ВЫПУСКНОЙ КОЛЛЕКТОР ДЛЯ РАБОЧИХ ГАЗОВ В ЛЕТАТЕЛЬНОМ АППАРАТЕ, СПОСОБ РАБОТЫ ВЫПУСКНОГО КОЛЛЕКТОРА И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
OUTLET MANIFOLD FOR WORKING GASES IN AIRCRAFT, OPERATING METHOD OF OUTLET MANIFOLD, AND GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к области перемещения летательных аппаратов при помощи реактивной струи газового потока и его объектом является выпускной коллектор, установленный на выходе газогенераторной установки до сопла.
Для самолетов, приводимых в движение турбореактивным двигателем, как пилотируемых, так и беспилотных или самолетов-роботов, используемых в военных целях, важную роль играет незаметность.
Незаметность определяют, в частности, по двум параметрам: эквивалентная поверхность радиолокации (ЭПР) и инфракрасная подпись (ИКП). ЭПР является поверхностью, которая может появиться на экране РЛС с учетом геометрической формы летательного аппарата. ИКП является индивидуальным тепловым следом, оставляемым летательным аппаратом, в частности на уровне его реактивных сопел.
Для уменьшения этого теплового следа, и даже для его предотвращения, известен способ маскирования инфракрасного излучения горячих газов, выходящих из газогенераторной установки. Известен, например, патент US 3693880, в котором описано устройство такого типа. Оно содержит экран в виде круглого тела, установленный в выпускном газовом канале и вместе с тем отстоящий от стенок последнего, и удерживаемый радиальными стойками. Оно имеет аэродинамическую форму, оптимально направляющую газы вдоль его яйцеобразного профиля, и его поверхность охлаждается более холодным воздухом, поступающим через радиальные стойки. Между экраном и стенкой канала цилиндрический канал становится кольцевым. Поток опять становится цилиндрическим после экрана и удаляется через сопло. Диаметр в этом месте увеличивается и повторяет профиль, параллельный профилю экрана, чтобы сохранять достаточное сечение отверстия. Максимального диаметра экрана достаточно для маскирования турбины, если смотреть на нее сзади. Кроме того, задняя часть экрана содержит двойную стенку, в которой циркулирует охлаждающий воздух, чтобы избежать любого нагрева.
Кроме того, заявитель настоящего изобретения разработал двойное сопло, называемое раздвоенным, в котором газовый поток, выходящий из газогенераторного средства, делится на два потока и направляется к двум соплам. Оба потока с одинаковым расходом выбрасываются параллельно вдоль оси тяги. Преимуществом такой конструкции является то, что она позволяет направлять летательный аппарат, в частности, во время полета по рысканию, при помощи управления обоими потоками либо путем изменения вектора тяги, либо путем изменения расхода. Находясь друг от друга на расстоянии, они оказываются также смещенными относительно оси газогенератора. Таким образом, в случае, когда газогенераторная установка является турбиной, она может быть скрыта сзади и не наблюдаться через отверстия сопел. В результате ослабляется инфракрасная подпись.
Технической задачей настоящего изобретения является создание газовыпускного устройства, инфракрасная подпись которого уменьшена еще больше по сравнению с известным техническим решением. Поставленная задача согласно настоящему изобретению решена путем создания выпускного коллектора для рабочих газов в летательном аппарате, приводимом в движение горячими газами, подаваемыми вдоль его оси газогенераторной установкой, содержащий канал и сопло, характеризующегося тем, что канал содержит первый цилиндрический элемент канала, в который поступают газы и который на выходе сообщается с двумя вторыми элементами канала, направления которых расходятся в первой плоскости, при этом каждый из вторых элементов канала сообщается в сторону выхода с третьим элементом канала, выходящим в осевое газовыпускное полусопло, при этом, по меньшей мере, один из третьих каналов образует колено, образованное первой частью, направляющей газовый поток в радиальном направлении, отходящем от оси, и второй частью, находящейся за первой частью и направляющей газовый поток в радиальном направлении в сторону оси, таким образом, чтобы горячие зоны внутри канала на входе выпускного коллектор не просматривались сзади.
Под полусоплом в настоящей заявке следует понимать реактивное сопло, в которое заходит часть главного газового потока на выходе турбины. Этот термин не связан с какой-либо специальной формой.
