Обтекатель-нагнетатель на входе в воздухозаборник компрессора турбовинтовентиляторного двигателя
FAIRING-SUPERCHARGER AT INLET TO AIR INTAKE OF COMPRESSOR OF TURBOPROP-FAN ENGINE

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности, к аэродинамическим обтекаемым устройствам, обтекателю-нагнетателю, расположенным на входе в кольцевой воздухозаборник компрессора турбовинтовентиляторного двигателя (ТВВД) летательного аппарата и может быть использовано при конструировании обтекателей двухконтурных турбореактивных двигателей (ТРДД).
Уровень техники.
Известны лопатки вентилятора с изменяемым углом установки, каждая из которых содержат опорный диск (концевую шайбу) размером, соизмеримым с длиной профиля основания лопасти, своего рода уплотнитель в месте сопряжения оси - вала лопасти с обтекателем, сам обтекатель с механизмом поворота лопастей внутри (Пат. RU 2523928 С2, опубл. 27.07.2014).
Известны обтекатели винта примыкающие к основанию каждой лопасти (Пат. RU 2523928 С2,.) и (Пат. ЕР 0166573, опуб. 02.01.1986 г.) Недостатком указанных устройств является нарушение плавности контура линий тока потока набегающего воздуха по поверхности корпуса обтекателя с образованием уступов и впадин в области сопряжения основания лопасти с концевой шайбой и конусной или цилиндрической поверхностью обтекателя. Это приводит к турбулизации воздуха при относительном движении потока вдоль обтекателя и потерям энергии на входе в воздухозаборник компрессора газогенератора двигателя. Кроме того, поскольку воздухозаборник компрессора газогенератора располагается в следе по направлению потока воздуха от части лопасти и основания с концевой шайбой винта при реверсе лопастей, для осуществления торможения самолета на режиме посадки, на входе в воздухозаборник компрессора газогенератора образуется обратный по направлению турбулизированный поток воздуха, что приводит к снижению эффективности работы и потери газодинамической устойчивости компрессора ТРДД.
Известен обтекатель турбовинтовентиляторного двигателя Д-27, содержащий корпус обтекателя в виде конуса переходящего в цилиндр с отверстиями, через которые проходят оси-валы подвижных широких лопастей винтов. Корпус обтекателя совершает вращательное движение вместе с лопастями относительно оси двигателя. Внутри корпуса обтекателя располагается механизм поворота подвижных лопастей винтов относительно их собственной оси, (приложение: рисунок прототипа из монографии «Газотурбинные двигатели» авт. А.А. Иноземцев, В.П. Сандрацкий. ОАО «Авиадвигатель» г. Пермь. 2006 г. Стр. 31, Рис 1.2. 1.3_26).
Недостатком является наличие значительного зазора между основанием широких лопастей и корпусом обтекателя возникающем при установке лопастей в диапазоне углов поворота 30…90°, приводящее к перетеканию воздуха через этот зазор и образованию вихревого следа от концевого эффекта потока, попадающего в канал воздухозаборника ТВВД. В месте зазора возникает турбулизация потока воздуха и потери энергии при вращательном движении основания лопастей на входе в воздухозаборник газогенераторами тем самым не обеспечивается повышение полного давления (наддув) на входе в газогенератор двигателя, что снижает эффективность работы ТВВД, Кроме того, поскольку воздухозаборник компрессора газогенератора располагается в следе по направлению потока воздуха, от основания части лопасти винта при их реверсе, во время осуществления торможения самолета на режиме посадки, на входе в воздухозаборник газогенератора образуется обратный направлению движения турбулизированный поток воздуха, что приводит к снижению эффективности работы и потере газодинамической устойчивости компрессора газогенератора ТВВД.
Известны обтекатель воздушного винта на входе в воздухозаборник турбовинтового двигателя и обтекатель втулки ротора винтовентилятора ТРДД, содержащие корпус обтекателя в виде конуса переходящего в цилиндр с отверстиями, через которые проходят оси-валы подвижных широких лопастей винтов, который содержит дополнительные части лопастей являющиеся продолжением лопасти винта и установленные в зазоре между основанием винтов и поверхностью обтекателя, жестко соединенные с ним и расположенные под углом к оси двигателя в условиях крейсерского полета.
