ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
GAS TURBINE ENGINE

Настоящее изобретение относится к газотурбинным двигателям и конкретнее выходным устройствам таких газотурбинных двигателей.
Принцип действия и конфигурация газотурбинных двигателей хорошо известны. Таким образом, понятно, что в таком двигателе поступающий воздух сжимается ступенями компрессора, сжигается с топливом на стадии сгорания и истекает в выходное устройство двигателя. Каждая из этих ступеней оказывает различные влияния на эффективность и эксплуатационные характеристики двигателя. В отношении выходного устройства, изменение отношения площадей в плоскости смешения дает ряд потенциальных преимуществ в термодинамическом цикле двигателей с точки зрения эксплуатационных и акустических характеристик.
Характерной особенностью шума реактивной струи по сравнению с шумами других двигателей является то, что он формируется вне двигателя. Процесс смешения и генерация шума имеют место на значительном удалении от двигателя по оси двигателя на расстоянии до десяти диаметров выхлопного сопла и более. Поскольку струя формируется в направлении истечения, увеличивается масштаб, или размер турбулентности кольцевого слоя перемешивания потоков.
Более высокочастотные шумы генерируются ближе к выходу из сопла из-за меньшего масштаба длины флуктуации; шумы более низкой частоты генерируются дальше по ходу истечения, где масштаб длины турбулентных флуктуации в итоге становится сравнимым с диаметром струи. Это общий принцип также применим к двум потокам или коаксиальным реактивным струям, но ситуация является более сложной из-за дополнительного сдвига слоев.
Исторически, снижение шумов реактивной струи при смешении происходило параллельно сокращению удельной тяги и увеличению степени двухконтурности двигателя, как результат более низкой средней скорости струи, требуемой для достижения заданного уровня тяги. Добавление движущегося с меньшей скоростью, вторичного или наружного потока воздуха, истекающего концентрически вокруг основной или внутренней струи, приводит к образованию двух кольцевых областей смешивания с существенно более низким сдвигом, чем со сдвигом, который создается однопоточной струей при той же самой тяге.
При умеренных значениях степени двухконтурности, менее пяти к одному, последующее снижение шумов струи может быть достигнуто путем смешения потоков внутреннего и наружного контуров до выхлопа полного потока в атмосферу Процесс смешения можно улучшить, используя лепестковый смеситель во внутреннем контуре, но для заметного снижения шумов необходимая длина канала может быть еще довольно большой (примерно два диаметра сопла). Следовательно, чтобы определить, является ли конфигурация сопла оптимальной для конкретного применения в авиации, необходимо рассмотреть потери от трения и избыточный вес для длинного обтекателя, сопло внешнего контура (сопло), плюс профилированный смеситель.
В последние годы снизить шум струи пытались путем остроугольной насечки сопел. Усовершенствованное смешивание, выполненное за счет остроугольных насечек в канале принудительного смесителя, может привести к небольшим, но существенным улучшениям шумовых параметров струи (с приемлемыми аэродинамическими характеристиками); было установлено применение остроугольной насечки сопел в серийных двигателях. Прилагаемый чертеж, с пометкой «уровень техники» иллюстрирует обычную конфигурацию выходного сопла с принудительным смесителем.
Эффект скорости сдвига, о котором говорилось выше в контексте коаксиальных струй, также характеризует изменение шума струи в условиях статической работы двигателя и при работы в полете. Когда летательный аппарат движется с поступательной скоростью, сдвиг скорости между выхлопными газами и атмосферой снижается примерно на пять-десять децибел. Чтобы понять эти очень большие «эффекты полета», часто проводятся экспериментальные исследования в сконструированных для этой цели звуконепроницаемых камерах.
Изменения в плоскости смешения были достигнуты ранее с использованием сложных устройств перекрывающих створок для изменения отношения площадей в плоскости смешения. Сложность такого устройства, показанного, например, в патенте UK 874496А, может значительно увеличить вес и расходы на изготовление и эксплуатацию двигателя.
