ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)
GAS TURBINE ENGINE (VERSIONS)

Область техники
Изобретение относится к газотурбинным двигателям и, более конкретно, к газотурбинному двигателю, имеющему регулируемое сопло внешнего контура (вентиляторное сопло), объединенное с реверсором тяги газотурбинного двигателя.
Уровень техники
Газотурбинные двигатели широко известны. Они используются для генерирования мощности и для осуществления перемещения средств передвижения (например, самолета). Типичный газотурбинный двигатель содержит секцию компрессора, секцию камеры сгорания и турбинную секцию, которые используют первичный (осевой                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               или внутренний) воздушный поток внутри двигателя для генерирования мощности или перемещения средства передвижения (см., например, US 2009/0245997 A1, МПК F02K 3/075, 2009). Газотурбинный двигатель обычно помещают в корпус, например такой, как мотогондола. Через канал между корпусом и двигателем проходит вторичный (внешний) поток, который выходит через вентиляторное сопло.
С целью повысить пропульсивную эффективность конструкций с малыми перепадами давления на вентиляторе, в газотурбинных двигателях с высокой степенью двухконтурности было предложено использовать вентиляторное сопло с изменяемым сечением (ВСИС).
Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является газотурбинный двигатель (более конкретно, турбореактивный двигатель сверхвысокой степени двухконтурности), описанный в RU 2315887 C2, МПК F02K 1/54, 2007. Известный двигатель содержит двигатель внутреннего контура и вентилятор, приводимый от двигателя внутреннего контура во вращение вокруг оси этого двигателя для формирования внешнего потока воздуха. Известный газотурбинный двигатель содержит также по меньшей мере один объединенный механизм, взаимодействующий с воздушным потоком во внешнем контуре, содержащий ВСИС и реверсор тяги. Для обеспечения возможности управления внешним потоком объединенный механизм выполнен с возможностью установки во множество различных положений. При этом реверсор тяги содержит блокирующую створку, установленную с возможностью перемещения между убранным положением и введенным положением, и тяговое средство, обеспечивающее перевод блокирующей створки из убранного во введенное (блокирующее) положение. В известном реверсоре тяги тяговое средство выполнено в виде двухзвенного рычажного механизма, состоящего из переднего рычага, шарнирно связанного с корпусом двигателя, и заднего рычага, шарнирно связанного своими концами с передним рычагом и с блокирующей створкой.
Интегрирование функциональности ВСИС с традиционной каскадной конструкцией реверсора тяги, т.е. управление ВСИС и реверсором тяги посредством объединенного механизма, способно привести к существенному снижению сложности и веса двигателя. Однако использование в реверсоре тяги объединенного механизма тягового средства в виде указанного двухзвенного рычажного механизма делает объединенный механизм известного двигателя чувствительным к колебаниям параметров работы двигателя, например к колебаниям динамического напора во внешнем контуре, и, как следствие, к ограничениям точности и стабильности управления воздушным потоком во внешнем контуре и переходом к режиму реверса тяги. Кроме того, использование двухзвенного рычажного механизма усложняет конструкцию реверсора тяги в составе объединенного механизма.
Раскрытие изобретения
Основная задача, на решение которой направлено изобретение, и, соответственно, технический результат, достигаемый при его использовании, заключаются в повышение точности и стабильности управления положением блокирующей створки (или блокирующих створок, при применении более чем одной такой створки) в процессе регулирования тяги и перехода к режиму реверса.
Дополнительная задача (и, соответственно, дополнительный технический результат) состоит в упрощении конструкции реверсора тяги.
Газотурбинный двигатель согласно одному из вариантов изобретения может содержать установленный на его оси двигатель внутреннего контура и вентилятор, приводимый во вращение вокруг указанной оси от двигателя внутреннего контура для формирования внешнего потока воздуха при степени двухконтурности около или более 6. Имеется по меньшей мере один объединенный механизм, содержащий вентиляторное сопло с изменяемым сечением (ВСИС) и реверсор тяги и, для обеспечения возможности управления внешним потоком, выполненный с возможностью установки во множество различных положений. При этом реверсор тяги содержит блокирующую створку, установленную с возможностью перемещения между убранным положением и введенным положением, и звено, связанное, с возможностью скользящего перемещения, с блокирующей створкой.
В неограничивающей модификации данного варианта газотурбинного двигателя при установке объединенного механизма в развернутое положение внешний поток может выводиться в окружающую среду.
В другой неограничивающей модификации данного варианта газотурбинного двигателя для обеспечения сообщения внешнего потока с окружающей средой при установке объединенного механизма в развернутое положение в объединенном механизме выполнено множество отверстий.
