (часть 1 на фиг.2, иллюстрирующая «закрытое» положение).
В результате, каждый шевронный элемент 201 может быть ориентирован надлежащим образом, а значит, отрегулирован с учетом конкретного этапа полета летательного аппарата.
Таким образом, можно изменять сечение сопла 10 гондолы в зависимости от различных этапов полета летательного аппарата.
При этом удается регулировать эффективность смешивания потока, исходящего из турбореактивного двигателя, с окружающим воздухом.
Форма шевронных элементов 201 для целей изобретения решающего значения не имеет.
Тем не менее, выбранная в соответствии с первым вариантом изобретения трапецеидальная форма обладает преимуществом, поскольку обеспечивает полную герметичность между двумя соседними шевронными элементами, предотвращая в закрытом положении пропускание между ними воздуха, которое крайне нежелательно при необходимости снижения уровня шума.
На фиг.3-7 проиллюстрирован второй вариант изобретения.
В соответствии с этим вариантом, полоз 202 имеет, например, волнистую (см. фиг.4) или треугольную (фиг.5) форму, в зависимости от окружности сопла 10.
Такая форма обеспечивает возможность изменения расстояния между полозом 202 и задней кромкой сопла 10, вследствие чего каждый шевронный элемент 201 может совершать поступательное перемещение между первым положением, в котором он убран в пространство между внутренней 101 и внешней 102 стенками сопла 10 (как видно на фиг.3 слева и на фиг.7), и вторым выдвинутым положением (показано на фиг.3 справа и на фиг.4, 5, 6).
Таким образом, появляется возможность убирать шевронные элементы полностью, что позволяет получить гондолу, которая ведет себя в аэродинамическом отношении как конструкция, вообще не оснащенная каким-либо устройством снижения аэроакустических шумов.
Сказанное особенно выгодно в тех случаях, когда летательный аппарат находится в полете, чтобы снизить во время полета аэродинамические потери и уменьшить тем самым потребление горючего.
В связи с этим предусмотрена группа направляющих рельсов 205, размещенных между внутренней 101 и внешней 102 стенками сопла 10, которые обеспечивают направленное перемещение каждого шевронного элемента 201 между первым убранным положением и вторым выдвинутым положением.
Предпочтительно помещать с каждой стороны каждого шевронного элемента 201 по соответствующему направляющему рельсу 205, с тем чтобы обеспечить независимое направленное перемещение этих элементов 201.
Согласно альтернативному варианту изобретения, каждый направляющий рельс 205 имеет охватывающую форму, а соответствующий ему шевронный элемент 201 - ответные охватываемые формы с боков.
Так, на фиг.7 видно, что каждый рельс имеет, по существу, П-образное сечение.
Можно также рассмотреть альтернативную конструкцию, применимую к обоим рассмотренным выше вариантам изобретения (показана на фиг.8 и 9).
Дело в том, что устройство снижения аэроакустических шумов можно установить таким образом, чтобы два соседних на окружности сопла 10 шевронных элемента наклонялись по-разному, с тем чтобы повысить эффективность смешивания первого потока, поступающего из турбореактивного двигателя, с окружающим наружным воздухом путем обеспечения взаимодействия между шевронными элементами 201 и сначала первым потоком, а затем - с наружным воздухом.
Если говорить конкретнее, то можно предусмотреть такую конструкцию, в которой первый шевронный элемент 201 будет расположен параллельно внутренней стенке 101 сопла 10 (фиг.9), а следующий шевронный элемент 201 - параллельно внешней стенке 102 сопла (фиг.8).
Следует иметь в виду, что развертывание шевронного элемента параллельно внешней стенке 102 сопла несомненно позволяет увеличить выходное сечение гондолы, однако при убранном положении расход первого потока будет по-прежнему ограничиваться выходным сечением сопла (фиг.10).
В этом случае увеличение расхода воздуха через сопло может составлять около 2% при обычной работе, характерной для этапа взлета.
Независимо от выбранного варианта изобретения, поворотное движение полоза 202 по окружности сопла можно обеспечивать при помощи зубчатой рейки, приводимой в действие электродвигателем либо, согласно другому варианту, электрическим или гидравлическим силовым цилиндром.