БЕСФОРСАЖНЫЙ ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
UNBOOSTED TURBOJET ENGINE

Изобретение относится к газотурбинным двигателям авиационного применения, предназначенным для длительной работы на дозвуковом малозаметном летательном аппарате типа «летающее крыло», снабженным каналом третьего контура, плоским управляемым выхлопным соплом и устройством реверса тяги с возможностью несимметричного отклонения вектора тяги в полете.
Известен турбореактивный двигатель, включающий газогенератор, вентилятор, соединенный с турбиной низкого давления, канал внутреннего контура, соединенный входом с последней ступенью вентилятора, а выходом - с компрессором высокого давления, канал наружного контура, расположенный соосно и радиально выше над каналом внутреннего контура и соединенный входом с последней ступенью вентилятора и выходом в обход газогенератора со смесителем потоков газа внутреннего и наружного контуров, расположенным за турбиной низкого давления, при этом после смесителя расположено выхлопное сопло смешанного газа, канал третьего контура, расположенный соосно и радиально выше над каналом наружного контура и соединенный выходом с выхлопным соплом канала третьего контура, размещенным вокруг выхлопного сопла смешанного газа, переднюю и заднюю опоры (патент US 2007/0000232 от 04.01.2007 - прототип).
Недостатком известного турбореактивного двигателя является усложненная система регулирования расхода воздуха через канал внутреннего и наружного контуров, включающая двухъярусную рабочую лопатку первой ступени компрессора высокого давления с регулируемым входным направляющим аппаратом каждого из контуров с приводом механизации, размещенным в обечайке разделителя потока промежуточного корпуса, и регулируемый смеситель потоков газа внутреннего и наружного контуров, что приводит к увеличению массы конструкции, снижению надежности ее работы, увеличению гидравлического сопротивления промежуточного корпуса в случае неудачной компоновки привода механизации в ограниченном пространстве обечайки разделителя потока промежуточного корпуса. Дополнительным недостатком турбореактивного двигателя является отсутствие управляемого вектора тяги выхлопного сопла и отсутствие реверса тяги, в том числе, с возможностью несимметричного отклонения вектора тяги, что ограничивает маневренные возможности летательного аппарата и увеличивает длину пробега при посадке.
Задачей предложенного изобретения является снижение удельного расхода топлива при минимальной массе конструкции бесфорсажного турбореактивного двигателя, повышение маневренных качеств летательного аппарата и снижение уровня заметности летательного аппарата с бесфорсажным турбореактивным двигателем в задней полусфере.
Техническим результатом, достигаемым при реализации предлагаемого изобретения, является создание бесфорсажного турбореактивного двигателя с регулируемым отбором воздуха в канал третьего контура из-за одной из промежуточных ступеней вентилятора с минимальными гидравлическими потерями, с последующей подачей воздуха третьего контура в область выхлопного сопла для охлаждения его стенок, с модулем реверса тяги, отклоняющим поток смешанного газа канала наружного и внутреннего контуров с возможностью несимметричного отклонения вектора тяги в направлении движения летательного аппарата в полете, с плоским выхлопным соплом смешанного газа, имеющего канал изогнутой, например, U-образной формы, с нанесенным на внутреннюю поверхность верхней, нижней и боковых стенок радиопоглощающим покрытием, регулируемой площадью критического и выходного сечения и отклоняем вектором тяги.
Указанный технический результат достигается тем, что бесфорсажный турбореактивный двигатель, включает газогенератор, вентилятор, соединенный с турбиной низкого давления, канал внутреннего контура, соединенный с последней ступенью вентилятора и с компрессором высокого давления, канал наружного контура, расположенный соосно и радиально выше над каналом внутреннего контура и соединенный входом с последней ступенью вентилятора и выходом в обход газогенератора со смесителем потоков газа внутреннего и наружного контуров, расположенным за турбиной низкого давления, при этом после смесителя расположено выхлопное сопло смешанного газа, канал третьего контура, расположенный соосно и радиально выше над каналом наружного контура и соединенный выходом с выхлопным соплом канала третьего контура, размещенным вокруг выхлопного сопла смешанного газа, переднюю и заднюю опоры, согласно предложению смеситель выполнен с нерегулируемыми площадями каналов внутреннего и наружного контуров на срезе смесителя, за смесителем соосно установлен модуль реверса тяги, выполненный с возможностью отклонения потока смешанного газа на угол более 90° от направления струи газового потока, за модулем реверса тяги установлено плоское выхлопное сопло смешанного газа, имеющее канал изогнутой формы, на внутреннюю поверхность верхней, нижней и боковых стенок которого нанесено радиопоглощающее покрытие, при этом выхлопное сопло смешанного газа с отклоняемым вектором тяги имеет регулируемые площади критического и выходного сечений, канал третьего контура входом соединен с промежуточной ступенью вентилятора и снабжен клапанным узлом перепуска воздуха, при этом канал третьего контура в сечении за вентилятором представляет собой кольцо, в сечении коробки двигательных агрегатов представляет собой два уплощенных патрубка, идущих по боковой поверхности двигателя с обтекаемыми вырезами для передней опоры двигателя, в сечении модуля реверса тяги представляет собой два уплощенных патрубка, идущих по боковой поверхности двигателя с обтекаемыми вырезами для задней опоры двигателя, в сечениях выхлопного сопла смешанного газа представляет собой поверхность, отстоящую от видимых из задней полусферы верхней, нижней и боковых стенок выхлопного сопла смешанного газа.
