Турбореактивный двухконтурный двигатель с биротативным вентилятором
Турбореактивный двухконтурный двигатель содержит биротативный вентилятор, расположенный в канале наружного контура и ограниченный с внешней стороны мотогондолой, а также газогенератор и реверсивное устройство с отклоняющими решетками. На выходе из канала наружного контура установлено сопло с подвижным в осевом направлении кожухом. Обтекатель газогенератора двигателя выполнен с шарнирной створкой, соединенной с исполнительным механизмом. Отношение наружного диаметра сопла на выходе из канала наружного контура к наружному диаметру биротативного вентилятора по входной кромке первой по потоку воздуха лопатки равно 1÷1,5. Отношение минимального диаметра обтекателя газогенератора на срезе сопла к максимальному наружному диаметру обтекателя газогенератора на срезе сопла равно 1,05÷1,3. Отношение проходной площади отклоняющих решеток реверсивного устройства к проходной площади отверстий в створках и между створок обтекателя газогенератора в режиме реверсивной тяги двигателя равно 3÷10. Изобретение повышает экономичность, надежность и снижает вес турбореактивного двухконтурного двигателя путем увеличения взлетной тяги и снижения гидравлических потерь за счет уменьшения наружного диаметра биротативного вентилятора, регулирования проходной площади сопла и уменьшения кривизны внешней поверхности мотогондолы. 3 ил.
Изобретение относится к турбореактивным двухконтурным двигателям авиационного применения.
Известен авиационный газотурбинный двигатель с противоточной схемой газовоздушного тракта и с незакапотированным двухрядным (биротативным) вентилятором противоположного вращения [Патент РФ №2075658, F16C 21/00, 1997 г.].
Недостатком такой конструкции является повышенный уровень шума, создаваемый незакапотированным вентилятором.
Наиболее близким к заявляемому является турбореактивный двухконтурный двигатель с биротативным вентилятором, приводимым во вращение биротативной турбиной, и с лопатками вентилятора, размещенными в канале наружного контура, ограниченного с внешней стороны мотогондолой [Патент ЕПВ №1340903, F02K 3/072, 2003 г.].
Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является пониженная взлетная тяга двигателя, повышенные вес и гидравлическое сопротивление мотогондолы, а также отсутствие устройства для реверсирования тяги.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении экономичности, надежности и снижении веса путем увеличения взлетной тяги и снижения гидравлических потерь за счет уменьшения наружного диаметра биротативного вентилятора, регулирования проходной площади сопла и уменьшения кривизны внешней поверхности мотогондолы.
Сущность изобретения заключается в том, что турбореактивный двухконтурный двигатель с биротативным вентилятором, расположенным в канале наружного контура, ограниченного с внешней стороны мотогондолой, а также газогенератором, согласно изобретению дополнительно снабжен реверсивным устройством с отклоняющими решетками, на выходе из канала наружного контура установлено сопло с подвижным в осевом направлении кожухом, а обтекатель газогенератора двигателя выполнен с шарнирной створкой, соединенной с исполнительным механизмом, при этом
Dc/Dв=1÷1,5; dк/dв=1,05÷1,3 и Fp/Fотв=3÷10, где:
Dc - наружный диаметр сопла на выходе из канала наружного контура;
Dв - наружный диаметр биротативного вентилятора по входной кромке первой по потоку воздуха лопатки;
dв - минимальный диаметр обтекателя газогенератора на срезе сопла;
dк - максимальный наружный диаметр обтекателя газогенератора на срезе сопла;
Fp - проходная площадь отклоняющих решеток реверсивного устройства;
Fотв - проходная площадь отверстий в створках и между створок обтекателя газогенератора в режиме реверсивной тяги двигателя.
Наличие реверсивного устройства с отклоняющими решетками, сопла с подвижным в осевом направлении кожухом и обтекателя газогенератора с шарнирной створкой, соединенной с исполнительным механизмом, позволяет на взлетном режиме при низкой напорности биротативного вентилятора обеспечивать минимальный наружный диаметр dв обтекателя газогенератора на срезе сопла, минимизировать гидравлические потери истекающего из сопла потока, способствуя повышению взлетной тяги и надежности двигателя.
На режиме реверсирования подвижный в осевом направлении кожух сдвигается назад по потоку и открывает отклоняющие решетки реверсивного устройства, при этом одновременно устанавливают шарнирные перфорированные створки обтекателя таким образом, чтобы они перекрывали канал наружного контура. Такое расположение конструктивных элементов приводит к истечению потока воздуха через отклоняющие решетки и получению обратной тяги.
Отверстия в створках обтекателя и между створками исключают перегрев решеток и попадание газа на вход в двигатель. Через эти отверстия поток газа поступает в сопло, где его скорость существенно снижается и способствует резкому уменьшению прямой тяги.