В соответствии с аспектами настоящего изобретения предложен газотурбинный двигатель, содержащий выходное устройство с выпускной системой внутреннего контура, включающее профилированное центральное тело и выходное сопло расположенное вокруг профилированного центрального тела, с образованием канала между ними, и плоскость смешения, при этом выходное устройство включает в себя механизм осевого смещения для осуществления смещения относительного друг друга выходного сопла и профилированного центрального тела, чтобы изменять размер площади плоскости смешения на периферийном конце выходного сопла.
Обычно для выполнения смещения, механизм осевого смещения прикрепляется к выходному соплу. Возможно, что выходное сопло является и принудительным смесителем.
В основном, выходное устройство включает канал наружного контура вокруг выходного сопла и плоскость смешения на периферийном конце выходного сопла, в которой находится поперечное сечение канала внутреннего контура, образованного зазором между профилированным центральным телом и выходным соплом в сочетании с поперечным сечением канала наружного контура, образованного зазором между выходным соплом и стенкой наружного контура двигателя.
Обычно эти зазоры являются кольцевыми.
Форму периферийного конца выходного сопла возможно изменять в зависимости от эксплуатационных требований.
Возможно, что механизм осевого смещения выходного сопла содержит электрический и/или гидравлический исполнительный механизм.
Механизм осевого смещения выходного сопла расположен рядом с выходным соплом. В качестве альтернативы, механизм осевого смещения выходного сопла включает исполнительный механизм, расположенный вдали от выходного сопла внутреннего контура двигателя, и служащий для смещения выходного сопла посредством механической связи. Возможно, что механизм осевого смещения содержит направляющие опоры скольжения.
Обычно стенка канала наружного контура двигателя образует выхлопное сопло двигателя. Возможно, что площадь поперечного сечения выхлопного сопла переменная. Потенциально, выхлопное сопло содержит ряд перекрывающих плоских створок.
Обычно профилированное центральное тело имеет форму конуса, сужающегося в направлении плоскости смешения.
Возможно, профилированное центральное тело и выходное сопло и/или стенка наружного контура двигателя имеют соответствующую форму, чтобы вызвать изменение до примерно 15% площади плоскости смешения соответствующим осевым смещением выходного сопла.
Возможно придание выходному соплу и профилированному центральному телу соответствующей формы, чтобы обеспечить в плоскости смешения изменение до примерно (30…40)% площади поперечного сечения внутреннего контура, образованного зазором между выходным соплом и профилированным центральным телом соответствующим относительным осевым смещением, вызванным механизмом осевого смещения.
Возможно придание выхлопному соплу и наружному контуру двигателя соответствующей формы, чтобы обеспечить в плоскости смешения изменение до примерно (30…40)% площади поперечного сечения канала наружного контура двигателя, образованного зазором между выходным соплом и стенкой наружного контура двигателя, соответствующим осевым смещением, вызванным механизмом осевого смещения.
Потенциально, выходному соплу профилированному центральному телу и стенке наружного контура двигателя придаются соответствующие формы, чтобы обеспечить изменение в плоскости смешения до примерно 50% отношения площади поперечного сечения канала внутреннего контура и площадью поперечного сечения канала наружного контура в результате осевого смещения, вызванного механизмом осевого смещения.
Возможно смещение профилированного центрального тело по оси.
Возможно, профилированное центральное тело может смещаться по оси независимо от выхлопного сопла.
