АВИАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ
AIRCRAFT ENGINE AND METHOD OF ITS OPERATION

Настоящее изобретение относится к газотурбинному двигателю, имеющему, в частности, наборы воздушных винтов противоположного вращения, содержащие разные числа лопастей и специальный промежуток между ними для уменьшения шума. Настоящее изобретение также относится к способу работы двигателя с воздушными винтами противоположного вращения для уменьшения шума.
Одним недостатком газотурбинных двигателей с открытым несущим винтом для обеспечения тягового усилия летательного аппарата является проблема шума по сравнению с газотурбинными двигателями с кольцевыми обтекателями, которые имеют акустическую обработку в кольцевых обтекателях.
В патенте США US 4883240 описана пара авиационных воздушных винтов противоположного вращения, которая производит шум в виде несущей с частотной модуляцией, частотно-модулированной несущей волны. Частотная модуляция дает конструктору возможность манипулирования энергетическим спектром шума, например, для размещения значительной акустической энергии в неслышных частотных диапазонах. Этого достигают посредством воздушных винтов противоположного вращения, содержащих: (а) первый воздушный винт, имеющий N1 лопастей, и (b) второй воздушный винт, имеющий N2 лопастей, причем N1 и N2 выбирают так, чтобы последовательные перекрещивания лопастей не были смежными. N1 и N2 представляют неравные числа лопастей, отличаются на две лопасти и предпочтительно не имеют общего знаменателя. Кроме того, первый воздушный винт содержит больше лопастей, чем второй задний воздушный винт. В общем, чем больше число лопастей в первом воздушном винте, тем меньше шума генерируется вторым (задним) воздушным винтом, рассекающим более многочисленные, но меньшие вихри турбулентных следов. Однако имеется компромисс, принимаемый во внимание, между требованиями, предъявляемым к массе и аэродинамическим летно-техническим характеристикам.
В то время как эта конфигурация наборов воздушных винтов противоположного вращения может генерировать меньше шума, чем другие конфигурации, недавние требования, предъявляемые к шуму летательных аппаратов, являются значительно более строгими и, следовательно, требуется дополнительное уменьшение шума.
Таким образом, объектом настоящего изобретения является обеспечение получения газотурбинного двигателя, имеющего пару авиационных воздушных винтов противоположного вращения, которая генерирует меньше шума для данной номинальной мощности.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ работы двигателя с воздушными винтами противоположного вращения, имеющего передний и задний воздушные винты, содержащие лопасти с изменяемым углом наклона, в котором двигатель работает во время, по меньшей мере, фазы отрыва от земли, набора высоты, полета на крейсерском режиме и фазы захода на посадку, при этом во время фазы полета на крейсерском режиме двигатель работает с постоянной окружной скоростью конца лопасти воздушного винта, отличающийся этапами работы с окружной скоростью конца лопасти, по меньшей мере, одного из воздушных винтов во время, по меньшей мере, отрыва от земли, набора высоты или захода на посадку, большей, чем окружная скорость конца лопасти при полете на крейсерском режиме и закрытия лопастей от их угла наклона при полете на крейсерском режиме до их угла наклона при заходе на посадку.
Окружная скорость конца лопасти обоих воздушных винтов предпочтительно больше окружной скорости лопасти при полете на крейсерском режиме.
Окружная скорость конца лопасти воздушного винта (воздушных винтов) во время, по меньшей мере, отрыва от земли, набора высоты или захода на посадку, по меньшей мере, на 10% больше окружной скорости конца лопасти при полете на крейсерском режиме.
Окружная скорость лопасти воздушного винта (воздушных винтов) во время, по меньшей мере, отрыва от земли или захода на посадку на 20%±5% больше окружной скорости лопасти при полете на крейсерском режиме.
Воздушные винты предпочтительно содержат лопасти с изменяемым углом наклона, причем способ предусматривает этап уменьшения (закрытия) угла наклона лопастей от их угла наклона при полете на крейсерском режиме до угла наклона при заходе на посадку.
Воздушные винты предпочтительно содержат лопасти с поддающимся изменению изменяемым углом наклона, причем способ предусматривает этап открытия лопастей от их угла наклона при наборе высоты до их угла наклона при полете на крейсерском режиме.