При Dс/Dв<1 существенно увеличивается вес и повышается гидравлическое сопротивление мотогондолы, а при Dc/Dв>1,5 понижается экономичность двигателя из-за повышения скоростей потока воздуха в биротативном вентиляторе, что приводит к снижению его КПД.
При dк/dв<1,05 существенно снижается тяга двигателя на взлетном режиме из-за повышенных гидравлических потерь в сопле, а при dк/dв>1,3 существенно увеличиваются масса и габариты регулируемого сопла.
Соотношение Fp/Fотв выбирают из условия недопущения раскрутки компрессора и его помпажа на режимах реверсирования тяги. При Fp/Fотв<3 существенно снижается реверсивная тяга двигателя, а при Fp/Fотв>10 надежность двигателя снижается из-за возможности перегрева отклоняющих решеток реверсивного устройства и попадания горячих газов на вход в двигатель.
Заявляемая конструкция позволяет уменьшить наружный диаметр биротативного вентилятора и увеличить диаметр сопла на выходе из канала наружного контура, обеспечивая выполнение внешней поверхности мотогондолы с минимальной кривизной в осевом направлении со снижением ее гидравлического сопротивления, что способствует повышению экономичности двигателя. При этом вес мотогондолы и двигателя снижается из-за уменьшения диаметра биротативного вентилятора со снижением веса лопаток и дисков вентилятора.
На фиг.1 показан продольный разрез двигателя с максимально закрытым соплом канала наружного контура. На фиг.2 - продольный разрез двигателя с максимально открытым соплом канала наружного контура, а на фиг.3 представлен продольный разрез двигателя на режиме реверсирования тяги.
Турбореактивный двухконтурный двигатель 1 состоит из газогенератора 2 и биротативного (двухрядного) вентилятора 3, приводимого во вращение биротативной турбиной 4. Биротативный вентилятор 3 состоит из первого ряда рабочих лопаток 5 и второго ряда лопаток 6 по потоку воздуха 7, размещенных в канале 8 наружного контура, ограниченного с внешней стороны мотогондолой 9. Каждая из рабочих лопаток 5 и 6 выполнена с входной кромкой 10 и 11 соответственно.
Мотогондола 9 выполнена с внешней поверхностью 12 уменьшенной кривизны в осевом направлении; на выходе из канала 8 наружного контура установлено регулируемое по площади сопло 13, состоящее из закрепленной на мотогондоле 9 отклоняющей решетки 14 реверсивного устройства 15, подвижного в осевом направлении кожуха 16 и закрепленных на газогенераторе 2 шарнирных створок 17 и 18 первого и второго ряда соответственно, образующих совместно обтекатель 19 газогенератора 2 и управляемых с помощью исполнительных механизмов 20 (например, гидроцилиндров).
Двигатель 1 выполнен с противоточной схемой газовоздушного тракта 21; воздух 7 из биротативного вентилятора 3 поступает в компрессор низкого давления 22, который приводится во вращение турбиной 23 компрессора низкого давления, выполненной без соплового аппарата на входе, т.е. с ротором 24 противоположного направления вращения по отношению к последней по потоку газа 25 лопатке 26 биротативной турбины 4.
Компрессор низкого давления 22 через промежуточный канал 27, ограниченный внешней стенкой 28, и поворотный участок 29 на входе соединен с компрессором высокого давления 30 газогенератора 2 и далее - с камерой сгорания 31. Компрессор высокого давления 30 приводится во вращение турбиной высокого давления 32, которая на выходе соединена с биротативной турбиной 4. Таким образом, газогенератор 2, включающий в себя компрессор высокого давления 30, камеру сгорания 31 и турбину высокого давления 32, соединен с двигателем только газовоздушным трактом, т.е. газодинамически и, как наиболее теплонапряженный элемент двигателя, может быть заменен при ремонте без съема двигателя 1 с крыла.
Поток газа 25 из турбины низкого давления 23 проходит поворотный участок 33 и через патрубок 34 поступает в канал 8 наружного контура, где перемешивается с потоком воздуха 7 и далее истекает через регулируемое сопло 13.
Для исключения попадания потока газа 25 на вход в двигатель 1 на режимах реверсирования и исключения перегрева отклоняющей решетки 14 в створках первого ряда 17 преимущественно по потоку газа 25 от патрубков 34 выполнены отверстия 35, соединяющие на режимах реверсирования канал наружного контура 8 с соплом 13. Отверстия 35 могут быть выполнены также в виде зазоров и щелей (не показано) между створками 17 в положении 36 реверсирования тяги.
Коробка приводов 37 вместе с агрегатами (не показано) установлена на газогенераторе 2 и приводится во вращение от ротора компрессора высокого давления 30.
Работает данное устройство следующим образом.
При работе турбореактивного двигателя 1 поток воздуха 7 поступает в биротативный вентилятор 3, где сжимается. На выходе из вентилятора поток воздуха 7 смешивается с потоком поступающего из патрубков 34 газа 25, далее полученная газовоздушная смесь истекает через сопло 13.
