ВЫПУСКНОЙ КОЛЛЕКТОР ДЛЯ РАБОЧИХ ГАЗОВ, ОБРАЗУЮЩИЙ КОЛЕНО, В ЛЕТАТЕЛЬНОМ АППАРАТЕ, СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ РАБОТЫ ВЫПУСКНОГО КОЛЛЕКТОРА И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СОДЕРЖАЩИЙ УКАЗАННЫЙ КОЛЛЕКТОР
AIRCRAFT EXHAUST MANIFOLD MAKING BRACH PIPE, METHOD OF OPERATING SAID MANIFOLD AND AIRCRAFT COMPRISING SAID MANIFOLD

Настоящее изобретение относится к области приведения в движение летательных аппаратов при помощи реактивной струи воздушного потока, и его объектом является выпускной коллектор, выполненный на выходе газогенераторной установки до сопла.
Для самолетов, приводимых в движение турбореактивным двигателем, как пилотируемых, так и беспилотных или самолетов-роботов, используемых в военных целях, важную роль играет маскировка.
Маскировку определяют, в частности, по двум параметрам: эквивалентная поверхность радиолокации (ЭПР) и инфракрасная подпись (ИКП). ЭПР является поверхностью, которая может появиться на экране РЛС с учетом геометрической формы летательного аппарата. ИКП является индивидуальным тепловым следом, оставляемым летательным аппаратом, в частности, на уровне его реактивного сопла.
Для уменьшения этого теплового следа и даже для его предотвращения известен способ маскирования инфракрасного излучения горячих газов, выходящих из газогенераторной установки. Известен, например, патент US 3693880, в котором описано устройство такого типа. Оно содержит экран в виде круглого тела, установленный в выпускном газовом канале и вместе с тем отстоящий от стенок последнего, и удерживаемый радиальными стойками. Он имеет аэродинамическую форму, оптимально направляющую газы вдоль его яйцеобразного профиля, и его поверхность охлаждается более холодным воздухом, поступающим через радиальные стойки. Между экраном и стенкой канала цилиндрический канал становится кольцевым. Поток опять становится цилиндрическим после экрана и удаляется через сопло. Диаметр в этом месте увеличивается и повторяет осевой профиль, параллельный профилю экрана, чтобы сохранять достаточное сечение отверстия. Максимального диаметра экрана достаточно для маскирования турбины, если смотреть на нее сзади. Кроме того, задняя часть экрана содержит двойную стенку, в которой циркулирует охлаждающий воздух, чтобы избежать любого нагрева.
Кроме того, автор настоящего изобретения разработал двойное сопло, называемое раздвоенным, в котором газовый поток, выходящий из газогенераторного средства, делится на два потока и направляется к двум соплам. Оба потока с одинаковым расходом выбрасываются наружу параллельно вдоль оси тяги. Преимуществом такой конструкции является то, что она позволяет направлять летательный аппарат, в частности, по рысканию, при помощи управления обоими потоками либо путем изменения вектора тяги, либо путем изменения расхода. Находясь друг от друга на расстоянии, они оказываются также смещенными относительно оси газогенератора. Таким образом, в случае, когда газогенераторная установка является турбиной, она может быть скрыта сзади и не наблюдаться через отверстия сопел. В результате ослабляется инфракрасная подпись.
Задачей настоящего изобретения является создание газовыпускного устройства, инфракрасная подпись которого уменьшена еще больше по сравнению с предшествующим техническим решением.
В связи с этим объектом настоящего изобретения является выпускной коллектор для рабочих горячих газов в летательном аппарате, приводимом в движение рабочими горячими газами, производимыми вдоль его оси газогенераторной установкой, содержащий канал и сопло, отличающийся тем, что упомянутый канал образует вертикальное колено, образованное первой частью, направляющей газовый поток в направлении вертикальной плоскости, отходящей от оси летательного аппарата в радиальном направлении, и второй частью, находящейся за первой частью и направляющей газовый поток в радиальном направлении в сторону упомянутой оси, при этом на выходе колена газовый поток возвращается к осевому направлению, а ось сопла является параллельной оси газового потока на выходе газогенераторной установки, при этом элементы канала, находящиеся перед коленом, являются невидимыми при наблюдении сзади.
В настоящей заявке термин «колено» необходимо понимать следующим образом. Канал содержит первую часть, направляющую газовый поток в радиальном направлении с удалением от оси, и вторую часть за первой частью, направляющую газовый поток в радиальном направлении в сторону оси. На выходе колена поток снова следует в осевом направлении.
Предпочтительно, чтобы ось сопла являлась параллельной, предпочтительно коаксиальной с осью газового потока на выходе газогенераторной установки.
