КАПОТ ДЛЯ СОПЛА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, СОДЕРЖАЩИЙ ТРЕУГОЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ С ТОЧКОЙ ИЗГИБА ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ШУМА РЕАКТИВНОЙ СТРУИ, СОПЛО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
COWL FOR NOZZLE OF GAS TURBINE ENGINE, WHICH CONTAINS TRIANGULAR ELEMENTS WITH POINT OF CURVATURE 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 разделяемыми газовыми потоками, 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 холодным 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 множеством повторяющихся фигурных элементов, равномерно выполненных 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 капота 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, 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 с вершиной, отстоящей вниз по потоку от капота и соединенной с этой задней кромкой двумя сторонами, и в котором в соответствии с настоящим изобретением для каждого фигурного элемента вершина имеет по существу криволинейный контур, при этом каждая сторона сопрягается с задней кромкой капота по линии по существу криволинейного контура с радиусом кривизны, превышающим или равным радиусу кривизны контура вершины, при этом контур каждой из сторон имеет, по меньшей мере, одну точку изгиба с касательной, по существу параллельной основанию.
Такая геометрия фигурного элемента по существу треугольной формы позволяет достичь искомого результата в силу указанных ниже причин. Простой треугольный фигурный элемент, описанный в известных документах, создает два завихрения с противоположными направлениями вращения, образующимися по обе стороны от радиальной плоскости симметрии фигурного элемента. Что же касается геометрических характеристик фигурного элемента в соответствии с настоящим изобретением, то они позволяют «свести» завихрения к вершине фигурного элемента, которая является зоной, где сдвиг между потоками проявляется в наибольшей мере. В результате происходит лучшее смешивание между потоками и, следовательно, снижение шума реактивной струи на низких и высоких частотах.
Целесообразно, чтобы вершина, по меньшей мере, одного из фигурных элементов имела наклон внутрь капота.
Целесообразно, чтобы каждый фигурный элемент полностью находился в одной и той же плоскости, т.е. основание, вершина и точки изгиба фигурного элемента находятся в одной плоскости.
Целесообразно также, чтобы точки изгиба каждого фигурного элемента были выполнены в зоне, находящейся между 40% и 60% высоты упомянутого фигурного элемента.
Предпочтительно, чтобы один из фигурных элементов мог иметь симметрию относительно плоскости, проходящей через ось окружности капота и вершину упомянутого фигурного элемента.
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, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют 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 - вид, идентичный Фиг.2, иллюстрирующий завихрения, создаваемые особой формой фигурного элемента.
Фиг.4 - вид сбоку фигурного элемента, показанного на Фиг.2.
Фиг.5 - график, на котором 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 1,4, будучи с ним концентричным, и тоже расположен вдоль продольной оси Х-Х сопла. Первичный капот 14 направлен продольно в сторону выхода и выступает 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 (на фигурах 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 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 26а, образованным частью задней кромки 14а капота 14, и с вершиной 26b, отстоящей вниз по потоку от основания 26а и соединенной с основанием двумя сторонами 26с.
В соответствии с настоящим изобретением каждый фигурный элемент 26 снижения шума имеет определенное число геометрических характеристик, а именно: вершина 26b имеет по существу криволинейный контур с радиусом кривизны r; каждая сторона 26с сопрягается с задней кромкой 14а капота 14 по линии по существу криволинейного контура с радиусом кривизны R, превышающим или равным радиусу кривизны r контура вершины 26b; и контур каждой из сторон 26с содержит, по меньшей мере, одну точку изгиба 28 с касательной 30, по существу параллельной основанию 26а.
Под точкой изгиба следует понимать точку, которая равномерно повторяется на контуре сторон 26с и в которой этот контур пересекается с касательной 30.
В примере выполнения, показанном на Фиг.2, позицией 32 обозначено криволинейное сопряжение между каждой стороной 26с фигурного элемента 26 и задней кромкой 14а капота 14. Следует отметить, что профили этих сопряжении 32 непрерывно продолжают профили сопряжении между смежными фигурными элементами и задней кромкой капота.