Еще в одной неограничивающей модификации данного варианта объединенный механизм содержит единственный приводной компонент, выполненный с возможностью устанавливаться во множество различных положений.
В следующей неограничивающей модификации данного варианта у реверсора тяги имеются убранное положение и развернутое положение, соответствующее отклонению внешнего потока в направлении, соответствующем обратной тяге.
Еще в одной неограничивающей модификации данного варианта газотурбинного двигателя зубчатая передача приводится в действие двигателем внутреннего контура и приводит во вращение вентилятор. При этом зубчатая передача обеспечивает коэффициент редукции около или более 2,3.
В другой неограничивающей модификации данного варианта зубчатая передача приводится в действие двигателем внутреннего контура и приводит во вращение вентилятор. Зубчатая передача обеспечивает коэффициент редукции более 2,5.
В следующей неограничивающей модификации данного варианта газотурбинного двигателя двигатель внутреннего контура содержит турбину низкого давления, обеспечивающую перепад давления около или более 5.
В другой неограничивающей модификации данного варианта двигатель внутреннего контура содержит турбину низкого давления, обеспечивающую перепад давления более 5.
В дальнейшей неограничивающей модификации данного варианта газотурбинного двигателя по меньшей мере один объединенный механизм выполнен с возможностью изменять перепад давления воздуха на вентиляторе.
В другой неограничивающей модификации данного варианта степень двухконтурности газотурбинного двигателя составляет около или более 10.
Еще в одной неограничивающей модификации данного варианта степень двухконтурности газотурбинного двигателя составляет более 10.
В следующей неограничивающей модификации данного варианта газотурбинного двигателя зубчатая передача приводится в действие двигателем внутреннего контура и приводит во вращение вентилятор. Зубчатая передача имеет коэффициент редукции более 2,5 и представляет собой эпициклическую зубчатую передачу. Двигатель внутреннего контура содержит турбину низкого давления, обеспечивающую перепад давления более 5.
Газотурбинный двигатель согласно другому аспекту изобретения может содержать установленный на его оси двигатель внутреннего контура, вентилятор, приводимый во вращение вокруг указанной оси от двигателя внутреннего контура для формирования внешнего потока воздуха, и по меньшей мере один объединенный механизм, взаимодействующий с внешним воздушным потоком. Двигатель внутреннего контура содержит по меньшей мере турбину низкого давления, обеспечивающую перепад давления около или более 5. По меньшей мере один объединенный механизм содержит ВСИС и реверсор тяги. Для обеспечения возможности управления внешним потоком объединенный механизм может быть выполнен с возможностью установки во множество различных положений. Объединенный механизм содержит секцию, общую для реверсора тяги и ВСИС. При этом реверсор тяги содержит блокирующую створку, установленную с возможностью перемещения между убранным положением и введенным положением, и звено, связанное, с возможностью скользящего перемещения, с блокирующей створкой.
В другой неограничивающей модификации данного варианта газотурбинного двигателя объединенный механизм содержит по меньшей мере один приводной компонент, выполненный с возможностью устанавливаться во множество различных положений.
В следующей неограничивающей модификации данного варианта у реверсора тяги имеются убранное положение и развернутое положение, соответствующее отклонению внешнего потока в направлении, соответствующем обратной тяге.
Еще в одной неограничивающей модификации данного варианта общая секция выполнена с возможностью установки во множество аксиальных положений и снабжена множеством отверстий, формирующих канал для обеспечения сообщения внешнего потока со средой, окружающей газотурбинный двигатель.
В другой неограничивающей модификации газотурбинного двигателя используется зубчатая передача, так что двигатель внутреннего контура приводит вентилятор во вращение через зубчатую передачу, обеспечивающую коэффициент редукции около или более 2,3.
В следующей неограничивающей модификации данного варианта также используется зубчатая передача, так что двигатель внутреннего контура приводит вентилятор во вращение через зубчатую передачу, обеспечивающую коэффициент редукции более 2,5.
В другой неограничивающей модификации газотурбинный двигатель имеет степень двухконтурности около или более 10.
Еще в одной неограничивающей модификации данного варианта внешний поток обеспечивает степень двухконтурности более 10.
В дальнейшей неограничивающей модификации данного варианта звено связано одним концом с блокирующей створкой, а противоположным концом с опорой.
В заключительной неограничивающей модификации блокирующая створка снабжена имеющей T-образное поперечное сечение прорезью для приема, с возможностью скользящего перемещения, указанного звена.
