Двухконтурный турбореактивный двигатель
Владельцы патента RU 2741819:
Публичное акционерное общество "ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК-УМПО") (RU)
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к выходным устройствам двухконтурного турбореактивного двигателя. Известный двухконтурный турбореактивный двигатель, содержащий компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, камеру сгорания, турбину высокого давления и турбину низкого давления, канал наружного контура, канал внутреннего контура, смеситель и общие для обоих контуров форсажную камеру и сопло, по предложению выполнен в виде чередующихся по периметру каналов, образующих выходную полость наружного контура и выходную полость внутреннего контура, установлен за турбиной низкого давления, при этом выходная полость наружного контура сообщена с каналом наружного контура, а выходная полость внутреннего контура сообщена с каналом внутреннего контура, причем отношение их площадей в поперечной плоскости равно: где - площадь выходной полости наружного контура;
- площадь выходной полости внутреннего контура. Применение данного изобретения позволяет при сохранении конструкции и параметров основных узлов двигателя, используя оптимальное соотношение площадей выходных сечений смесителя, уменьшить потери полного давления при смешении потоков, что, в свою очередь, увеличивает степень расширения сопла, а следовательно, и скорость истечения потока из сопла и тягу двигателя. Это приводит к возможности выхода двигателя на более высокие потребные режимы без значительной добавки топлива, что повышает его экономичность, а также позволяет увеличить скорость полета самолета, его тяговооруженность, что для некоторых типов самолетов является определяющим фактором. 2 ил.
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к выходным устройствам двухконтурного турбореактивного двигателя.
Известен двухконтурный турбореактивный двигатель, содержащий компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, камеру сгорания, турбину высокого давления и турбину низкого давления, канал наружного контура, канал внутреннего контура, смеситель и общие для обоих контуров форсажную камеру и сопло.
/RU №2353790, МПК F02K 3/06, опубл. 27.04.2009 г/.
Недостатком данного решения является то, что постоянный отбор воздуха от промежуточной ступени компрессора высокого давления двигателя и выброс его в область низкого давления в наружном контуре с целью повышения удельной тяги, вызывает термодинамические потери, ухудшающие термодинамический цикл двигателя. То есть тот воздух, на сжатие которого была затрачена работа компрессора высокого давления, просто выбрасывается в наружный контур. Также возможно ухудшение характеристик компрессора высокого давления, в частности, запасов газодинамической устойчивости.
Задача изобретения - повышение эффективности двигателя.
Ожидаемый технический результат - повышение тяги двигателя.
Ожидаемый технический результат достигается тем, что в двухконтурном турбореактивном двигателе, содержащем компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, камеру сгорания, турбину высокого давления и турбину низкого давления, канал наружного контура, канал внутреннего контура, смеситель и общие для обоих контуров форсажную камеру и сопло по предложению, смеситель выполнен в виде чередующихся по периметру каналов, образующих выходную полость наружного контура и выходную полость внутреннего контура, установлен за турбиной низкого давления, при этом выходная полость наружного контура сообщена с каналом наружного контура, а выходная полость внутреннего контура сообщена с каналом внутреннего контура, причем отношение их площадей в поперечной плоскости равно:
где
- площадь выходной полости наружного контура;
- площадь выходной полости внутреннего контура.
Выполнение смесителя в виде чередующихся по периметру каналов, образующих выходную полость наружного контура и выходную полость внутреннего контура, обеспечивает с одной стороны, требуемое смешение потоков с выравниванием статического давления в области за смесителем, а с другой стороны, обеспечивает минимальную массу конструкции, поскольку в этом случае смеситель возможно изготовить из листового материала.
Сообщение выходной полости наружного контура с каналом наружного контура и выходной полости внутреннего контура с каналом внутреннего контура обеспечивает связь внутреннего и наружного контуров между собой, поскольку в данной конструкции смеситель выполняет роль эжектора, где эжектируемым рабочим телом является воздух из канала наружного контура, а эжектирующим рабочим телом является газ из внутреннего контура, поскольку он обладает большей энергией потока (выше температура и расход потока). Таким образом, выполняется основное свойство эжекции, когда под действием энергии эжектирующего потока статическое давление на выходе из смесителя становится ниже полного давления эжектируемого потока. Под действием разности давлений эжектируемый поток устремляется в смеситель, на выходе из которого, в конечном итоге, эжектируемый и эжектирующий потоки смешиваются с выравниванием параметров по выходу из смесителя.
Именно энергия потока на выходе из смесителя и определяет величину тяги, поскольку тяга прямо пропорциональна скорости истечения и величине расхода потока на выходе из сопла R~Wc⋅Gc, которые в свою очередь, определяются перепадом полного давления. Таким образом, чем выше уровень полного давления за смесителем, тем выше скорость истечения потока на выходе из сопла и тем выше уровень тяги двигателя.
