ЦЕНТРАЛЬНОЕ ТЕЛО СОПЛА ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ И ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
CENTRAL BODY OF TURBO REACTIVE ENGINE'S NOZZLE AND TURBO REACTIVE ENGINE

Настоящее изобретение относится к области уменьшения шума на выходе из турбореактивного двигателя.
Турбореактивный двигатель содержит (если следовать от передней к задней его части в направлении истечения газов) вентилятор, одну или несколько ступеней компрессора, камеру сгорания, одну или несколько ступеней турбины и выхлопное сопло. Через выхлопное сопло из турбореактивного двигателя выводится поток первичного воздуха, т.е. поток газов, истекающих через ступени компрессора, куда они подаются из камеры сгорания.
Для улучшения процесса истечения газов сопло, как правило, содержит внешний картер сопла, определяющий границы внешнего кожуха газовоздушного тракта исходящего воздушного потока, а также внутренний картер сопла, определяющий границы внутреннего кожуха газовоздушного тракта исходящего воздушного потока. Внутренний картер сопла образует его центральное тело, представленное в виде поверхности тела вращения, которое может иметь цилиндрическую, коническую или, как правило, соответствующую проходящим потокам аэродинамическую форму с симметрией вокруг оси вращения турбореактивного двигателя. Специалисты для обозначения центрального тела сопла обычно используют известный английский термин «plug» (заглушка). В дальнейшем речь будет идти о центральном теле сопла или центральном теле.
Следует отметить, что стенка центрального тела сопла может также и не иметь симметрии вращения в связи с необходимостью снижения уровня шума реактивной струи газов или инфракрасной сигнатуры; в данном случае центральное тело, например, может иметь волнообразное, прямоугольное или эллиптическое поперечное сечение. Настоящее изобретение может успешно применяться, в частности, для центрального тела, стенки которого имеют симметрию вращения (обычно используется в гражданской авиации), а также для центрального тела, не имеющего симметрии вращения.
В некоторых типах турбореактивных двигателей центральное тело может выполнять иную функцию, заключающуюся в направлении потока исходящих из турбореактивного двигателя газов. Действительно, на заднем конце центрального вала некоторых турбореактивных двигателей предусматриваются отверстия для удаления газов, через которые выбрасываются различные жидкообразные вещества, в том числе масляные пары, охлаждающие газы и т.д. В этом контексте обычно говорят о маслоотделителе. В данном случае внутренняя поверхность центрального тела обеспечивает направление потока удаляемых газов независимо от того, имеется ли внутри центрального тела направляющая труба для потока удаляемых газов, вытянутая до его края и предназначенная для придания канализированного направления данному потоку, или никакой трубы не предусматривается. Выведение газов, как правило, осуществляется путем отсасывания воздуха, при этом давление внутри трубы или центрального тела становится меньше, чем внутри оболочки турбореактивного двигателя.
Перед производителями двигателей постоянно возникает проблема снижения уровня шума, в частности, в интересах обеспечения удобств для пассажиров и жителей, проживающих в районах, над которыми выполняются полеты самолетов. В связи с этим следует уменьшить шум, возникающий в сопле и состоящий из шума, образуемого в камере сгорания (шума сгорания) и обладающего низкой частотой, и шума турбин высокого и низкого давления (турбинного шума), который имеет более высокую частоту звучания. Использование классической пассивной акустической обшивки, т.е. устройств с неизменяемой геометрией формы, не позволяет добиться снижения шума сгорания, обладающего низкой частотой, в результате использования внешнего картера сопла, поскольку в данной части отсутствует достаточный объем. Во внешнем картере сопла можно бороться с шумом турбин, обладающим более высокой частотой, например, при помощи тонкого слоя материала, которому придается форма сот. В этом контексте возникает проблема снижения шума камеры сгорания, имеющего низкую частоту звучания.
Из патента US 5592813 известно использование центрального тела для снижения шума сгорания, содержащего две концентрические поверхности, между которыми располагаются соты соответствующей толщины. Кроме того, из патента ЕР 1391597 известно использование центрального тела, образованного двумя конусами для снижения шума, при этом во внешнем конусе просверлены отверстия, а между двумя конусами под отверстиями расположены полости. Эти полости в определенной степени образуют соты больших размеров, которые позволяют лучше фильтровать шумы низкой частоты. Каждая совокупность полости и множества отверстий образуют хорошо известный специалистам резонатор Гельмгольца. Аналогичная ситуация складывается и с сотами меньшего размера на большей толщине.
