Результат интеллектуальной деятельности: ШУМОГЛУШАЩЕЕ СОПЛО ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)

Изобретения относятся к области авиации, в частности к соплам воздушно-реактивных двигателей летательных аппаратов с устройствами для снижения шума.

Одним из основных требований к двигателям гражданских самолетов является низкий уровень шума на взлете и посадке. Снижение шума особенно актуально для сверхзвуковых пассажирских самолетов (СПС), для которых шум на местности определяется шумом струй двигателей.

Известно сопло для СПС со сниженным уровнем шума за счет протока внешнего воздуха на режиме взлета через полые пилоны. При этом сверхзвуковая часть сопла выполняет функцию эжектора. На режиме крейсерского сверхзвукового полета пилоны убираются, сверхзвуковая часть сопла формируется створками, расположенными на внутренней поверхности эжектора (AIAA Paper N 80-0165, 1980 г. Flight and wind tunnel test results of a mechanical jet noise suppressor nozzle. R.D.FitzSimmons, R.A.McKinnon and E.S.Johnson Douglas Aircraft Company McDonnell Douglas Corporation and J.R.Brooks Rolls-Royce, Limited). Исследования этого сопла показали, что при снижении шума на взлете и посадке на 16 EPNdB потери тяги составляют 5-6%. При этом конструкция сопла получается сложной, с тремя группами подвижных элементов (дозвуковые створки, регулирующие критическое сечение, убираемые пилоны, сверхзвуковые створки) и, как следствие этого, имеет большой вес.

Известно сопло для СПС, содержащее осесимметричное сужающееся сопло и эжектор (патент Великобритании №1207194 «United Aircraft Corp.», МПК B64D 330/06, 1967 г.). При высоких тяговых характеристиках этого сопла снижение шума незначительно, т.к. в коротком эжекторе без разбиения основной струи на ряд мелких невозможно обеспечить коэффициент эжекции достаточным для существенного снижения скорости истекающей струи и соответственно шума.

Известно сопло со сниженным уровнем шума, содержащее обечайку и центральное тело, между которыми расположены полые пилоны, разделяющие основной канал сопла на ряд каналов, а также эжектор, причем каждый пилон снабжен двумя панелями, подвижно соединенными с пилоном вдоль кромок, и механизмом поворота панелей (патент США №2940252, МПК F02K 1/26, 1960). Недостатком этого сопла является то, что крепление панелей к кромкам пилонов удлиняет внутренний канал сопла на длину панелей вдоль оси сопла, что уменьшает длину смешения внутреннего потока и внешнего воздуха в эжекторе и соответственно уменьшает уровень снижения шума. Кроме того, сверхзвуковая часть сопла формируется одной панелью, что не позволяет оптимальным образом регулировать сопло в широком диапазоне режимов полета и приводит к дополнительным потерям тяги.

Известно шумоглушащее сопло воздушно-реактивного двигателя, содержащее эжектор, обечайку и центральное тело, между которыми расположены полые пилоны, разделяющие основной канал сопла на ряд секторов, и пары панелей, подвижно соединенных с пилоном вдоль кромок, и механизмами поворота, предназначенными для изменения формы секторов между пилонами. Особенность сопла состоит в том, что оно снабжено дополнительно несколькими панелями, подвижно соединенными между собой и установленными за каждым пилоном (патент РФ №2092708, МПК F02K 1/34, 1993). Недостатком этого сопла является сложность конструкции.

Известно шумоглушащее сопло воздушно-реактивного двигателя, содержащее обечайку, гофрированное сопло, периферийные каналы, эжектор (патент США №3749316 «Sound Suppressing Thrust Augmenting Apparatus», МПК B64D 33/06; F01N 1/14; F01N 1/16; 1972). Недостатками сопла являются его нерегулируемость, неприменимость на сверхзвуковых самолетах.

Известно плоское эжекторное сопло для воздушно-реактивного двигателя, содержащее обечайку, внутреннее гофрированное сопло, эжектор, перегородки в эжекторе, которые изготовлены из звукопоглощающего материала (Великобритания, заявка №1345786, Ejectors; jet propulsion nozzles BERTIN & CIE, 1971). Недостатками сопла являются его нерегулируемость, неприменимость на сверхзвуковых самолетах.

