Турбореактивный двигатель с управляемой степенью двухконтурности

 

Турбореактивный двигатель с управляемой степенью двухконтурности содержит компрессора низкого и высокого давления, камеру сгорания, турбину высокого и низкого давления, затурбинный обтекатель. Затурбинный обтекатель выполнен с наружной и внутренней стенками, с кольцевым каналом между ними в виде усеченного конуса. Каждая из стенок в верхней части конуса имеет донный уступ с центральным отверстием, соосным с продольной осью двигателя. Полость перепускного воздушного канала второго контура через полые обтекаемые радиальные ребра, установленные по окружности за турбиной низкого давления, соединена с полостью кольцевого канала. Центральные отверстия в донных уступах внутренними поверхностями контактируют с такого же диаметра наружной поверхностью клапана перепуска воздуха, выполненного в форме цилиндрической заслонки. Цилиндрическая заслонка снабжена передней и задней обечайками и соединена с их помощью с соосным и подвижным вдоль продольной оси двигателя штоком поршня пневмоцилиндра привода. Внутренняя стенка затурбинного обтекателя имеет днище. Днище одной своей стороной связано с внутренней поверхностью внутренней стенки затурбинного обтекателя, а другой - с фланцем пневмоцилиндра привода. Другой фланец пневмоцилиндра соединен с корпусом задней опоры турбины. Изобретение позволяет обеспечить высокие тягово-экономические характеристики на форсированных и максимальных режимах при высокой экономичности на дозвуковых крейсерских режимах. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области авиации и, в частности, к турбореактивным двигателям с управляемой степенью двухконтурности.

К турбореактивным двигателям многорежимных самолетов предъявляются требования по обеспечению высоких тягово-экономических характеристик на форсированных и максимальных режимах при хорошей экономичности на дозвуковых крейсерских режимах.

Одним из способов выполнения этих требований является использование организации перепуска части воздуха из-за компрессора низкого давления в затурбинное пространство по специальным регулируемым перепускным каналам на нефорсированных режимах дросселирования (см. патент США 4054030, МПК 7 F 02 К 3/06, опубл. 18.11.1978 г.). Это устройство малоэффективно, так как не обеспечивает необходимого перепада давлений перепускаемого воздуха в затурбинное пространство в широком диапазоне эксплуатации двигателя, например, по числу Маха полета.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому относится турбореактивный двигатель с управляемой степенью двухконтурности, описанный в патенте США 4068471, МПК 7 F 02 К 3/06, опубл. 17.01.1978 г. Известный турбореактивный двигатель с управляемой степенью двухконтурности содержит компрессор низкого и высокого давлений, камеру сгорания, турбины высокого и низкого давлений, затурбинный обтекатель и затурбинный канал, последовательно расположенные по потоку, перепускной воздушный канал второго контура, связывающий внутреннюю полость за компрессором низкого давления с затурбинным каналом, клапан перепуска, соединенный с приводом для его открытия и закрытия.

Однако в известном двигателе створки клапанов имеют сложную пространственную ячеистую структуру, не так надежны в работе. Кроме того, на двигателях с управляемой степенью двухконтурности, когда требуются относительно малые расходы воздуха, перепускаемые из-за компрессора низкого давления в затурбинное пространство, то есть при малых степенях двухконтурности, применение такого типа сложных устройств нецелесообразно.

Задачей изобретения является обеспечение высоких тягово-экономических характеристик на форсированных и максимальных режимах при высокой экономичности на дозвуковых крейсерских режимах, в особенности при потребных малых степенях двухконтурности и в относительно простой и надежной в работе системе перепуска части воздуха из-за компрессора низкого давления в затурбинное пространство.