Таким образом, если сопряжение 32 имеет радиус кривизны R, вершина 26b фигурного элемента 26 имеет меньший или равный ему радиус кривизны r (R≥r). Например, радиус кривизны R может быть в 2-5 раз больше радиуса r.
На примере, показанном на Фиг.2, видно, что каждая сторона 26с фигурного элемента 26 содержит точку изгиба 28, касательная 30 которой по существу параллельна основанию 26а фигурного элемента. Следствием наличия такой точки изгиба 28 является разрыв наклона контура каждой стороны 26с фигурного элемента: таким образом, каждая сторона выполнена в виде двух участков кривой по существу параболического профиля, которые соединены между собой точкой изгиба 28.
Можно также предусмотреть, чтобы каждая сторона фигурного элемента снижения шума содержала несколько точек изгиба (например, две), каждая из которых будет иметь касательную, по существу параллельную основанию упомянутого фигурного элемента.
На Фиг.3 показаны завихрения, создаваемые за счет особой геометрической формы таких фигурных элементов 26 снижения шума. На этой фигуре видно, что на уровне зон сопряжения между фигурным элементом 26 и задней кромкой 14а капота создаются два главных завихрения 34 противоположного вращения, а между точками изгиба 28 и вершиной 26b фигурных элементов возникают два второстепенных завихрения 36 противоположного вращения.
Эти второстепенные завихрения 36, менее интенсивные, чем главные завихрения 34, показывают, что такая геометрическая форма фигурного элемента снижения шума позволяет «свести» вихревой поток к вершине 26b этого фигурного элемента, улучшая, таким образом, смешивание между внутренним и наружным по отношению к капоту потоками.
Согласно предпочтительному отличительному признаку настоящего изобретения, вершина 26b, по меньшей мере, одного из фигурных элементов 26 имеет наклон радиально внутрь капота 14.
Этот отличительный признак ясно виден на Фиг.4, где показан сбоку фигурный элемент 26 снижения шума, выполненный в продолжении задней кромки 14а первичного капота 14 сопла. На этой фигуре видно, что вершина 26b фигурного элемента 26 смещена радиально внутрь капота 14 относительно его задней кромки 14а. Иначе говоря, фигурный элемент 26 заходит радиально внутрь кольцевого канала 24 прохождения горячего потока.
Кроме того, необходимо отметить, что радиальный наклон фигурного элемента 25 предпочтительно ограничен таким образом, чтобы фигурный элемент находился внутри пограничного слоя 38, создаваемого при прохождении газового потока вокруг профиля капота 14.
Согласно другому предпочтительному отличительному признаку настоящего изобретения, также показанному на Фиг.4, фигурный элемент 26 снижения шума полностью находится в одной и той же плоскости Р.
Таким образом, основание, вершина 26b и точки изгиба 28 фигурного элемента 26 предпочтительно находятся в одной и той же плоскости Р. В частности, предпочтительно нет никакого наклона в радиальном направлении точек изгиба 28 относительно вершины 26b или основания фигурного элемента 26.
Согласно еще одному предпочтительному отличительному признаку настоящего изобретения точки изгиба 28 каждого фигурного элемента 26 снижения шума реактивной струи находятся в зоне, заключенной между 40% и 60% высоты L упомянутого фигурного элемента (высота L, показанная на Фиг.1, соответствует наиболее короткому расстоянию, отделяющему основание 26а от вершины 26b фигурного элемента 26).
Кроме того, как показано на Фиг.2 и 3, каждый фигурный элемент 26 снижения шума реактивной струи может быть симметричным относительно плоскости S, проходящей через продольную ось сопла и вершину 26b упомянутого фигурного элемента. В результате такой симметрии точки изгиба 28 каждой из сторон 26с фигурного элемента 26 находятся на одинаковой высоте, и стороны имеют одинаковый параболический профиль.
Вместе с тем, следует отметить, что для каждой стороны 26с фигурного элемента 26 не существует симметрии относительно плоскости, проходящей через касательную 30 точки изгиба 28 и перпендикулярной к продольной оси Х-Х сопла.
Было произведено цифровое моделирование уровня шума, создаваемого соплом с разделяемыми потоками, первичный 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 классическими треугольными элементами.