В другом аспекте настоящего изобретения обеспечивается двигатель с воздушными винтами противоположного вращения, имеющий передний и задний воздушные винты, содержащие лопасти с изменяемым углом наклона, в котором передний воздушный винт имеет, по меньшей мере, 9 лопастей (Nf=9) и диаметр Df, задний воздушный винт имеет максимальное число лопастей Nr=Nf минус, по меньшей мере, 3, передний и задний воздушные винты разделены аксиальным зазором х, отличающийся тем, что отношение x/Df находится в диапазоне, составляющем от 0,15 до 0,4.
Передний воздушный винт предпочтительно имеет 12 лопастей, а задний воздушный винт имеет 9 лопастей.
Альтернативно, передний воздушный винт имеет 12 лопастей, а задний воздушный винт имеет 7 лопастей.
Альтернативно, передний воздушный винт имеет 12 лопастей, а задний воздушный винт имеет 5 лопастей.
Передний воздушный винт предпочтительно имеет больший диаметр, чем задний воздушный винт. Предпочтительно диаметр заднего воздушного винта на (0,05Df-0,2Df) меньше диаметра переднего воздушного винта.
Настоящее изобретение будет более подробно описано на примере со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг.1 - схематическая секция газотурбинного двигателя, имеющего пару воздушных винтов противоположного вращения в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2 - схематическое изображение набора лопастей воздушного винта, иллюстрирующее шум несущего винта;
фиг.3 - схематическое изображение набора лопастей воздушного винта, иллюстрирующее быстро затухающее потенциальное аэродинамическое поле потока (течения);
фиг.4 - типовая кривая зависимости подъемной силы от лобового сопротивления (аэродинамическая кривая) лопасти воздушного винта;
фиг.5 - схематический вид с торца лопасти с изменяемым углом наклона (шагом).
На фиг.1 газотурбинный двигатель со спаренными воздушными винтами противоположного вращения, указанный, в общем, позицией 10, имеет главную ось 9 вращения. Двигатель 10 содержит (среднюю) внутреннюю часть 11, имеющую последовательно расположенные вдоль осевого потока воздухозаборник 12, компрессор 14 промежуточного давления (IРС), компрессор 15 высокого давления (НРС), аппаратные средства 16 для сжигания топлива, турбину 17 высокого давления (НРТ), турбину 18 низкого давления (IРТ), свободную турбину 19 (LPT) и выхлопное сопло 20 средней внутренней части. Гондола 21, в общем, окружает (среднюю) внутреннюю часть 11 двигателя и ограничивает воздухозаборник 12, сопло 20 и выхлопной канал 22 (средней) внутренней части. Двигатель 10 также содержит два воздушных винта 23, 24 противоположного вращения, соединенных со свободной турбиной 19 и приводимых во вращение свободной турбиной 19, которая содержит наборы 25, 26 лопастей противоположного вращения.
Газотурбинный двигатель 10 работает обычным образом так, чтобы воздух, входящий в воздухозаборник 12, ускорялся и сжимался компрессором 14 промежуточного давления и направлялся в компрессор 15 высокого давления, где имеет место дополнительное сжатие. Сжатый воздух, выходящий из компрессора 15 высокого давления, направляется в аппаратные средства 16 для сжигания топлива, где он смешивается с топливом, и смесь сжигается. Результирующие горячие продукты сгорания затем расширяются и в соответствии с этим приводят во вращение турбины 17, 18 высокого и низкого давления и свободную турбину 19 прежде, чем выйти через сопло 20, для обеспечения движущей силы тяги. Турбины 17, 18 высокого и низкого давления и свободная турбина 19 приводят в действие компрессоры 15, 14 высокого и промежуточного давления и воздушные винты 23, 24 посредством соответствующих соединительных валов. Воздушные винты 23, 24 нормально обеспечивают основную часть движущей силы тяги.
р
р
Наборы 23, 24 воздушных винтов разделены аксиальным промежутком x между передней и задней осями 23 и 24 изменения угла наклона соответственно. Диаметр наборов 23, 24 обычно приблизительно одинаков, однако могут быть использованы разные диаметры, оставаясь в то же самое время в пределах объема настоящего изобретения.
р
р
В предпочтительном варианте осуществления передний воздушный винт 23 сконструирован с 12 лопастями; задний воздушный винт 24 сконструирован с 9 лопастями. Аксиальное расстояние x между передней и задней осями 23 и 24 изменения угла наклона равно четверти диаметра Df переднего воздушного винта (то есть x=Df/4).