Указанный технический результат достигается тем, что турбореактивный двигатель с управляемой степенью двухконтурности содержит компрессор низкого и высокого давлений, камеру сгорания, турбины высокого и низкого давлений, затурбинные обтекатель и канал, последовательно расположенные по потоку, перепускной воздушный канал второго контура, соединенный с полостью за компрессором низкого давления непосредственно и с полостью затурбинного канала - через клапан перепуска воздуха, связанный с приводом для его открытия и закрытия, полость перепускного воздушного канала второго контура через полые обтекаемые радиальные ребра, установленные по окружности за турбиной низкого давления, соединена с полостью кольцевого канала, выполненной в виде усеченного конуса, образованного внутри затурбинного обтекателя его наружной и внутренней стенками, каждая из которых в верхней части конуса имеет донный уступ с центральным отверстием, соосным с продольной осью двигателя. Центральные отверстия в донных уступах имеют одинаковые друг с другом диаметры и своими внутренними поверхностями контактируют с такого же диаметра наружной поверхностью клапана перепуска воздуха, выполненного в форме цилиндрической заслонки, ширина которой вдоль продольной оси двигателя перекрывает расстояния между центральными отверстиями донных уступов. Цилиндрическая заслонка снабжена передней и задней обечайками и соединена с их помощью с соосным и подвижным вдоль продольной оси двигателя штоком поршня пневмоцилиндра привода, при этом внутренняя стенка затурбинного обтекателя имеет днище, утопленное относительно центрального отверстия в сторону турбины низкого давления на глубину ширины цилиндрической заслонки клапана перепуска воздуха, днище одной своей стороной связано с внутренней поверхностью внутренней стенки затурбинного обтекателя, а другой - с фланцем пневмоцилиндра привода, другой фланец которого соединен с корпусом задней опоры турбины, при этом на штоке поршня пневмоцилиндра привода размещена цилиндрическая пружина, один конец которой упирается в днище корпуса пневмоцилиндра, другой - в днище поршня. Затурбинный канал выполнен в виде конфузора, минимальное сечение которого расположено в поперечной плоскости донного уступа наружной стенки затурбинного обтекателя, причем отношение площади выхода к площади входа конфузора определяется из условия получения положительной разности между полным давлением в выходном сечении центрального отверстия донного уступа наружной стенки и статическим давлением в затурбинном канале у донного уступа затурбинного обтекателя.

Открытие выходного сечения центральных отверстий в донных уступах затурбинного обтекателя цилиндрической заслонкой клапана перепуска позволяет организовать перепуск части воздуха из-за компрессора низкого давления по перепускному воздушному каналу второго контура через внутренние полости радиальных ребер во внутреннюю полость кольцевого канала затурбинного обтекателя и далее через центральные отверстия в донных уступах во внутреннюю полость затурбинного канала, форма которого выполнена в виде конфузора, обеспечивающего снижение статического давления в поперечной плоскости донного уступа наружной стенки затурбинного обтекателя и, кроме того, благодаря образованию зоны пониженного давления около донного уступа наружной стенки затурбинного обтекателя, гарантированно обеспечивается положительная разность между полным давлением в выходном сечении центральных отверстий донных уступов затурбинного обтекателя и статическим давлением в затурбинном канале, а следовательно, и гарантированное поступление перепускаемого воздуха в пространство затурбинного канала и обеспечение работы двигателя по схеме двухконтурного турбореактивного двигателя и, тем самым, получение лучших тягово-экономических характеристик и запасов газодинамической устойчивости компрессоров, чем у одноконтурного турбореактивного двигателя на тех режимах полета, на которых это невозможно сделать в одноконтурном двигателе, например на бесфорсажных дроссельных режимах и на полных режимах при относительно больших скоростях полета, например при Мп>1,5 на высоте Н=11 км, то есть, когда компрессор низкого давления работает на малых приведенных частотах вращения и в одноконтурном турбореактивном двигателе, запасы газодинамической устойчивости недопустимо снижаются.

Кроме того, выполнение клапана перепуска в виде цилиндрической заслонки, связанной обечайками со штоком пневмоцилиндра, соединенного с днищем, утопленным относительно центрального отверстия внутренней стенки в сторону турбины, позволяет при открытии выходного сечения центральных отверстий в донных уступах полностью убрать цилиндрическую заслонку из зоны течения перепускаемого воздуха и снизить тем самым потери давления по тракту.

Размещение цилиндрической пружины на штоке поршня пневмоцилиндра, один конец которой упирается в днище корпуса пневмоцилиндра, другой - в днище поршня (пружина находится в сжатом положении при закрытии клапана перепуска), позволяет в случае повреждения воздушных коммуникаций (поломка, трещина т.п. ), подводящих воздух с рабочим давлением в пневмоцилиндр, и падения давления вследствие этого автоматически открыть клапан перепуска воздуха и обеспечить работу двигателя на менее напряженных режимах, повышая тем самым надежность работы двигателя.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлен продольный разрез турбореактивного двигателя.