Корпус обтекателя совершает вращательное движение вместе с лопастями относительно оси двигателя. Внутри корпуса обтекателя располагается механизм поворота подвижных лопастей винтов относительно их собственной оси (А.С. № 1667336, опуб. 1991 г) и (Пат. RU 2261356 C1, опуб. 2004 г.).
Недостатком является отсутствие специального профилирования этих частей лопастей для цели эффективного наддува и повышения полного давления на входе в воздухозаборник компрессора турбовинтового двигателя. Поскольку цель профилирования винта - это создание силы, приложенной к лопасти и направленной по направлению полета, называемой винтовой тягой, с этой целью и выбирается количество лопастей, которое может быть ограниченно. В области сопряжения основания лопастей с обтекателем, где относительно малые скорости потока из-за наличия пограничного слоя на обтекателе, вклад дополнительных частей лопастей в силу винтовой тяги незначителен, а для цели наддува они непригодны из-за отсутствия специального профилирования. Дополнительные части лопастей обеспечивают лишь уменьшение концевого эффекта у основания винтов в условиях совпадения их углов установки на крейсерском режиме полета путем уменьшения зазора между основанием лопасти и обтекателем. При различии в углах установки основания подвижных лопастей винта и дополнительных частей лопастей, а также, поскольку высота последних меньше высоты канала воздухозаборника на всех режимах полета, включая режим реверса, а указанный зазор полностью не устранен, возникает вихревой след, а на режиме реверса и частично обратный поток, попадающий в канал воздухозаборника на вход компрессора двигателя, вызывая неустойчивость его работы.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении эффективности работы двигателя на всех режимах, включая реверс, и обеспечении газодинамической устойчивости компрессора газогенератора ТВВД.
Существенные признаки.
Для достижения названного технического результата в обтекателе - нагнетателе на входе в воздухозаборник компрессора ТВВД, содержащем корпус в виде конуса, переходящего в цилиндр с отверстиями и выступами над ними, неподвижными относительно корпуса обтекателя, через которые проходят оси - валы подвижных относительно собственной оси широких лопастей винтов, и вращающимся вместе с ними на входе в воздухозаборник компрессора ТВВД относительно оси двигателя, на внешней поверхности цилиндра обтекатель содержит выступы под каждой лопастью обтекателя, установленные под углом к оси обтекателя для работы на режиме прямой тяги, дополнительно выступы на обтекателе выполнены в виде профилированных лопаток с возможностью эффективного наддува - повышения полного давления воздуха на входе в воздухозаборник компрессора ТВВД. Длина лопаток выполнена высотой не менее высоты кольцевого канала воздухозаборника компрессора. В случае равенства количества лопаток обтекателя количеству лопастей винта, лопатки обтекателя по всей длине выполнены с отверстиями для прохода осей-валов, а если лопатки для обтекателя выполнены с ограниченным числом лопастей, то лопатки с отверстиями и без отверстий установлены чередующимися, при этом лопатки без отверстий расположены между лопатками с отверстиями по одной, две или N лопаток без отверстий, где N - целое произвольное число. Если количество лопастей винтов ограничено и суммарное количество лопаток без отверстий на обтекателе превышает число лопастей винта, то обеспечивается возможность получения максимального значения степени повышения полного давления на входе в воздухозаборник компрессора ТВВД в условиях крейсерского полета летательного аппарата и безотрывное обтекание профиля лопаток потоком воздуха для устойчивой работы компрессора на всех режимах, в том числе в условиях посадки при реверсировании винтов. Кроме того, для обеспечения согласования расходов воздуха через обтекатель-нагнетатель и компрессор газогенератора ТВВД на всех режимах его работы, выполнена щель между плоскостью входа