Краткое описание чертежей
Различные особенности и преимущества изобретения станут понятны специалистам из нижеследующего подробного описания, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, варианта, представляющегося предпочтительным.
На фиг.1 представлены некоторые части варианта газотурбинного двигателя, снабженного механизмом, объединяющим ВСИС и реверсор тяги.
На фиг.2 представлен, в перспективном изображении, пример газотурбинного двигателя с каскадом отверстий, открытых для осуществления реверса тяги.
На фиг.3A схематично иллюстрируется механизм, содержащий подвижную вдоль оси секцию, находящуюся в положении закрывания.
На фиг.3B подвижная вдоль оси секция схематично показана установленной в промежуточное положение для изменения выхлопного потока двигателя.
На фиг.3C подвижная вдоль оси секция схематично показана установленной в положение открывания для создания обратной тяги.
На фиг.4 показана блокирующая створка реверсора тяги.
На фиг.5 - пример прорези в блокирующей створке, показанной на фиг.4, иллюстрируется в перспективном изображении, в разрезе плоскостью 5-5 (см. фиг.4).
Осуществление изобретения
На фиг.1 схематично, на частичном виде иллюстрируется пример газотурбинного двигателя 10, подвешенного на пилоне 12 самолета, как это обычно имеет место в самолетах, рассчитанных на дозвуковые скорости. Газотурбинный двигатель 10 имеет круговую симметрию относительно своей продольной оси (продольной центральной линии) A. Двигатель 10 содержит вентилятор 14, компрессорную секцию 16 c компрессором 16a низкого давления и компрессором 16b высокого давления, секцию 18 камеры сгорания, турбину 20a низкого давления и турбину 20b высокого давления. Как это хорошо известно специалистам, воздух, сжатый в компрессорах 16a, 16b, смешивается с топливом, которое сжигается в секции 18 камеры сгорания, и продукты сгорания расширяются в турбинах 20a и 20b. В результате этого расширения турбины 20a и 20b вращаются и приводят во вращение соответственно вращающиеся компоненты (например, валы) 22 и 24, чтобы обеспечить вращение компрессоров 16a, 16b и вентилятора 14. В данном примере вентилятор 14 приводится во вращение, через зубчатую передачу 26, от вала 22.
Двигатель 10 предпочтительно является самолетным двигателем с высокой степенью двухконтурности, использующим зубчатую передачу. В одном рассматриваемом неограничивающем варианте двигателя 10 степень его двухконтурности составляет 6-10, зубчатая передача 26 является эпициклической зубчатой передачей, например планетарной передачей, с коэффициентом редукции около или более 2,3, а перепад давления на турбине 20a низкого давления составляет около или более 5. В представленном примере газотурбинный двигатель 10 построен по турбовентиляторной схеме с большой степенью двухконтурности. В одном из примеров степень двухконтурности выбрана большей 10, а диаметр вентилятора 14 существенно превышает диаметр компрессора 16a низкого давления. Турбина 20a низкого давления обеспечивает перепад давлений, превышающий 5. Зубчатая передача 26 является эпициклической зубчатой передачей, например планетарной передачей со стационарным водилом, обеспечивающей коэффициент редукции более 2,5. Должно быть, однако, понятно, что приведенные параметры соответствуют только одному конкретному варианту турбовентиляторного двигателя, снабженного редуктором, тогда как изобретение применимо и к другим двигателям.
Наружный корпус, т.е. мотогондола 28, окружает вентилятор 14 по окружности. Расположенный за вентилятором канал 32 внешнего контура проходит между мотогондолой 28 и внутренним корпусом 34, который расположен вокруг компрессоров 16a, 16b и турбин 20a, 20b. В этом примере газотурбинный двигатель 10 содержит объединенные механизмы 30, которые связаны с мотогондолой 28. Объединенные механизмы 30 выполняют, как это будет описано далее, функции регулируемого сопла внешнего (вентиляторного) контура и реверсора тяги. В зависимости от параметров конкретного двигателя, в нем может применяться любое количество объединенных механизмов 30. В этом примере используются два объединенных механизма 30, по одному на каждую (верхнюю или нижнюю) половину мотогондолы 28.
В процессе функционирования вентилятор 14 нагнетает воздух внутрь газотурбинного двигателя 10 в качестве внутреннего потока C, а также в канал 32 в качестве внешнего воздушного потока D (потока внешнего контура). Воздушный поток D истекает в качестве выхлопного потока через выходное отверстие 36, связанное с объединенным механизмом 30 и расположенное на заднем конце мотогондолы 28. Внутренний поток C истекает из внутреннего контура между внутренним корпусом 34 и конусом 38 реактивного сопла.