Известно сопло, содержащее обечайку, сужающийся канал, гофры, подвижно соединенные с сужающимся каналом, воздухозаборники эжектора, сверхзвуковые панели сопла, внешние панели сопла и боковые стенки сопла (Jet mixing characteristics for a supersonic ejector. T.Oishi, T.Watanabe, Y.Udagawa, Y.Nacamura, IHI Aero-Engine & Space Operations, Tokyo, Japan, 6^th International Conference on LASER ANEMOMETRY, August 13-18, 1995. The Westin Resort, Hilton Head Island, South Carolina, USA). Недостатком этого сопла является то, что наличие одного комплекта гофров не позволяет полностью перемешать струю сопла с внешним потоком в эжекторе. Снижение шума при этом составляет около 10 EPNdb (AIAA N 96-1668. 2^nd AIAA/CEAS AeroAcoustics Conference May 6-8, 1996/State College, PA. An experimental study of 2-d mixer-ejector noise and thrust characteristics. S.Ju.Krasheninnikov, A.K.Mironov CIAM, Moscow, Russia, E.V.Paulukov, V.K.Zitenev TsAGI, Zukovskiy, Russia, J.Julliard, E.Maingre SNECMA Villaroche, Moissy Cramayel, France).

Известно плоское шумоглушащее сопло воздушно-реактивного двигателя (Патент РФ №2153091, МПК F02K 1/46, 2000 г.). Сопло состоит из обечайки, сужающегося канала, гофр, эжектора, сверхзвуковых панелей, воздухозаборников. Сопло снабжено дополнительными каналами, соединяющими внутреннюю полость сужающегося канала сопла с эжектором. Дополнительные каналы снабжены клапанами, перекрывающими проток газа на режимах полета без шумоглушения. Выступы гофр обращены к внешней стороне сопла и располагаются между дополнительными каналами, а проток эжектора разделен на части сверхзвуковыми панелями. Такая конструкция сопла позволяет снизить уровень шума на взлетном режиме. Недостатком сопла является сложность конструкции.

Задачей изобретений является снижение уровня шума струи двигателя на режимах взлета и посадки.

Предлагаются три варианта сопл с шумоглушением.

В первом и втором вариантах устройства за прототип выбраны плоское и осесимметричное шумоглушащие шевронные сопла воздушно-реактивного двигателя (Патент США №6360528, Chevron exhaust nozzle for a gas turbine engine, General Electric Co, 2002), которые включают в себя канал для протекания газовой реактивной струи. Ряд смежных шевронов, расположенных на срезе сопла, ограничивает выхлопное отверстие. Наличие шевронов на срезе сопл приводит к уменьшению шума струи за счет изменения структуры турбулентности в слое смешения струи с внешним потоком. Если шевроны расположены под небольшим углом к струе, то они не приводят к увеличению потерь тяги в сопле. Недостатком прототипа является недостаточное воздействие шевронов на струю, а при увеличении угла установки шеврона к струе возрастают потери тяги в сопле.

В первом варианте устройства решение поставленной задачи и технический результат достигают тем, что в сужающемся плоском сопле воздушно-реактивного двигателя с вырезами на обечайке канал сопла в области критического сечения сопла разделен перегородками на ряд малых сопл, кромки верхних обечаек которых смещены относительно соответствующих кромок нижних обечаек либо вперед, либо назад вдоль оси канала сопла, причем у соседних малых сопл имеет место чередование направления смещения кромок верхних и нижних обечаек. Это приводит к тому, что вектора скорости истечения из соседних малых сопл направлены под углом друг к другу.

На фиг.1 показано плоское сопло с шумоглушением (1-й вариант устройства).

На фиг.2 показан продольный разрез плоского шумоглушащего сопла в сечении А-А.

На фиг.3 показан продольный разрез плоского шумоглушащего сопла в сечении Б-Б.

На фиг.4 показан угол между направлениями векторов скорости потоков в соседних малых соплах.

На фиг.5 показан вид справа плоского шумоглушащего сопла.

На фиг.6 показан вид сверху плоского шумоглушащего сопла.