Низкая напорность биротативного вентилятора 3 приводит к тому, что на взлетном режиме скорость истекающего из сопла 13 потока становится дозвуковой, что способствует снижению шума истекающей из сопла 13 струи, и на этом режиме сопло 13 максимально открыто по площади. Створки 17 и 18 занимают положение, соответствующее минимальному наружному диаметру dв обтекателя 19 газогенератора 2 на срезе сопла 13. Гидравлические потери истекающего из сопла 13 потока при этом минимальны.
После взлета самолета к напорности биротативного вентилятора добавляется скоростной (динамический) напор набегающего потока воздуха 7, что приводит к увеличению скорости течения потока в критическом сечении сопла 13. На крейсерском режиме полета регулируемое сопло максимально прикрыто (для поддержания оптимальных КПД вентилятора). Створки 17 и 18 занимают положение, соответствующее максимальному наружному диаметру dк обтекателя 19 газогенератора 2 на срезе сопла 13.
На режиме реверсирования тяги кожух 16 сдвигается назад по потоку 7, открывая отклоняющие решетки 14 реверсивного устройства 15. Одновременно створки 17 первого ряда гидроцилиндрами 20 устанавливаются в положение 36, перекрывая таким образом канал 8 наружного контура, что приводит к истечению потока воздуха 7 через решетки 14 и получению обратной тяги. Поток газа 25 из патрубков 34, а также частично поток воздуха 7 для исключения перегрева решеток и исключения попадания газа на вход в двигатель 1 через отверстия 35 в створках 17 поступает в сопло 13, где скорость потока газа 25 существенно снижается, что способствует резкому уменьшению прямой тяги от этого потока.
Низкие окружные скорости лопаток 5 и 6 вентилятора 3, а также низкие скорости истекающей из сопла 13 струи способствуют существенному снижению уровня шума двигателя 1.
Снижению уровня шума также способствует многослойное капотирование стенкой 28 и створками 17, 18 газогенератора 2, а также наличие поворотных участков 29 и 33 газовоздушного тракта 21. Одновременно существенно снижается уровень инфракрасного излучения турбин 32, 4 и 23, а также камеры сгорания 31.
При работе турбореактивного двигателя 1 в полете внешняя поверхность 12 мотогондолы 9 обтекается высокоскоростным околозвуковым воздушным потоком, что могло бы привести к существенному нарастанию на ней пограничного слоя, образованию местных сверхзвуковых скачков уплотнения и существенному возрастанию гидравлического сопротивления мотогондолы. Однако этого не происходит, так как уменьшение наружного диаметра Dв биротативного вентилятора 3 и увеличение диаметра Dc сопла 13 на выходе из канала 8 наружного контура позволяет выполнить внешнюю поверхность 12 мотогондолы 9 с минимальной кривизной в осевом направлении с соответствующим снижением ее гидравлического сопротивления, что способствует повышению экономичности двигателя 1. Одновременно снижается вес двигателя 1 из-за уменьшения диаметра биротативного вентилятора 3 со снижением веса лопаток 5, 6 и дисков вентилятора 3, а также снижается вес мотогондолы 9.
Соединение биротативной турбины 4 патрубками 34 с каналом 8 наружного контура позволяет организовать смешение потоков воздуха 7 и газа 25 при минимальной длине и весе мотогондолы 9, что также способствует повышению экономичности, снижению веса двигателя 1 и устранению вредного влияния гондолы силовой установки на аэродинамические свойства крыла.
Привод агрегатов от ротора компрессора ВД 30 обеспечивает легкий доступ к приводным и неприводным агрегатам, расположенным в хвостовой части двигателя, при их техобслуживании и замене.
Турбореактивный двухконтурный двигатель с биротативным вентилятором, расположенным в канале наружного контура и ограниченный с внешней стороны мотогондолой, а также газогенератором, отличающийся тем, что дополнительно снабжен реверсивным устройством с отклоняющими решетками, на выходе из канала наружного контура установлено сопло с подвижным в осевом направлении кожухом, а обтекатель газогенератора двигателя выполнен с шарнирной створкой, соединенной с исполнительным механизмом, при этом
Dс/Dв=1÷1,5; dк/dв=1,05÷1,3 и Fp/Fотв=3÷10, где
Dc - наружный диаметр сопла на выходе из канала наружного контура;
Dв - наружный диаметр биротативного вентилятора по входной кромке первой по потоку воздуха лопатки;
dв - минимальный диаметр обтекателя газогенератора на срезе сопла;
dк - максимальный наружный диаметр обтекателя газогенератора на срезе сопла;
Fp - проходная площадь отклоняющих решеток реверсивного устройства;
fотв - проходная площадь отверстий в створках и между створок обтекателя газогенератора в режиме реверсивной тяги двигателя.
