Сужающееся-расширяющееся сопло турбомашины, двухконтурный турбореактивный двигатель и турбовинтовой двигатель



Сужающееся-расширяющееся сопло турбомашины, двухконтурный турбореактивный двигатель и турбовинтовой двигатель
Сужающееся-расширяющееся сопло турбомашины, двухконтурный турбореактивный двигатель и турбовинтовой двигатель

 


Владельцы патента RU 2635863:

СНЕКМА (FR)

Сужающееся-расширяющееся сопло турбомашины содержит кольцевой центральный конструктивный элемент и кольцевой кожух, коаксиально размещенный вокруг центрального конструктивного элемента таким образом, чтобы ограничивать вместе с ним кольцевой канал потока газов двигателя. Между критическим сечением сопла и сечением истечения сопла наружный профиль центрального конструктивного элемента и внутренний профиль кожуха сформированы, в продольном сечении, посредством кривых линий, радиусы кривизны которых имеют значение производной второго порядка функции y(x), определяющей форму указанных кривых линий, относительно осевого положения вдоль соответствующей кривой линии. Соответствующие радиусы кривизны кривых линий идентичны по абсолютной величине. Другие изобретения группы относятся к двухконтурному турбореактивному двигателю и турбовинтовому двигателю, содержащему указанное выше сопло. Группа изобретений позволяет повысить аэродинамические характеристики сопла. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Предшествующий уровень техники

Изобретение относится к области сопел турбомашин. В частности, оно касается геометрического профиля сопел сужающегося-расширяющегося типа.

Областями применения изобретения являются двухконтурные турбореактивные двигатели и турбовинтовые двигатели летательного аппарата.

Известно, что сопло двухконтурного турбореактивного двигателя содержит центральное тело, первичный кожух, коаксиально размещенный вокруг центрального тела для ограничения вместе с ним первичного канала истечения горячего потока, и вторичный кожух, коаксиально размещенный вокруг первичного кожуха для ограничения вместе с ним вторичного канала истечения холодного потока. Когда сопло относится к сужающемуся-расширяющемуся типу, оно имеет поперечное сечение первичного канала и/или вторичного канала, которое сужается к задней части для того, чтобы расшириться в самой ее задней крайней точке.

Аналогично, сопло турбовинтового двигателя содержит центральное тело и кольцевой кожух, коаксиально размещенный вокруг центрального тела для ограничения вместе с ним кольцевого канала истечения горячего потока, поступающего из турбовинтового двигателя. Когда сопло относится к сужающемуся-расширяющемуся типу, оно имеет поперечное сечение канала, которое сужается к задней части для того, чтобы расшириться в самой ее задней крайней точке.

Данный тип сужающихся-расширающихся сопел позволяет улучшить эксплуатационные качества компрессоров, обеспечивающих подачу в сопла (например, нагнетательный вентилятор в рамках сопла двухконтурного турбореактивного двигателя). Действительно, при одном и том же критическом сечении сужающееся-расширающееся сопло позволяет добиться при взлете большего расхода, чем с просто сужающимся соплом.

Однако начертание сопла сужающегося-расширающегося типа представляет собой сложный и ответственный процесс; плохая концепция геометрической формы сопел может сильно ухудшить их аэродинамические характеристики, не получив при этом улучшения эксплуатационных качеств двигателя (т.е. в вопросе регулирования расхода сопла между двумя рабочими точками турбомашины).

Раскрытие изобретения

Таким образом, задача настоящего изобретение состоит в устранении вышеуказанных недостатков и в разработке особой геометрической формы сопла сужающегося-расширающегося типа, которая позволит улучшить его аэродинамические характеристики, сохранив при этом его эксплуатационные качества.

