Кольцевой кожух для сопла турбомашины и сопло турбомашины и турбомашина, содержащие такой кольцевой кожух
Кольцевой кожух сопла турбомашины включает множество рельефных элементов, выступающих от заднего края кожуха и расположенных на расстоянии друг от друга вдоль окружности. Каждый рельефный элемент имеет контур по существу треугольной формы с основанием, образованным частью заднего края кожуха, и вершиной, представляющей собой точку контура, находящуюся на наибольшем расстоянии от основания и соединенную с ним двумя боковыми краями. Каждый рельефный элемент имеет ребро на каждом боковом крае. Каждое ребро наклонено в радиальном направлении относительно рельефного элемента в плоскости, наклоненной относительно радиального направления на угол, меньший или равный 45°. Другое изобретение группы относятся к соплу турбомашины, имеющему основной и вспомогательный кожухи, расположенные концентрично друг другу, причем, по меньшей мере, один из указанных кожухов выполнен как указано выше. Еще одно изобретение группы относится к турбомашине, содержащей указанное выше сопло. Группа изобретений позволяет снизить шум газовой струи и уменьшить влияние рельефных элементов на аэродинамические характеристики сопла. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.
Настоящее изобретение относится к общей области уменьшения шума струи на выходе из сопла турбомашины. В частности, оно относится к кожуху для сопла турбомашины типа сопла с разделенными струями/потоками, который выполнен с рельефными элементами для уменьшения шума струи.
В настоящее время шум стал главной заботой производителей двигателей, которые все в большей степени сталкиваются с проблемой, заключающейся в том, что производимые ими турбомашины являются шумовыми раздражителями. Источники шума в турбомашине многочисленны, но было отмечено, что шум струи на выходе из сопла - это тот шум, который преобладает во время взлета самолета. Поскольку сертифицирующие ведомства становятся все более требовательными в отношении излучения звука турбомашинами, у производителей двигателей существует потребность уменьшения шума от производимых ими турбомашин и, в частности, уменьшения шума струи на выходе из сопел.
Как правило, сопло с разделенными струями/потоками имеет основной кожух, сцентрированный относительно продольной оси турбомашины, вспомогательный кожух, расположенный концентрически вокруг основного кожуха для образования первого кольцевого канала, в котором проходит наружная струя/наружный поток (или холодная струя/холодный поток), и центральное тело, расположенное концентрически внутри основного кожуха для образования второго кольцевого канала, в котором проходит внутренняя струя/внутренний поток (или горячая струя/горячий поток), при этом основной кожух проходит за вспомогательный кожух.
В подобном сопле шум струи обусловлен смешиванием, которое происходит как между горячей и холодной струями, так и между холодной струей и наружным воздухом, окружающим сопло. Данный шум представляет собой шум, имеющий широкий диапазон частот, и он создается источниками звука двух типов: высокочастотным шумом, источником которого являются малые турбулентные зоны, обусловленные смешиванием струй, при этом указанный шум ощущается по существу вблизи сопла, и низкочастотным шумом, источником которого являются большие вихревые зоны, которые появляются на большом расстоянии от реактивного двигателя.
Для уменьшения шума струи одно из используемых средств заключается в повышении эффективности, с которой струи смешиваются вместе. Известно, что для этого, по меньшей мере, один из кожухов сопла выполняют с множеством повторяющихся рельефных элементов, которые распределены вокруг всей окружности заднего края кожуха. При выполнении подобных рельефных элементов в определенных местах на заднем крае кожуха сопла смешивание струй обеспечивают за счет создания турбулентности (или вихрей) вблизи сопла для лучшего рассеяния кинетической энергии и, следовательно, уменьшения интенсивности турбулентности больших вихрей, которые образуют основные источники шума.
В качестве примера в патенте США №6532729 предусмотрено выполнение задних краев основного и вспомогательного кожухов сопла с множеством повторяющихся рельефных элементов треугольной формы (называемых шевронами), которые служат для усиления смешивания струй, проходящих мимо обеих сторон данных рельефных элементов.
Подобные рельефные элементы служат для усиления смешивания струй, в частности, за счет уменьшения низкочастотной составляющей шума струи. Тем не менее, данного уменьшения, которое должно быть усилено, достигают ценою ухудшения эксплуатационных характеристик турбомашины, поскольку эффективность сопла снижается.