Целесообразно, чтобы поперечное сечение канала на части его длины имело удлиненную форму в поперечном направлении.
В частности, канал содержит входную поперечную плоскость, и сопло содержит плоскость критического сечения, отстоящую от входной плоскости на расстояние длины L канала, и поперечная плоскость колена на уровне максимального вертикального удаления находится на таком расстоянии L колена от входной плоскости, чтобы соотношение Lколено/Lканал находилось в пределах от 0,5 до 0,7; и/или высота Нвнутр внутренней стенки и высота Ннаруж наружной стенки колена относительно оси газового потока, соответствующая максимальному вертикальному удалению, отвечала соотношению Нвнутр/Ннаруж≤1/2. Согласно другому отличительному признаку соотношение Ннаруж/Lканал составляет примерно 1/3.
Неожиданно было установлено, что, изгибая вертикально вверх или вниз таким образом газовый поток, можно эффективно маскировать не только диск турбины, но также наиболее горячие части на выходе турбины. Кроме того, эта концепция позволяет также предусмотреть геометрию канала, сводящую к минимуму аэродинамические потери тяги, способствуя при этом смешиванию газов перед выпуском.
Маскирование инфракрасного излучения можно улучшить еще больше, разделяя поток на два потока, отстоящие друг от друга в поперечном направлении. Так, согласно другому отличительному признаку канал содержит элемент переходной зоны, сообщающийся на выходе с двумя элементами канала, каждый из которых выходит в полусопло.
Изобретение касается также возможности управления, обеспечиваемого этим последним типом выпуска газов.
В случае сопла, предназначенного для военного беспилотного самолета-разведчика, задачи маскировки по ЭПР и ИКП связывают с потребностью в векторной тяге. Приходится разрабатывать очень уплощенные двухмерные сопла, которые могут иметь удлинение порядка пяти для параметров маскировки ИКП и ЭПР и заостренную наружную форму для параметров маскировки по ЭПР.
Задачей настоящего изобретения является также создание устройства управления летательным аппаратом, в частности, по рысканию, которое является эффективным и связано с контролем за расходом рабочих газов.
Устройство должно быть выполнено с возможностью применения на летательных аппаратах с одним или с двумя двигателями, в частности, для беспилотных летательных аппаратов.
Устройство должно непрерывно обеспечивать векторные изменения небольшой амплитуды, не приводя к снижению эффективности газогенераторной установки.
Оно должно быть способным обеспечивать значительную векторную тягу для потребностей управления летательным аппаратом.
Оно должно быть выполненным с возможностью ограничения ИКП в заднем секторе и по траверзу.
Целесообразно, чтобы выхлопной коллектор был выполнен с возможностью разделения газового потока рабочих газов на первый и второй потоки для их выпуска через первое и второе полусопла, и содержал, по меньшей мере, одно из двух следующих средств управления: средство распределения главного потока в каждом из двух полусопел и средство ориентации вектора тяги, производимой каждым из двух полусопел.
Под полусоплом в настоящей заявке следует понимать газовыпускное реактивное сопло, в которое заходит часть главного потока на выходе турбины. Этот термин не связан с какой-либо особенной формой. Наличие двух потоков в данном случае используют для раздельного управления двумя полувекторами тяги по модулю и по направлению.
Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, одно из двух упомянутых средств, предпочтительно оба средства работали на принципе инжекции текучей среды, и предпочтительно также, чтобы выхлопной коллектор содержал оба упомянутых средства. Преимуществом этого решения является его простота и возможность работы с ограниченным числом устройств инжекции текучей среды, обеспечивая при этом повышенную надежность и не будучи дорогостоящим. Вместе с тем, средства управления обоими потоками могут быть механическими.
Согласно частному варианту выполнения главный поток создается двумя газогенераторными установками, и в этом случае выхлопной коллектор предпочтительно содержит средство ориентации вектора тяги, производимой каждым из двух полусопел.
Предпочтительно, чтобы упомянутые полусопла были выполнены с возможностью ориентации вектора тяги по рысканию. За счет этого компенсируется отсутствия киля.
Предпочтительно также, чтобы упомянутые полусопла располагались для управления по тангажу или по крену, или сопло могло содержать две пары полусопел, например, одну пару - для ориентации по рысканию, а другую - для ориентации по тангажу. Возможны также другие варианты конструкции или их комбинации.
