RU218631U1 - Устройство для увеличения тяги выходного устройства воздушно-реактивного двигателя - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно к конструкциям воздушно-реактивных двигателей (ВРД) с источниками возбуждения пульсаций (резонатарами), использующими спиновое (по спирали) присоединение массы в пульсирующем течении газовой струи для повышения тяги выходного устройства. Техническим результатом, на который направлена полезная модель, является увеличение тягового импульса спинового присоединения массы в пульсирующем течении газовой струи независимо от размеров выходного устройства. Технический результат достигается тем, что в устройстве для увеличения тяги выходного устройства воздушно-реактивного двигателя, содержащем источник возбуждения пульсаций, отличающемся тем,что в качестве источника возбуждения пульсаций используют рабочее колесо последней ступени турбины, не менее половины лопаток которого выполнены со срезанной выходной кромкой, при этом величина подрезки пера лопатки вдоль средней линии составляет не более 0,06 от величины хорды, и расположены подрезанные и неподрезанные лопатки в диске, чередуясь через одну.

Description

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно к конструкциям воздушно-реактивных двигателей (ВРД) с источниками возбуждения пульсаций (резонатарами), использующими спиновое (по спирали) присоединение массы в пульсирующем течении газовой струи для повышения тяги выходного устройства.

В настоящее время на рабочих колёсах газовых турбин ГТД реализуется невысокий околозвуковой перепад давлений. Увеличение перепада ограничивается ростом потерь, которые относят к турбине. В ТРДД для повышения тяговой эффективности используется присоединение массы во втором контуре, КПД которого в системе: турбина низкого давления – вентилятор составляет 0.72-0,75. При этом в рабочем процессе вихреобразование распространяется на весь поток и поэтому вызывает значительные потери.

Известен эжекторный пульсирующий воздушно реактивный двигатель (ПВРД), в котором имеется жидкостно-ракетный двигатель (ЖРД), создающий высоконапорную струю продуктов сгорания топлива. (патент США № 5205119, опубл. 27.04.93).

Высоконапорная струя истекает из сопла ЖРД в камеру ПВРД. На стенках раструба плоского сопла ЖРД имеются отверстия для подачи управляющих высоконапорных струй вторичного газа в основной поток (по нормали). С помощью периодического автоматического переключения подачи вторичного газа через противоположные отверстия в стенках сопла происходит чередующийся отрыв основного потока от соответствующей стенки сопла. Это вызывает пульсирующие перемещения высоконапорной струи из сопла ЖРД в поперечном направлении в камере ПВРД. Эжектирующее действие высоконапорной струи обеспечивает подачу атмосферного воздуха в ПВРД на старте. Сжатие воздуха осуществляется не только за счет смешения двух потоков, но и за счет поршневого эффекта колеблющейся основной высоконапорной струи. Это обеспечивает повышение КПД ПВРД.

При взаимодействии выбрасываемой массы газа (при взрыве, детонации) с атмосферой происходит колебательный, пульсирующий процесс, в определенные моменты которого газ движется обратно к источнику (Баум Ф.А., Орленко Л.П., Станюкович К.П., Шехтер Б.И. Физика взрыва. – М.: Наука, 1975). Этот отработанный газ может стать присоединенной массой для следующего цикла. При скважности рабочих пульсаций, близкой к нулю, уже в процессе истечения возможно использование части цикловой массы отработанной струи газа (её «хвоста», имеющего меньшую скорость, чем фронт) в качестве присоединённой массы.

Недостатком известного эжекторного ПВРД является наличие дополнительных потерь в основной струе и сложность механизма обратной связи.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для увеличения тяги выходного устройства двухконтурного воздушно-рекативный двигателя, содержащее источник возбуждения пульсаций, выполненный в виде полусферической полости в торце центрального тела (описание к патенту на полезную модель № 169274, МПК F02K 7/10, опубл. 13.03.2017. Бюл. №8).