Данная задача решается сужающимся-расширающимся соплом турбомашины, которое содержит кольцевой центральный конструктивный элемент и кольцевой кожух, коаксиально размещенный вокруг центрального конструктивного элемента для ограничения вместе с ним кольцевого канала истечения потока газов, поступающих из турбомашины, и в котором, согласно изобретению, между критическим сечением сопла и сечением истечения из сопла центральный конструктивный элемент и кожух имеют, в продольном сечении, внутренние профили, смоделированные при помощи кривых линий, соответствующие радиусы кривизны которых идентичны в абсолютной величине.

Заявителем было обнаружено, что по сравнению с сужающимся-расширающимся соплом на базе достигнутого уровня техники идентичные радиусы кривизны (в абсолютных величинах) между кривыми линиями, моделирующими соответствующие внутренние профили центрального конструктивного элемента (которым может быть, например, первичный кожух двухконтурного турбореактивного двигателя) и кожуха сопла (которым может быть, например, вторичный кожух двухконтурного турбореактивного двигателя), приводят к значительному улучшению аэродинамических характеристик сопла и эксплуатационных качеств двигателя.

Предпочтительно, в продольном сечении соответствующие внутренние профили центрального конструктивного элемента и кожуха симметричны относительно оси симметрии.

В этом случае ось симметрии может быть наклонена относительно продольной оси турбомашины и образовывать с ней угол, составляющий от 5° до 20°.

Задача изобретения также решается двухконтурным турбореактивным двигателем, содержащим сужающееся-расширающееся сопло, которое было определено ранее.

Задача изобретения также решается турбовинтовым двигателем, содержащим сужающееся-расширающееся сопло, которое было определено ранее.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения представлены в нижеследующем описании, приводимым со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображен вариант практического осуществления, не имеющий ограничительного характера:

- фиг. 1 представляет собой схематический вид в продольном сечении половины детали двухконтурного турбореактивного двигателя, содержащего сопло согласно изобретению;

- фиг. 2А представляет собой увеличенный вид фиг. 1, изображающий соответствующие внутренние профили конструктивных элементов сопла, представленного на фиг. 1, и

- фиг. 2В изображает пример практического осуществления соответствующих внутренних профилей сопла, представленного на фиг. 2A.

Подробное описание изобретения

Изобретение применяется к любому соплу сужающегося-расширающегося типа, которым оснащена турбомашина, в частности двухконтурный турбореактивный двигатель 10, изображенный на фиг. 1.

На данной фиг. 1 двухконтурный турбореактивный двигатель 10 имеет продольную ось 12 и состоит из газотурбинного двигателя 14 и кольцевой гондолы 16, центрированной по оси 12 и концентрично размещенной вокруг двигателя.

Если следовать от передней части назад по направлению движения потока воздуха через турбомашину, то двигатель 14 содержит воздухозаборник 18, нагнетательный вентилятор 20, компрессор низкого давления 22, компрессор высокого давления 24, камеру сгорания 26, турбину высокого давления 28 и турбину низкого давления 30, причем каждый из этих конструктивных элементов расположен согласно продольной оси 12.

Сопло 32 истечения газов, образованных в такой турбомашине, состоит из кольцевого центрального тела 34, центрированного по продольной оси 12 турбореактивного двигателя, кольцевого первичного кожуха 36, коаксиально размещенного вокруг центрального тела для ограничения вместе с ним первичного кольцевого канала 38, и кольцевого вторичного кожуха 40, коаксиально размещенного вокруг первичного кожуха для ограничения вместе с ним вторичного кольцевого канала 42, коаксиально расположенного относительно первичного канала (согласно примеру практического осуществления, представленному на фиг. 1; причем гондола 16 турбореактивного двигателя и вторичный кожух 40 сопла выполнены как единый целый конструктивный элемент).

Сопло 32 относится к сужающемуся-расширающемуся типу, т.е. оно имеет поперечное сечение первичного канала 38 и/или вторичного канала 42, которое сужается к задней части для того, чтобы расшириться в самой ее задней крайней точке. Согласно примеру, изображенному на фиг. 1 и 2, речь идет о вторичном канале 42, который имеет поперечное сечение, сужающееся к задней части для того, чтобы расшириться в самой ее задней крайней точке.