Также в соответствии с аспектами настоящего изобретения создан газотурбинный двигатель, содержащий:
наружный контур двигателя для потока газов от вентилятора,
выходное сопло внутреннего контура двигателя, содержащее лепестковый смеситель на его заднем по ходу потока конце,
конусообразное профилированное центральное тело,
комбинированное выхлопное сопло,
расположенную в конце по ходу потока периферию лепестковый смесителя, где происходит смешение газового потока наружного и газового потока внутреннего контуров;
отличающийся тем, что
лепестковый смеситель выполнен с возможностью перемещения по оси между первым положением и вторым положением, так что в плоскости среза периферийного конца выхлопного сопла поперечное сечение зазора канала внутреннего контура, образованного между профилированным центральным телом и выходным соплом, имеет максимальную площадь в первом положении и минимальную - во втором положении, а поперечное сечение зазора канала наружного контура, образованного между выхлопным соплом и стенкой наружного контура, имеет минимальную площадь в первом положении и максимальную - во втором положении.
Варианты осуществления данного изобретения будут теперь описаны в виде примеров и со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
на фиг.1 представлено схематическое изображение поперечного сечения первого варианта данного изобретения в первом положении;
на фиг.2 представлено схематическое изображение поперечного сечения варианта осуществления, показанного на фиг.1, во втором положении;
на фиг.3 представлено схематическое изображение поперечного сечения второго варианта осуществления данного изобретения в первом положении; и
на фиг.4 представлено схематическое изображение поперечного сечения второго варианта осуществления, показанного на фиг.3, во втором положении.
Как указано выше, изменение отношения площадей в плоскости смешения, выходного устройства газотурбинного двигателя может дать ряд потенциальных преимуществ, обусловленных термодинамическим циклом двигателя и, конкретнее, по рабочим и акустическим характеристикам. Увеличение отношения площадей смешения потоков внутреннего и наружного контуров увеличивает давление потока на выходе из наружного контура и снижает давление потока на выходе из внутреннего контура, что приводит к потенциально более однородному профилю скорости струи выхлопных газов, и в следствие этого к шуму, особенно при взлете с высокой тягой. Также понятно, что снижение отношения площадей смешения потоков внутреннего и наружного контуров приведет к снижению коэффициента давления наружного контура при данном уровне тяги или давая возможность двигателю развивать большую тягу при работе на его предельном коэффициенте давления наружного контура, например, во время тяги двигателя в момент набора высоты. Также понятно, что выборочно можно обеспечить достижение установки площади смесителя между крайними точками первого и второго положения для имеющейся площади смесителя, чтобы лучшего адаптироваться к более эффективной работе двигателя на этапах крейсерского полета, особенно в отношении термодинамики двигателя.
На фиг.1 и 2 представлен первый вариант осуществления изобретения. Так, газотурбинный двигатель 1 содержит ряд ступеней, выполненных с возможностью вращения, чтобы создать потоки газа соответственно в канале внутреннего контура двигателя или канале 2 и в канале наружного контура двигателя или канале 3. Радиальная внутренняя стенка образует канал 2 внутреннего контура двигателя. Турбомашины, такие как промежуточный компрессор и компрессоры высокого давления, камера сгорания и турбины hp, ip и lp, расположены внутри этого канала 2, как и в любом обычном 2-х или 3-х вальном газотурбинном двигателе. Понятно, что газовые потоки проходят в направлении, показанном соответственно стрелками А и В через двигатель 1 к выходному устройству 4. Понятно, что каналы 2, 3, по существу, образованы как зазоры между противоположными поверхностями в газотурбинном двигателе 1. В таких случаях, поскольку двигатель в основном вращается вокруг вала, эти каналы 2, 3 принимают вид кольцеобразных проходов.
Понятно, что рабочие характеристики двигателя 1 могут меняться путем изменения площади плоскости 5 смешения в зависимости от отношений имеющихся площадей на периферийном конце выходного сопла 7 поперечных сечений канала 2 внутреннего контура и канала 3 наружного контура в выходном устройстве 4. Как кратко описано выше, такие изменения приведут к изменению давлении потоков А и В на выходах внутреннего и наружного контуров.
В соответствии с аспектами настоящего изобретения канал 2 внутреннего контура в направлении выходного устройства 4 образуется профилированным центральным телом 6 и периферийным концом выходного сопла 7. Периферийный конец выходного сопла 7 может быть оснащен лепестками или иметь иную форму для достижения желаемого поперечного сечения канала 2 в плоскости смешения 5 на периферийном конце выходного сопла 7.