Таким образом, основная задача настоящего изобретения состоит в уменьшении подобных недостатков посредством предложения определенной геометрической формы рельефных элементов, предназначенных для уменьшения шума струи, при этом данная геометрическая форма рельефных элементов обеспечивает возможность дополнительного уменьшения шума струи и в то же время также позволяет ограничить влияние рельефных элементов на аэродинамические характеристики сопла.
Данная задача решается посредством создания кольцевого кожуха для сопла турбомашины, включающего в себя множество рельефных элементов, выполненных как продолжение/выступающая часть заднего края кожуха и расположенных на некотором расстоянии друг от друга в направлении вдоль окружности, при этом каждый рельефный элемент имеет контур, который является по существу многоугольным по форме с основанием, образованным частью заднего края кожуха, и, по меньшей мере, одной вершиной, удаленной от основания в направлении по потоку и соединенной с ним боковыми краями, причем в соответствии с изобретением каждый рельефный элемент имеет на каждом из его боковых краев, по меньшей мере, одно ребро, при этом каждое ребро наклонено в радиальном направлении относительно рельефного элемента в плоскости, которая наклонена под углом α относительно радиального направления, где 0°<α≤45°.
Наличие ребер на боковых краях многоугольных рельефных элементов, предназначенных для уменьшения шума, служит для улучшения способности данных рельефных элементов создавать источники, образующие турбулентность, для смешивания струй, проходящих с обеих сторон кожуха. Ребра, которые наклонены в радиальном направлении относительно треугольных рельефных элементов, создают уступ, который вызывает закручивание струйных течений, в результате чего улучшается смешивание струй.
В предпочтительном варианте каждое ребро имеет расположенный выше по потоку конец, соединенный с боковым краем рельефного элемента и расположенный на расстоянии от основания рельефного элемента, соответствующем, по меньшей мере, 15% от расстояния между основанием и вершиной рельефного элемента, и расположенный ниже по потоку конец, соединенный с боковым краем рельефного элемента и расположенный на расстоянии от вершины рельефного элемента, соответствующем, по меньшей мере, 15% от расстояния между основанием и вершиной рельефного элемента. Такое определенное расположение ребер (относительно основания и вершины треугольного рельефного элемента) служит для создания отверстия для проходящих струй на выходе из зоны рельефных элементов, в результате чего ограничивается аэродинамическое сопротивление ребер и, таким образом, улучшается аэродинамическая характеристика сопла.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом конец каждого ребра, который расположен дальше всего от соответствующего бокового края рельефного элемента, расположен на расстоянии от него, соответствующем, по меньшей мере, 30% от расстояния между основанием и вершиной рельефного элемента.
Каждый многоугольный рельефный элемент может иметь контур, который имеет по существу треугольную форму. Аналогичным образом каждое ребро может иметь контур по существу треугольной формы с основанием, образованным частью бокового края рельефного элемента, и с вершиной, которая расположена на определенном расстоянии от основания и которая соединена с ним боковыми краями. При такой конфигурации боковые края каждого ребра предпочтительно имеют профиль, который является криволинейным, и при этом его вершина является закругленной.
Аналогичным образом боковые края каждого рельефного элемента предпочтительно имеют криволинейный профиль, и его вершина является закругленной.
В одном варианте осуществления каждый рельефный элемент имеет на каждом из своих боковых краев два ребра, одно из которых наклонено в радиальном направлении внутрь относительно рельефного элемента, а другое - в радиальном направлении наружу относительно рельефного элемента.
В соответствии с изобретением также предложено сопло турбомашины, в котором основной кожух и/или вспомогательный кожух представляет собой кожух, подобный описанному выше.
В соответствии с изобретением также предложена турбомашина, включающая в себя, по меньшей мере, один кожух, подобный описанному выше.
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из нижеприведенного описания, выполненного со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые показывают варианты осуществления, не имеющие никакого ограничивающего характера. На чертежах:
фиг.1 - схематический вид в перспективе сопла турбомашины, снабженного кожухом в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;
фиг.2 - увеличенный вид предназначенного для уменьшения шума струи рельефного элемента кожуха по фиг.1;
фиг.3 и 4 - вид сбоку и вид с торца, соответственно, рельефного элемента с фиг.2; и
фиг.5 и 6 - вид профиля и вид сбоку, соответственно, предназначенного для уменьшения шума рельефного элемента кожуха в другом варианте осуществления изобретения.
Фиг.1 представляет собой очень схематический вид в перспективе сопла 10 с разделенными струями, предусмотренного в турбомашине.