Кроме того, далее в описании критическое сечение 44 определено как минимальное поперечное сечение вторичного канала 42 по всей длине сопла. Аналогично, сечение истечения 46 определено как поперечное сечение вторичного канала, которое находится в самой задней точке сопла.

Согласно изобретению, между критическим сечением 44 и сечением истечения 46 сопла соответствующие внутренние профили первичного кожуха 35 и вторичного кожуха 40 имеют в продольном сечении внутренние профили, смоделированные при помощи кривых линий C36, С40, соответствующие радиусы кривизны γ36, γ40 которых идентичны в абсолютной величине.

Фиг. 2A более детально изображает сопло в разрезе, выполненном в продольной плоскости (т.е. в плоскости, в которой расположена продольная ось турбореактивного двигателя).

Как показано на данной фиг. 2A, первичный кожух 36 имеет внутренний профиль, который может быть смоделирован между критическим сечением 44 и сечением истечения сопла посредством кривой линии C36, способной принимать в ортонормированном положении форму уравнения типа γ(x). Аналогичная ситуация сложилась и для кривой линии C40, моделирующей внутренний профиль вторичного кожуха 40.

Соответствующие радиусы кривизны γ36 и γ40 кривых линий, изображающих в продольном сечении внутренние профили первичного кожуха и вторичного кожуха на их участках, расположенных между критическим сечением и сечением истечения, образуются методом аппроксимации производной второго порядка ординаты y данных кривых линий C36, С40 относительно осевого положения вдоль данной кривой линии или:

Согласно изобретению, данные радиусы кривизны γ36 и γ40 идентичны в абсолютной величине (один является положительным, а другой - отрицательным).

На фиг. 2B изображен пример практического осуществления соответствующих внутренних профилей первичного и вторичного кожухов сопла, представленного на фиг. 2A, с соблюдением условий идентичности их соответствующих радиусов кривизны γ36 и γ40.

Вначале в продольной плоскости проводится прямая линия D, образующая угол α с продольной осью 12 турбореактивного двигателя, причем данный угол α является конструктивным параметром. Например, угол α составляет от 75° до 80°.

Пересечение прямой линии D с внутренней обшивкой первичного кожуха 36 образует точку A. Расположенная на прямой линии D окружность Ω с центром O затем чертится таким образом, чтобы граничить с внутренней обшивкой первичного кожуха 36 (проходя, таким образом, через точку A). Диаметр данной окружности, а также угол α подбираются в зависимости от уширения сопла, необходимого для обеспечения эксплуатационных качеств двигателя (под термином «уширение» понимается соотношение между критическим сечением и сечением истечения сопла). Точкой, симметричной точке A относительно точки O, является точка B, расположенная на окружности.

Таким образом, проведена ось симметрии Δ; причем данная ось перпендикулярна прямой линии D и проходит через точку O. Таким образом, начертан симметричный элемент внутреннего профиля C36 первичного кожуха 36 относительно данной оси симметрии для образования внутреннего профиля C40 вторичного кожуха. Предпочтительно, существует, таким образом, симметрия (в продольном сечении) соответствующих внутренних профилей первичного кожуха и вторичного кожуха.

Кроме того, с углом α, составляющим от 75° до 80°, ось симметрии Δ образует угол, составляющий от 5° до 20°, с продольной осью 12 турбомашины.

После изображения, таким образом, внутренних профилей первичного и вторичного кожухов в продольной плоскости, показанной на фиг. 2B, производится полный оборот вокруг продольной оси 12 турбореактивного двигателя для образования таких же профилей на 360°.