т
т
Основные тональные (звуковые) источники шума являются только тонами 30, генерируемыми каждым набором 23, 24 (см. фиг.2), и, кроме того, тонами 32, генерируемыми при взаимодействии между аэродинамическими полями потока вокруг каждого набора 23, 24 лопастей. Поле 32 потока состоит как из «потенциальной», так и вязкостной составляющих. Настоящее изобретение заключается в изменении скорости концов 23, 24 лопастей при отрыве от земли, наборе высоты и/или заходе на посадку для оптимизации (минимизации) аэродинамического (лобового) сопротивления наборов 23, 24 лопастей, уменьшающей, таким образом, силу турбулентных следов 34 от каждой лопасти, и в соответствии с этим, уменьшающей шум, генерируемый турбулентным (вихревым) следом 34, взаимодействующим с задним набором лопастей 24 и окружающей средой.
Дополнительные источники (тоны 32) шума регулируют путем соответствующего выбора числа лопастей на переднем и заднем наборах 23, 24; аксиального зазора x (фиг.1); и соответствующего выбора окружной скорости лопасти. Сила потенциального поля 32 (от каждого набора 23, 24) изменяется как
где В - число лопастей, Δx - изменение в аксиальном расстоянии между двумя рядами от расстояния в предпочтительном варианте осуществления, a Df - диаметр переднего воздушного винта 23.
Эта взаимосвязь может быть использована для определения надлежащих (соответствующих) изменений от предпочтительного варианта осуществления вследствие изменений в числе лопастей и расстояния. Кроме того, самая важная первая гармоника (мода (тип) колебаний) исключительно шума несущего винта изменяется от числа лопастей и окружной скорости конца лопасти как
i
где М - число Маха скорости вращения конца лопасти.
Путем использования выражений в уравнениях (1) и (2), приведенных выше, представляется возможным изменение числа (чисел) лопастей, окружной скорости (окружных скоростей) конца лопасти и аксиального зазора x между винтами для уменьшения шума как от взаимодействий потенциальных полей, так и лопастей отдельного несущего винта до уровня, намного меньшего, чем уровень шума, производимый от взаимодействия турбулентного (вихревого) следа между передним и задним наборами 23, 24 лопастей.
Увеличенное число лопастей гарантирует, что шум «исключительно несущего винта» (то есть шум, который создавал бы каждый ряд, даже если бы он был изолирован от другого ряда) от каждого воздушного винта (как переднего, так и заднего) значительно уменьшается. Соответствующие (большие) числа лопастей также гарантируют, что потенциальное поле аэродинамического потока вокруг каждого воздушного винта уменьшается по силе; этот факт в сочетании с соответствующим (увеличенным) аксиальным зазором x согласно настоящему изобретению между передним и задним наборами 23, 24 гарантирует, что шум, генерируемый аэродинамическим взаимодействием между любым из набора лопастей и «потенциальным полем» другого, значительно уменьшается относительно остального источника (значительного) шума, который вызывается взаимодействием между задним набором 24 и вязкими/вихревыми следами 34, производимыми передним набором 23.
Должно быть очевидным, что в обычной практике проектирования воздушный винт конструируют для конкретной окружной скорости конца лопасти и затем сохраняется по существу одинаковая окружная скорость конца лопасти в диапазоне режимов полета. Угол наклона лопасти изменяют для изменения нагрузок (тяги), как требуется на различных участках полета, где изменяется скорость полета летательного аппарата.
Заявитель установил, что уровень шума и направленность шума дальней зоны взаимодействия турбулентного (вихревого) следа/заднего набора 24 могут регулироваться до некоторой степени путем выбора числа лопастей в каждом наборе 23, 24. Воздушный винт противоположного вращения с одинаковым или почти одинаковым числом лопастей в переднем и заднем наборах 23, 24 производит строгую направленность с высоким шумом непосредственно как спереди, так и сзади. Воздушный винт с разностью 2 или более в числах лопастей каждого набора производит более низкие уровни максимального шума и более сглаженную диаграмму направленности в продольном направлении. Комбинация из 12 лопастей на переднем воздушном винте 23 и 9 лопастей на заднем воздушном винте 24 сохраняет высокие числа передних и задних лопастей и имеет разность числа лопастей, равную трем, способную производить требуемую плавную направленность. Более высокие числа лопастей в переднем наборе 23 производят относительно меньшие вязкие турбулентные (вихревые) следы 34, которые более быстро затухают за ним.