В газотурбинном двигателе 10 по фиг.1 вследствие высокой степени двухконтурности значительная доля тяги может создаваться указанным внешним потоком. Тяга является функцией плотности, скорости и сечения. Один из этих параметров можно регулировать, чтобы варьировать уровень и направление создаваемой тяги или чтобы создать улучшенные условия для управления самолетом и/или функционированием вентилятора 14 или других компонентов, связанных с каналом 32 внешнего контура, или функционированием газотурбинного двигателя 10 в целом. Например, эффективное уменьшение проходного сечения выходного отверстия 36 вызовет повышение давления воздуха в канале 32 внешнего контура, что, в свою очередь, приведет к изменению перепада давления на вентиляторе 14.
В представленном примере объединенный механизм 30 содержит конструкцию, ассоциированную с выходным отверстием 36 и служащую для изменения одного или более из указанных параметров. Однако должно быть понятно, что поток во внешнем контуре или выхлопной поток можно эффективно изменять и без перестройки конструкции, например изменением граничного слоя потока. Кроме того, должно быть понятно, что эффективное изменение проходного сечения выходного отверстия 36 не ограничивается применением средств, локализованных вблизи выхода мотогондолы 28, но включает и использование любых подходящих средств для изменения внешнего потока D.
Как показано на фиг.2 и 3A, объединенный механизм 30 в представленном примере содержит регулируемое вентиляторное сопло 40 и реверсор 42 тяги. Сопло 40 и реверсор тяги имеют общую часть в виде секции 44, которая выполнена подвижной в осевом направлении, т.е. способной занимать множество различных аксиальных положений (положений вдоль продольной оси A). В данном примере секция 44 представляет собой полую трубчатую конструкцию, которая охватывает каскадную секцию 46. В мотогондоле 28 установлены приводные компоненты 48. Сквозь каскадную секцию 46 проведены тяги 50, присоединенные известным образом одним своим концом к соответствующим приводным компонентам 48, а противоположным концом - к секции 44. Чтобы обеспечить селективное осевое перемещение секции 44, с приводными компонентами 48 взаимодействует контроллер 49. Контроллер 49 может быть специализирован для управления объединенным механизмом 30 или быть интегрированным в контроллер газотурбинного двигателя 10 или в другое известное средство управления самолетом или двигателем. Альтернативно, один или более приводных компонентов 48 могут быть установлены известным образом в каскадной секции 46.
В представленном примере в каскадной секции 46 выполнено множество выпускных отверстий 52, которые обеспечивают проходы для воздуха между каналом 32 внешнего контура и внешней средой газотурбинного двигателя 10. Выпускным отверстиям 52 можно придать любую подходящую форму. Например, отверстия могут быть разделены створками, имеющими аэродинамический профиль. В этом примере выпускные отверстия 52 расположены вдоль соосных окружностей, охватывающих каскадную секцию 46. Образующие первый комплект выпускные отверстия 52a, расположенные у переднего конца каскадной секции 46, наклонены назад, тогда как выпускные отверстия 52b, образующие второй комплект и расположенные позади первого комплекта выпускных отверстий 52a, наклонены вперед. Осевое перемещение секции 44 селективно открывает выпускные отверстия 52a, выпускные отверстия 52b или все эти отверстия, создавая вспомогательный канал для выхлопного потока, как это будет описано далее.
В представленном примере в первый комплект входят выпускные отверстия 52a, расположенные вдоль двух указанных соосных окружностей, а во второй комплект - выпускные отверстия 52b, расположенные вдоль большего количества соосных окружностей. В одном варианте выпускных отверстий 52a первого комплекта, расположенных вдоль двух концентричных окружностей, достаточно, чтобы изменить выхлопной поток, как это будет описано далее. Однако должно быть понятно, что при необходимости меньших или больших изменений можно использовать отверстия, расположенные вдоль только одной окружности или вдоль более двух окружностей соответственно.
Реверсор 42 тяги содержит блокирующую створку 62, имеющую убранное положение (фиг.3A) и полностью развернутое (введенное) положение (фиг.3C). Блокирующая створка 62 шарнирно связана с секцией 44 посредством шарнирного соединения 63. Один конец тягового звена 64 связан с блокирующей створкой 62 с возможностью скользящего перемещения, а его противоположный конец закреплен на опоре, которой в представленном примере служит внутренний корпус 34. Хотя показано только одно тяговое звено 64, должно быть понятно, что количество используемых тяговых звеньев 64 может быть любым.