Сопло 10 имеет осесимметричную форму относительно его продольной оси Х-Х, и оно, как правило, образовано основным кожухом 14, вспомогательным кожухом 16 и центральным телом 18, при этом все три этих компонента сцентрированы относительно продольной оси Х-Х сопла.
Основной кожух 14 имеет по существу цилиндрическую форму или форму усеченного конуса, и он проходит вдоль оси Х-Х сопла. Центральное тело 18 расположено концентрически внутри основного кожуха 14, и оно заканчивается по существу конической частью.
Вспомогательный кожух 16 также имеет по существу цилиндрическую форму или форму усеченного конуса, он окружает основной кожух 14, будучи концентрическим относительно него, и он также проходит вдоль продольной оси Х-Х сопла. Основной кожух 14 проходит в продольном направлении по потоку дальше, чем вспомогательный кожух 16.
В варианте осуществления по фиг.1 следует отметить, что центральное тело 18 сопла 10 представляет собой тело внешнего типа, то есть центральное тело 18 проходит в продольном направлении за задний край 14а основного кожуха 14.
Тем не менее, изобретение в равной степени может быть применено для сопла внутреннего типа с разделенными струями, в котором задний край основного кожуха проходит в продольном направлении за центральное тело для того, чтобы полностью закрыть его. Аналогичным образом изобретение также может быть применено для так называемого сопла со «смешанной струей», в котором задний край вспомогательного кожуха проходит в продольном направлении за задний край основного кожуха.
Сопло с разделенными струями, определенное таким образом, закреплено под крылом самолета (не показанным на чертежах) посредством опорного пилона 20, входящего в контактное взаимодействие со вспомогательным кожухом 16 сопла и проходящего во внутреннее пространство вспомогательного кожуха до основного кожуха 14.
Концентрическое расположение элементов сопла 10 в сборе обеспечивает возможность образования - во-первых, между основным и вспомогательным кожухами 14 и 16 - первого кольцевого канала 22 для потока воздуха, выходящего из турбомашины и называемого вспомогательной струей или холодной струей, и, во-вторых, между основным кожухом 14 и центральным телом 18 - второго кольцевого канала 24 для прохода внутреннего потока газа, выходящего из турбомашины и также называемого основной струей или горячей струей.
Основная и вспомогательная струи (потоки), проходящие в данных двух кольцевых каналах 22 и 24, смешиваются вместе у заднего края 14а основного кожуха 14. Аналогичным образом вспомогательная струя смешивается с внешней струей воздуха, проходящей вокруг сопла над задним краем 16а вспомогательного кожуха 16.
По меньшей мере, один из двух кожухов 14 и 16 сопла 10 имеет множество повторяющихся рельефных элементов 26, которые предназначены для уменьшения шума струи на выходе из сопла.
В варианте осуществления по фиг.1 предназначенные для уменьшения шума струи, рельефные элементы 26 расположены на основном кожухе 14. Тем не менее, они могут быть с равным успехом выполнены только на вспомогательном кожухе 16 или даже как на основном кожухе, так и на вспомогательном кожухе сопла.
Предназначенные для уменьшения шума струи, рельефные элементы 26 выполнены как продолжение/выступающая часть заднего края 14а основного кожуха 14, и они расположены на одинаковом расстоянии друг от друга в направлении вдоль окружности. Они могут быть распределены по всей окружной периферии или только по части окружной периферии основного кожуха.
Каждый рельефный элемент также имеет контур по существу многоугольной общей формы с основанием, образованным частью заднего края 14а кожуха 14, и, по меньшей мере, одной вершиной, удаленной от основания в направлении по потоку и соединенной с ним двумя боковыми краями.
Таким образом, в варианте осуществления по фиг.1-6 каждый рельефный элемент 26 имеет контур, который имеет по существу треугольную форму с основанием 26а и вершиной 26b, которая удалена от основания 26а в направлении по потоку и которая соединена с ним двумя боковыми краями 26с.
Естественно могут быть предусмотрены другие многоугольные формы контура рельефных элементов 26. Таким образом, они могут иметь контур, который является трапециевидным по форме с основанием и двумя вершинами, каждая из которых соединена с основанием посредством бокового края.
Как показано более подробно на фиг.2, боковые края 26с каждого рельефного элемента 26 предпочтительно имеют криволинейный профиль, и вершина 26b его предпочтительно является закругленной.