Указанные два решения позволяют добиться хороших результатов в снижении шумов. Вместе с тем их установка является дорогостоящей как в плане цены, так и веса. Практически невозможно, и при этом дорого, сгибать и придавать листовому железу форму сот, а установка самой большой полости, обладающей значительным весом, оказывается утомительным делом.
Технической задачей настоящего изобретения является создание устройства снижения низкочастотного шума двигателя, которое было бы менее дорогостоящим и менее тяжелым. Под низкой частотой, как правило, понимается частота от 500 до 1000 герц.
Поставленная задача согласно настоящему изобретению решена путем создания центрального тела сопла турбореактивного двигателя, содержащего стенку, которая образует полость, и характеризующуюся тем, что оно содержит множество отверстий, высверленных, по меньшей мере, в передней части этой стенки, и одну резонансную полость, образующую резонатор Гельмгольца.
Центральное тело позволяет снизить низкочастотный шум. Оно образует резонатор Гельмгольца, содержащего множество отверстий и одну полость, общую для всех отверстий. Суть изобретения, в частности, состоит в замене центрального тела с множеством полостей, образующих резонатор Гельмгольца, центральным телом с одной полостью, общей для множества отверстий, образующей один резонатор Гельмгольца. Если акустические характеристики такого резонатора хуже, чем характеристики вышеупомянутых устройств, созданных на базе предшествующего уровня техники, т.е. характеристики снижения шума составляют 30%, то стоимость и масса такого центрального тела также невелики. В связи с этим изобретение базируется на устройстве, которое представляет собой компромисс между акустическими характеристиками снижения шума, с одной стороны, и стоимостью и весом устройства акустического снижения шума, с другой стороны. Размеры вытянутой в продольном направлении передней части с высверленными отверстиями, предпочтительно, определяются расчетным путем исходя из закона статического давления внутри полости, при этом задняя граница данной части устанавливается в зависимости от величины максимальных аэродинамических потерь, которые являются допустимыми, в результате рециркуляции в полости потока выхлопных газов. Отмечается, что если теоретически сильные потери будут допустимыми, то под понятием «передняя стенка» может пониматься вся стенка центрального тела.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения центральное тело содержит внутреннюю стенку без высверленных в ней отверстий, при этом с внутренней стороны стенки образуется полость, отделяющая внешнюю полость, образующую вышеупомянутую единственную резонансную полость, от внутренней полости.
Такая стенка позволяет регулировать объем резонатора и приводить его тем самым в соответствие с частотой шума, который предполагается снижать. Кроме того, в случае с турбореактивным двигателем, оснащенным маслоотделителем, стенка может разделить полость центрального тела на две полости: резонансную полость и полость направления потока удаляемых газов.
Если предусмотрено наличие внутренней стенки, то резонансная полость содержит внешнюю стенку с высверленными в ней отверстиями, а также внутреннюю стенку, при этом любая из этих стенок - внутренняя или внешняя - могут крепиться к центральному телу.
В этом случае между внешней и внутренней стенками предпочтительно предусмотреть разъем для измерения разницы расширения.
Преимущественно стенка, образующая полость, является стенкой вращения. Как правило, это относится к центральным телам используемых в гражданской авиации турбореактивных двигателей, для которых прежде всего предназначено данное изобретение, поскольку проблемы стоимости и веса в этой сфере имеют особое значение. При этом конструкция центрального тела упрощается.
Предпочтительно также, чтобы центральное тело содержало, по меньшей мере, средство придания жесткости, которое улучшило бы механическую прочность.
Предпочтительно также, чтобы стенка, образующая центральное тело, была изготовлена из металла и, преимущественно, имела одинаковую толщину.
Настоящее изобретение также относится к турбореактивному двигателю, который имеет сопло, содержащее центральное тело, описание которого приведено выше.
Изобретение станет более понятным благодаря описанию двух предпочтительных вариантов осуществления со ссылкой на чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает вид в разрезе турбореактивного двигателя с центральным телом, первый вариант реализации центрального тела, согласно изобретению;
Фиг.2 изображает вид в разрезе турбореактивного двигателя с центральным телом, второй вариант реализации центрального тела, согласно изобретению.
