RU2265130C1

RU2265130C1 - Mixer of bypass turbojet engine

Info

Publication number: RU2265130C1
Application number: RU2004111778/06A
Authority: RU
Inventors: Н.В. Кирсанов (RU); Н.В. Кирсанов; Р.К. Тагиров (RU); Р.К. Тагиров
Priority date: 2004-04-20
Filing date: 2004-04-20
Publication date: 2005-11-27
Also published as: RU2004111778A

Abstract

FIELD: aircraft engineering.

SUBSTANCE: invention relates to device aimed at reduction of noise of gas-turbine engines. Proposed mixer of bypass turbojet engine contains nozzle, shroud and channels to pass gas and air of inner and outer loops located after shroud. Output edges of shroud are made in form of herringbones. Channels are formed by herringbones and two rows of alternating partitions, some of which being flat arranged in planes passing through axis of engine, and others are bent. Output edges of bent partitions lie in plane of flat partitions lower than flat partitions in direction of gas flow. Channel to pass air of outer loop is formed by herringbones, partitions and inner surface of nozzle. Channel to pass gas is formed by herringbones and partitions. Invention provides reduction of noise of bypass turbojet engine owing to multiple reflection of sound waves from mixer members and inner surface of nozzle and intensification of mixing of flows of inner and outer loops of engine.

EFFECT: reduced noises.

2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к устройствам для снижения шума газотурбинных двигателей.The invention relates to the field of aircraft engine production, and in particular to devices for reducing the noise of gas turbine engines.

Низкий уровень шума турбореактивных двигателей на режиме взлета и посадки является важным требованием, предъявляемым к современным пассажирским самолетам. Допустимый уровень шума ограничен международными нормами по шуму, которые регулярно пересматриваются в сторону ужесточения. Одним из важных источников шума в двигателе является турбина внутреннего контура, в которой шум генерируется при взаимодействии газа с лопатками и другими элементами конструкции.The low noise level of turbojet engines during takeoff and landing is an important requirement for modern passenger aircraft. The permissible noise level is limited by international noise standards, which are regularly reviewed in the direction of tightening. One of the important sources of noise in an engine is an internal circuit turbine, in which noise is generated when gas interacts with blades and other structural elements.

Применяемые в двухконтурных турбореактивных двигателях смесители, предназначенные для интенсификации смешения газа и воздуха внутреннего и наружного контуров, частично экранируют турбину со стороны сопла. При этом смеситель отражает часть звуковых волн на внутреннюю поверхность проточной части двигателя и сопла. В результате многократных отражений звуковой волны от этих поверхностей происходит некоторое ослабление шума двигателя.Mixers used in double-circuit turbojet engines designed to intensify the mixing of gas and air of the internal and external circuits partially shield the turbine from the nozzle side. The mixer reflects part of the sound waves on the inner surface of the flowing part of the engine and nozzle. As a result of repeated reflections of the sound wave from these surfaces, some attenuation of the engine noise occurs.

Известен смеситель двухконтурного турбореактивного двигателя, рекламный проспект "ПС - 90А - 154 самолета Ту - 154М2", 2003 г., стр.1-2, который состоит из обечайки и лепестков, расположенных равномерно по окружности.A well-known double-circuit turbojet engine mixer, a brochure "PS - 90A - 154 of the Tu - 154M2 aircraft", 2003, p. 1-2, which consists of a shell and petals located uniformly around the circumference.

Недостатком данного технического решения является то, что происходит лишь частичное экранирование турбины внутреннего контура и незначительное снижение исходящего от нее шума.The disadvantage of this technical solution is that there is only a partial screening of the turbine of the internal circuit and a slight decrease in the noise emanating from it.