L
D
L
D
Как только выбраны требуемое число лопастей и аксиальный зазор x, единственным источником, имеющим значение, остального шума является взаимодействие турбулентного (вихревого) следа 34 с задним набором 24. Этот источник шума может быть существенно уменьшен, если окружные скорости концов лопастей являются (аэродинамически) оптимальными в условиях отрыва от земли, набора высоты и захода на посадку. Обычной практикой было бы проектирование каждого воздушного винта для соответствующей окружной скорости конца лопасти в условиях полета на крейсерском режиме (высокая горизонтальная скорость полета и большая высота), а затем проектирование секций лопасти для максимизации отношения подъемной силы к лобовому сопротивлению С/С, где C - коэффициент (аэродинамической) подъемной силы секции (лопасти), а С - коэффициент (аэродинамического) лобового сопротивления секции (лопасти), фиг.4. Если окружную скорость конца лопасти сохраняют в условиях отрыва от земли (или захода на посадку), что является обычной практикой проектирования, то коэффициент подъемной силы секции лопасти воздушного винта увеличивается (относительно коэффициента (аэродинамической) подъемной силы в условиях полета на крейсерском режиме), приводя в результате к значительному (более чем пропорциональному) увеличению коэффициента (аэродинамического) лобового сопротивления секции лопасти воздушного винта. Хотя увеличение (аэродинамического) лобового сопротивления незначительно сказывается на летно-технических характеристиках (поскольку это имеет место только на небольшой части всего периода полета), это увеличение является значительным для шума, так как оно обусловливает силу 'вихревой' части аэродинамического взаимодействия турбулентного следа между рядом лопастей воздушного винта и любым задним рядом лопастей или статической конструкцией - например, любой статической частью двигателя или авиационной конструкцией позади заднего ряда лопастей, включая, но не ограничиваясь, участки аэродинамических поверхностей, например пилонов или крыльев.
Таким образом, увеличение окружной скорости конца лопасти воздушного винта переднего и/или заднего воздушных винтов 23, 24 при отрыве от земли, наборе высоты и/или заходе на посадку относительно окружных скоростей конца лопасти при полете на крейсерском режиме, хотя это и алогично, приводит в результате к уменьшению шума (или, по меньшей мере, составляющей взаимодействия с (турбулентным) вихревым следом суммарного шума) как уменьшению в силе турбулентного следа и ее влияния на результирующий шум, генерируемый благодаря взаимодействию между (турбулентными) вихревыми следами 34 и задним набором 24 лопастей или статической конструкцией, больше, чем это достигается влиянием более высокой окружной скорости конца лопасти на шум.
Вышеописанное логическое обоснование также применяется к воздушному винту, в частности, но не исключительно, с диапазоном чисел лопастей между 11-15 на переднем наборе 23 и с числами лопастей между 5-10 на заднем наборе 24. Разность чисел лопастей предпочтительно составляет, по меньшей мере, 3, хотя большая разность также дает выгоды. Оно также применяется к воздушным винтам противоположного вращения с диапазоном аксиальных зазоров от x/D=0,15 до x/D=0,4. Соответствующий выбор чисел лопастей переднего и заднего набора и аксиального зазора может быть определен относительно начала отсчета из формул (1) и (2), приведенных выше.
Двумя другими специфическими числами лопастей для наборов 23, 24 переднего и заднего воздушных винтов являются, во-первых, 12 и 5 и, во-вторых, 12 и 7 соответственно. Эти две комбинации чисел лопастей дают больше выгоды, чем конфигурация 12 и 9 (достаточно большое число лопастей для уменьшения составляющих шума исключительно несущего винта, шума, генерируемого взаимодействиями потенциальных полей, и шума взаимодействия турбулентного (вихревого) следа посредством увеличения окружной скорости конца лопасти), и гарантируют, что не существует в одно и то же время и/или смежных взаимодействий между лопастями переднего и заднего воздушных винтов 23, 24.