Как показано на фиг.4 и 5, блокирующая створка 62 снабжена прорезью 66 для присоединения к ней, с возможностью скользящего перемещения, тягового звена 64. В данном примере форма прорези 66 адаптирована для приема и удерживания конца тягового звена 64. Например, прорезь 66 может быть T-образной, а конец тягового звена 64 может быть снабжен выступающими в поперечном направлении элементами 68, такими как ролики, подшипники, фрикционные накладки или другие известные средства, обеспечивающие концу тягового звена 64 возможность скользить по прорези 66. Основываясь на приведенном описании, специалист в соответствующей отрасли сможет предложить приемлемые альтернативные профили прорези или скользящего сопряжения, отвечающие конкретным требованиям.
В процессе функционирования двигателя контроллер 49 селективно выдает приводному компоненту 48 команды на установку секции 44 в одно из множества возможных аксиальных положений, чтобы изменить выхлопной поток или произвести реверс тяги. На фиг.3A секция 44 показана в своем первом аксиальном положении (в положении закрывания), в котором она герметично прижата к мотогондоле 28. Находясь в этом аксиальном положении, секция 44 полностью перекрывает каскадную секцию 46, так что выхлопной поток выходит вдоль оси через выходное отверстие 36.
На фиг.3B секция 44 показана во втором аксиальном положении, в котором она отведена от мотогондолы 28, чтобы создать зазор между ней и мотогондолой и открыть часть каскадной секции 46. Когда секция 44 находится во втором положении, оказывается открытым первый комплект выпускных отверстий 52a, так что образуется вспомогательный проход для выхлопного потока. Этот проход обеспечивает дополнительный канал (т.е. дополнительное эффективное поперечное сечение потока) для выведения выхлопного потока из канала 32 внешнего контура с целью изменения этого потока. Часть выхлопного потока, проходящая через первый комплект выпускных отверстий 52a, движется в направлении назад. Хотя в представленном примере это направление является наклонным, т.е. непараллельным продольной оси A, у скорости данной части потока есть составляющая, параллельная оси. Данная составляющая выхлопного потока обеспечивает некоторую долю тяги, генерируемой внешним потоком.
При перемещении секции 44 между первым и вторым положениями блокирующая створка 62 остается в убранном положении. Характер взаимодействия между тяговым звеном 64 и прорезью 66 обеспечивает наличие интервала холостого движения тягового звена. Другими словами, движение секции 44 заставляет тяговое звено 64 скользить вдоль прорези 66 блокирующей створки 62 без перевода блокирующей створки 62 в развернутое положение.
На фиг.3C секция 44 показана в третьем аксиальном положении (соответствующем реверсу тяги). Выход секции 44, в процессе перемещения к своему третьему положению, за второе положение приводит к тому, что конец тягового звена 64 упирается в конец 70 прорези 66. После этого тяговое звено 64 будет разворачивать блокирующую створку 62 вокруг оси соединения 63, вводя ее в канал 32 внешнего контура. Блокирующая створка 62 отклоняет выхлопной поток с продольной оси радиально наружу, в сторону каскадной секции 46. Движение секции 44 к своему третьему положению открывает также выпускные отверстия 52b. Отклоненный выхлопной поток входит в выпускные отверстия 52b второго комплекта, которые выводят выхлопной поток с наклоном в направлении вперед, чтобы создать обратную тягу.
В представленном примере количество выпускных отверстий 52b во втором комплекте больше, чем количество выпускных отверстий 52a в первом комплекте. Как следствие, обратная тяга, создаваемая выхлопным потоком, выходящим через выпускные отверстия 52b второго комплекта, превышает любую тягу, создаваемую выхлопным потоком, выходящим в направлении назад через выпускные отверстия 52a.
Таким образом, описанный объединенный механизм 30 интегрирует функцию изменения выхлопного потока с функцией реверса тяги. При этом данный механизм 30 использует единственный комплект приводных компонентов 48, что устраняет потребность в отдельных приводных компонентах или в отдельных комплектах приводных компонентов для изменения выхлопного потока и приведения в рабочее положение реверсора тяги. Описанное применение единственного приводного компонента 48 или единственного комплекта таких компонентов позволяет отказаться по меньшей мере от некоторых приводных компонентов, которые иначе были бы необходимы. Тем самым снижается вес газотурбинного двигателя 10 и соответственно повышается его топливная эффективность.
Хотя выше был описан предпочтительный вариант изобретения, специалисту в соответствующей области будет понятно, что изобретение охватывает и различные модификации этого варианта. Поэтому, чтобы оценить объем и содержание изобретения, необходимо рассмотреть прилагаемую формулу изобретения.