Турбореактивный двигатель 1 является двухроторным турбореактивным двигателем с истечением первичного и вторичного воздуха. Он содержит, если следовать в направлении истечения газов из передней части в заднюю, вентилятор, компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, камеру сгорания, турбину высокого давления, турбину низкого давления 2 и выхлопное сопло 3. Газы нагнетаются в турбореактивный двигатель вентилятором, а после вентилятора и далее в турбореактивном двигателе разделяются на поток 4 первичного воздуха и поток вторичного воздуха. Поток 4 первичного воздуха поступает в компрессор, камеру сгорания и турбины, а затем удаляется через сопло 3. Нагнетаемый непосредственно вентилятором поток 5 вторичного воздуха дополнительно получает незначительное количество воздуха, отбираемого в оболочке турбореактивного двигателя, а затем подается в переднюю часть конца сопла, при этом после вентилятора поток направляется при помощи гондолы турбореактивного двигателя. В данном типе двигателя поток 5 вторичного воздуха является основным источником его тяги.
Сопло 3 содержит внешний картер 6 сопла, внутренняя поверхность которого определяет границы внешнего кожуха газовоздушного тракта потока первичного воздуха в сопле 3, и внутренний картер 7 сопла или центральное тело, внешняя поверхность которого ограничивает (это известно специалистам) внутренний кожух газовоздушного тракта потока первичного воздуха в сопле 3. Поток 4 первичного воздуха направляется таким образом между внутренним и внешним картерами 7 и 6 сопла 3 (схематично показано стрелками 4′).
Ротор низкого давления, содержащий, в частности, компрессор и турбину низкого давления, содержит вал 8. В описанном в данном примере турбореактивном двигателе маслоотделитель 9 установлен на заднем конце вала 8 ротора низкого давления. Как показано стрелками 10, масляные пары, охлаждающий воздух и т.д. выбрасываются (будет показано в дальнейшем) маслоотделителем под действием силы всасывания. В этом случае речь идет о потоке удаляемых газов.
Как изображено на верхней части чертежа, центральное тело 7 содержит внешнюю стенку 11, которая в данном случае является металлической, имеющую преимущественно одинаковую толщину. Внешняя стенка 11 в данном примере образована в результате вращения, т.е. имеет симметрию вращения вокруг оси А турбореактивного двигателя. В данном случае ее форма похожа на форму центральных тел, изготовленных на базе предыдущего уровня техники, т.е. аэродинамическую форму, применяемую для направления потока 4 первичного воздуха. В этом случае внешняя стенка 11 на протяжении от передней до задней части последовательно имеет цилиндрическую форму, затем форму усеченного конуса с уменьшением диаметра в направлении задней части, вновь цилиндрическую форму с меньшим, чем в передней части, диаметром. Эти формы последовательно соединены друг с другом и имеют изогнутый контур. Внешняя стенка 11 с передней стороны крепится к жесткой конструкции турбореактивного двигателя 1 в месте продолжения стенки, отделяющей внутренний кожух газовоздушного тракта потока 4 первичного воздуха, истекающего из турбины 2 низкого давления.
Стенка 11 определяет границы полости 13, которую мы будем называть общей полостью 13, поскольку она включает в себя весь объем в рамках границ, определенных внешней стенкой 11 центрального тела.
Полость 13 ничем не заполнена, т.е. в ней не предусматривается установка слоев сот или множества других резонансных полостей для снижения шума, как это можно видеть в известных устройствах.
Предпочтительно предусмотрены элементы 14 жесткости, которые необходимы для обеспечения механической прочности центрального тела 7. Элементы 14 жесткости в данном случае представлены в виде кругообразных ребер жесткости, расположенных на внутренней поверхности внешней стенки 11 центрального тела 7. В данном примере их насчитывается три.
В передней части поверхности внешней стенки 11 центрального тела 7 просверлено множество отверстий, однако на чертеже они не видны в связи с их малым размером. Эти отверстия одной стороной выходят в газовоздушный тракт потока первичного воздуха турбореактивного двигателя 1, а другой стороной - в полость 13 центрального тела 7. В данном случае отверстия просверлены на равных расстояниях в передней части стенки 11, которая вытянута до второго элемента 14 жесткости. Все эти отверстия имеют один и тот же диаметр и равномерно рассредоточены. Как правило, диаметр отверстий, просверленных в центральном теле 7, составляет 0,5-1,5 мм при диаметре передней цилиндрической части порядка 60-70 см.