Бесфорсажный турбореактивный двигатель, в котором выхлопное сопло смешанного газа снабжено сквозными отверстиями, расположенными под поверхностью, отстоящей от видимых из задней полусферы стенок выхлопного сопла смешанного газа под тупым углом к направлению струи газового потока.
Бесфорсажный турбореактивный двигатель, в котором соотношение площади проходного сечения канала третьего контура к минимальной площади сечения канала третьего контура, расположенной в области выхлопного сопла смешанного газа находится в диапазоне 1,1-1,8.
Бесфорсажный турбореактивный двигатель, в котором канал третьего контура в сечении от коробки двигательных агрегатов до сечения модуля реверса тяги представляет собой разрезное кольцо, расположенное разрезом вверх симметрично вертикальной плоскости с соотношением площади разрезного кольца к площади кольца в сечении за вентилятором равным 3/5-3/4.
Бесфорсажный турбореактивный двигатель, в котором модуль реверса тяги имеет верхний и нижний каналы отвода смешанного газа, при этом соотношение минимальной площади проходного сечения верхнего или нижнего канала отвода газа модуля реверса тяги к площади критического сечения выхлопного сопла смешанного газа находится в диапазоне 0,6-0,85.
Бесфорсажный турбореактивный двигатель, в котором модуль реверса тяги имеет отклоняющие решетки, расположенные за смесителем на верхней и нижней поверхности корпуса наружного контура.
Бесфорсажный турбореактивный двигатель, в котором отклоняющие решетки модуля реверса тяги выполнены с возможностью независимого открывания.
Бесфорсажный турбореактивный двигатель, в котором отклоняющие решетки модуля реверса тяги расположены под углом 20-40° от вертикальной плоскости двигателя.
Бесфорсажный турбореактивный двигатель, в котором задняя опора двигателя расположена перед или после отклоняющей решетки модуля реверса тяги снизу или сверху в вертикальной плоскости симметрии двигателя.
Бесфорсажный турбореактивный двигатель, в котором вектор тяги выхлопного сопла смешанного газа отклоняется в вертикальной плоскости на угол не менее 12°.
Канал третьего контура, расположенный соосно и радиально выше над каналом наружного контура и соединенный выходом с выхлопным соплом канала третьего контура, размещенным вокруг выхлопного сопла смешанного газа, позволяет на режимах работы двигателя, характеризуемых пониженной частотой вращения роторов, перепустить избыточную для поддержания работоспособности двигателя часть воздуха из-за ступени вентилятора в выхлопное сопло канала третьего контура. Такой перепуск воздуха позволяет снизить гидравлическое сопротивление воздухозаборника и выхлопных сопел, что снижает удельный расход топлива.
Смеситель, выполненный с нерегулируемыми площадями каналов внутреннего и наружного контуров на срезе смесителя, при допустимом уровне упрощения программы регулирования двигателя, позволяет уменьшить массу и габаритные размеры смесителя и повысить надежность ее работы из-за отсутствия механизма привода регулирования смесителя.
Модуль реверса тяги, выполненный с возможностью отклонения потока смешанного газа на угол более 90° от направления струи газового потока, установленный за смесителем, позволяет отклонить весь имеющийся поток смешанных газов, увеличивая величину реверсивной тяги, что увеличивает маневренные возможности летательного аппарата и снижает длину пробега при посадке.
За модулем реверса тяги установлено плоское выхлопное сопло смешанного газа, имеющее канал изогнутой формы, на внутреннюю поверхность верхней, нижней и боковых стенок которого нанесено радиопоглощающее покрытие, при этом выхлопное сопло смешанного газа имеет регулируемые площади критического и выходного сечений с отклоняемым вектором тяги. Канал изогнутой формы с нанесенным на внутреннюю поверхность верхней, нижней и боковых стенок радиопоглощающим покрытие позволяет снизить уровень радиолокационной заметности летательного аппарата в задней полусфере.