канала воздухозаборника компрессора двигателя и плоскостью вращения задней кромки профилированных неподвижных лопаток обтекателя-нагнетателя, выполненная с возможностью обеспечивать на входе в воздухозаборник компрессора турбовинтовентиляторного двигателя (ТВВД) перетекание воздуха наружу или во внутрь канала воздухозаборника. Более того, профилирование каждого сечения пера неподвижной лопатки, угол установки и степень закрутки пера выполняют в зависимости от эпюры осевых скоростей набегающего потока вдоль их высоты, отсчитываемой от поверхности корпуса обтекателя так, чтобы обеспечить эффективный угол натекания потока в каждом сечении лопатки обтекателя при относительном их движении по окружности вращения в условиях крейсерского полета. Между каждым подвижным основанием лопасти винта и неподвижной лопаткой устанавливают концевую шайбу для снижения перетекания воздуха и концевых эффектов. Оси-валы заканчиваются концевой шайбой винта, выполненной с закрепленной на ней лопастью винта, а внутри корпуса обтекателя, оси-валы заканчиваются узлом крепления и механизмом поворота лопастей винта. Профилирование каждого сечения пера неподвижных лопастей обтекателя выполняется специально с целью получения максимального значения степени повышения полного давления на входе в воздухозаборник компрессора двигателя в условиях крейсерского полета и безотрывного обтекания профиля потоком воздуха в других условиях, например взлета и посадки.
Такое выполнение заявленного обтекателя на входе в воздухозаборник компрессора позволит обеспечить эффективность работы газогенератора ТВВД за счет дополнительного, независимо от компрессора, наддува воздуха в условиях крейсерского полета и устойчивую работу компрессора на всех режимах его работы, в том числе в условиях посадки при реверсировании винтов, обеспечивая газодинамическую устойчивость компрессора газогенератора ТВВД.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 - фрагмент обтекателя-нагнетателя на входе в воздухозаборник компрессора ТВВД в условиях крейсерского полета, где стрелками показано направление потока;
на фиг. 2 - пример треугольника скоростей и схема течения воздуха на обтекателе при вращении его с угловой скоростью W с реверсированием винтов ТВВД в условиях посадки на скорости V;
на фиг. 3 - вид обтекателя-нагнетателя на входе в воздухозаборник компрессора ТВВД по направлению набегающего потока при равном количестве числа лопаток обтекателя и лопастей винта;
на фиг. 4 - пример вида обтекателя-нагнетателя на входе в воздухозаборник компрессора ТВВД по направлению набегающего потока при количестве лопаток обтекателя и лопастей винта «два к одному» и чередовании при их расположении в соотношении 1:1.
Обтекатель-нагнетатель на входе в воздухозаборник компрессора ТВВД (фиг. 1…3) содержит: корпус, составленный из кольцевой конической части 1 и неподвижных профилированных лопаток 2, выполненных с отверстиями, внутри которых проходят оси - валы 3, каждый из которых, с одной стороны, заканчивается концевой шайбой 4 с закрепленной на ней лопастью винта 5, с другой, уже внутри корпуса, узлом крепления и механизмом поворота оси-вала лопастей винта 6,
Пример вида обтекателя-нагнетателя (вариант), (фиг. 4), на котором неподвижные профилированные лопатки 2 выполнены с отверстиями, внутри которых проходят оси - валы 3, каждый из которых с одной стороны заканчивающийся концевой шайбой 4, с закрепленной на ней лопастью винта 5 и чередуются с неподвижными профилированными лопатками 9, выполненными без отверстий.
Непосредственно за обтекателем располагается кольцевой канал воздухозаборника 7 компрессора газогенератора 8 с образованием щели между плоскостью входа 10 канала воздухозаборника и плоскостью вращения задней кромки 11 профилированных неподвижных лопаток обтекателя-нагнетателя, через которую осуществляется перетекание воздуха наружу или во внутрь канала воздухозаборника.
Обтекатель-нагнетатель работает следующим образом.
