ЦЕНТРАЛЬНЫЙ КОРПУС ВЫХОДНОГО КАНАЛА ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ, ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
TURBOJET ENGINE OUTLET CHANNEL CENTRAL CASE, AND TURBOJET ENGINE

Настоящее изобретение относится к области уменьшения шума выхлопа турбореактивного двигателя.
Турбореактивный двигатель содержит от входа до выхода в направлении течения газов вентилятор, одно- или многоступенчатый компрессор, камеру сгорания, одно- или многоступенчатую турбину и газовое реактивное сопло. Газы первичного потока турбореактивного двигателя, т.е. газовый поток на выходе из ступеней турбины и из камеры сгорания, проходят по выходному каналу камеры и выбрасываются через реактивное сопло. Газы вторичного потока выбрасываются или отдельно от первичного потока, или в смеси с первичным потоком.
Выходной канал содержит обычно внешний картер, который ограничивает наружную часть газового потока выхлопных газов, и внутренний картер, ограничивающий внутреннюю часть газового потока выхлопных газов для улучшения его истечения. Внутренний картер образует центральный корпус выходного канала, выполненный в виде стенки, представляющей собой поверхность вращения, которая может быть цилиндрической, конической или аэродинамической формы, адаптированной к потоку, с вращательной симметрией по оси турбореактивного двигателя. Далее будет рассмотрен центральный корпус.
Отмечено, что стенка центрального корпуса выходного канала может также не иметь вращательной симметрии для уменьшения шума выхлопных газов или уменьшения инфракрасной сигнатуры. В этом случае центральный корпус может иметь, например, поперечное сечение волнистой, прямоугольной или эллиптической формы. Настоящее изобретение относится, в основном, к центральному корпусу со стенкой вращательной симметрии, что является обычным в случаях гражданского использования, но и относится также к центральному корпусу, не имеющему вращательной симметрии.
В некоторых турбореактивных двигателях центральный корпус выполняет иную функцию - функцию управления дегазирующим потоком турбореактивного двигателя. Действительно, в некоторых турбореактивных двигателях на концевой части центральной оси имеется дегазирующее отверстие, через которое выходят в атмосферу масляные пары, некоторые охлаждающие газы и т.д. Обычно речь идет о маслоуловителе. В этом случае либо направляющий поток дегазирования трубопровода проложен внутри центрального корпуса до его конца для направленного управления потоком дегазации, либо без использования трубопровода центральный корпус обеспечивает своей внутренней поверхностью управление потоком дегазации. Дегазация осуществляется путем всасывания, при этом давление внутри трубопровода или центрального корпуса ниже давления в потоке двигателя.
Постоянной проблемой при изготовлении двигателей является уменьшение шума двигателя, в частности, для обеспечения комфорта пассажиров и жителей в зоне пролета самолетов. Следует уменьшить шумы, в частности, шум реактивного сопла, состоящий из шума камеры сгорания или шума сгорания, имеющих низкую частоту, и шума турбин высокого и низкого давления, или шума турбины, имеющего более высокую частоту. С известными пассивными акустическими покрытиями, т.е. с устройствами с неподвижной геометрией, уменьшение низкочастотных шумов камеры сгорания не может быть достигнуто с внешним картером выходного канала, так как объем в этом направлении недостаточен. Таким образом, высокочастотные шумы турбины могут быть обработаны в этом картере, например, с помощью тонкого слоя материала в форме пчелиных сот. Поэтому проблема заключается в уменьшении шума выхлопа на низких частотах.
Известно из документа US 5592813 использование центрального корпуса для уменьшения шума сгорания, содержащего две концентрические поверхности, между которыми размещены материалы в виде пчелиных сот, толщина которых не имеет значения. Кроме того, из документа ЕР 1391597 известно использование выполненного из двух конусов центрального корпуса для уменьшения шума, при этом внешний конус перфорирован и эта перфорация образует полости между двумя конусами. Полости образуют своего рода пчелиные соты больших размеров, лучше поглощающие низкочастотные шумы. Каждая совокупность полости и множества отверстий образует резонатор Гельмгольца, позволяющий уменьшить акустические шумы, как это известно специалистам. Это то же, что и пчелиные соты меньших размеров, но большей толщины.
Оба представленных решения дают хорошие результаты уменьшения шума. Однако они весьма дорогостоящи по цене и по массе при установке. Почти невозможно и, конечно, дорого сворачивать листы в соты, тогда как изготовление больших полостей требует большой массы и неинтересно.
Кроме того, механика ансамбля может быть ухудшена проблемами разного теплового расширения различных элементов.
Технической задачей настоящего изобретения является создание устройства для уменьшения низкочастотных шумов двигателя, менее дорогостоящее и менее тяжелое и, соответственно, более легкое в производстве. Полоса низких частот находится в диапазоне от 500 до 1000 Гц.