На фиг.2 представлен элемент "А" фиг.1.

На фиг. 3 представлен элемент "А" фиг.1 в увеличенном масштабе, поясняющий схему открытия цилиндрической заслонкой клапана перепуска проходного сечения центральных отверстий донных уступов затурбинного обтекателя.

Турбореактивный двигатель 1 с управляемой степенью двухконтурности содержит компрессор 2 низкого давления, компрессор 3 высокого давления, камеру сгорания 4, турбину 5 высокого давления, турбину 6 низкого давления, затурбинный обтекатель 7 с наружной и внутренней стенками 8 и 9 с кольцевым каналом 10 в виде усеченного конуса между ними и донными уступами 11 и 12 с центральными отверстиями 13 и 14 в них, днище 15, затурбинный канал 16 с полыми обтекаемыми радиальными ребрами 17, конфузор 18 с минимальным сечением 19 в поперечной плоскости, клапан перепуска 20 с цилиндрической заслонкой 21 и передней и задней обечайками 22 и 23, пневмоцилиндр 24 с фланцами 25 и 26 и с днищами 27 и 28 соответственно, с поршнем 29, приводным штоком 30, с цилиндрической пружиной 31, корпус 32 задней опоры турбины, трубопровод 33 подвода воздуха с рабочим давлением к пневмоцилиндру 24, разделитель 34 потоков воздуха, форсажную камеру 35, реактивное сопло 36, внутреннюю полость 37 за компрессором низкого давления, перепускной воздушный канал 38 второго контура.

Турбореактивный двигатель с управляемой степенью двухконтурности работает следующим образом.

При полете самолета на скоростях, например, не превышающих скорость звука более чем в 1,5 раза, при Мп<1,5 на высоте Н=11 км, на максимальных и форсажных режимах, по трубопроводу 33 в полость между днищем 28 и поршнем 29 пневмоцилиндра 24 подается рабочее давление воздуха (например, открытием отсечного крана, установленного в трубопроводах, связывающих трубопровод 33 с источником высокого давления воздуха; на схеме не показано). Под действием рабочего давления воздуха поршень 29 со штоком 30 перемещается вправо от корпуса 32 задней опоры пневмоцилиндра 24, сжимает цилиндрическую пружину 31 и оставляет ее в сжатом положении. Воздух из внутренней полости 37 за компрессором 2 низкого давления полностью поступает на вход компрессора 3 высокого давления и проходит далее через камеру сгорания 4, турбину 5 высокого и турбину 6 низкого давления, поступает в затурбинный канал 16 и, пройдя через форсажную камеру 35, выбрасывается через реактивное сопло 36 в окружающую среду, обеспечивая тем самым работу двигателя по схеме одноконтурного турбореактивного двигателя.

При полете самолета, например, на скоростях, превышающих скорость звука более чем в 1,5 раза, при Мп>1,5 на высоте Н=11км, на бесфорсажных дроссельных режимах, полость между днищем 28 и поршнем 29 пневмоцилиндра 24 соединяется трубопроводом 33 с полостью стравливания рабочего давления (на схеме условно не показано), поршень 29 со штоком 30 под действием сжатой пружины 31 перемещается влево к корпусу 32 задней опоры турбины, к утопленному от центральных отверстий днищу 15 и остается в этом положении. Цилиндрическая заслонка 21 клапана перепуска 20 открывает проходное сечение из канала 10 между центральными отверстиями 13 и 14 донных уступов 11 и 12 затурбинного обтекателя 7. Воздух из внутренней полости 37 за компрессором 2 низкого давления разделителем 34 потоков направляется как во внутренний канал на вход компрессора 3 высокого давления, так и в перепускной воздушный канал 38 второго контура. Внутренний поток воздуха, как и в одноконтурной схеме двигателя, проходит через компрессор 3 высокого давления, камеру сгорания 4, турбину 5 высокого и турбину 6 низкого давления и поступает в затурбинный канал 16. Наружный поток воздуха из внутренней полости перепускного воздушного канала 38 поступает во внутреннюю полость полых радиальных ребер 17, откуда поступает в кольцевой канал 10 между наружной и внутренней стенками 8 и 9 затурбинного обтекателя 7 и далее через кольцевой цилиндрический канал между центральными отверстиями 13 и 14 в донных уступах 11 и 12 поступает в минимальное сечение 19 конфузора 18, где перемешивается с внутренним потоком газов затурбинного канала 16, и далее через форсажную камеру 35 и реактивное сопло 36 выбрасывается в окружающую среду и обеспечивает тем самым работу двигателя по схеме двухконтурного турбореактивного двигателя.