Согласно другому отличительному признаку, по меньшей мере, один из третьих элементов канала образует колено, предпочтительно во второй плоскости, которая может отличаться от первой плоскости. В этом последнем случае вторая плоскость предпочтительно перпендикулярна первой плоскости. Согласно варианту выполнения поперечное сечение третьих элементов канала имеет удлиненную форму в горизонтальном направлении.
В настоящей заявке термин «колено» необходимо понимать следующим образом. Элемент канала содержит первую часть, направляющую газовый поток в радиальном направлении, удаляя его от оси, и вторую часть на выходе первой, направляющую газовый поток в радиальном направлении в сторону оси. Сзади колена поток возвращается, следуя в осевом направлении.
В частности, оба третьих элемента канала образуют, каждый, колено, при этом колена направлены противоположно друг другу, в частности, в вертикальной плоскости: одно вверх, другое вниз, и оба полусопла находятся в одной плоскости, параллельной первой.
Согласно частному варианту выполнения оба вторых элемента канала имеют вход в форме полуцилиндра с разделением, параллельным упомянутой первой плоскости. Вместе с тем возможны и другие конфигурации этой части выпускного коллектора.
Как неожиданно оказалось, изгибая таким образом газовый поток, можно эффективно маскировать не только диск турбины, но также наиболее горячие части на выходе турбины путем гомогенизации температур. Кроме того, эта концепция позволяет также предусмотреть переходную зону, сводящую к минимуму аэродинамические потери тяги, способствуя при этом смешиванию газов перед выпуском.
Настоящее изобретение применяется, в частности, для случая, когда газогенераторная установка является двухконтурным турбореактивным двигателем с горячим центральным первичным потоком, выходящим из турбины и охватываемым вторичным потоком, выходящим непосредственно из компрессора, то есть имеющим низкую температуру. Для двигателя такого типа было установлено, что можно получить вполне удовлетворительное распределение температур относительно инфракрасной подписи. За счет разделения на два потока и изгибания двух каналов части газового потока, находящиеся на периферии, опять оказываются со стороны стенок, находящихся вблизи оси двигателя. Поскольку полусопла содержат вертикальные перегородки, находящиеся вблизи оси и удлиненные по сравнению с перегородками, более удаленными от оси и, следовательно, более доступными для непосредственного наблюдения с боков и сзади, эти перегородки обдуваются частями газового потока более низкой температуры. За счет этого уменьшается их инфракрасная подпись.
Изобретение касается также возможности управления, обеспечиваемого этим способом выпуска газов. В случае сопла, предназначенного для военного беспилотного самолета-разведчика, задачи малозаметности по ЭПР и ИКП связывают с потребностью в векторной тяге. Приходится разрабатывать очень уплощенные двухмерные сопла, которые могут иметь удлинение порядка 5 для параметров незаметности ИКП и ЭПР и заостренную наружную форму для параметра незаметности по ЭПР.
Задачей настоящего изобретения является также создание устройства управления летательным аппаратом по рысканию, которое является эффективным и связано с контролем за расходом рабочих газов и которое можно применять на летательных аппаратах с одним или с двумя двигателями, в частности, для беспилотных летательных аппаратов.
Это устройство должно непрерывно обеспечивать векторные изменения, небольшой амплитуды, не приводя к снижению эффективности газогенераторной установки.
Оно должно обеспечивать значительную векторную тягу для управления летательным аппаратом.
Эти задачи решаются путем применения вышеуказанного выхлопного коллектора, выполненного с возможностью разделения главного потока рабочих газов на первый и второй потоки для их выпуска через первое и второе полусопла и содержащего, по меньшей мере, одно из двух следующих средств управления: средство распределения главного потока в каждом из двух полусопел и средство ориентации вектора тяги, производимой каждым из двух полусопел.
Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, одно из двух упомянутых средств, предпочтительно оба средства работали на принципе инжекции текучей среды и предпочтительно также выхлопной коллектор содержал оба упомянутых средства. Преимуществом этого решения является его простота и возможность работы с ограниченным числом устройств инжекции текучей среды, обеспечивая при этом повышенную надежность и не являясь дорогостоящим.
Прежде всего упомянутые полусопла выполнены с возможностью ориентации вектора тяги при полете по рысканию. За счет этого компенсируется отсутствия киля.