В соответствии с изобретением каждый предназначенный для уменьшения шума рельефный элемент 26 имеет на каждом из его боковых краев, по меньшей мере, одно ребро 28, которое наклонено в радиальном направлении относительно рельефного элемента.
Как показано на фиг.3, предназначенные для уменьшения шума рельефные элементы 26 выполнены так, что они представляют собой часть основного кожуха 14, выступающую в аксиальном направлении, при этом ребра 28 наклонены в радиальном направлении по направлению к внутренней стороне основного кожуха, то есть они проходят во второй канал 24, в котором проходит горячая струя. Естественно ребра могут быть с равным успехом наклонены в радиальном направлении наружу по отношению к основному кожуху, то есть могут проходить в первый канал 22, в котором проходит холодная струя.
Таким образом, как показано на фиг.4, каждое из ребер 28 предназначенных для уменьшения шума, рельефных элементов находится в плоскости P, которая предпочтительно наклонена под углом α относительно радиального направления δ, где 0°<α≤45°. Таким образом, ребра 28 соединены с боковыми краями рельефных элементов вдоль выступов (или проекций углов).
Ребра 28 предназначенных для уменьшения шума рельефных элементов 26 имеют определенное число геометрических характеристик. В частности и предпочтительно, каждое ребро имеет расположенный выше по потоку конец 30а, соединяющий его с соответствующим боковым краем 26с рельефного элемента и расположенный на расстоянии d1 от основания 26с рельефного элемента, соответствующем, по меньшей мере, 15% от расстояния D между основанием 26а и вершиной 26b рельефного элемента, и расположенный ниже по потоку конец 30b, соединенный с боковым краем рельефного элемента и расположенный на расстоянии d2 от вершины рельефного элемента, соответствующем, по меньшей мере, 15% от расстояния D между основанием и вершиной рельефного элемента.
Другими словами, геометрический профиль бокового края 26с предназначенного для уменьшения шума рельефного элемента остается неизмененным, во-первых, в зоне, начинающейся от основания 26а рельефного элемента и простирающейся в аксиальном направлении по потоку на расстоянии, соответствующем, по меньшей мере, 15% от расстояния D, и, во-вторых, в зоне, начинающейся от вершины 26b рельефных элементов и простирающейся в аксиальном направлении против потока на расстоянии, соответствующем, по меньшей мере, 15% от того же расстояния D. Таким образом, наличие ребер 28 на боковых краях, предназначенных для уменьшения шума рельефных элементов, не вызывает значительного увеличения их аэродинамического сопротивления и, таким образом, обеспечивает ограничение какого-либо воздействия на аэродинамические характеристики сопла.
Каждое ребро 28 предпочтительно само имеет контур, который имеет по существу треугольную форму с основанием 28а, образованным частью бокового края 26с рельефного элемента, и вершиной 28b, которая расположена на некотором расстоянии от основания и которая соединена с ним боковыми краями 28с. При такой конфигурации и так же, как и в случае профиля предназначенных для уменьшения шума рельефных элементов 26, боковые края 28с ребер предпочтительно имеют соответствующие профили, которые являются криволинейными, и вершина 28b каждого ребра предпочтительно является закругленной. Естественно могут быть предусмотрены другие геометрические формы ребер. Таким образом, в альтернативном варианте они могут иметь прямоугольную форму.
В соответствии с другим предпочтительным признаком изобретения конец каждого ребра 28, который расположен дальше всего от соответствующего бокового края 26с рельефного элемента 26с (то есть вершина 28b ребра, когда оно имеет треугольную форму), находится на расстоянии d3 от рельефного элемента, соответствующем, по меньшей мере, 30% от расстояния D между основанием 26а и вершиной 26b рельефного элемента.
Ниже со ссылкой на фиг.5 и 6 приведено описание другого варианта осуществления предназначенного для уменьшения шума рельефного элемента 26′ для кожуха сопла турбомашины.
Предназначенный для уменьшения шума рельефный элемент 26′ отличается от рельефного элемента, описанного выше, тем, что он имеет два ребра 28′ на каждой из его боковых сторон 26′с, при этом оба ребра наклонены в радиальном направлении относительно рельефного элемента.
Более точно, одно из данных ребер 28′ наклонено в радиальном направлении в сторону внутреннего пространства кожуха 14 (то есть оно проходит во второй канал 24, в котором проходит горячая струя), в то время как другое ребро наклонено в радиальном направлении в сторону пространства, наружного по отношению к тому же кожуху (то есть оно проходит в первый канал 22, в котором проходит холодная струя).