Скорость полета самолета, на которой осуществляется переключение работы двигателя с одноконтурной схемы на двухконтурную схему и наоборот, определяется расчетным или экспериментальным путем по характеристикам компрессоров конкретного двигателя, например, чем выше степень повышения давления компрессора высокого давления, тем меньше скорость полета при переключении.

Турбореактивный двигатель с управляемой степенью двухконтурности обеспечивает высокие тягово-экономические характеристики на форсированных и максимальных режимах при хорошей экономичности на дозвуковых крейсерских режимах при простом и компактном устройстве открытия-закрытия контура перепуска, обеспечивающем минимальные потери давления по тракту перепускаемого воздуха, и повышение надежности работы двигателя за счет автоматического открытия перепуска воздуха при несанкционированном падении подводимого рабочего давления воздуха к пневмоцилиндру.

Такое выполнение турбореактивного двигателя с управляемой степенью двухконтурности позволяет при перекрытии выходного сечения центральных отверстий в донных уступах затурбинного обтекателя цилиндрической заслонкой клапана перепуска обеспечить поступление всего воздуха из-за компрессора низкого давления через компрессор высокого давления и далее по всему тракту двигателя и тем самым обеспечить работу двигателя по схеме одноконтурного турбореактивного двигателя и иметь на форсажных и максимальных режимах лучшие тягово-экономические характеристики, чем у двухконтурного турбореактивного двигателя, например, до скоростей полета, не превышающих число Маха полета Мп=1,5 на высотах полета Н=11 км.

Формула изобретения

1. Турбореактивный двигатель с управляемой степенью двухконтурности, содержащий компрессора низкого и высокого давлений, камеру сгорания, турбины высокого и низкого давлений, затурбинные обтекатель и канал, последовательно расположенные по потоку, перепускной воздушный канал второго контура, соединенный с полостью за компрессором низкого давления непосредственно и с полостью затурбинного канала - через клапан перепуска воздуха, который связан с приводом для его открытия и закрытия, отличающийся тем, что полость перепускного воздушного канала второго контура через полые обтекаемые радиальные ребра, установленные по окружности за турбиной низкого давления, соединена с полостью кольцевого канала, выполненного в виде усеченного конуса, образованного внутри затурбинного обтекателя его наружной и внутренней стенками, каждая из которых в верхней части конуса имеет донный уступ с центральным отверстием, соосным с продольной осью двигателя, центральные отверстия в донных уступах имеют одинаковые друг с другом диаметры и своими внутренними поверхностями контактируют с такого же диаметра наружной поверхностью клапана перепуска воздуха, выполненного в форме цилиндрической заслонки, ширина которой вдоль продольной оси двигателя перекрывает расстояния между центральными отверстиями донных уступов, цилиндрическая заслонка снабжена передней и задней обечайками и соединена с их помощью с соосным и подвижным вдоль продольной оси двигателя штоком поршня пневмоцилиндра привода, при этом внутренняя стенка затурбинного обтекателя имеет днище, утопленное относительно центрального отверстия в сторону турбины низкого давления на глубину ширины цилиндрической заслонки клапана перепуска воздуха, днище одной своей стороной связано с внутренней поверхностью внутренней стенки затурбинного обтекателя, а другой - с фланцем пневмоцилиндра привода, другой фланец которого соединен с корпусом задней опоры турбины, при этом на штоке поршня пневмоцилиндра привода размещена цилиндрическая пружина, один конец которой упирается в днище корпуса пневмоцилиндра, другой - в днище поршня.

2. Турбореактивный двигатель с управляемой степенью двухконтурности по п. 1, отличающийся тем, что затурбинный канал выполнен в виде конфузора, минимальное сечение которого расположено в поперечной плоскости донного уступа наружной стенки затурбинного обтекателя, причем отношение площади выхода к площади входа конфузора определяется из условия получения положительной разности между полным давлением в выходном сечении центрального отверстия донного уступа наружной стенки и статическим давлением в затурбинном канале у донного уступа затурбинного обтекателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3