Целесообразно, чтобы средство распределения потока содержало средства инжекции текучей среды в критическом сечении каждого из полусопел. В частности, если газогенераторная установка является турбореактивным двигателем, средства инжекции текучей среды питаются воздухом, отбор которого можно производить от компрессора газогенератора. Это решение является более предпочтительным, так как оно способствует сбалансированной работе на всех фазах полета. В частности, предусматривают способ осуществления работы сопла, согласно которому отбор воздуха от компрессора генератора производится в непрерывном режиме.
Целесообразно также, чтобы главный поток создавался двумя газогенераторными установками. В этом случае выпускной коллектор предпочтительно должен содержать только одно средство ориентации вектора тяги, производимой каждым из двух полусопел.
Далее следует более детальное описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, в числе которых:
Фиг.1 изображает вид сверху примера летательного аппарата, в котором применяется настоящее изобретение.
Фиг.2 - вид сверху сопла раздвоенного типа.
Фиг.3 - вид сбоку выпускного коллектора в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.4-6 - выпускной коллектор, показанный на Фиг.3, соответственно вид сбоку, вид сзади и вид в изометрии в три четверти сзади.
Фиг.7 - вид сверху выпускного коллектора в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.8-10 изображают выпускной коллектор, показанный на Фиг.7, соответственно вид сбоку, вид сзади и вид в изометрии в три четверти сзади.
Фиг.11 изображает вид различных форм поперечного сечения переходного элемента канала в направлении вдоль оси в сторону выхода.
Фиг.12 - схематичный вид расположения в полусопле средств управления в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.13 - иллюстрацию работы средств управления, расположенных в критическом сечении.
Фиг.14 - иллюстрацию работы средств управления, расположенных в диффузоре.
На Фиг.1 показан неограничительный пример летательного аппарата 1. Он содержит носовую часть 2, два крыла 3 и 4 и приводится в движение одним или двумя не показанными на чертеже турбореактивными двигателями. Он выполнен с возможностью максимального уменьшения параметров ЭПР и ИКП. В частности, его хвостовая часть не содержит вертикального киля и заканчивается заострением 5 с соответствующим углом в вершине, например, равным 40°, для отражения радиолокационных волн в бесконечность. Выхлопной коллектор 10 использует эту особенность конструкции, будучи выполненным раздвоенным. Он распределяет главный поток, выходящий из канала 12, на входе на два потока в двух симметричных каналах 12А и 12В, которые заканчиваются двумя полусоплами 14 и 16 прямоугольного сечения. Каналы 12, 12А и 12В имеют форму, соответствующую задаче обеспечения разделения потока на два потока, а также переходу от цилиндрической формы с круглым или по существу круглым сечением к форме с прямоугольным сечением.
Согласно настоящей заявке форма выпускного коллектора подвергается усовершенствованию таким образом, чтобы обеспечить маскирование блока турбины при любом положении наблюдателя сзади.
На Фиг.3-6 показана геометрия выпускного коллектора 20 в соответствии с настоящим изобретением.
Этот коллектор имеет канал с входным трубчатым элементом 21А со стороны газогенераторной установки, соединенным с соплом 24. Осью сопла является ось XX газового потока на выходе турбины.
Входной трубчатый элемент 21А непосредственно сообщается с выходом турбины двигателя. Как показано на Фиг.11, его сечение предпочтительно является круглым. Однако оно может быть и другим.
В осевом направлении в сторону выхода относительно потока газов канал образует колено. Канал отходит от оси в вертикальном направлении, в данном случае вниз, и отклоняет газовый поток радиально наружу до максимального удаления относительно оси в 21М, где поток снова следует вдоль оси. После этого канал приближается к оси, отклоняя поток радиально в сторону оси до 21N, где он возвращается в осевое направление XX. Канал заканчивается соплом, расходящимся на выходе критического сечения, которое в этом примере находится в плоскости 21N. В данном случае оно имеет прямоугольное сечение, однако возможны и другие формы. Согласно представленному варианту выполнения сопло содержит две горизонтальные и параллельные между собой стенки, каждая из которых образует заострение. Этот тип выпуска газов применяется для летательного аппарата, показанного на Фиг.1, и предназначен для обеспечения незаметности по параметру ЭПР, кроме незаметности по ИКП, обеспечиваемой коленом канала.
Форма канала постепенно изменяется, начиная от входной плоскости, в сторону выхода, расширяясь в поперечном направлении и уменьшаясь при этом по высоте до нижнего уровня колена, который является сечением, наиболее удаленным в поперечном направлении от оси. Затем форма поперечного канала выпускного коллектора 20 постепенно изменяется в сторону выхода и принимает форму сопла. Значения площади определяют в зависимости от требований, связанных с динамикой текучих сред.