Центральное тело 7 дополнительно содержит внутреннюю стенку 15, которая расположена внутри внешней стенки 11, образованной в результате вращения и ограничивающей общую полость 13. Внутренняя стенка 15 цельная, т.е. в ней не просверлены отверстия. В этом примере она изготовлена из металла, предпочтительно, одной толщины. Внутренняя стенка 15 крепится впереди к жесткой конструкции 12 турбореактивного двигателя 1, при этом в том же месте и, возможно, теми же средствами крепления, что и внешняя стенка 11. Начиная от места крепления, внутренняя стенка 15 содержит участок, имеющий форму усеченного конуса, диаметр которого резко уменьшается в направлении задней части, а затем участок цилиндрической формы. Задний край этого участка цилиндрической формы крепится на внутренней поверхности внешней стенки 11 центрального тела 7, в данном случае, на выступающем стяжном хомуте поверхности. Край крепится преимущественно при помощи соединения 16, способного компенсировать разницу расширения между внешней 11 и внутренней 15 стенками, возникающую в связи с тем, что внешняя стенка 11 непосредственно подвергается воздействию потока первичного воздуха и быстро нагревается, а внутренняя стенка 15 подвержена воздействию в меньшей степени и нагревается не так быстро. Могут рассматриваться все типы соединения, обеспечивающие свободу движения элементов, используемых для скрепления конструкции. Внутренняя стенка 15 соединяется с внешней стенкой 11 в области, расположенной за задним краем переднего участка внешней стенки 11, на которой просверлены отверстия.
Внутренняя стенка 15 таким образом устанавливает границу внешней полости 17, которая расположена между внешней стенкой 11 и внутренней стенкой 15, а также внутренней полости 18, которая равна остальной части общей полости 13, границы которой определены внешней стенкой 11 центрального тела 7.
Внешняя стенка 11 образует резонансную полость 17, предназначенную для уменьшения низкочастотного шума в сопле, в частности, шума сгорания, при помощи отверстий, просверленных во внешней стенке 11 центрального тела 7, которые одной стороной выходят в эту резонансную полость 17, а другой стороной - в газовоздушный тракт потока первичного воздуха. Вместе с резонансной полостью 17 отверстия образуют резонатор Гельмгольца, совместно с единственной резонансной полостью 17, общей для всех отверстий.
Такой резонатор Гельмгольца, использующий одну для множества отверстий резонансную полость 17, менее эффективен, чем резонатор Гельмгольца, состоящий из нескольких резонаторов Гельмгольца, включающих в себя для каждого отверстия различные полости. Ориентировочно, потеря в эффективности по снижению шума между этими двумя типами резонаторов может составлять около 30%. Однако центральное тело 7 согласно изобретению можно легче установить, оно имеет невысокую себестоимость и незначительный вес. Таким образом, речь идет о компромиссе между приемлемой эффективностью снижения шума, с одной стороны, и приемлемыми стоимостью и весом, с другой.
Наличие внутренней стенки 15, образующей внутреннюю стенку резонансной полости 17, позволяет регулировать объем резонансной полости 17 в зависимости от частоты шума, который следует уменьшить.
Кроме того, внутренняя поверхность внутренней стенки 15 обеспечивает направление потока выводимых из маслоотделителя 9 газов. В связи с тем что в стенке не просверлены отверстия, она позволяет сохранить во внутренней полости 18, направляющей поток удаляемых газов, меньшее, чем в оболочке турбореактивного двигателя 1, давление, что обеспечивает всасывание во внутреннюю камеру 18 потока удаляемых газов. Действительно, давление в резонансной полости 17 выше, чем во внутренней полости 18, поскольку через отверстия проходит незначительное количество газов потока первичного воздуха.
Продольные размеры передней части внешней стенки 11, в которой просверлены отверстия, определяются расчетным путем исходя из закона статического давления внутри резонансной камеры 17. Действительно, поток первичного воздуха имеет склонность рециркулировать в резонансной полости 17, т.е. вновь поступать в нее через передние отверстия и выходить через задние отверстия.
Чем меньше участок стенки, в которой просверлены отверстия, вытянут в продольном направлении, тем менее значительно такое явление. Определение продольной линии абсцисс на стенке 11 центрального тела 7, после которой не имеется отверстий, осуществляется в зависимости от устанавливаемого специалистами допустимого предела для такой рециркуляции газа. Вместе с тем, если предъявляемые к допустимому пределу требования не высоки, то под этим передним участком мог бы подразумеваться весь участок внешней стенки 11, которая располагается напротив внутренней стенки 15, т.е. образует внутреннюю стенку резонансной полости 17. В данном примере граница была установлена на уровне второго ребра жесткости, образующего элемент 14 жесткости. Расчеты можно производить в двух или трех измерениях в зависимости от требуемой степени точности. Они позволяют рассчитать распределение (согласно закону) статического давления на стенки в зависимости от изменения площади сечения и числа Маха в потоке 4 первичного воздуха.