Изменение площади критического сечения позволяет для бесфорсажного турбореактивного двигателя регулировать линию рабочего режима вентилятора, что позволяет ожидать снижение удельного расхода топлива при усложнении программы регулирования двигателя.
Изменение площади выходного сечения позволяет эффективно сработать имеющийся перепад полного давления газового потока, особенно, на высотных режимах полета с низким уровнем атмосферного давления, характеризуемых высокой потребной степенью расширения газа в выхлопном сопле, что приводит к снижению удельного расхода топлива.
Отклоняемый вектор тяги повышает маневренные качества летательного аппарата.
Канал третьего контура входом соединенный с промежуточной ступенью вентилятора и снабженный клапанным узлом перепуска воздуха, позволяет регулировать количество перепускаемого из-за вентилятора воздуха, в том числе, спрямлять закрученный поток воздуха из-за ступени вентилятора со снижением гидравлических потерь в канале.
Канал третьего контура в сечении за вентилятором представляет собой кольцо, в сечении коробки двигательных агрегатов представляет собой два уплощенных патрубка, идущих по боковой поверхности двигателя с обтекаемыми вырезами для передней опоры двигателя, в сечении модуля реверса тяги представляет собой два уплощенных патрубка, идущих по боковой поверхности двигателя с обтекаемыми вырезами для задней опоры двигателя, в сечениях выхлопного сопла смешанного газа представляет собой поверхность, отстоящую от видимых из задней полусферы верхней, нижней и боковых стенок выхлопного сопла смешанного газа. Кольцевое сечение канала третьего контура позволяет избежать неравномерности на выходе из-за ступени вентилятора, что положительно влияет на устойчивость работы вентилятора, повышает его коэффициент полезного действия, соответственно снижает удельный расхода топлива и повышает прочностные и надежностные показатели работы вентилятора. Два уплощенных патрубка в сечении коробки двигательных агрегатов, идущих по боковой поверхности двигателя с обтекаемыми вырезами для передней опоры двигателя, а в сечении модуля реверса тяги представляющих собой два уплощенных патрубка, идущих по боковой поверхности двигателя с обтекаемыми вырезами для задней опоры двигателя позволяют конструктивно обойти крупные элементы двигателя: коробку двигательных и самолетных агрегатов, блоки управления, элементы механизации узлов двигателя, модуль реверса тяги переднюю и заднюю подвески двигателя. В сечениях выхлопного сопла смешанного газа канал третьего контура представляет собой поверхность, отстоящую от видимых из задней полусферы верхней, нижней и боковых стенок выхлопного сопла смешанного газа, что позволяет скрыть прямую видимость горячих частей бесфорсажного турбореактивного двигателя со снижением уровня теплового излучения в заднюю полусферу.
Снабжение выхлопного сопла смешанного газа сквозными отверстиями, расположенными под поверхностью, отстоящей от видимых из задней полусферы стенок выхлопного сопла смешанного газа под тупым углом к направлению струи газового потока позволяет подавать тонким слоем воздух из канала третьего контура на внутреннюю поверхность видимых из задней полусферы стенок выхлопного сопла интенсивно, снижая температурный уровень теплового излучения в заднюю полусферу.
Выбранное соотношение площади проходного сечения канала третьего контура к минимальной площади сечения канала третьего контура, расположенного в области выхлопного сопла смешанного газа, в диапазоне 1,1-1,8 позволяет плавно уменьшать площадь сечения канала в сторону выхода с поддержанием минимального уровня гидравлического сопротивления и со снижением удельного расхода топлива.
Бесфорсажный турбореактивный двигатель, в котором канал третьего контура в сечении от коробки двигательных агрегатов до сечения модуля реверса тяги представляет собой разрезное кольцо, расположенное разрезом вверх симметрично вертикальной плоскости с соотношением площади разрезного кольца к площади кольца в сечении за вентилятором, равным 3/5-3/4, позволяет уменьшить габаритный диаметр канала третьего контура и создать более равномерное по сравнению с течением в канале третьего контура, образованном уплощенными патрубками, поле течения воздушного потока, и при этом ограничивает доступную поверхность наружного контура для расположения крупных элементов двигателя.
Модуль реверса тяги с соотношением минимальной площади проходного сечения верхнего или нижнего канала отвода газа к площади критического сечения выхлопного сопла смешанного газа, находящемся в диапазоне 0,6-0,85, позволяет пропустить подавляющее количество смешанного газа через проходное сечение канала отвода газа, что увеличивает маневренные возможности летательного аппарата при прочностных ограничениях на максимальную площадь проходного сечения.