Профилированное центральное тело 6 обычно имеет форму конуса, сужающегося в направлении к выхлопному соплу 8 газотурбинного двигателя 1. Поступательное перемещение принудительного смесителя, суживающаяся форма профилированного центрального тела 6 и стенка 9 наружного контура двигателя изменяют площади поперечных сечений 5а и 5b. Площадь нерегулируемого смесителя остается постоянной.
В соответствии с аспектами настоящего изобретения выхлопное сопло 7 на периферийном конце выходного сопла 7 имеет профиль и форму, обеспечивающие изменения имеющихся площадей поперечных сечений каналов 2, 3 в плоскости смешения 5. В таких случаях выхлопное сопло 7 имеет лепестковый или винтовой смеситель, и который, как показано на фигурах, в поперечном сечении может принимать форму клина или треугольника. Конкретное профилирование периферийного конца выходного сопла 7, а именно винтовое или с лепестковый, выбирается в зависимости от эксплуатационных требований. В некоторых ситуациях верхняя кромка клина может быть по существу плоской, как показано пунктирной линией, но обычно, как это уже было показано, существует тенденция к использованию такой конфигурации, чтобы вызвать изменение площади плоскости смешения 5 в обоих каналах 2, 3. Эти площади показаны на фиг.1 и 2 как площади поперечных сечений 5а и 5b. Площадь поперечного сечения 5а можно назвать как площадь плоскости смешения канала внутреннего контура. Площадь поперечного 5b можно назвать как площадь плоскости смешения канала наружного контура. Отношение и значения этих площадей поперечных сечений 5а и 5b, в соответствии с аспектами данного изобретения, устанавливаются для рабочих характеристик двигателя 1.
Регулирование площадей поперечных сечений 5а и 5b достигается посредством осевого смещения в направлении стрелки С. Это осевое смещение является относительным соответственно для профилированного центрального тела 6 и выходного сопла 7, а также для выходного сопла 7 и стенки 9 наружного контура двигателя, которая переходят в сопло 8 выхлопного тракта двигателя. Как указано, это перемещение по оси может быть относительным, но, скорее всего, именно выходное сопло 7, смещается соответствующим механизмом 10, например, штоками. Механизм 10, как показано на фиг., может размещаться рядом с выхлопным соплом 7, но понятно, что в таком положении механизм 10 подвержен воздействию относительно высоких температур, что может привести к проблемам с пространством, в котором он размещен. В таких условиях, как показано на фиг.2, исполнительный механизм 10а может быть расположен в более прохладном или/и более удобном месте, например, внутри обтекателя канала наружного контура двигателя, а осевое смещение достигается посредством механической связи через канал 3 наружного контура.
Как показано выше, посредством соответствующего профилирования выходного сопла 7 это осевое смещение происходит в направлении стрелки С и может менять площади поперечных сечений 5а и 5b, через которые проходят соответствующие потоки А и В. Конкретный выбор профилирования периферийного конца выходного сопла 7, то есть в виде винтового или с лепестковый, зависит от эксплуатационных требований. При этом, угол наклона выходного сопла 7 и, в частности, его периферийного конца выбирается так, чтобы достичь соответствующей разницы в площадях поперечных сечений 5а и 5b в результате осевого смещения между первым и вторым положениями.
Первое положение описано как пример и показано на фиг.1, тогда как второе положение, как пример, показано на фиг.2. Как видно, соответствующие значения площадей поперечных сечений 5а' и 5b' отличаются от значений площадей поперечных сечений 5а" и 5b". Эти изменения являются результатом осевого смещения и поэтому влияют на периферийный конец выходного сопла 7. Посредством этих изменений между поперечными сечениями 5а', 5b', 5а", 5b", как указано выше, конфигурацию двигателя 1 можно изменять в зависимости от различных эксплуатационных требований.
