КАПОТ ДЛЯ СОПЛА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, СОДЕРЖАЩИЙ ТРЕУГОЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ С ДВОЙНЫМИ ВЕРШИНАМИ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ШУМА РЕАКТИВНОЙ СТРУИ, СОПЛО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
COWL FOR NOZZLE OF GAS TURBINE ENGINE, WHICH CONTAINS TRIANGULAR ELEMENTS WITH DOUBLE TOPS FOR JET FLOW NOISE REDUCTION, NOZZLE OF GAS TURBINE ENGINE, AND GAS TURBINE ENGINE

Предшествующий уровень техники
Настоящее изобретение относится к общей области снижения шума реактивной струи на выходе сопла газотурбинного двигателя. В частности, его объектом является капот для сопла газотурбинного двигателя с разделяемым газовым потоком, содержащий фигурные элементы, предназначенные для снижения шума реактивной струи.
В настоящее время уровень шума стал предметом особого внимания производителей двигателей, которые все больше сталкиваются с проблемой снижения вредного звукового воздействия от газотурбинных двигателей. Существует множество источников шума в газотурбинном двигателе, но, как было установлено, шум реактивной струи на выходе сопла является доминирующим во время фазы взлета самолета. Административные органы, производящие сертификацию самолетов, выдвигают все более высокие требования в связи с акустическим воздействием газотурбинных двигателей, и производители двигателей вынуждены вести усиленные поиски с целью снижения шума газотурбинных двигателей, в частности шума реактивной струи на выходе сопла.
Обычно сопло с разделяемым газовым потоком в газотурбинном двигателе содержит первичный капот с центром на продольной оси газотурбинного двигателя, вторичный капот, установленный концентрично вокруг первичного капота таким образом, чтобы ограничивать первый кольцевой канал для прохождения наружного потока (или холодного потока), и центральное тело, установленное концентрично внутри первичного капота, ограничивая второй кольцевой канал для прохождения внутреннего потока (или горячего потока), при этом первичный капот выступает за пределы вторичного капота.
В таком сопле шум реактивной струи возникает из-за смешивания холодного и горячего потоков и смешивания холодного потока и наружного воздуха, находящегося вокруг сопла. Этот шум имеет широкий частотный диапазон и генерируется двумя типами акустических источников: высокочастотный шум, производимый малыми турбулентными структурами смешивания между горячим и холодными потоками и ощущаемый в основном вблизи сопла; и низкочастотный шум, производимый большими вихревыми структурами, распространяющийся далеко от самой реактивной струи.
Для снижения шума реактивной струи одним из используемых способов является повышение эффективности смешивания этих потоков. Для этого, как хорошо известно, один из капотов сопла оборудуют повторяющимися фигурными элементами, равномерно выполненными по всей окружности задней кромки капота. За счет выполнения таких фигурных элементов на задней кромке капота сопла смешивание между потоками происходит за счет создания завихрений (или вихрей) вблизи сопла, что приводит к рассеиванию кинетической энергии и, следовательно, к снижению турбулентной интенсивности больших вихрей, являющихся главными источниками шума.
Например, в патенте US 6,532,729 предложено оборудовать заднюю кромку первичного и вторичного капотов сопла множеством повторяющихся фигурных элементов треугольной формы (называемых шевронами), которые позволяют улучшить смешивание между горячим и холодным потоками. Точно так же в публикации US 2002/0164249-А1 предложено оборудовать заднюю кромку первичного и вторичного капотов сопла множеством повторяющихся фигурных элементов трапециевидной формы (называемых зубцами).
Вышеупомянутые фигурные элементы, хотя и способствуют смешиванию потоков, все же не являются достаточно эффективными. Действительно, даже если такие фигурные элементы позволяют снизить низкочастотную составляющую шума реактивной струи, это, как правило, достигается в ущерб снижению высокочастотной составляющей, которая остается на слишком высоком уровне.
Сущность изобретения
Таким образом, главной задачей настоящего изобретения является устранение этих недостатков путем разработки геометрической формы фигурных элементов снижения шума реактивной струи для капота сопла газотурбинного двигателя, позволяющей снизить одновременно низкочастотную и высокочастотную составляющие шума реактивной струи.