Наличие у модуля реверса тяги отклоняющих решеток, расположенных за смесителем на верхней и нижней поверхности корпуса наружного контура, в том числе выполненных с возможностью независимого открывания, в том числе расположенных под углом 20-40° от вертикальной плоскости двигателя, позволяет конструктивно реализовать отклонение потока смешанных газов. В том числе при независимом открывании отклоняющих решеток реализуется возможность отклонения вектора реверсивной тяги с повышением маневренности летательного аппарата. Расположение отклоняющих решеток под углом 20-40° от вертикальной плоскости для двухдвигательного летательного аппарата при несимметричном отклонении решеток позволяет получить боковую составляющую реверсивной тяги и увеличить маневренные возможности летательного аппарата или крестообразный вектор тяги у однодвигательного летательного аппарата при количестве отклоняющих решеток, пропорциональном четырем, что также увеличивает маневренные возможности летательного аппарата.
Задняя опора двигателя, расположенная перед или после отклоняющей решетки модуля реверса тяги снизу или сверху в вертикальной плоскости симметрии двигателя, позволяет закрепить двигатель к летательному аппарату при помощи жесткого наружного корпуса с минимальным расстоянием для передачи усилия на летательный аппарат, со снижением массы конструкции и габаритного диаметра задней опоры, без пересечения корпуса канала третьего контура и без увеличения в нем гидравлического сопротивления течению воздушного потока.
Отклонение вектора тяги плоского выхлопного сопла смешанного газа в вертикальной плоскости на угол не менее 12° увеличивает маневренные возможности летательного аппарата.
Изобретение проиллюстрировано фиг. 1.
На фиг. 1 показан продольный разрез бесфорсажного турбореактивного двигателя.
На фиг. 2 показан канал третьего контура в сечении А-А за вентилятором представляющий собой кольцо.
На фиг. 3 показан канал третьего контура в сечении Б-Б коробки двигательных агрегатов представляющий собой два уплощенных патрубка.
На фиг. 4 показан канал третьего контура в сечении В-В коробки модуля реверса тяги представляющий собой два уплощенных патрубка.
На фиг. 5 показан канал третьего контура в одном промежуточном сечении Г-Г выхлопного сопла смешанного газа, представляющий собой поверхность, отстоящую от видимых из задней полусферы верхней, нижней и боковых стенок выхлопного сопла смешанного газа.
1 - газогенератор;
2 - вентилятор;
3 - турбина низкого давления;
4 - канал внутреннего контура;
5 - компрессор высокого давления;
6 - канал наружного контура;
7 - смеситель;
8 - канал третьего контура;
9 - промежуточная ступень вентилятора;
10 - выхлопное сопло канала третьего контура;
11 - плоское выхлопное сопло смешанного газа канала внутреннего и наружного контуров;
12 - клапанный узел перепуска воздуха в канал третьего контура;
13 - коробка двигательных агрегатов;
14 - два уплощенных патрубка;
15 - обтекаемые вырезы для передней опоры крепления бесфорсажного турбореактивного двигателя к летательному аппарату;
16 - модуль реверса тяги;
17 - обтекаемые вырезы для задней опоры крепления бесфорсажного турбореактивного двигателя к летательному аппарату;
18 - поверхность выхлопного сопла канала третьего контура;
19 - верхняя стенка выхлопного сопла смешанного газа канала внутреннего и наружного контуров;
20 - нижняя стенка выхлопного сопла смешанного газа канала внутреннего и наружного контуров;
21 - боковая стенка выхлопного сопла смешанного газа канала внутреннего и наружного контуров;
22 - радиопоглощающее покрытие стенок выхлопного сопла смешанного газа канала внутреннего и наружного контуров;
23 - отклоняющие решетки модуля реверса тяги;
24 - поверхность корпуса наружного контура;
25 - вектор тяги выхлопного сопла смешанного газа каналов внутреннего и наружного контуров.
Бесфорсажный турбореактивный двигатель состоит из газогенератора 1, вентилятора 2, приводимого во вращение турбиной низкого давления 3, канала внутреннего контура 4, забирающего часть воздуха из-за последней ступени вентилятора 2 и подводящей его к компрессору высокого давления 5, канала наружного контура 6, расположенного соосно и радиально выше над каналом внутреннего контура 4, забирающего часть воздуха из-за последней ступени вентилятора 2 и подводящего его в обход (минуя) газогенератора 1 к смесителю 7. Смеситель 7 расположен за турбиной низкого давления 3 и смешивает поток газа внутреннего контура 4 с потоком воздуха наружного контура 6. Канал третьего контура 8, расположенный соосно и радиально выше над каналом наружного контура 6, забирает часть воздуха из-за промежуточной ступени вентилятора 9 и подводит его в выхлопное сопло канала третьего контура 10, расположенное вокруг выхлопного сопла 11 смешанного газа канала внутреннего и наружного контуров. За промежуточной ступенью вентилятора 9 на входе в канал третьего контура 8 установлен клапанный узел перепуска воздуха 12. Канал третьего контура 8 в сечении за вентилятором 9 представляет собой кольцо.