Известен смеситель с двойными лепестками, предназначенный для уменьшения шума струй двухконтурных турбореактивных двигателей, патент ЕР 0761956 В1 от 09.09.96 г., который снижает шум за счет более активного, чем при применении традиционных смесителей, выравнивания полей температур и скоростей потоков внутреннего и наружного контуров двигателя, так как интенсивность шума, генерируемого газовыми потоками, снижается при уменьшении разности температур и скоростей смешиваемых потоков. Интенсификация смешения достигается в этом смесителе за счет применения двойных лепестков вместо обычных одинарных, что улучшает смешение потоков из-за увеличения поверхностей смешения.Known mixer with double petals, designed to reduce the noise of the jets of turbofan engines, patent EP 0761956 B1 from 09.09.96, which reduces noise due to more active than when using traditional mixers, alignment of temperature fields and flow rates of internal and external circuits engine, since the intensity of the noise generated by the gas flows decreases with decreasing temperature difference and the speeds of the mixed flows. Intensification of mixing is achieved in this mixer through the use of double lobes instead of the usual single, which improves the mixing of flows due to the increase in mixing surfaces.

Недостатком данного технического решения является то, что смеситель с двойными лепестками так же, как смесители традиционной формы, не обеспечивают эффективного экранирования шума, генерируемого турбиной, поэтому звуковые волны выходят из двигателя не ослабленными многократными отражениями от внутренних поверхностей проточной части двигателя.The disadvantage of this technical solution is that the double-lobe mixer, like the traditional-shaped mixers, does not provide effective shielding of the noise generated by the turbine, therefore sound waves exit the engine not attenuated by multiple reflections from the internal surfaces of the engine flow part.

Технической задачей заявляемого технического решения является снижение шума двухконтурного турбореактивного двигателя.The technical task of the proposed technical solution is to reduce the noise of a dual-circuit turbojet engine.

Технический результат достигается в заявляемом смесителе двухконтурного турбореактивного двигателя (ТРДД) путем полного экранирования турбины и ослабления шума от внутреннего контура двигателя за счет многократного отражения звуковых волн от элементов смесителя и внутренней поверхности сопла, а также интенсификации смешения потоков внутреннего и наружного контуров двигателя при минимальной дополнительной потере тяги двигателя и небольшом увеличении его массы. Смеситель, расположенный в сопле, содержит обечайку, выходные кромки которой выполнены в виде шевронов, за обечайкой находятся каналы для прохода газа и воздуха соответственно внутреннего и наружного контуров. Каналы для прохода газа и воздуха образованы шевронами и двумя рядами чередующихся между собой перегородок, одни из которых являются изогнутыми, а другие плоскими, лежащими в плоскостях, проходящих через ось двигателя. Выходные кромки изогнутых перегородок расположены в плоскостях плоских перегородок ниже их по течению газа. В заявленном смесителе канал для прохода воздуха наружного контура образован шевронами, перегородками и внутренней поверхностью сопла, а канал для прохода газа - шевронами и перегородками. При этом выходные кромки перегородок, линии пересечения плоских перегородок с поверхностями шевронов и линии взаимного пересечения тех и других перегородок формируют окна для выхода газа из смесителя.The technical result is achieved in the inventive mixer of a double-circuit turbojet engine (turbojet engine) by fully shielding the turbine and attenuating noise from the internal circuit of the engine due to the multiple reflection of sound waves from the mixer elements and the inner surface of the nozzle, as well as the intensification of mixing flows of internal and external engine circuits with minimal additional loss of engine thrust and a slight increase in its mass. The mixer located in the nozzle contains a shell, the output edges of which are made in the form of chevrons, behind the shell there are channels for the passage of gas and air, respectively, of the internal and external circuits. The channels for the passage of gas and air are formed by chevrons and two rows of alternating partitions, one of which is curved, and the other flat, lying in planes passing through the axis of the engine. The output edges of the curved partitions are located in the planes of the flat partitions below them along the gas flow. In the inventive mixer, the channel for the passage of air of the outer circuit is formed by chevrons, partitions and the inner surface of the nozzle, and the channel for the passage of gas is formed by chevrons and partitions. In this case, the output edges of the partitions, the intersection lines of the flat partitions with the surfaces of the chevrons, and the lines of mutual intersection of those and other partitions form windows for the gas to exit the mixer.