Согласно варианту воплощения упомянутые полусопла располагают для управления по тангажу или по крену, или сопло может содержать две пары полусопел, например, одну пару - для ориентации в полете по рысканию, а другую - для ориентации по тангажу.
Согласно другому отличительному признаку средство управления распределением потока содержит средства инжекции текучей среды в критическом сечении каждого из полусопел. В частности, если газогенераторная установка является турбореактивным двигателем, средства инжекции текучей среды питаются воздухом, отбор которого можно производить от компрессора газогенератора. Это решение является более предпочтительным, так как оно способствует сбалансированной работе на всех фазах полета. В частности, предусмотрен способ работы сопла, согласно которому отбор воздуха от компрессора генератора производится в непрерывном режиме.
Согласно варианту выполнения газовый поток создается двумя газогенераторными установками. В этом случае выхлопной коллектор предпочтительно содержит только одно средство ориентации вектора тяги, производимого каждым из двух полусопел.
Далее следует более детальное описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - вид сверху летательного аппарата, в котором применяется настоящее изобретение;
Фиг.2 - вид сверху сопла раздвоенного типа согласно изобретению;
Фиг.3 - вид сбоку выхлопного коллектора согласно изобретению;
Фиг.4-6 - выхлопной коллектор фиг.3, соответственно, общий вид сбоку, общий вид сзади и общий вид в три четверти сзади согласно изобретению;
Фиг.7 - схема расположения в полусопле средств управления согласно изобретению;
Фиг.8 - схема работы средств управления, расположенных в критическом сечении согласно изобретению;
Фиг.9 - схема работы средств управления, расположенных в диффузоре полусопел согласно изобретению.
На фиг.1 показан неограничительный пример летательного аппарата 1, который содержит носовую часть 2, два крыла 3 и 4 и приводится в движение одним или двумя турбореактивными двигателями (не показаны). Он выполнен с возможностью максимального уменьшения параметров ЭПР и ИКП. В частности, его хвостовая часть не содержит вертикального киля и заканчивается заострением 5 с соответствующим углом в вершине, например, равным 40°, для отражения радиолокационных волн в бесконечность. Выхлопной коллектор 10 использует эту особенность конструкции, будучи выполненным раздвоенным. Он распределяет газовый поток, выходящий из канала 12 (фиг.2), на входе на два потока в двух симметричных каналах 12А и 12В, которые заканчиваются двумя полусоплами 14 и 16 прямоугольного сечения. Каналы 12, 12А и 12В имеют форму, соответствующую задаче обеспечения разделения потока на два потока, а также переходу от цилиндрической формы с круглым или по существу круглым сечением к форме с прямоугольным сечением. В случае необходимости каналы содержат дополнительное колено для маскирования турбины. Это маскирование частично обеспечено выемкой между двумя полусоплами 14 и 16.
Согласно изобретению форма выхлопного коллектора подвергается усовершенствованию, чтобы обеспечить маскирование блока турбины при любом положении наблюдателя сзади. Часть раздвоенного сопла в силу своей скошенной плоскости выпуска газов видна с боковых секторов наблюдения. Поэтому речь идет также об уменьшении ее инфракрасной подписи.
На фиг.3-7 показана геометрия выхлопного коллектора 20 в соответствии с настоящим изобретением.
Этот коллектор содержит канал, состоящий из элементов канала, которые различаются следующим образом.
Первый трубчатый элемент 21 (фиг.3) размещен на входе с входной плоскостью 21А, в который заходят газы от газогенераторной установки, в данном случае от турбины, если двигателем является газотурбинный двигатель. Преимущественно настоящее изобретение используется для двухконтурного турбореактивного двигателя. На входе горячий первичный поток является центральным, а холодный вторичный поток проходит на периферии.
Элемент 21 канала сообщается с двумя находящимися друг над другом вторыми элементами 22 и 23 канала полуцилиндрической формы с горизонтальной плоскостью 22-23 разделения (фиг.4). Два элемента 22 и 23 ориентированы по двум направлениям, расходящимся в плоскости, параллельной их плоскости 22-23 разделения, называемой первой плоскостью. Оба газовых потока удаляются друг от друга на этом участке. Они продолжаются на достаточной осевой длине до того, как их выходные плоскости 22s и 23s начинают перекрывать друг друга. Выходные плоскости 22s и 23s по существу расположены рядом друг с другом. Таким образом, каждый элемент 22 и 23 выходит в третий элемент канала, соответственно 25 и 27, расположенные параллельно. Оба элемента 25 и 27 канала ориентированы по существу вдоль оси XX двигателя. Каждый из этих двух третьих элементов 25 и 27 канала выходит в полусопло 24 и 26 (фиг.5), соответственно. Полусоплами называют два полусопла, которые вместе направляют наружу поток, выходящий из газогенераторной установки.