Таким образом, настоящее изобретение само предоставляет способ работы двигателя с воздушными винтами противоположного вращения, в котором во время фазы полета на крейсерском режиме двигатель работает, как обычно, с постоянной окружной скоростью конца лопасти воздушного винта и увеличивая окружную скорость конца лопасти одного или обоих воздушных винтов 23, 24 во время отрыва от земли, набора высоты или захода на посадку до скорости, большей скорости полета на крейсерском режиме. Заявитель полагает, что преимущества уменьшения шума станут очевидными, когда окружная скорость конца лопасти при отрыве от земли, наборе высоты или заходе на посадку больше окружной скорости конца лопасти при полете на крейсерском режиме, и становятся особенно значительными, когда окружная скорость конца лопасти при отрыве от земли, наборе высоты или заходе на посадку составляет, по меньшей мере, на 10% больше окружной скорости конца лопасти при полете на крейсерском режиме и имеет оптимальное уменьшение шума при окружных скоростях конца лопасти на 20%±5% больше, чем при полете на крейсерском режиме.
При увеличении окружной скорости конца лопастей одного или обоих воздушных винтов 23, 24 может требоваться регулировка величины создаваемой тяги, и квалифицированному специалисту в этой области техники должно быть очевидно, что двигатель и его работа предусматривают лопасти с изменяемым углом наклона. Как следует из фиг.5, лопасть 23, 24 смонтирована на несущей ступице 36, которая может поворачиваться для изменения угла θ наклона лопасти. Лопасти создают как тягу Т, так и (аэродинамическую) подъемную силу L. Если окружную скорость конца лопасти при отрыве от земли, наборе высоты или заходе на посадку увеличивают до большей окружной скорости, чем расчетная окружная скорость конца лопасти при полете на крейсерском режиме, то лопасти вращают закрытыми или «с малым углом наклона» относительно тех, которые бы потребовались на конструкции без увеличения окружной скорости конца лопасти. Лобовое сопротивление лопасти уменьшается значительно благодаря увеличению окружной скорости лопасти, сопровождающемуся некоторым уменьшением коэффициента аэродинамической подъемной силы лопасти (хотя саму (аэродинамическую) подъемную силу нет необходимости изменять). Однако комбинацию увеличения окружной скорости конца лопасти и соответствующего изменения угла наклона лопасти используют для гарантии того, что воздушный винт соответствовал требованиям по (аэродинамической) подъемной силе и силе тяги.
В качестве альтернативы уменьшению шумового фона в жилых кварталах, двигатель, соответствующий настоящему изобретению, может работать с более высокими летно-техническими характеристиками, чем в других обстоятельствах при заданном и допустимом уровне шума. Дополнительным преимуществом является то, что соответствующий летательный аппарат будет способен более быстро достигать большей высоты, уменьшая в соответствии с этим уровни шума, воспринимаемые на земле.
т
R
т
Настоящее изобретение описано и показано с наборами 23, 24 переднего и заднего воздушных винтов, имеющими приблизительно одинаковый диаметр, однако любой набор 23, 24 может иметь больший диаметр, чем другой. В частности, задний воздушный винт 24 спроектирован с меньшим диаметром, чем передний воздушный винт 23. Это видно на фиг.1 посредством пунктирной линии 24' и диаметра D' воздушного винта. Очевидно, что особенно сильный вихрь или турбулентный (вихревой) след генерируется и распространяется из наружного конца 23 лопастей переднего воздушного винта. Источник сильного шума создается позади заднего воздушного винта 24, режущего вихрь, генерируемый концом лопасти. Таким образом, проектирование заднего воздушного винта 24, чтобы частично или полностью избежать рассекание вихря или турбулентного (вихревого) следа, генерируемого концом лопасти, предпочтительно еще больше уменьшает шум.
Должно быть очевидным, что величина, на которую уменьшают диаметр заднего ряда, будет зависеть от силы и размера вихря или турбулентного (вихревого) следа и расстояния между воздушными винтами 23, 24. Также конфигурация лопасти переднего воздушного винта 23, в частности на его конце, и угол наклона каждой лопасти будут определять силу и размер вихря или турбулентного (вихревого) следа. Кроме того, условия работы двигателя и режим полета летательного аппарата будут всеми факторами в генерировании вихрей и турбулентных следов конца лопасти. В качестве характерного варианта осуществления передний и задний воздушные винты 23, 24 разделены аксиальным зазором х, составляющим от 0,150Df до 0,4Df, диаметр заднего воздушного винта может быть уменьшен на величину, составляющую от 0,05Df до 0,2Df соответственно.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на газотурбинный двигатель, настоящее изобретение может быть также реализовано с дизельными или бензиновыми двигателями, или с двигателями, работающими на топливных элементах, или с другими двигателями, способными приводить во вращение наборы воздушных винтов противоположного вращения.