Заявляемый смеситель, который, кроме смешения потоков внутреннего и наружного контуров, осуществляет полное экранирование турбины со стороны сопла двигателя при небольших дополнительных потерях его тяги. При применении данного смесителя в двигателе все звуковые волны выходят из сопла двигателя ослабленными после многократных отражений внутри проточной части двигателя. Степень ослабления шума может быть увеличена за счет нанесения шумопоглощающего покрытия на смеситель и внутреннюю поверхность сопла.The inventive mixer, which, in addition to mixing the flows of the internal and external circuits, provides full screening of the turbine from the nozzle side of the engine with small additional losses of its thrust. When using this mixer in the engine, all sound waves coming out of the engine nozzle are attenuated after multiple reflections inside the engine flow part. The degree of noise attenuation can be increased by applying a noise-absorbing coating to the mixer and the inner surface of the nozzle.

Заявленный смеситель не вызывает значительных дополнительных потерь тяги, так как расход газа через внутренний контур у двухконтурных турбореактивных двигателей, предназначенных для современных пассажирских самолетов, существенно меньше, чем расход воздуха через наружный контур. Поэтому дополнительная потеря тяги во внутреннем контуре, которая может возникнуть у двигателя пассажирского самолета с заявляемым смесителем, приведет к небольшой потере тяги всего двигателя.The claimed mixer does not cause significant additional thrust losses, since the gas flow through the internal circuit of turbofan engines designed for modern passenger aircraft is significantly less than the air flow through the external circuit. Therefore, the additional loss of traction in the internal circuit, which may occur in the engine of a passenger aircraft with the inventive mixer, will lead to a slight loss of traction of the entire engine.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого смесителя, установленного в сопле ТРДД.Figure 1 presents a diagram of the proposed mixer installed in the nozzle of the turbofan engine.

На фиг.2 показана схема цилиндрической обечайки предлагаемого смесителя, выходные кромки которой выполнены в виде шевронов.Figure 2 shows a diagram of a cylindrical shell of the proposed mixer, the output edges of which are made in the form of chevrons.

На фиг.3 представлена развертка линий пересечения перегородок с цилиндрической обечайкой предлагаемого смесителя.Figure 3 presents the scan lines of intersection of partitions with a cylindrical shell of the proposed mixer.

На фиг.4 дан вид предлагаемого смесителя по стрелке А на фиг.1.Figure 4 is a view of the proposed mixer in the direction of arrow A in figure 1.

На фиг.5 показана развертка линий пересечения перегородок с цилиндрической обечайкой предлагаемого смесителя, где плоские перегородки выполнены с изогнутыми выходными участками.Figure 5 shows a scan of the lines of intersection of the partitions with a cylindrical shell of the proposed mixer, where the flat partitions are made with curved outlet sections.

Заявляемый смеситель двухконтурного турбореактивного двигателя (ТРДД), показанный на фигурах 1, 2, 3, 4, 5, расположен в сопле 1. Смеситель 2 имеет цилиндрическую обечайку 3, выходные кромки которой выполнены в виде шевронов 4, а также плоские перегородки 5, проходящие через ось двигателя, и изогнутые перегородки 6. Причем плоские перегородки 5 с выходными кромками 7 короче изогнутых перегородок 6 с выходными кромками 8. Пересекаются плоские перегородки 5 с поверхностями шевронов 4 по линиям 10. Между собой перегородки 5 и 6 пересекаются по линиям 9. Окна 11 для выхода газа из смесителя образованы выходными кромками 7 плоских перегородок 5 и выходными кромками 8 изогнутых перегородок 6, линиями 9 взаимного пересечения плоских 5 и изогнутых 6 перегородок и линиями 10 пересечения плоских перегородок 5 и поверхностей шевронов 4. Расположен смеситель 2 внутри сопла 1 перед его выходным сечением 12. Плоские перегородки могут иметь изогнутый выходной участок 13.The inventive mixer of a dual-circuit turbojet engine (turbofan engine), shown in figures 1, 2, 3, 4, 5, is located in the nozzle 1. The mixer 2 has a cylindrical shell 3, the output edges of which are made in the form of chevrons 4, as well as flat partitions 5 passing through the axis of the engine, and curved partitions 6. Moreover, the flat partitions 5 with output edges 7 are shorter than the curved partitions 6 with output edges 8. The flat partitions 5 intersect with the surfaces of chevrons 4 along lines 10. The partitions 5 and 6 intersect along the lines 9. Windows 11 for gas exit from the mixer are formed by the output edges 7 of the flat partitions 5 and the output edges 8 of the curved partitions 6, the lines 9 of mutual intersection of the flat 5 and the curved 6 partitions and the lines 10 of the intersection of the flat partitions 5 and the surfaces of the chevrons 4. The mixer 2 is located inside the nozzle 1 before its output section 12. Flat partitions may have a curved output section 13.