Если наблюдать в осевом направлении к выходу от поперечных плоскостей 22s и 23s (фиг.3), то видно, что оба элемента 25 и 27 канала следуют по противоположным направлениям в вертикальной плоскости, называемой второй плоскостью, которые пересекаются и удаляются друг от друга вплоть до максимального удаления в 25М и 27М, затем опять приближаются друг к другу до 25N и 27N. В этом положении оба элемента 25 и 27 канала находятся в одной и той же горизонтальной плоскости на высоте оси XX двигателя. Эта плоскость совпадает с первой плоскостью 22-23 или параллельна ей.
Каждый элемент 25 и 27 выходит в полусопло 24 и 26, соответственно. Как показано на фиг.5, оба полусопла отстоят друг от друга в горизонтальной плоскости, то есть в первой плоскости. Они отделены друг от друга расстоянием Lразделения - это расстояние между входной плоскостью 21А и плоскостью 22-23 разделения канала на две части.
Следует отметить, что согласно этому варианту выполнения первая плоскость является горизонтальной, а вторая плоскость является вертикальной; понятно, что в рамках настоящего изобретения обе плоскости могут быть повернуты вокруг оси XX, при этом первая плоскость становится вертикальной, а вторая плоскость становится горизонтальной.
Этот выпускной коллектор имеет следующие размерные характеристики:
Lколено - длина коллектора от входной плоскости 21А до колена, то есть до поперечной плоскости 25М, 27М;
Lканал - длина от входной плоскости 21А до выходной плоскости сопла;
Нколено - высота колена относительно нижней стенки выхода сопла, то есть высота внутренней стенки в 25N или 27N;
Нвыход - высота сопла на выходе.
Выпускной коллектор отвечает, по меньшей мере, одному из следующих отношений между параметрами:
Отношение Lколено/Lканал находится в пределах от 0,5 до 0,7;
Нколено/Нвыход≥(Lколено/Lканал+1);
Lразделения/Lканал находится в пределах от 0,3 до 0,5.
Как показано штриховыми линиями на фиг.3, такая геометрия обеспечивает эффективное маскирование горячих зон двигателя, которые оказываются внутри границ видимости, определенных этими прямыми. Кроме того, в случае если газогенераторная установка является двухконтурным турбореактивным двигателем с холодным вторичным потоком, эта геометрия позволяет постепенно подводить холодный воздух от вторичного потока на видимые части сопла, уменьшая их инфракрасную подпись.
E
E
I
I
Далее со ссылками на фиг.7-9 следует описание средства управления летательного аппарата по рысканию. В этом примере каждое из полусопел содержит прямоугольное критическое сечение, соответственно 24С и 26С, с горизонтальным удлинением и увеличенным соотношением ширина/высота (фиг.7). Удлинение сопел может составлять 2,5. На выходе критического сечения двумя вертикальными стенками образован диффузор. Он является более коротким с внешней стороны 24D и 26D. Вертикальные стенки с внутренней стороны 24D и 26D являются более длинными. Это придает заднему краю сопел 24 и 26 скошенную форму. Верхние и нижние стенки выполнены либо параллельными, либо расходящимися. Относительно вышеописанного выпускного коллектора следует заметить, что благодаря изобретению вертикальные стенки с внутренней стороны обдуваются более холодным газом, выходящим из вторичного потока двухконтурного турбореактивного двигателя, являющегося газогенераторной установкой. Их инфракрасная подпись уменьшается.
Предпочтительно коллектор оптимизируют таким образом, чтобы в случае без инжекции и без изменения вектора он создавал минимальную поперечную составляющую тяги каждого полусопла. Действительно, эта составляющая приводит к снижению осевой тяги, которое необходимо свести к минимуму. Общая боковая составляющая тяги остается нулевой за счет симметрии системы.