Поставленная задача решена согласно изобретению путем создания устройства, содержащего центральный корпус выходного канала продуктов сгорания турбореактивного двигателя, содержащий внешнюю стенку и, по меньшей мере, одну внутреннюю стенку, образующую, по меньшей мере, одну полость между стенками, при этом внешняя стенка содержит множество отверстий, выполненных, по меньшей мере, на части входной поверхности для формирования вместе с полостью, по меньшей мере, одного резонатора Гельмгольца, устройство характеризуется тем, что внутренняя стенка содержит гибкий раструб.
Использование гибкого раструба позволяет уменьшить массу и, вследствие этого, получить центральный корпус невысокой стоимости с уменьшенными акустическими шумами. Облегчается производство и механическое обслуживание в том смысле, что гибкий раструб поглощает разность в расширении между внешней и внутренней стенками.
Предпочтительно, внутренняя стенка образована гибким раструбом.
В предпочтительном варианте реализации гибкий раструб, выполнен из ткани из керамических нитей, предпочтительно на основе кремния или базальта со сшивной нитью, выполненной, например, на основе кремния или металла.
Необходимо, чтобы раструб был воздухонепроницаемым.
В соответствии с первым вариантом реализации раструб закреплен обоими концами для образования единой полости, которая формирует вместе с отверстиями общий резонатор Гельмгольца.
В соответствии со вторым вариантом реализации центральный корпус содержит множество раструбов, формирующих множество полостей, образующих множество резонаторов Гельмгольца.
В соответствии с третьим вариантом реализации, центральный корпус содержит единственную муфту с, по меньшей мере, тремя зонами фиксации, образующими множество полостей, формирующих множество резонаторов Гельмгольца.
Изобретение относится также к турбореактивному двигателю, содержащему выходной канал первичного потока и центральный корпус, описанный выше.
Изобретение поясняется детальным описанием предпочтительного варианта реализации изобретения со ссылкой на приложенный чертеж, который представляет схему в разрезе турбореактивного двигателя с центральным корпусом, согласно изобретению.
Турбореактивный двигатель 1 представляет собой двухконтурный турбореактивный двигатель, оба контура которого разделены. Он содержит по ходу течения газов с передней до задней части вентилятор, компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, камеру сгорания, турбину высокого давления, турбину низкого давления 2 и канал 3 выхода газов. Воздух всасывается в турбореактивный двигатель вентилятором и разделяется на выходе из вентилятора и вдоль турбореактивного двигателя на первичный поток 4 и вторичный поток. Первичный поток 4 проходит в компрессоры, камеру сгорания и турбины для выхода через выходной канал и центральное сопло. Вторичный поток 5, выходя напрямую из вентилятора, проходит по периферийной поверхности центрального сопла от начальной его части и управляется капотом турбореактивного двигателя. Вторичный поток 5 составляет важную часть движущей силы двигателя.
Выходной канал 3 содержит внешний картер 6, внутренняя поверхность которого ограничивает внешнюю огибающую струи первичного потока в выходном канале 3, и внутренний картер или центральный корпус 7, внешняя поверхность которого ограничивает внутреннюю огибающую струи первичного потока известным специалистам образом. Первичный поток 4 проходит, таким образом, между внутренним и внешним 6 картерами, как схематично показано стрелкой 4'.
Ротор низкого давления, содержащий компрессор и турбину низкого давления, содержит ось 8. В описываемом турбореактивном двигателе маслоуловитель 9 размещен на выходном конце вала 8 ротора низкого давления. Как схематично показано стрелками 10, масляные пары, охладительные газы и т.д. удаляются маслоуловителем высасыванием; речь идет о дегазирующем потоке 10.
Центральный корпус 7 содержит внешнюю стенку 11, которая выполнена металлической одинаковой толщины. Внешняя стенка 11 в рассматриваемом варианте воплощения является поверхностью вращения, т.е. она имеет вращательную симметрию вокруг оси А турбореактивного двигателя. Форма напоминает форму центральных корпусов известного уровня техники, т.е. аэродинамическую форму, направляющую первичный поток 4. В данном случае от входа и до выхода внешняя стенка 11 имеет последовательно форму цилиндрическую, усеченного конуса с уменьшающимся к выходу диаметром, затем вновь цилиндрическую с диаметром, меньшим в продолжении стенки, ограничивающей внутреннюю огибающую первичного потока 4, выходящего из турбины низкого давления 2. Толщина внешней стенки 11 может составлять 1 мм.