Первый контур выходного устройства, через который истекают продукты сгорания, образован внутренней и наружной обечайками первого контура. Второй контур выходного устройства образован внутренней и наружной обечайками второго контура. Оба газовых потока смешиваются до среза сопла. Смесь газов истекает через критическое сечение сопла под углом, который определяется контурами внутренней и наружной обечаек сопла. Смесь газов, пройдя через критическое сечение, образует смыкающуюся за срезом сопла струю. В области смыкания струи повышается статическое давление, что приводит к возникновению спиновых возмущений, распространяющихся в зону пониженного давления к торцу центрального тела, выполненного в виде полусферической полости – источника возбуждения пульсаций (резонатора). В пульсирующем потоке проявляются эффекты присоединения массы, увеличивающие тягу выходного устройства. Эффект увеличения тяги (~7%) и методика расчёта подтверждены в составе двигателя с сохранением массогабаритных характеристик (Богданов В.И., Кузнецов С.П., Куфтырев Д.В., Ханталин Д.С. Методика расчёта сопла с резонатором – усилителем тяги и эксперимент в составе малоразмерного ГТД. Вестник РГАТУ им. П.А. Соловьёва. Рыбинск. 2021. №3 (58).

Выходные устройства ВРД с таким источником возбуждения пульсаций могут обеспечивать значительное увеличение тяги двигателя при определенном их размере за счет спинового присоединения массы газа в пульсирующем рабочем процессе.

Однако по сравнению с традиционными соплами они имеют повышенное внешнее сопротивление, значительные потери на вихреобразование и большие габариты источника возбуждения пульсаций (резонатора). С увеличением габаритов газодинамического источника возбуждения пульсаций оптимальная частота пульсаций рабочего газа падает, соответственно снижается и эффект прироста тяги.

Недостаток известного устройства заключается в потерях на вихреобразование, а при обеспечении приемлемых авиационных габаритно-массовых характеристик снижается эффективность увеличения тяги.

Технической задачей полезной модели является усовершенствование конструкции устройства для увеличения тяги выходного устройства воздушно-реактивного двигателя за счет использования эффекта спинового присоединения массы в пульсирующем течении газовой струи, путем создания источника возбуждения пульсаций (резонатора), который задавал бы оптимальную частоту рабочих пульсаций независимо от размерности выходного устройства.

Техническим результатом, на который направлена полезная модель, является увеличение тягового импульса спинового присоединения массы в пульсирующем течении газовой струи независимо от размеров выходного устройства за счёт снижения потерь на вихреобразование за турбиной и обеспечения оптимальной частоты рабочих пульсаций независимо от размеров выходного устройства путем использования в качестве источника возбуждения пульсаций – рабочего колеса последней ступени турбины с лопатками, подрезанными вдоль выходной кромки пера не более, чем на 6% от величины хорды и с расстановкой подрезанных и неподрезанных лопаток в рабочем колесе через одну.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для увеличения тяги выходного устройства воздушно-реактивного двигателя, содержащем источник возбуждения пульсаций, в отличие от известного, в качестве источника возбуждения пульсаций используют рабочее колесо последней ступени турбины, не менее половины лопаток которого выполнены со срезанной выходной кромкой, при этом величина подрезки пера лопатки вдоль средней линии составляет не более 0,06 от величины хорды, и расположены подрезанные и неподрезанные лопатки в диске, чередуясь через одну.

Полезная модель поясняется чертежами, на которых изображены:

фиг.1 – устройство для увеличения тяги выходного устройства воздушно-реактивного двигателя;

фиг. 2 – схема подрезаня рабочей лопатки;

фиг.3 – рабочая лопатка без подрезки и сподрезкой подрезка пера

фиг.4 – схема расположения лопаток в рабочем колесе;

фиг.5 – распределение осевой скорости потока в межлопаточном канале рабочей лопатки для исходной (а) и подрезанной лопатки (б).

фиг.6 – изменение осевой скорости потока за выходной кромкой рабочей лопатки вдоль линии l на фиг. 5.

фиг.7 – теоретическая модель присоединения масс газа и результат вычислительного эксперимента.

Устройство для увеличения тяги выходного устройства воздушно-реактивного двигателя (фиг.1) содержит турбину 1, выходное 2 устройство и источник возбуждения пульсаций, в качестве которого используют рабочее колесо последней ступени турбины 1, которое содержит рабочие лопатки 3 (фиг.2). Часть (не менее половины) лопаток выполнена с подрезкой выходной кромки 4 пера лопатки вдоль средней линии 5. При этом подрезка выходной кромки 4 пера лопатки составляет не более 6% от величины хорды 6 (фиг. 3) из-за роста потерь кинетической энергии в них и снижением КПД турбины, связанных с увеличением толщины выходной кромки 4 у подрезанных лопаток и появлением отрывных течений в канале. Подрезанные (п) и неподрезанные лопатки (н/п) установлены в рабочем колесе последней ступени турбины, чередуясь через одну (фиг. 4).