Кроме того, как и в вышеописанном другом варианте осуществления, данные ребра 28′ расположены таким образом, что геометрический профиль каждого бокового края 26′с предназначенных для уменьшения шума рельефных элементов остается неизмененным, во-первых, в зоне, начинающейся от основания 26′а каждого рельефного элемента и проходящей в аксиальном направлении по потоку на расстоянии, соответствующем, по меньшей мере, 15% от расстояния D, и, во-вторых, в зоне, начинающейся от вершины 26′b рельефных элементов и проходящей в аксиальном направлении против потока на расстоянии, соответствующем, по меньшей мере, 15% от расстояния D.
В завершение следует отметить, что преимущества предназначенных для уменьшения шума рельефных элементов, описанных со ссылкой на другой вариант осуществления, в равной степени относятся к рельефным элементам согласно данному варианту осуществления.
1. Кольцевой кожух (14, 16) для сопла (10) турбомашины, включающий в себя множество рельефных элементов (26, 26′), выполненных как продолжение/выступающая часть заднего края (14а, 16а) кожуха и расположенных на расстоянии друг от друга в направлении вдоль окружности, при этом каждый рельефный элемент имеет контур по существу треугольной формы с основанием (26а, 26′а), образованным частью заднего края кожуха, и вершиной (26b, 26′b), которая представляет собой точку контура, которая находится на наибольшем расстоянии от основания в направлении по потоку и которая соединена с основанием двумя боковыми краями (26с, 26′с), отличающийся тем, что каждый рельефный элемент имеет на каждом из его боковых краев, по меньшей мере, одно ребро (28, 28′), каждое из которых наклонено в радиальном направлении относительно рельефного элемента в плоскости (Р), которая наклонена под углом (α) относительно радиального направления (δ), где 0°<α≤45°.
2. Кожух по п.1, отличающийся тем, что каждое ребро имеет расположенный выше по потоку конец (30а), соединенный с боковым краем рельефного элемента и расположенный на расстоянии (d1) от основания рельефного элемента, соответствующем, по меньшей мере, 15% от расстояния (D) между основанием и вершиной рельефного элемента, и расположенный ниже по потоку конец (30b), соединенный с боковым краем рельефного элемента и расположенный на расстоянии (d2) от вершины рельефного элемента, соответствующем, по меньшей мере, 15% от расстояния (D) между основанием и вершиной рельефного элемента.
3. Кожух по п.1 или 2, отличающийся тем, что конец (28b) каждого ребра (28, 28′), который расположен дальше всего от соответствующего бокового края (26с, 26′с) рельефного элемента (26, 26′), расположен на расстоянии (d3) от него, соответствующем, по меньшей мере, 30% от расстояния (D) между основанием и вершиной рельефного элемента.
4. Кожух по п.1, отличающийся тем, что каждое ребро (28, 28′) имеет контур по существу треугольной формы с основанием (28а), образованным частью бокового края (26с, 26′с) рельефного элемента (26, 26′), и с вершиной (28b), которая расположена на расстоянии от основания и которая соединена с ним боковыми краями (28с).
5. Кожух по п.4, отличающийся тем, что боковые края (28с) каждого ребра (28, 28′) имеют профиль, который является криволинейным, а его вершина (28b) является закругленной.
6. Кожух по п.1, отличающийся тем, что боковые края (26с, 26′с) каждого рельефного элемента (26, 26′) имеют криволинейный профиль, а его вершина (26b, 26′b) является закругленной.
7. Кожух по п.1, отличающийся тем, что каждый рельефный элемент (26′) имеет на каждом из своих боковых краев (26′с) два ребра (28′), при этом одно из ребер наклонено в радиальном направлении внутрь относительно рельефного элемента, а другое ребро наклонено в радиальном направлении наружу относительно рельефного элемента.
8. Сопло (10) турбомашины, имеющее основной кожух (14), расположенный вдоль продольной оси (Х-Х) сопла, и вспомогательный кожух (16), расположенный концентрически вокруг основного кожуха (14), отличающееся тем, что основной кожух (14) и/или вспомогательный кожух (16) представляет собой кожух по любому из пп.1-7.
9. Турбомашина, отличающаяся тем, что она содержит сопло (10), имеющее, по меньшей мере, один кожух (14, 16) по любому из пп.1-7.