Стенка 11 определяет полость 13, которая названа общей полостью 13, так как она соответствует общему объему, ограниченному стенкой 11 центрального корпуса 7. Эта полость является пустотелой, т.е. в ней не предусмотрены слои материала в виде пчелиных сот или другое множество резонансных полостей как в известном уровне техники для уменьшения шума.
Предпочтительно предусмотрены элементы 14 жесткости, которые участвуют в поддержании механической жесткости центрального корпуса 7. Элементы 14 жесткости выполнены в форме кольцеобразных нервюр, установленных на внутренней поверхности внешней стенки 11 центрального корпуса 7. На чертеже показаны три нервюры.
На внешней стенке 11 центрального корпуса 7 на входной ее части выполнено множество отверстий (не показаны). Отверстия открыты с одной стороны в направлении первичного потока турбореактивного двигателя 1, а с другой стороны - в полость 13 центрального корпуса 7. Геометрия и расположение отверстий определяются расчетами в зависимости от различных акустических параметров. Не существует общего правила, и специалист их воспринимает в соответствии со своими условиями и целями. В данном случае отверстия равномерно размещены на входной части стенки 11, которая проходит до второго элемента 14 жесткости. Эти отверстия выполнены одинаковым диаметром, размещены равномерно в шахматном порядке. Обычно для центрального корпуса 7, диаметр входной цилиндрической части которого составляет от 60 до 70 см, отверстия имеют диаметр от 0,5 до 1,5 мм.
Центральный корпус 7 содержит, кроме того, внутреннюю стенку 15, которая проходит внутри внешней стенки 11 с поверхностью вращения, ограничивающей общую полость 13. Внутренняя стенка 15 выполнена в виде гибкого раструба или "чулка", открытого с двух сторон. В предпочтительном варианте реализации изобретения внутренняя стенка 15 образована из такого гибкого раструба.
Гибкий раструб 15 предпочтительно выполнен из текстиля из керамических волокон, предпочтительно на основе кремния или базальта с сшивной нитью на основе кремния или металла. Текстиль, используемый в качестве ткани из керамических нитей, похож на ту, которую используют в качестве уплотнителя дверей промышленных печей или в качестве защитной противопожарной оболочки в аэронавтической индустрии. Такая ткань противостоит высоким температурам (она выдерживает температуры выше 1000°C). В качестве примера можно использовать ткань под коммерческим названием Nextel-3М.
Раструб 15 закреплен с обеих сторон вдоль кольцевой зоны его концевых частей. Во входной части раструб 15 закреплен на уровне жесткой структуры 12 турбореактивного двигателя 1. Скрепление осуществляется весьма просто с помощью заклепок 16 текстильного материала вдоль металлических бандажей 17, сочлененных с внешней стенкой 11 центрального корпуса 7. Речь идет о выходной части, где раструб 15 закреплен на бандаже 18 внешней стенки 11 центрального корпуса 7 посредством заклепок 19. Все эти элементы показаны схематично.
Раструб 15 ограничивает внешнюю полость 20, которая размещена между внешней стенкой 11 и раструбом 15 и внешней полостью 20, соответствующей остатку объема внешней полости 20, ограниченной внешней стенкой 11 центрального корпуса 7, т.е. соответствующей внутреннему объему раструба 15.
Внешняя полость 20 образует резонансную полость 20, функцией которой является уменьшение низкочастотных шумов в реактивном сопле, в частности шумов камеры сгорания, благодаря отверстиям во внешней стенке 11 главного корпуса 1, отверстий, которые открыты одним концом в резонансную полость 20, а другим открыты в поток первичных газов. Отверстия образуют с резонансной полостью 20 резонатор Гельмгольца, при этом полость 20 служит резонатором для всех отверстий.
Эффективность такого резонатора Гельмгольца с единой для множества отверстий резонансной полостью 20 невелика по сравнению с множеством резонаторов Гельмгольца, содержащим отдельную полость для каждого отверстия. Во всяком случае центральный корпус 7 согласно изобретению легко устанавливается, стоит недорого и имеет небольшую массу. В данном случае речь идет о компромиссе между приемлемой эффективностью уменьшения шума и разумной стоимостью.
Наличие гибкого раструба 15, образующего внутреннюю стенку резонансной полости 20, позволяет регулировать объем резонансной полости 20 в зависимости от частот, которые необходимо подавить.
Таким образом, объем резонансной полости 20 регулируется растягивающим усилием, которое прикладывается к раструбу 15. Последняя, если она плохо натянута, может принять форму с более или менее выраженным криволинейным профилем между наружными кольцевыми креплениями, вследствие чего образует больший зазор с внешней стенкой, как если бы она была сильнее натянута (т.е. стенка раструба 15 более растянута между концевыми креплениями).