Согласно примеру, описание которого приведено ранее, сопло относится к сужающемуся-расширающемуся типу на уровне вторичного канала. Безусловно, оно могло бы быть, в качестве альтернативного варианта, на уровне первичного канала, причем в этом случае условие идентичности кривых линий применялось бы к профилям центрального тела и расположенного против него первичного кожуха.

1. Сужающееся-расширяющееся сопло турбомашины, содержащее кольцевой центральный конструктивный элемент (36) и кольцевой кожух (40), коаксиально размещенный вокруг центрального конструктивного элемента таким образом, чтобы ограничивать вместе с ним кольцевой канал (42) потока газов двигателя, причем между критическим сечением (44) сопла и сечением истечения (46) сопла наружный профиль центрального конструктивного элемента и внутренний профиль кожуха сформированы, в продольном сечении, посредством кривых линий (С36, С40), радиусы кривизны (γ36, γ40) которых имеют значение производной второго порядка функции y(x), определяющей форму указанных кривых линий (С36, С40), относительно осевого положения (x) вдоль соответствующей кривой линии, причем соответствующие радиусы кривизны (γ36, γ40) кривых линий (С36, С40) идентичны по абсолютной величине.

2. Сопло по п. 1, в котором, в продольном сечении, соответствующие внутренние профили центрального конструктивного элемента и кожуха симметричны относительно оси симметрии.

3. Сопло по п. 2, в котором ось симметрии наклонена относительно продольной оси (12) турбомашины и образует с ней угол, составляющий от 5° до 20°.

4. Двухконтурный турбореактивный двигатель, содержащий сужающееся-расширяющееся сопло по любому из пп. 1-3.

5. Турбовинтовой двигатель, содержащий сужающееся-расширяющееся сопло по любому из пп. 1-3.



 

Похожие патенты:

Газотурбинный двигатель содержит вентиляторную секцию и редуктор. Вентиляторная секция содержит вентилятор, выполненный с возможностью вращения вокруг оси.

Газотурбинный двигатель содержит вентилятор, компрессорную секцию, камеру сгорания, сообщающуюся по текучей среде с компрессорной секцией, турбинную секцию, сообщающуюся по текучей среде с камерой сгорания, а также систему изменения скорости.

Газотурбинный двигатель содержит вентиляторную секцию, компрессорную секцию, секцию камеры сгорания и турбинную секцию. Для приведения в движение вентиляторной секции может быть использован редуктор, например, представляющий собой эпициклическую зубчатую передачу, так, чтобы обеспечить возможность вращения вентиляторной секции со скоростью, отличной от скорости вращения турбинной секции.

Газотурбинный двигатель, как правило, содержит вентиляторную секцию, компрессорную секцию, секцию камеры сгорания и турбинную секцию. Для приведения в движение вентиляторной секции может быть использован редуктор, например, представляющий собой эпициклическую зубчатую передачу, так, чтобы обеспечить возможность вращения вентиляторной секции со скоростью, отличной от скорости вращения турбинной секции, и повысить суммарный тяговый КПД двигателя.

Газотурбинный двигатель содержит вентиляторную секцию, компрессорную секцию, секцию камеры сгорания и турбинную секцию. Для приведения в движение вентиляторной секции использован редуктор, например, представляющий собой эпициклическую зубчатую передачу, так, чтобы обеспечить возможность вращения вентиляторной секции со скоростью, отличной от скорости вращения турбинной секции, и повысить суммарный тяговый КПД двигателя.

Газотурбинный двигатель содержит очень высокоскоростную турбину привода вентилятора, при этом отношение параметра, определяемого произведением площади выходного сечения турбины низкого давления на квадрат скорости вращения турбины низкого давления, к такому же параметру турбины высокого давления составляет от 0,5 до 1,5.

Газотурбинный двигатель содержит чрезвычайно высокоскоростную турбину низкого давления, при этом отношение параметра, определяемого произведением площади выходного сечения турбины низкого давления на квадрат скорости вращения турбины низкого давления, к такому же параметру турбины высокого давления составляет от приблизительно 0,5 до приблизительно 1,5.