В сечении коробки двигательных агрегатов 13 канала третьего контура 8 представляет собой два уплощенных патрубка 14, идущих по боковой поверхности бесфорсажного турбореактивного двигателя с обтекаемыми вырезами 15 для передней опоры крепления бесфорсажного турбореактивного двигателя к летательному аппарату. В сечении модуля реверса тяги 16 канал третьего контура 8 представляет собой два уплощенных патрубка 14, идущих по боковой поверхности бесфорсажного турбореактивного двигателя с обтекаемыми вырезами 17 для задней опоры крепления бесфорсажного турбореактивного двигателя к летательному аппарату. В сечениях выхлопного сопла смешанного газа 11 канал третьего контура 8 представляет собой поверхность 18, отстоящую от видимых из задней полусферы верхней 19, нижней 20 и боковых 21 стенок выхлопного сопла смешанного газа 11. Смеситель 7 потоков газа внутреннего контура 4 с потоком воздуха наружного контура 6 выполнен с нерегулируемыми площадями на срезе смесителя 7. За смесителем 7 установлен соосно модуль реверса тяги 16, отклоняющий поток смешанного газа в направлении движения летательного аппарата. За модулем реверса тяги 16 установлено плоское выхлопное сопло 11 смешанного газа, имеющее канал изогнутой формы, с нанесенным радиопоглощающим покрытием 22, регулируемой площадью критического и выходного сечения.
Отклоняющие решетки 23 модуля реверса тяги 16, расположенные за смесителем 7 на верхней и нижней поверхности корпуса наружного контура 24, могут быть открыты независимо друг от друга. Перекрытие проходного сечения смешанного газа в сечении модуля реверса тяги 16 осуществляется при помощи поворотных лопаток 25.
Вектор тяги 26 выхлопного сопла 11 смешанного газа отклоняется в вертикальной плоскости на угол не менее 12° при помощи синхронного перемещения верхней 27 и нижней 28 подвижных створок расширяющейся части выхлопного сопла и подвижной створки 29 сужающейся части выхлопного сопла.
Принцип действия устройства заключается в следующем: На взлетном режиме клапанный узел перепуска воздуха в канал третьего контура 12 закрыт, модуль реверса тяги 16 выключен, отклоняющие решетки модуля реверса тяги 23 закрыты, вектор тяги выхлопного сопла смешанного газа каналов внутреннего и наружного контуров 26 находится в нейтральном положении. Поток воздуха, сжатый в вентиляторе 2, разделяется на два потока. По каналу внутреннего контура 4 часть воздушного потока из-за вентилятора поступает в компрессор высокого давления 5, являющегося частью газогенератора 1, откуда поток горячего газа, вращая турбину низкого давления 3 привода вентилятора 2, поступает в смеситель 7. За смесителем 7 поток горячего газа внутреннего контура 4 смешивается с потоком воздуха канала наружного контура 6 и, минуя модуль реверса тяги 16, поступает в выхлопное сопло 11 смешанного газа, создавая взлетную тягу бесфорсажного турбореактивного двигателя.
В соответствии с программой управления двигателем, например, на крейсерском режиме, открывают клапанный узел перепуска воздуха в канал третьего контура 12. При этом воздушный поток из-за промежуточной ступени вентилятора 9 по двум уплощенным патрубкам 14 канала третьего контура направляется к поверхности выхлопного сопла канала третьего контура 18, охлаждая верхнюю 19, нижнюю 20 и боковые 21 стенки выхлопного сопла 11 смешанного газа.
Отклонение вектора тяги модулем реверса тяги 16 в соответствии с программой управления летательным аппаратом осуществляют при помощи закрытия проходного сечения смешанного газа при помощи поворотных лопаток 25, открытия соответствующих отклоняющих решеток 23.
Отклонение вектора тяги плоского выхлопного сопла 11 в соответствии с программой управления летательным аппаратом осуществляют при помощи синхронного перемещения верхней 27 и нижней 28 подвижных створок расширяющейся части выхлопного сопла и подвижной створки 29 сужающейся части выхлопного сопла 11 смешанного газа.