В связи с этим объектом настоящего изобретения является кольцевой капот для сопла газотурбинного двигателя, содержащий множество фигурных элементов, выполненных в продолжении задней кромки капота и отстоящих друг от друга в окружном направлении, при этом каждый фигурный элемент имеет контур по существу треугольной формы с основанием, образованным частью задней кромки капота, и двумя вершинами, отстоящими в сторону выхода капота и соединенными, каждая, с капотом стороной, в котором в соответствии с настоящим изобретением для каждого фигурного элемента вершины имеют, каждая, по существу криволинейный контур и соединены между собой по существу криволинейным участком с радиусом кривизны, превышающим радиусы кривизны контура вершин, при этом каждая сторона сопрягается с задней кромкой капота по линии по существу криволинейного контура с радиусом кривизны, превышающим радиусы кривизны контура вершин и превышающим радиус кривизны контура криволинейного участка, соединяющего упомянутые вершины, при этом вершины и соединяющий их криволинейный участок имеют наклон радиально внутрь капота по отношению к его задней кромке с криволинейным участком, соединяющим упомянутые вершины, который смещен радиально наружу по отношению к вершинам.
Эта особая геометрическая форма фигурных элементов для снижения шума основана на принципе смесителей, используемых в соплах газотурбинных двигателей со смешиваемыми потоками. Действительно, наличие криволинейного участка, соединяющего между собой обе вершины фигурного элемента и имеющего радиальный наклон, меньший радиальных наклонов вершин, позволяет получить локализованное пересечение между горячим и холодным потоками и, следовательно, способствует ускорению их смешивания. В результате такого лучшего смешивания между потоками достигают снижения шума реактивной струи по низким и высоким частотам.
Предпочтительно, чтобы вершины каждого фигурного элемента находились по существу на одинаковой высоте относительно основания.
Предпочтительно также, чтобы, по меньшей мере, один из фигурных элементов имел симметрию относительно центральной плоскости элемента, проходящей через ось окружности капота.
Объектом настоящего изобретения является также сопло газотурбинного двигателя, в котором первичный капот и/или вторичный капот являются описанным выше капотом.
Объектом настоящего изобретения является также газотурбинный двигатель, содержащий, по меньшей мере, один описанный выше капот.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, которое приводится со ссылками на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие не ограничительный пример выполнения, в числе которых:
фиг. 1 изображает схематичный вид в изометрии сопла газотурбинного двигателя, оборудованного капотом согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
фиг. 2 - увеличенный вид фигурного элемента снижения шума реактивной струи, выполненного в капоте, показанном на фиг. 1.
фиг. 3 и 4 - вид спереди и в профиль фигурного элемента, показанного на фиг. 2.
фиг. 5 - график, на которым показаны сравнительные кривые шума, генерируемого соплами с разделяемыми потоками.
Подробное описание варианта осуществления изобретения
На фиг. 1 схематично и в изометрии показано сопло 10 с разделяемыми потоками газотурбинного двигателя.
Сопло 10, являющееся осесимметричным относительно своей продольной оси Х-Х, обычно содержит первичный капот 14, вторичный капот 16 и центральное тело 18 с центром на продольной оси Х-Х сопла.
Первичный капот 14, имеющий по существу цилиндрическую форму или форму усеченного конуса, расположен вдоль продольной оси Х-Х сопла. Центральное тело 18 расположено концентрично внутри первичного капота 14 и заканчивается по существу конической частью.
Вторичный капот 16, тоже имеющий по существу цилиндрическую форму или форму усеченного конуса, охватывает первичный капот 14, будучи с ним концентричным, и тоже расположен вдоль продольной оси Х-Х сопла. Первичный капот 14 направлен продольно в сторону выхода за пределы вторичного капота 16.
Необходимо отметить, что в примере, показанном на фиг. 1, центральное тело 18 сопла 10 является телом наружного типа, то есть центральное тело расположено в продольном направлении и выступает за пределы задней кромки 14а первичного капота 14.
Вместе с тем, настоящее изобретение можно также применять для сопла с разделяемыми потоками внутреннего типа, в котором задняя кромка первичного капота расположена в продольном направлении и выступает за пределы центрального тела таким образом, что полностью его закрывает. Точно так же, изобретение можно применять для так называемого сопла со смешиваемыми потоками, в котором задняя кромка вторичного капота расположена в продольном направлении и выступает за пределы задней кромки первичного капота.