Предпочтительно коллектор отвечает, по меньшей мере, одному из следующих двухмерных отношений:
Lколено/Lканал находится в пределах от 0,5 до 0,7;
Нвнутр/Ннаруж≥1/2;
Ннаруж/Lканал=примерно 1/3,
Отсюда выводят отношение Нвнутр/Lканал. Оно близко к 1/6;
где
Lколено - длина, измеренная в осевом направлении в сторону выхода от входной плоскости трубчатого элемента 21А до уровня 21М, где колено достигает максимального вертикального удаления;
Lканал - длина, измеренная в осевом направлении в сторону выхода от входной плоскости трубчатого элемента 21А до критического сечения сопла на уровне 21N;
Нвнутр - высота колена, измеренная в поперечном направлении, начиная от оси XX, до внутренней стенки канала 21, на уровне 21М, где колено достигает максимального вертикального удаления;
Ннаруж - высота колена, измеренная в поперечном направлении, начиная от оси XX, до наружной стенки канала выпускного коллектора 20, на уровне 21М, где колено достигает максимального вертикального удаления.
Как показано штриховой прямой, такая геометрия обеспечивает эффективное маскирование горячих зон двигателя. Эта прямая образует одну из границ видимости горячих зон.
Далее следует описание варианта выполнения, показанного на Фиг.7-10. Согласно этому варианту выполнения используют комбинацию формирования вертикального колена в соответствии с настоящим изобретением и разделения потока на два отдельных потока в выхлопном коллекторе раздвоенного типа.
Канал выпускного коллектора 30 содержит первый цилиндрический элемент с входной плоскостью 31А для впуска газов, выходящих из газогенераторной установки. Этот первый элемент канала расположен вдоль оси газового потока и имеет поперечное сечение, в частности, круглое сечение, соединяющееся с не показанной на чертежах газогенераторной установкой. На выходе элемент канала выпускного коллектора 30 продолжен вторым элементом 32 канала. Поперечное сечение этого элемента 32 постепенно изменяется от круглой формы канала выпускного коллектора 30 до формы, которая является удлиненной в поперечном направлении и имеет меньшую высоту и с которой начинается разделение на два канала. Предпочтительно, это начало разделения принимает контур двух идентичных эллипсов, которые перекрывают друг друга, и большая ось которых является горизонтальной и находится в одной и той же плоскости. Оба эллипса постепенно отходят друг от друга, как показано позициями 32В и 32С на Фиг.11. В конце перехода получают два отдельных третьих элемента 33 и 35 канала, в данном случае эллиптического сечения. Оба элемента 33 и 35 канала выходят, каждый, в полусопло 34, 36 соответственно. Эти два полусопла находятся в одной горизонтальной плоскости, на том же уровне, что и ось входного сечения 31А. Их удаление друг от друга в горизонтальной плоскости равно, например, примерно диаметру входного сечения 31А. В этом варианте выполнения оба полусопла имеют сечение прямоугольной формы. Сечение обоих элементов 33 и 35 канала меняется от формы эллипса, показанной на Фиг.11, до формы сопел, сохраняя при этом значения площади, определяемые требованиями динамики текучих сред. Оба полусопла на выходе имеют скошенную форму с верхней стенкой и нижней стенкой, параллельными между собой, с внутренней стенкой, ближней к оси XX, которая является более длинной, чем наружная вертикальная стенка. Обе вертикальные стенки образуют диффузор.
Часть выхлопного коллектора, образованная вторым элементом 32 канала и двумя третьими элементами 33 и 35 канала, образует колено, которое в проекции сбоку предпочтительно определяется теми же параметрами, что и описанный выше первый вариант выполнения. Профиль выпускного коллектора 30, показанный на Фиг.8, является таким же, как и профиль выпускного коллектора, показанного на Фиг.3. Сечение этой части на уровне максимального поперечного удаления от оси газового потока находится либо во втором, переходном элементе 32 канала, либо в двух третьих элементах 33 и 35 канала.
E
E
I
I
Далее со ссылками на Фиг.12, 13 и 14 следует описание средства управления по рысканию летательного аппарата. В этом примере каждое из полусопел содержит прямоугольное критическое сечение, соответственно 34С и 36С, с горизонтальным удлинением и увеличенным соотношением ширина/высота. Удлинение сопел может составлять 2,5. На выходе критического сечения двумя вертикальными стенками образован диффузор. Он является более коротким с внешней стороны 34D (сторона 36D не показана). Вертикальные стенки с внутренней стороны 34D (сторона 36D не показана) являются более длинными. Это придает заднему краю сопел 34 и 36 скошенную форму. Верхние и нижние стенки выполнены либо параллельными, либо расходящимися.