Плоское шумоглушащее сопло в первом варианте устройства (фиг.1-3) состоит из обечайки 1, перегородок 2, расположенных в окрестности критического сечения, и боковых стенок сопла 3.

Сопло работает следующим образом. Поток газа протекает по каналу сопла. На выходе из сопла газ разделяется перегородками 2 на ряд потоков. Наличие выреза 4 на обечайке 1 приводит к наклону среза сопла 5 и отклонению вектора скорости потока. В соседних каналах вектора скорости потоков и направлены под углом ϕ друг к другу за счет чередования вырезов на обечайке (фиг.2-4). Различное направление скоростей потоков газа на выходе из сопла приводит к снижению шума реактивной струи. Глубину вырезов и количество перегородок можно оптимизировать для каждого отдельного конструктивного применения.

Во втором варианте устройства, реализующем предложенный способ, решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что канал сужающегося осесимметричного сопла воздушно-реактивного двигателя с вырезами на обечайке в области критического сечения разделен пилонами, направленными от обечайки к оси канала сопла и не доходящими до противоположной стенки сопла, на сектора, а кромки обечаек между пилонами соседних секторов смещены относительно друг друга либо вперед, либо назад вдоль оси канала сопла, причем имеет место чередование направления смещения кромок обечаек соседних секторов.

На фиг.7 показан продольный разрез «секторного» сопла с шумоглушением (2-й вариант устройства) в сечении В-В.

На фиг.8 показан вид справа «секторного» сопла с шумоглушением.

На фиг.9-10 представлены виды Г и Д продольного разреза сопла, показывающие различное направление вектора скорости в соседних секторах сопла.

На фиг.11 показано совмещение видов Г и Д и угол между направлениями векторов скорости потоков в соседних секторах сопла.

На фиг.12 приведена фотография модели «секторного» суживающегося сопла с шумоглушением.

На фиг.13-15 приведены результаты экспериментальных исследований тяговых и акустических характеристик «секторного» сопла с шумоглушением.

«Секторное» сопло во втором варианте устройства состоит из обечайки 1 и пилонов 2 (фиг.7-11). Количество пилонов и их конфигурация могут быть различными. На фиг.7-12 изображено «секторное» сопло с 12 пилонами.

Сопло работает следующим образом. Поток газа протекает по каналу сопла. На выходе из сопла газ разделяется пилонами 2 на зоны с более мелкими струями, в которых вектора скорости соседних струй направлены под углом друг к другу. Вырез 4 кромки обечайки 1 на «четных» секторах вверх по потоку, относительно кромки (без выреза) 6 обечайки 1 на «нечетных» секторах, приводит к наклону среза сопла 5 и отклоняет часть струи от оси сопла (фиг.9-10). На фиг.11 показан угол ϕ между направлениями векторов скорости потоков и в соседних секторах сопла. Созданное таким образом различное направление скорости струи на срезе сопла приводит к снижению шума реактивной струи без заметных потерь тяги сопла.

Как показали экспериментальные исследования тяговых характеристик «секторного» сопла в ЦАГИ, потери тяги в таком сопле находятся на уровне потерь тяги в эталонных осесимметричных соплах (фиг.13), а эффективность снижения шума возрастает с увеличением перепада давления на срезе сопла. Наибольшая эффективность достигает 1-3 дБ в области максимума спектра шума (фиг.14-15).

В третьем варианте устройства за прототип выбрано осесимметричное сопло с центральным телом со сниженным уровнем шума, содержащее обечайку, центральное тело с расположенными вокруг него полыми пилонами, через которые проходит внешний воздух (Thrust performance of isolate d plug nozzles with two tipes of 40-spoke noise suppressor at mach numbers from 0 to 0.45. by D.E.Harrington and J.J.Scbloemer, NASA TM X-2951, 1974). В сопле основная газовая реактивная струя разделяется с помощью полых пилонов, через которые проходит внешний воздух, на ряд струй меньшего размера. Недостатком этого сопла является то, что при разделении основной струи с помощью полых пилонов мелкие струи располагаются на некотором расстоянии друг от друга. При этом наличие донной области приводит к тому, что потери тяги сопла на режимах полета с шумоглушением увеличиваются до 16% идеальной тяги сопла.