Определенное таким образом сопло с разделяемыми потоками крепят под крылом самолета (не показано) при помощи опорной стойки 20, опирающейся на вторичный капот 16 сопла и продолженной внутрь вторичного капота до первичного капота 14.
Концентричное соединение компонентов сопла 10 позволяет ограничить, с одной стороны, между первичным 14 и вторичным 16 капотами первый кольцевой канал 22 для прохождения воздуха, поступающего из газотурбинного двигателя и называемого вторичным потоком или холодным потоком, и, с другой стороны, между первичным капотом 14 и центральным телом 18 - второй кольцевой канал 24 для прохождения внутреннего газового потока, поступающего из газотурбинного двигателя и называемого также первичным потоком или горячим потоком.
Первичный и вторичный потоки, проходящие через эти два кольцевых канала 22, 24, смешиваются друг с другом на уровне задней кромки 14а первичного капота 14. Точно так же, вторичный поток смешивается с наружным воздушным потоком, обдувающим сопло на уровне задней кромки 16а вторичного капота 16.
По меньшей мере, один из капотов 14, 16 сопла 10 содержит множество повторяющихся фигурных элементов 26, предназначенных для снижения шума реактивной струи на выходе сопла.
В примере выполнения, показанном на фиг. 1, фигурные элементы 26 снижения шума реактивной струи выполнены на первичном капоте 14. Однако они могут быть выполнены только на вторичном капоте 16 или одновременно на первичном капоте и вторичном капоте сопла.
Фигурные элементы 26 снижения шума реактивной струи выполнены в продолжении задней кромки 14а первичного капота 14 через равномерные промежутки относительно друг друга в окружном направлении.
Как более детально показано на фиг. 2, каждый фигурный элемент 26 имеет контур в основном по существу треугольной формы с основанием 28, образованным частью задней кромки 14а капота 14, и с двумя вершинами (или приливами) 30, 31, отстоящими в направлении выхода относительно основания 28 и соединенными, каждая, с основанием стороны 32 параболического профиля.
Таким образом, фигурный элемент 26 имеет общую форму треугольника, в котором можно выполнить по существу треугольный вырез на уровне заднего конца.
Кроме того, каждый фигурный элемент 26 снижения шума реактивной струи в соответствии с настоящим изобретением имеет целый ряд геометрических характеристик. В частности, вершины 30, 31 фигурного элемента 26 имеют, каждая, по существу криволинейный контур с соответствующими радиусами кривизны r1, r2. Они соединены между собой по существу криволинейным участком 34 с радиусом кривизны R1, превышающим радиусы кривизны r1, r2 контура вершин 30, 31.
Следует отметить, что кривизна участка 34, соединяющего вершины 30, 31 фигурного элемента, является обратной относительно кривизны упомянутых вершин. Так, криволинейный участок 34 содержит нижнюю точку 36, соответствующую точке криволинейного участка, наиболее близкой к основанию 28 фигурного элемента (нижняя точка 36 находится на расстоянии L1 от основания 28, меньшем расстояния L2, на котором находятся вершины). Например, соотношение L1/L2 может находиться в пределах от 9/10 до 1/2.
Таким образом, вершины 30, 31 являются точками геометрического профиля фигурного рисунка 26, которые находятся наиболее ближе к выходу относительно его основания 28, и соединяющая их нижняя точка 36 находится в продольном направлении между упомянутым основанием и упомянутыми вершинами.
В соответствии с изобретением каждая сторона 32 фигурного элемента 26 соединяется с задней кромкой 14а капота 14 через линию по существу криволинейного контура с радиусом кривизны R2, превышающим радиусы кривизны r1, r2 контура вершин 30, 31 и превышающим радиус кривизны R1 контура криволинейного участка 34, соединяющего упомянутые вершины (R2>R1>r1, r2).
В примере выполнения, показанном на фиг. 2, позицией 38 обозначено криволинейное сопряжение между каждой стороной 32 фигурного элемента 26 и задней кромкой 14а капота 14. Необходимо отметить, что профили этих сопряжений 38 переходят в профили сопряжений между смежными фигурными элементами и задней кромкой капота.