Способ повышения тяги двухконтурного турбореактивного двигателя, содержащего вентилятор, компрессор, камеру сгорания, турбину высокого давления, турбину низкого давления, сопло внутреннего контура и сопло наружного контура, заключается в том, что в канале наружного контура перед входом в сопло устанавливаются направляющие лопатки, позволяющие получить за срезом сопла внутреннего контура зону пониженного давления, что обеспечивает увеличение скорости истечения из сопла внутреннего контура и возрастание расхода воздуха через двигатель.

Двухконтурный газотурбинный двигатель используется в сочетании с понижающим редуктором для уменьшения скорости вращения вентилятора относительно скорости вращения турбины низкого давления.

Зубчатая система привода вентилятора газотурбинного двигателя, обеспечивающая понижение частоты вращения между турбиной привода вентилятора и вентилятором, содержит подвеску, обеспечивающую гибкую опору частей зубчатой системы, и смазочную систему, выполненную с возможностью подачи смазочного материала к зубчатой системе и отвода тепловой энергии, выделяющейся в зубчатой системе.

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к защите летательного аппарата с газотурбинными двигателями от поражения ракетами с тепловой головкой самонаведения.

Выпускной конус авиационного двигателя содержит каркас из композиционного материала, обеспечивающий конструктивную прочность конуса, и систему шумопоглощения, изготовленную из композиционного материала и укрепленную на каркасе.

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, турбостроения, а именно к стендам для моделирования процессов теплообмена в охлаждаемых лопатках, и может найти применение при проектировании и оптимизации систем охлаждения лопаток высокотемпературных газовых турбин.

Изобретение относится к трубному элементу (1), который может служить удобным соединительным элементом в линии циркуляции текучей среды в любой области промышленного применения, в частности в реактивном двигателе.

Термоэмиссионный способ тепловой защиты частей летательных аппаратов (ЛА) включает отвод теплового потока от нагреваемой части ЛА к менее нагретой с помощью термоэмиссионного модуля посредством размещения на внутренней поверхности нагреваемых частей ЛА электропроводящего материала или покрытия, обладающего при нагреве высокой эмиссией электронов, - эмиттера, установку с зазором от эмиттера электропроводящего элемента - коллектора, на котором осаждают эмитируемые электроны и через бортовой автономный потребитель электроэнергии транспортируют к эмиттеру, с последующей герметизацией, вакуумированием образованной между эмиттером и коллектором полости и введением в нее химических элементов или соединений, уменьшающих работу выхода электронов.

Газотурбинный двигатель содержит камеру сгорания, турбину высокого давления, свободную турбину и направляющий конус для выхлопных газов. Турбина высокого давления расположена по потоку сзади камеры сгорания и выполнена для принятия газообразных продуктов сгорания, поступающих из этой камеры сгорания.

Несущий узел для реактивного сопла включает наружную оболочку, внутреннюю несущую оболочку и акустическую конструкцию. Наружная оболочка имеет акустическую часть, в которой выполнены акустические отверстия, и неакустическую часть, а внутренняя несущая оболочка выполнена без акустических отверстий.

Составной узел для конструкций, обдуваемых выхлопными газами реактивного двигателя, содержит трубчатый элемент и гофрированную перегородку. Гофрированная перегородка расположена в трубчатом элементе, состоит из множества направленных в разные стороны изгибов, соединенных один с другим, и проходит в продольном направлении трубчатого элемента.

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, а именно к конструкции сопел турбореактивных двигателей. Поворотное осесимметричное сопло содержит неподвижный корпус с экраном и подвижный корпус со сферическим экраном, установленным между неподвижным и подвижным корпусами.

Изобретение относится к конструкции с сотовым заполнителем для использования в несущей панели гондолы турбореактивного двигателя самолета, являющейся акустической панелью.
Наверх