В третьем варианте устройства решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что на срезе осесимметричного сопла воздушно-реактивного двигателя, содержащего обечайку и центральное тело, установлены пилоны, разделяющие канал сопла на ряд малых каналов, причем толщина пилонов составляет не более 0,2L_p, где L_p - максимальное расстояние между пилонами, а на поверхности центрального тела через один малый канал расположены отклоняемые створки длиной не менее L_c=0.2H_* (Н_* - высота критического сечения сопла), с углом отклонения от поверхности центрального тела в диапазоне от 0 до 30°, причем передний край створок шарнирно прикреплен к центральному телу в окрестности критического сечения сопла.

На фиг.16 показан продольный разрез «секторного» шумоглушащего сопла с центральным телом (третий вариант устройства) с положением подвижных деталей на режиме взлета с шумоглушением в сечении Е-Е.

На фиг.17 показан вид справа «секторного» шумоглушащего сопла с центральным телом.

На фиг.18 показан продольный разрез «секторного» шумоглушащего сопла с центральным телом с положением подвижных деталей на режиме полета без шумоглушения в сечении Е-Е.

На фиг.19 показан продольный разрез части «секторного» шумоглушащего сопла с центральным телом в области критического сечения в М 2:1.

На фиг.20 показана общая схема механизмов перемещения створок внутрь центрального тела.

На фиг.21 приведена фотография модели «секторного» шумоглушащего сопла с центральным телом.

На фиг.22 приведена фотография сменных деталей модели «секторного» шумоглушащего сопла с центральным телом с различными выступами. (В экспериментальных исследованиях створки имитировались выступами).

На фиг.23 показана схема течения в «секторном» шумоглушащем сопле с центральным телом.

На фиг.24-27 представлены результаты экспериментальных исследований тяговых и аккустических характеристик «секторного» шумоглушащего сопла с центральным телом.

Осесимметричное «секторное» шумоглушащее сопло с центральным телом в третьем варианте устройства (фиг.16) состоит из обечайки 1, центрального тела 7 со створками 8 и пилонов 2, расположенных между центральным телом 7 и обечайкой 1. Конфигурация и размеры створок могут быть различными (фиг.22) и могут оптимизироваться для каждого отдельного конструктивного применения. Количество пилонов также может быть различным. Перемещение створов 8 осуществляется силовой системой, состоящей из гидравлических цилиндров 9 и системы рычагов 10 (фиг.20).

Сопло работает следующим образом. На режиме взлета поток газа от двигателя разделяется пилонами 2 на ряд потоков в малых соплах (в данной модели сопла их было 18). Створки 8 на центральном теле 7, установленные через одно малое сопло, приводят к отклонению вектора скорости потока в малых соплах (секторах) со створками. На фиг.23 показана схема течения в «секторном» сопле с центральным телом и угол ϕ между направлениями векторов скорости потоков и в соседних секторах (со створками и без створок). В рассматриваемой схеме угол между направлениями векторов скорости в соседних секторах составляет ˜20°. На режиме полета без шумоглушения механизмы перемещения убирают створки 8 внутрь центрального тела 7 (фиг.18). Такая перестройка приводит к уменьшению потерь тяги сопла.

Механизмы перемещения створок аналогичны известным механизмам регулирования сопл и других створчатых конструкций современных летательных аппаратов.

В ЦАГИ проведены исследования тяговых и аккустических характеристик «секторных» сопл с шумоглушением. В экспериментальных исследованиях отклоняемые створки имитировались выступами, установленными на центральном теле. Как показали исследования «секторного» шумоглушащего сопла с центральным телом, потери тяги без внешнего потока сопла без выступов составили около 3% идеальной тяги сопла в диапазоне располагаемой степени понижения давления в сопле π_c=1.8-3.5, π_с=Р_ОС/Р_Н, где Р_ОС - полное давление газа на входе в сопло, Р_Н - атмосферное давление. Наличие выступов разных размеров приводит к увеличению потерь тяги на 0.5-2% (фиг.24-25). Наличие выступов приводит к уменьшению шума струи. Эффективность снижения шума возрастает с ростом перепада давления, наибольшее снижение в области максимума спектра струи 6-8 дБ, при этом подавляются дискретные составляющие шума (фиг.26-27).