Устройство для увеличения тяги выходного устройства воздушно-реактивного двигате работает следующим образом.

За счёт перепада давлений, возникающего в межлопаточных струях газа за задними кромками рабочих лопаток происходит усиление волновых возмущений в турбине со специально спрофилированными рабочими лопатками. Подрезанные рабочие лопатки 3 из-за увеличения толщины кромки становятся источником возбуждения пульсаций параметров течения, т.к. на их кромке 4 из-за уменьшения хорды 6 формируются отрывные течения. Это приводит к возникновению в выходном устройстве 2 пульсирующего потока, в котором появляются эффекты спинового присоединения массы, т.к. каждая струя в сечении имеет фронт, взаимодействующий с концевой частью соседней струи, которая становится присоединенной массой, увеличивающей тягу выходного устройства. Изменяя количество подрезанных рабочих лопаток, можно задавать оптимальную частоту рабочих пульсаций, обеспечивая максимальный эффект увеличения тяги.

Подрезка выходной кромки пера лопатки вдоль средней линии влияет на конфигурацию осевой скорости потока газа. На фиг.5 представлено распределение осевой скорости в межлопаточном канале рабочей лопатки в двух случаях: для исходной (а) и подрезанной лопатки (б). Из рисунка видно, что в области выходной кромки у подрезанной лопатки образуется зона отрывных течений. Также на фиг.5 показана линия l, вдоль которой на фиг.6 построено распределение осевой скорости.

На фиг.6 представлено изменение осевой скорости потока за выходной кромкой рабочей лопатки вдоль линии l фиг. 5. Из фиг.6 видно, что в следе за выходной кромкой подрезанной рабочей лопатки, осевая скорость приблизительно в 2 раза ниже, чем в следе за выходной кромкой неподрезанной рабочей лопатки, за счет чего и создаются пульсации рабочего тела.

При этом, благодаря послойному течению, вихреобразование (потери) будет значительно меньше, чем в сопле – резонаторе (прототипе).

Очевидно, что в рабочем процессе вихреобразование распространяется на весь поток и поэтому вызывает значительные потери. В предложенной конструкции благодаря послойному течению вихреобразование возникает только в закромочной области рабочих лопаток, которая занимает меньше 10% от площади сечения потока, что приводит к снижению потерь.

На фиг. 7 приведены результаты расчетных исследований, поясняющие эффект увеличения тяги за счет присоединения массы газа в пульсирующем сопле.

В экспериментах по увеличению тяги в пульсирующем течении за счёт взаимодействия масс получен КПД на уровне 0,72 (Богданов В.И. Взаимодействие масс в рабочем процессе пульсирующих реактивных двигателей как средство повышения их тяговой эффективности // ИФЖ.-2006.-Т.79.-№3.-C.85-90), что соответствует КПД обычных ГТД.

Использование предлагаемого устройства при сохранении массогабаритных характеристик позволит за счет присоединения массы газа в пульсирующем процессе получить увеличение эффективной тяги выходного устройства примерно на 10%. При этом турбина в предлагаемой конструкции кроме основной выполняет функцию резонатора для организации процесса присоединения массы.

Предлагаемое устройство целесообразно использовать не только в новых разработках, но и как модернизацию серийных ГТД. Например, при использовании предлагаемого устройства при модернизации ГТД третьего поколения возможно получение характеристик, соответствующих пятому поколению.

Claims (1)

1. Устройство для увеличения тяги выходного устройства воздушно-реактивного двигателя, содержащее турбину и источник возбуждения пульсаций, отличающееся тем, что в качестве источника возбуждения пульсаций используют рабочее колесо последней ступени турбины, не менее половины лопаток которого выполнены со срезанной выходной кромкой, при этом величина подрезки пера лопатки вдоль средней линии составляет не более 0,06 от величины хорды, и расположены подрезанные и неподрезанные лопатки в диске, чередуясь через одну.

Images