Как показано в нижней части чертежа, в представленном в данном примере втором варианте реализации центральное тело 7′, как и предыдущее, также имеет стенку 11′. Разница состоит в том, что стенка 11′ в своей задней части соответствует вышеупомянутой внешней стенке 11, а в передней части, ограничивающей резонансную полость, - внутренней стенке 15 центрального тела согласно первому варианту реализации. Кроме того, центральное тело 7′ содержит внешнюю стенку 15′, которая образует внешнюю стенку резонансной полости, имеющей форму передней части внутренней стенки 11 первого варианта реализации, располагаемой напротив внутренней стенки 15, образующей внешнюю стенку резонансной полости 17.
Другими словами, центральное тело 7′ согласно второму варианту реализации имеет, как и предыдущее центральное тело, общую полость 13′, разделяемую на резонансную полость 17′ и внутреннюю полость 18′, обладающие такими же формами и объемами, как и в первом варианте реализации. Разница состоит в том, что в первом варианте реализации внешняя стенка 11 является цельной и представляет собой совокупность внешних стенок центрального тела 7, которое соответствует центральному телу, изготовленному на основе предыдущего уровня техники, но снабжено дополнительно отверстиями, а внутренняя стенка 15 крепится для образования резонансной полости 17, в то время как согласно второму варианту реализации внешняя стенка 15′ резонансной полости 17′ крепится на стенке 11′ центрального тела, которое таким образом определяет в своей передней части внутреннюю стенку резонансной полости 17′, а в задней части имеет форму, соответствующую центральному телу 7′. Речь может идти только о том, какая часть, вытянутая до заднего края центрального тела 7, 7′ считается цельной.
Во втором варианте реализации стенка, образованная в результате вращения и определяющая границы общей полости 13′ центрального тела, состоит из внешней стенки 15′ и задней части цельной стенки 11′, передняя часть которой представляет собой внутреннюю стенку резонансной полости 17′. В то же время легко можно обнаружить и общую полость 13′ центрального тела 7′, единственную резонансную полость 17′, соединенную с отверстиями, которые выходят в газовоздушный тракт потока первичного воздуха, и внутреннюю, не соединяемую с резонансной полостью 17′ полость направления потока удаляемых газов, истекающих из маслоотделителя 9.
Как и в предыдущем примере, стенки 11′, 15′, образующие резонансную полость 17′, крепятся друг к другу при помощи соединения 16′, позволяющего производить измерения разницы расширения. Предусматривается также наличие элементов 14′ жесткости, представленных ребрами жесткости, для обеспечения механической прочности центрального тела 7′. В прикрепляемой внешней стенке 15′ просверлены отверстия, которые выходят в газовоздушный тракт потока первичного воздуха и соединяются с резонансной полостью 17′ для образования резонатора Гельмгольца с единственной, общей для всех отверстий резонансной полостью 17′. Высказанные относительно первого варианта реализации различные замечания также применимы с известными поправками.
Разумеется, что специалисты могут внести изменения в конструкцию и компоновку различных элементов.
В частности, в случае отсутствия маслоотделителя 9 специалистами может быть принято решение не предусматривать наличие внутренней стенки 15 внутри общей полости 13 центрального тела 7. В этом контексте полость 13, образуемая стенкой 11, получаемой в результате вращения, образует резонансную полость 13, в которую выходят отверстия, соединяемые одновременно с газовоздушным трактом потока первичного воздуха. В том случае, если предъявляемые к допустимому пределу рециркуляции газов требования не высоки, то в конструкции стенки центрального тела 7 могут быть просверлены отверстия.
Кроме того, даже при отсутствии маслоотделителя 9 специалисты могут предусмотреть внутреннюю 15 или внешнюю 15′ стенки, образующие резонансную полость 17, 17′ меньшего объема, чем общая полость 13, 13′, для установления размеров данной резонансной полости 17 в зависимости от частоты шума, который необходимо уменьшить.
Кроме того, полости могут быть различных форм и размеров. Внутренняя стенка 15 может иметь искривленную форму или представлять собой прямую трубу небольшого диаметра, используемую только в качестве средства направления потока удаляемых газов.