Работает предлагаемый смеситель следующим образом.The proposed mixer works as follows.

Газ проходит внутри смесителя 2 по каналу, образованному внутренними поверхностями шевронов 4 и плоских перегородок 5 или плоских перегородок 5 с изогнутыми выходными участками 13, а также изогнутыми перегородками 6, мимо выходных кромок 7 и 8 перегородок 5 и 6 вдоль линий 9 взаимного пересечения перегородок 5 и 6 и линий 10 пересечения плоских перегородок 5 с поверхностями шевронов 4 и выходит через окна 11, предназначенные для выхода газа из смесителя 2. Воздух проходит снаружи смесителя 2 по каналу, образованному внутренними поверхностями шевронов 4, плоских перегородок 5 и изогнутых перегородок 6 и внутренней поверхностью сопла 1. Через выходное сечение 12 сопла 1 выходит смесь газа и воздуха внутреннего и наружного контуров.Gas passes inside the mixer 2 through a channel formed by the inner surfaces of the chevrons 4 and flat partitions 5 or flat partitions 5 with curved outlet sections 13, as well as curved partitions 6, past the outlet edges 7 and 8 of the partitions 5 and 6 along the lines 9 of intersection of the partitions 5 and 6 and lines 10 of intersection of the flat partitions 5 with the surfaces of the chevrons 4 and exits through the windows 11, designed to exit the gas from the mixer 2. Air passes outside the mixer 2 through the channel formed by the inner surfaces of the chevron 4, flat partitions 5 and curved partitions 6 and the inner surface of the nozzle 1. Through the outlet section 12 of the nozzle 1, a mixture of gas and air of the internal and external circuits.

Газ вытекает из окон 11 под некоторым углом к оси двигателя. Изогнутые перегородки 6 спрофилированы так, чтобы уменьшить угол поворота потока. В результате этого газ после смесителя вытекает слабо закрученным. Угол закрутки потока внутреннего контура за предлагаемым смесителем зависит от количества секторов у смесителя и от его длины. При увеличении числа секторов в смесителе или его длины по сравнению с оптимальным числом или оптимальной длиной уменьшается угол закрутки потока, но увеличиваются вязкие потери на внутренних и наружных поверхностях смесителя из-за увеличения суммарной площади омываемых поверхностей и увеличивается его масса. При уменьшении числа секторов по сравнению с оптимальным или уменьшении его длины также увеличиваются потери тяги из-за увеличения угла закрутки потока внутреннего контура. Поэтому при создании смесителя для конкретного двигателя число секторов в смесителе и его длина должны быть оптимизированы расчетными и экспериментальными методами из условия получения максимальной тяги двигателя.Gas flows from the windows 11 at an angle to the axis of the engine. Curved partitions 6 are profiled so as to reduce the angle of rotation of the stream. As a result, the gas after the mixer flows slightly twisted. The swirl angle of the internal circuit flow behind the proposed mixer depends on the number of sectors of the mixer and its length. With an increase in the number of sectors in the mixer or its length in comparison with the optimal number or optimal length, the swirl angle decreases, but viscous losses on the internal and external surfaces of the mixer increase due to an increase in the total area of the washed surfaces and its mass increases. With a decrease in the number of sectors compared to the optimal one or a decrease in its length, thrust losses also increase due to an increase in the swirl angle of the internal circuit flow. Therefore, when creating a mixer for a specific engine, the number of sectors in the mixer and its length should be optimized by calculation and experimental methods from the condition of obtaining maximum engine thrust.