Следует заботиться о том, чтобы гибкий раструб 15 при работе не касался внешней стенки 11. Для этого необходимо, чтобы статическое давление внутри внутренней полости 20, которое обозначено Р21, было ниже статического давления во внешней полости 21, обозначенного Р20.
В случае, когда центральный корпус 7 проходит до конца реактивного сопла 3 и открыт с заднего конца, статическое давление внутренней полости 21 равно атмосферному давлению Patm, иначе говоря, Р20=Р потока. Условие, упомянутое в предыдущем абзаце, относительно того, чтобы раструб 15 не касался внешней стенки 11, описывается следующим образом:
Р21<Р20, т.е. Patm<P потока, что всегда верно в том случае, когда центральный корпус 7 открыт в задней части в реактивном сопле.
Впрочем, такое соотношение не только исключает расположение раструба 15 у стенки 11, но позволяет также удерживать ее форму. Вполне возможно, как отмечено выше, предусмотреть, чтобы раструб 15 был относительно слабо натянутым, т.е. слабо натянутым между его концевыми креплениями. В этом случае, вследствие разности давлений между внешней полостью 20 и внутренней полостью раструб 15 удерживается в вогнутом состоянии.
В случае использования гибкой муфты 15 для формирования внутренней стенки центрального корпуса разность в термическом расширении поглощается раструбом 15, особенно если он установлен свободно, т.е. не в натянутом состоянии.
Согласно изобретению раструб 15 образует единую кольцевую внешнюю полость 20, общую для всех отверстий, выполненных во внешней стенке 11, при этом одна полость 20 образует с отверстиями один общий резонатор Гельмгольца.
В соответствии с другим вариантом реализации (не показан), центральный корпус 7 содержит множество раструбов, соединенных на выходе, для формирования множества внешних кольцевых резонирующих полостей, образующих множество резонаторов Гельмгольца. Другими словами, первый раструб размещен между двумя зонами крепления, входная зона крепления второго раструба размещена в выходной зоне крепления первого раструба и так далее. Таким образом, каждый раструб образует резонансную полость для отверстий в зоне внешней стенки 11, размещенной между двумя крайними кольцевыми креплениями раструба.
В соответствии с другим вариантом реализации (не показан), один раструб закреплен на внешней стенке 11 центрального корпуса 7 и содержит, по меньшей мере, три кольцевых зоны фиксации к стенке 11, образующих множество резонансных полостей 20, т.е. множество резонаторов Гельмгольца. Получают конструкцию, подобную предыдущему варианту реализации, но с той разницей, что множество резонансных полостей образуют с помощью одного раструба. Этот раструб закреплен гармошкой на внешней стенке.
Отмечено, что изобретение особо применимо в случае, когда центральный корпус 7 открыт с выходной стороны. Изобретение используется также при закрытом центральном корпусе, но, начиная с определенной высоты, статическое давление первичного потока Рпотока меньше статического давления внутренней полости Р21, которое остается равным статическому давлению на земле, т.е. 1 бар. Это следует учитывать, так как раструб 15 прижимается к внешней стенке 11.
Все ранее сказанное касается давлений при условии, что раструб 15 непроницаем для воздуха.
В соответствии с особой формой реализации раструб 15 обеспечивает, благодаря своей внутренней поверхности, функцию управления потоком дегазации 10, выходящим из маслоуловителя 9. Так как раструб 15 не содержит отверстий и непроницаем для воздуха, он позволяет сохранить статическое давление Р21 во внутренней полости 21 меньшим давления в корпусе турбореактивного двигателя 1, что позволяет дегазирующему потоку всасываться во внутреннюю полость 21.
В том случае, когда раструб 15 образует одну внешнюю полость 20, продольная протяженность входной части внешней стенки 11, которая пронизана отверстиями, определяется расчетным путем, исходя из закона статического давления внутри резонансной полости 20. Действительно первичный газовый поток 4 имеет тенденцию рециркулировать в резонансной полости 20, т.е. входить через входное отверстие и выходить через выходное отверстие. Чем меньше отверстий размещено в продольной части стенки, тем менее этот феномен заметен. Определение продольной абсциссы на стенке 11 центрального корпуса 1, за которой нет больше отверстий, также определяется в зависимости от допустимого порога, который специалист фиксирует для себя при этой газовой рециркуляции. Если этот порог не слишком важен, то входная часть могла бы проходить по всей части внешней стенки 11 в направлении внутренней стенки 15, т.е. части, которая формирует внешнюю стенку резонансной полости 20. В представленном случае была ограничена вторая нервюра, образующая элемент 14 жесткости. Расчеты могут быть выполнены в двух или трех измерениях в зависимости от необходимой точности; они позволяют рассчитать распределение (закон) статического давления в стенке в функции от сечения и числа Маха в первичном газовом потоке 4.