Поэтому соотношение площадей 
является оптимальным соотношением, при котором достигается максимальная тяга двигателя. В этом случае, с одной стороны, скорости истечения из наружного и внутреннего контуров, потери по внутреннему контуру находятся в оптимальной точке, когда полное давление смешения становится максимальным, статическое давление падает и эжектирующая способность внутреннего контура повышается (повышается расход воздуха через внутренний контур) и тяга двигателя возрастает, а с другой стороны, при таком соотношении площадей и наружный и внутренний контуры реагируют на регулирование площади критического сечения сопла при отсутствии запирания одного из контуров.
Следует отметить, что суммарно эти две площади образуют минимальное сечение в области смешения потоков в смесителе, так называемую «талию», поскольку перед этим сечением площадь наружного контура должна быть больше, чтобы не увеличивать потери по наружному контуру, а за этим сечением площадь должна быть больше, поскольку необходимо снизить скорость газовоздушного потока для нормальной работы форсажной камеры.
В случае уменьшения отношения площадей, когда 
либо увеличивается диффузорность внутреннего контура, при которой повышаются потери полного давления потока за турбиной, что приводит к снижению энергетического потенциала эжектирующего газа, а также увеличение степени диффузорности способствует образованию зон отрыва, обратных течений, что на форсированных режимах может спровоцировать пульсационное горение.
либо происходит уменьшение эжектируемой площади наружного контура настолько, что с одной стороны, возникает опасность уменьшения запасов газодинамической устойчивости компрессора низкого давления и, как следствие, возникновение помпажа, а, с другой стороны, компрессор низкого давления не реагирует на регулирование критическим сечением сопла, т.е. находится в области запирания. При этом тяга двигателя падает.
В случае увеличения отношения площадей, когда 
либо увеличивается выходная площадь НК, что приводит к диффузорности выходного участка НК (а он должен быть конфузорным) и как следствие возникновение зон отрыва и повышение потерь энергии.
либо уменьшается площадь внутреннего контура, что может привести к тому, что внутренний контур не будет реагировать на регулирование критическим сечением сопла.
Сущность изобретения поясняется представленными чертежами:
На фиг. 1 - продольный разрез двухконтурного турбореактивного двигателя.
На фиг. 2 - сечение смесителя.
Двухконтурный турбореактивный двигатель содержит компрессор низкого давления 1, компрессор высокого давления 2, камеру сгорания 3, турбину высокого давления 4 и турбину низкого давления 5, канал наружного контура 6, канал внутреннего контура 7, смеситель 8, общие для обоих контуров 6 и 7 форсажную камеру 9 и сопло 10.
Смеситель 8 установлен за турбиной низкого давления 5 и выполнен в виде чередующихся по периметру каналов 11, образующих выходную полость наружного контура 12 и выходную полость внутреннего контура 13. При этом выходная полость наружного контура 12 сообщена с каналом наружного контура 6, а выходная полость внутреннего контура 13 сообщена с каналом внутреннего контура 7.
Двигатель работает следующим образом:
При работе двигателя на стационарном режиме при наличии смесителя 8 с оптимальным соотношением площадей 
к нему приходят два потока: поток воздуха из канала наружного контура 6 (эжектируемый поток) и газ из канала внутреннего контура 7 (эжектирующий поток), который энергетически значительно превосходит поток из канала наружного контура 6. Выполняется основное свойство эжекции, когда эжектирующий поток направляется в выходную полость внутреннего контура 13, создавая статическое давление, которое ниже полного давления эжектируемого потока. Под действием разности давлений эжектируемый поток устремляется в выходную полость наружного контура 12, далее эти потоки смешиваются и направляются в общие для обоих контуров форсажную камеру 9 и сопло 10. Причем эжектирующий поток в силу своего превосходства в уровне энергии, формирует при смешении поток себе подобный (с более высоким полным давлением). Таким образом, полное давление смешения потоков возрастает, увеличивая перепад давлений на сопле 10, и, следовательно, увеличивается скорость истечения газа и, как следствие, повышается тяга двигателя в целом.
Применение данного изобретения позволяет при сохранении конструкции и параметров основных узлов двигателя, используя оптимальное соотношение площадей выходных сечений смесителя, уменьшить потери полного давления при смешении потоков, что, в свою очередь, увеличивает степень расширения сопла, а, следовательно, и скорость истечения потока из сопла и тягу двигателя. Это приводит к возможности выхода двигателя на более высокие потребные режимы без значительной добавки топлива, что повышает его экономичность. А также позволяет увеличить скорость полета самолета, его тяговооруженность, что для некоторых типов самолетов является определяющим фактором.
Двухконтурный турбореактивный двигатель, содержащий вентилятор, компрессор высокого давления, камеру сгорания, турбину высокого давления и турбину низкого давления, канал наружного контура, канал внутреннего контура, смеситель и общие для обоих контуров форсажную камеру и сопло, отличающийся тем, что смеситель выполнен в виде чередующихся по периметру каналов, образующих выходную полость наружного контура и выходную полость внутреннего контура, установлен за турбиной низкого давления, при этом выходная полость наружного контура сообщена с каналом наружного контура, а выходная полость внутреннего контура сообщена с каналом внутреннего контура, причем отношение их площадей в поперечной плоскости равно:
где FвыхНК - площадь выходной полости наружного контура;
FвыхВК - площадь выходной полости внутреннего контура.