Кроме того, как показано на фиг. 3, вершины 30, 31 фигурного элемента 26 в соответствии с настоящим изобретением и соединяющий их криволинейный участок 34 имеют наклон радиально внутрь капота 14 относительно его задней кромки 14а с криволинейным участком 34, смещенным радиально наружу относительно вершин.
Иначе говоря, фигурный элемент 26 проникает в радиальном направлении в кольцевой канал 24 прохождения горячего потока с более значительным проникновением на уровне своих двух вершин 30, 31, чем на уровне нижней точки 36 соединяющего их криволинейного участка 34.
Таким образом, вершины 30, 31 фигурного элемента находятся по существу на одной линии окружности 40, которая является концентричной с линией, называемой «апексом», символизирующей заднюю кромку 14а капота и которая имеет диаметр, меньший диаметра апекса. Что же касается нижней точки 36 криволинейного участка 34, соединяющего вершины, то она находится на окружной линии 42, которая тоже является концентричной с апексом и которая имеет диаметр, меньший диаметра апекса, но больший диаметра линии 40, проходящей через вершины.
Кроме того, необходимо отметить, что общий радиальный наклон фигурного элемента 26 предпочтительно ограничивают таким образом, чтобы фигурный элемент находился внутри пограничного слоя, создаваемого прохождением газовых потоков вокруг профиля капота 14.
Как схематично показано на фиг. 4, такой профиль фигурного элемента снижения шума заставляет сходиться к центру фигурного элемента наружные по отношению к фигурному элементу газовые потоки F1, генерируемые на уровне его вершин 30, 31, ограничивая газовый поток F2, внутренний по отношению к фигурному элементу и выходящий на уровне криволинейного участка, соединяющего упомянутые вершины. Кроме того, учитывая наличие радиального смещения между вершинами 30, 31 фигурного элемента и криволинейного участка 34, соединяющего эти вершины, наружные потоки F1 пересекаются с внутренним потоком F2 на выходе фигурного участка, за счет чего, улучшается смешивание между внутренним и наружным потоками.
Согласно предпочтительному отличительному признаку настоящего изобретения, проиллюстрированному на фиг. 2, вершины 30, 31 каждого фигурного элемента 26 находятся по существу на одинаковой высоте L2 относительно основания 28.
Согласно другому предпочтительному отличительному признаку настоящего изобретения, также проиллюстрированному на фиг. 2, форма фигурных элементов 26 имеет симметрию относительно центральной плоскости S упомянутого фигурного элемента, проходящей через продольную ось капота. За счет такой симметрии нижняя точка 36 криволинейного участка 34, соединяющего вершины 30, 31 фигурного элемента, находится в плоскости S симметрии, радиусы кривизны r1, r2 вершин 30, 31 равны, и стороны 32 фигурного элемента имеют одинаковый параболический профиль.
Было произведено цифровое моделирование уровня шума создаваемого соплом с разделяемыми потоками, капот которого оборудован фигурными элементами снижения шума в соответствии с настоящим изобретением. Результаты этого моделирования показаны на сравнительном графике на фиг. 5.
На этом графике в виде кривых показаны значения изменения шума в децибелах в зависимости от частоты для сопла, первичный капот которого оборудован фигурными элементами снижения шума, имеющими просто треугольную форму (кривая 100), и для сопла, первичный капот которого оборудован фигурными элементами снижения шума в соответствии с настоящим изобретением (кривая 110). Значения изменения шума вычисляются относительно кривой 120, соответствующей шуму, создаваемому соплом с разделяемыми потоками, первичный капот которого не содержит фигурных элементов снижения шума.
Из этого графика следует, что использование фигурных элементов снижения шума в соответствии с настоящим изобретением позволяет снизить низкочастотный шум (примерно менее 1000 Гц) не только относительно сопла, не содержащего фигурных элементов (кривая 120), но также по сравнению с соплом, первичный капот которого оборудован просто треугольными элементами (кривая 100). Другим преимуществом особой геометрической формы фигурных элементов является ограничение повышения высокочастотной составляющей (примерно более 1000 Гц) по сравнению с просто треугольными элементами. В частности, отмечается, что особая форма фигурных элементов в соответствии с настоящим изобретением позволяет генерировать высокочастотный шум, близкий по уровню к шуму, создаваемому соплом, первичный капот которого не содержит фигурных элементов снижения шума.