Согласно отличительному признаку изобретения для обеспечения управления летательным аппаратом 1 без хвостового оперения предусмотрены средства управления, при помощи которых воздействуют на оба потока.
I
E
I
Сходящееся-расходящееся сопло, например 24, содержит критическое сечение 24С и на выходе - две расходящиеся стенки 24D и 24D. В данном случае сопло содержит инжектор 28 текучей среды, расположенный на стенке на уровне критического сечения, и инжектор 29 текучей среды, расположенный на стенке 24Dдиффузора. Предпочтительно инжектор располагают вблизи конца диффузора.
I
Симметрично полусопло 26 оборудуют инжектором 28 текучей среды в критическом сечении 26С и инжектором 29 текучей среды на стенке 26D диффузора.
Предпочтительно инжекторы 28 и 29 питаются, в случае необходимости, воздухом, отбираемым от компрессора турбореактивного двигателя, создающего газовый поток.
Устройство работает следующим образом. На фиг.8 стрелками 28/24 и 28/26 показана подача воздуха под давлением инжекторами 28. Момент поворота создается за счет управления распределением расхода в каждом из полусопел 24 и 26 при помощи подачи текучей среды под давлением в двух критических сечениях. Значение расхода показано длиной стрелки, и в данном случае одна стрелка длиннее, чем другая. Согласно этому примеру в полусопло 24 подается воздух с высоким расходом 28/24, и, следовательно, происходит существенное сужение эффективного сечения шейки полусопла. В полусопло 26 воздух подается в критическое сечение, наоборот, под слабым давлением или не подается совсем. В результате создается разность осевой тяги. Тяга F1 на полусопле 26 является более высокой, чем тяга F2 на полусопле 24. В результате создается момент поворота.
Вместе с тем было замечено, что резкое перекрывание сопла может привести к мгновенному повышению давления в канале и вызвать помпаж (нерегулярный режим) компрессора. Согласно предпочтительному варианту работы создают непрерывную номинальную инжекцию. Ее осуществляют с постоянной скоростью отбора, чтобы на газогенератор не действовало внезапное изменение во время полета, с одновременным регулированием эффективного сечения шейки сопла. Термодинамический цикл двигателя непосредственно оптимизируется за счет такого постоянного отбора. Таким образом, система регулирования отбираемого воздуха работает в непрерывном режиме без какой-либо переходной фазы запуска.
Таким образом, этот способ осуществления работы, лишь незначительно влияя на характеристики двигателя, обеспечивает создание векторной тяги, позволяющей компенсировать отсутствие хвостового оперения, в частности, на режимах малой скорости при крейсерском полете или в переходных фазах полета.
Далее со ссылками на фиг.9 следует описание работы инжекторного устройства, находящегося в диффузоре сопел 24 и 26.
В этом варианте выполнения инжекторы 29 предпочтительно располагают на конце длинной стенки диффузора. Подавая в сопло 24 под давлением текучую среду, направление которой показано стрелкой 29/24, создают отклонение вектора тяги, производимой соплом, показанного стрелкой F'2. Тяга F'1, создаваемая полусоплом 26, остается осевой, так как ничто не влияет на ее направление. В результате создается момент поворота относительно центра тяжести самолета. Такой режим работы обеспечивает значительную векторную тягу, позволяющую управлять летательным аппаратом, правда, с некоторым ущербом для характеристик газогенераторной установки. Тем не менее, это снижение характеристик является контролируемым.
В настоящей заявке описан вариант выполнения изобретения. Однако можно предусмотреть другие варианты, не выходя при этом за рамки изобретения. Например, был показан канал, питаемый только одной газогенераторной установкой. В случае летательного аппарата с двумя двигателями этими двигателями создаются два раздельных выходных полупотока, которые регулируются синхронно. Предпочтительно в диффузоре используют только инжекторы.
Варианты расположения и работы средств управления предусматривают наличие только одного средства управления. Можно предусмотреть, чтобы оно работало одновременно с другим средством или отдельно от него.
Согласно непредставленному варианту выполнения сопла могут содержать выпускное устройство для текучей среды, то есть вторичного потока, выходящего в главный канал или за ним.
Средства управления в соответствии с настоящим изобретением могут быть частично комбинированы с механическими средствами ориентации потоков.