В указанных выше случаях понятно использование только простого исполнительного механизма для осевого смещения, т.е. с профилированным центральным телом, чем достигаются изменения в отношениях площадей между соответствующими каналами 2, 3 двигателя 1. Понятно, что геометрия канала 2 такова, что путем осевого смещения в продольном направлении происходит изменение площади потока канала 2 или канала через двигатель 1 на периферийном конце выходного сопла 7. Аналогичным образом, геометрия наружного контура контура двигателя в зависимости от его наружных стенок такова, что путем смещения выхлопного сопла происходит изменение площади потока канала 3 или «холодного» канала двигателя 1 на периферийном конце выходного сопла 7. Выходное сопло 7 фактически действует как смеситель для соответствующих газовых потоков через каналы 2, 3. Этот эффект смешения зависит от соответствующих имеющихся площадей поперечных сечений 5а и 5b.
Общая имеющаяся площадь потока в плоскости смешения 5 может меняться соответственно относительным осевым положениям профилированного центрального тела 6, выходного сопла 7 и стенки 9 наружного контура двигателя. Как указано, возможные диапазоны пропорциональных относительных изменений площадей поперечных сечений 5а и 5b в плоскости смешения 5, в частности, задаются профилированием периферийного конца выходного сопла 7, а также диапазоном осевого смещения этого выходного сопла, под действием механизма 10. Обычно выходное устройство, в соответствии с аспектами настоящего изобретения, способно обеспечить изменение достижимой площади потока, то есть комбинации поперечных сечений 5а и 5b до примерно 15% общей достижимой площади смешения. Каждая площадь поперечного сечения 5а и 5b сама может меняться, примерно на (30…40)% в каналах 2, 3 с возможностью изменения примерно до 50% отношение площадей смешивания, то есть 5а:5b.
Как показано выше, осевое смещение обеспечивается соответствующим механизмом. Этот механизм может содержать в своей конструкции направляющие опоры скольжения, которые обеспечивают относительное перемещение посредством одного или нескольких гидравлических или/и электрических исполнительных механизмов, соответственным образом расположенных в двигателе 1.
Как показано выше, в отношении отдельных аспектов данного изобретения предполагается, что будет благоприятно использовать настоящее изобретение применительно к устройству принудительных смесителей для выходного сопла 7. Однако возможно, что для некоторых применений может быть предпочтительным применение конфигурации кольцевого смесителя, то есть без перемешивающих лепестков. Обтекатель с кольцевым смесителем будет перемещаться по оси аналогично лепестковому смесителю для достижения аналогичных изменений площадей кольцевого зазора, изменяющихся в плоскости смешения 5.
Как указано выше, относительное перемещение между противоположными поверхностями каналов 2, 3 приводит к изменению площадей поперечных сечений 5а и 5b. В таких случаях может быть смещено в осевом направлении выходное сопло 7 или профилированное центральное тело 6, или оба одновременно, чтобы создать изменения в соответствии с аспектами данного изобретения.
Фиг.1 и 2 иллюстрируют двигатель 1, в котором имеется выхлопное сопло 8 с фиксированной площадью. Дальнейшие изменения эксплуатационных характеристик могут быть обеспечены с использованием аспектов данного изобретения с отношении выхлопного сопла 28 с переменной площадью поперечного сечения, как показано на фиг.3 и 4. Для ясности, одни и те же элементы на фиг.3 и 4 и на фиг.1 и 2 обозначены одинаково.