При работе ТВВД в условиях полета (фиг. 1) набегающий поток воздуха движется вдоль поверхности корпуса обтекателя. В результате из-за трения часть его энергии напора теряется, образуется пограничный слой с минимальной энергией напора потока вблизи кольцевой конической части корпуса обтекателя 1. Далее по направлению потока между основанием лопастей винта и обтекателем, из-за обеспечения возможности поворота лопастей винта, всегда образуется зазор, в котором этот поток не получает дополнительную энергию напора. Таким образом, в районе сопряжения винта с обтекателем из-за концевых эффектов винт не производит полезной работы, а только турбулизирует набегающий поток воздуха. Попав в воздухозаборник компрессора газогенератора, такой низкоэнергетичный поток воздуха, участвуя в термодинамическом цикле работы ТВВД, уменьшил бы степень повышения давления цикла, и как следствие произошло бы снижение тяги и мощности двигателя. Этого не происходит в предлагаемом устройстве, поскольку часть корпуса обтекателя содержит неподвижные относительно оси лопасти винта, специально профилированные для цели нагнетания лопатки 2 и 9 высотой, равной высоте кольцевого канала воздухозаборника 7 компрессора газогенератора 8, которые вращаются вместе с винтом 5 и увеличивают полное давление потока воздуха по тракту двигателя. Поскольку при работе обтекатель-нагнетатель участвует в термодинамическом цикле ТВВД, увеличивается степень повышения давления цикла, как следствие происходит увеличение тяги и мощности двигателя. Эффективность работы обтекателя-нагнетателя достигается путем независимого от подвижных лопастей винта относительно собственной оси 3 специального профилирования неподвижных относительно той же оси 3 лопаток обтекателя-нагнетателя 2 и 9 для цели повышения полного давления. Наличие концевой шайбы 4 между основанием лопасти винта и лопатками обтекателя-нагнетателя обеспечивает снижение влияния концевых эффектов на характеристики потока попадающего на вход воздухозаборника компрессора.
Специальное профилирование неподвижных лопаток обтекателя-нагнетателя известно и заключается в связи толщины профиля лопаток, радиуса закругления передней и задней кромки профиля, длины хорды профиля, крутки профиля по высоте, количества лопаток с обеспечением получения максимального значения степени повышения полного давления на входе в воздухозаборник компрессора двигателя в условиях крейсерского полета и безотрывного обтекания профиля потоком воздуха в других условиях.
При работе ТВВД в условиях посадки при движении самолета со скоростью V и вращении винтов с угловой скоростью W, а также углом установки винтов соответствующих режиму торможения летательного аппарата с их реверсом реализуется типичная картина течения потока в области основания винтов согласно треугольнику скоростей, как показано на фиг. 3. При этом поток воздуха за винтом 4 турбулизуется и движется в обратном направлении. Такой поток воздуха, попав в воздухозаборник компрессора газогенератора 8 привел бы к потере газодинамической устойчивости двигателя и как следствие снижению безопасности в условиях посадки. Этого не произойдет, поскольку обтекатель-нагнетатель содержит неподвижные относительно оси лопасти винта, лопатки 2 высотой равной высоте кольцевого канала воздухозаборника 7 газогенератора 8 которые не участвуют в реверсировании и не изменяют направление потока поступающего на вход воздухозаборника компрессора газогенератора 8. Тем самым обеспечивается устойчивая работа ТВВД в условиях посадки.
Вариант исполнения специального профилирования неподвижных лопаток обтекателя-нагнетателя представлен на фиг. 4. От количества лопаток также зависит степень повышения полного давления на выходе обтекателя-нагнетателя и может отличаться от количества лопастей винта в большую сторону. Так чем больше количество лопаток, тем больше степень повышения полного давления. В предлагаемом обтекателе-нагнетателе предусмотрено чередование лопаток с отверстиями 2 и без них 9 числом 1, 2,.… N шт, с дополнительной целью сохранения балансировки корпуса обтекателя-нагнетателя при его вращательном движении.
Поскольку скорости вращения винта и вместе с ним обтекателя-нагнетателя и компрессора независимы друг от друга, так как приводятся во вращение разными турбинами, согласование расходов воздуха через них осуществляется посредством перепуска воздуха через щель между воздухозаборником компрессора двигателя 10 и задней кромкой профилированных неподвижных лопаток обтекателя-нагнетателя 11.