Предпочтительно коллектор оптимизируют таким образом, чтобы в случае без инжекции и без изменения вектора он создавал минимальную поперечную составляющую тяги каждого полусопла. Действительно, эта составляющая приводит к снижению осевой тяги, которое необходимо свести с минимуму. Общая боковая составляющая тяги остается нулевой за счет симметрии системы.
Согласно отличительному признаку изобретения для обеспечения управления летательным аппаратом 1 без хвостового оперения предусмотрены средства управления, при помощи которых воздействуют на оба потока. Эти средства управления могут быть механическими или работать на принципе инжекции текучей среды.
I
E
1
Сходящееся-расходящееся сопло 34, показанное на Фиг.12, содержит критическое сечение 34С и на выходе - две расходящиеся стенки 34D и 34D. В данном случае сопло содержит инжектор 28 текучей среды, расположенный на стенке на уровне критического сечения, и инжектор 29 текучей среды, расположенный на стенке 34D диффузора. Предпочтительно инжектор 29 располагают вблизи конца диффузора.
1
Симметрично полусопло 36 оборудуют инжектором 28 текучей среды в критическом сечении 36С и инжектором 29 текучей среды на стенке 36D диффузора.
Предпочтительно инжекторы 28 и 29 питаются, в случае необходимости, воздухом, отбираемым от компрессора турбореактивного двигателя, создающего главный поток.
Устройство работает следующим образом. На Фиг.13 стрелками 28/34 и 28/36 показана подача воздуха под давлением инжекторами 28. Момент поворота создается за счет управления распределением расхода в каждом из полусопел 34 и 36 при помощи подачи текучей среды под давлением в двух критических сечениях. Значение расхода показано длиной стрелки, и в данном случае одна стрелка длиннее, чем другая. Согласно этому примеру в полусопло 34 подается воздух с высоким расходом 28/34, и, следовательно, происходит существенное сужение эффективного сечения шейки полусопла. В полусопло 36 воздух подается в критическое сечение, наоборот, под слабым давлением или не подается совсем. В результате создается разность осевой тяги. Тяга F1 на полусопле 36 является более высокой, чем тяга F2 на полусопле 34. В результате создается момент поворота.
Вместе с тем было замечено, что резкое перекрывание сопла может привести к мгновенному повышению давления в канале и вызвать помпаж компрессора. Согласно предпочтительному варианту работы создают непрерывную номинальную инжекцию. Ее осуществляют с равномерным расходом отбираемого воздуха, чтобы на газогенератор не действовало внезапное изменение во время полета, с одновременным регулированием равномерного общего эффективного сечения шейки сопла. Термодинамический цикл двигателя непосредственно оптимизируется за счет такого постоянного отбора. Таким образом, система регулирования отбираемого воздуха работает в непрерывном режиме без какой-либо переходной фазы запуска.
Таким образом, этот способ осуществления работы, лишь незначительно влияя на характеристики двигателя, обеспечивает создание векторной тяги, позволяющей компенсировать отсутствие хвостового оперения, в частности, на режимах малой скорости при крейсерском полете или в переходных фазах полета.
Далее со ссылками на Фиг.14 следует описание работы инжекторного устройства, находящегося в диффузоре сопел 34 и 36.
В этом варианте выполнения инжекторы 29 предпочтительно располагают на конце длинной стенки диффузора. Подавая в сопло 34 под давлением текучую среду, направление которой показано стрелкой 29/34, создают отклонение вектора тяги, производимой соплом, показанного стрелкой F′2. Тяга F′1, создаваемая полусоплом 36, остается осевой, так как ничто не влияет на ее направление. В результате создается момент поворота относительно центра тяжести самолета. Такой режим работы обеспечивает значительную векторную тягу, позволяющую управлять летательным аппаратом, правда, с некоторым ущербом для характеристик газогенераторной установки. Тем не менее, это снижение характеристик является контролируемым.
В настоящей заявке описан вариант осуществления изобретения. Однако можно предусмотреть другие варианты, не выходя при этом за рамки изобретения. Например, был показан канал, питаемый только одной газогенераторной установкой. В случае летательного аппарата с двумя двигателями этими двигателями создаются два раздельных выходных полупотока, которые регулируются синхронно. Предпочтительно в диффузоре используют только инжекторы.
Варианты расположения и работы средств управления предусматривают наличие только одного средства управления. Можно предусмотреть, чтобы оно работало одновременно с другим средством или отдельно от него.
Согласно не представленному варианту выполнения сопла могут содержать выпускное устройство для текучей среды, то есть вторичного потока, выходящего в главный канал или за ним.
Средства управления в соответствии с настоящим изобретением могут быть частично комбинированы с механическими средствами ориентации потоков.