Небольшая закрутка потока газа внутреннего контура на выходе из смесителя не приводит к существенным потерям тяги у двухконтурных двигателей современных пассажирских самолетов, так как расход газа внутреннего контура у этих двигателей значительно меньше, чем расход воздуха наружного контура, который не закручен. Так, степень двухконтурности большинства двигателей современных пассажирских самолетов находится в пределах 4-10, смесь газа и воздуха в выходном сечении сопла после смешения оказывается у этих двигателей закрученной гораздо слабее, чем был закручен газ внутреннего контура на выходе из смесителя.A small swirl of the gas flow of the internal circuit at the outlet of the mixer does not lead to significant loss of thrust for dual-circuit engines of modern passenger aircraft, since the gas flow of the internal circuit of these engines is much less than the air flow of the external circuit, which is not swirling. Thus, the bypass ratio of most engines of modern passenger aircraft is in the range of 4-10, the mixture of gas and air in the outlet section of the nozzle after mixing turns out to be much weaker in these engines than the gas of the internal circuit at the outlet of the mixer.

Кроме того, при проектировании вентилятора двигателя, на котором будет использоваться предлагаемый смеситель, может быть предусмотрена остаточная закрутка воздуха наружного контура за вентилятором в противоположном направлении по отношению к направлению закрутки газа внутреннего контура за смесителем. В этом случае достигается осевое направление течения смеси газа и воздуха в выходном сечении сопла, что обеспечит некоторый прирост тяги по сравнению с двигателями, использующими традиционные смесители.In addition, when designing the engine fan on which the proposed mixer will be used, residual swirling of the air of the external circuit behind the fan in the opposite direction with respect to the direction of swirling the gas of the internal circuit behind the mixer may be provided. In this case, the axial direction of flow of the gas-air mixture in the outlet section of the nozzle is achieved, which will provide some increase in thrust compared to engines using traditional mixers.

Площадь всех окон 11, предназначенных для выхода газа из смесителя, выбирается равной или большей площади поперечного сечения цилиндрической обечайки 2 смесителя 3 для того, чтобы поворот потока газа в предлагаемом смесителе происходил при малой скорости газа и, следовательно, при небольших потерях полного давления.The area of all windows 11 intended for gas exit from the mixer is selected to be equal to or greater than the cross-sectional area of the cylindrical shell 2 of the mixer 3 so that the gas flow in the proposed mixer rotates at a low gas velocity and, therefore, with small losses of total pressure.

Применение предлагаемого смесителя позволяет снизить шум ТРДД за счет полного экранирования турбины и ослабления шума от внутреннего контура двигателя вследствие многократного отражения звуковых волн от элементов смесителя и внутренней поверхности сопла, а также интенсифицировать смешение потоков внутреннего и наружного контуров двигателя. Оптимизация формы смесителя и его элементов конструкции приведет к тому, что будут минимизированы дополнительные потери или даже получен некоторый прирост тяги двигателя.The use of the proposed mixer allows to reduce the turbojet engine noise due to complete screening of the turbine and attenuation of noise from the internal circuit of the engine due to repeated reflection of sound waves from the mixer elements and the internal surface of the nozzle, as well as to intensify the mixing of flows of the internal and external circuits of the engine. Optimization of the shape of the mixer and its structural elements will lead to the fact that additional losses will be minimized or even some increase in engine thrust will be obtained.

Так же, как смесители традиционной формы, предлагаемый смеситель может применяться совместно с устройствами для снижения шума и реверсивными устройствами, используемыми на пассажирских самолетах.Like traditional mixers, the proposed mixer can be used in conjunction with noise reduction devices and reversing devices used on passenger aircraft.

Claims

1. The mixer of a double-circuit turbojet engine (turbojet engine) containing a nozzle, a shell, the output edges of which are made in the form of chevrons, and behind the shell there are channels for the passage of gas and air of the internal and external circuits, characterized in that the channels are formed by chevrons and two rows alternating between partitions, one of which is flat, located in the planes passing through the axis of the engine, and others are curved, while the output edges of the curved partitions lie in the plane of the flat partitions and are located downstream of the gas, and the channel for the passage of air of the outer contour is formed by chevrons, partitions and the inner surface of the nozzle, and the channel for the passage of gas is formed by chevrons and partitions.

2. The mixer according to claim 1, characterized in that the flat partitions are made with a curved outlet section.