Понятно, что конфигурацию выхлопного сопла с переменной площадью можно достичь с помощью ряда систем, включая создание перекрывающих створок, которые сходятся и расходятся в зависимости от требуемой площади выхлопного сопла. Понятно, что работа смесителя с переменной площадью в зависимости от осевого смещения для регулирования переменных площадей поперечных сечений 5а и 5b в сочетании с выхлопным соплом 28 с переменной площадью, может еще больше увеличить потенциальные преимущества в отношении повышения давления на выходе потока наружного контура и снижения давления на выходе потока внутреннего контура или, наоборот, снижения площади смешения потоков внутреннего и наружного контуров для создания пониженного коэффициента давления наружного контура при данном уровне тяги или может обеспечить большую тягу при предельном коэффициенте давления наружного контура. Комбинация переменной площади поперечных сечений 5а и 5b смесителя с выхлопным соплом 28 с переменной площадью создает дополнительную способность управлять эксплуатационными характеристиками всего двигателя 21 в отношении воздушного потока, а также баланса давления между потоком В наружного контура и потоком А внутреннего контура двигателя. Такая гибкость может облегчить доведение до максимума потока двигателя в условиях, где желательно минимизировать шумы или максимизировать тягу, или может использоваться во время полета для оптимизации аэродинамического согласования между забором воздуха и рабочими характеристиками двигателя.
Как отмечено выше, изменяемость отношения площадей смесителя 5а:5b имеет особые преимущества с точки зрения управления работой двигателя. В соответствии с аспектами данного изобретения, такое изменение в отношении площади смесителя достигается посредством нескольких подвижных частей и сравнительно простого относительного осевого смещения. В таких случаях, изменение отношения площади смешения достигается с помощью принудительного смесителя с оптимизированной аэродинамической геометрией, которая, в свою очередь, создает высокую эффективность смешения между потоками внутреннего (стрелка А) и наружного (стрелка В) контуров и относительно малой потерей давление, максимизируя преимущества аэродинамического цикла для рабочих характеристик и шумов струи.
В дополнение к вышеупомянутым аспектам настоящего изобретения упростится настройка необходимой геометрии смесителя для достижения хороших аэродинамических/акустических характеристик при всех значениях геометрических настроек и условий работы для относительного расположения вдоль области осевого смещения между первым положением и вторым положением в зависимости от исполнительного механизма. Обычно, первое положение определяется для одного ожидаемого условия работы, такого, как тяга при взлете, тогда как другое крайнее положение в отношении изменения площади смешения может определяться для альтернативного уровня тяги, такого, как типичное во время набора самолетом высоты, когда двигатель работает в промежуточном положении с отношением площадей смешения между первым положением и вторым положением при обычном крейсерском режима полета. В таких случаях, согласно аспектам данного изобретения, геометрия смесителя в плоскости смешения 5, может быть обеспечена более гладким аэродинамическим профилем как посредством канала внутреннего контура двигателя или канала 2, так и каналом наружного контура или каналом 3, с тем, чтобы были обеспечены малые потери давления в потоках А и В по всему широкому диапазону отношения площадей 5а:5b плоскости смешения 5.
Выходное устройство в соответствии с аспектами данного изобретения обеспечивает возможность изменения начальной площади плоскости смешения, а также отношение площадей поперечных сечений 5а и 5b. В таких случаях достигается гибкость в потенциальном диапазоне площадей и отношений их величин.
Модификации и изменения в соответствии с аспектами данного изобретения будут понятны специалистам в данной области техники. Таким образом, например, периферийный конец выходного сопла 7 обычно имеет фиксированную форму, но иногда эта форма может меняться посредством использования материалов с эффектом памяти формы или исполнительных механизмов для регулировки формы, но в рамках профиля выхлопного сопла 7. Также понятно, что в некоторых ситуациях наружного контура двигателя может не быть, так что только канал 2 потока внутреннего контура контура двигателя может быть настроен осевым смещением для изменения площади поперечного сечения 5а.
Хотя в вышеприведенной заявке была попытка привлечь внимание к тем признакам изобретения, которые считаются особенно важными, следует понять, что заявитель имеет притязания на защиту в отношении любого патентоспособного признака или комбинации признаков, указанных выше и/или показанных на чертежах, независимо от того были ли они особенно подчеркнуты.