RU2153591C2

RU2153591C2 - Planar nozzle with central body

Info

Publication number: RU2153591C2
Application number: RU95116437A
Authority: RU
Inventors: Г.М. Горелов; В.Г. Чикалов; В.А. Чистяков; В.Е. Резник; С.В. Михайлов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Самарский научно-технический комплекс им. Н.Д.Кузнецова"
Priority date: 1995-09-22
Filing date: 1995-09-22
Publication date: 2000-07-27

Abstract

FIELD: supersonic transport aeroplanes of low noisiness. SUBSTANCE: nozzle has central body with movable supercritical panels and fixed part, side walls and two external movable doors. Side walls of nozzle and end faces of central body are provided with ports at points of its fastening with side walls; these ports are used for communicating the inner cavity of body with atmosphere. Doors are connected to power cylinders. Fixed front part of central body is equipment with rows of adjustable air ejection units and cylindrical adapter-expulser. Leading edges of external doors are provided with swivel baffle plates for turbulization of outside boundary layers. EFFECT: reduced level of noise at takeoff of supersonic passenger second-generation aeroplanes. 6 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к газотурбинной технике и может быть использовано на многофункциональных плоских соплах турбореактивных двигателей с реверсированием тяги, преимущественно, сверхзвуковых транспортных самолетов пониженной шумности на взлете. The invention relates to gas turbine engineering and can be used on multifunctional flat nozzles of turbojet engines with thrust reversal, mainly, supersonic transport aircraft of low noise during take-off.

Известны плоские сопла, имеющие переходный участок от круглого сечения газового тракта за турбиной, к прямоугольному перед соплом, боковые оживальные стенки, неподвижные верхнюю и нижнюю стенки и клиновидное центральное тело изменяемой геометрии с его приводным механизмом (см. патент США N 1241876 по классу 239/265.27 за 1980 г. и обзор ЦАГИ иностранной печати: "Проблемы компоновки реактивных сопел на современных сверхзвуковых самолетах, часть III, сопла ВРД в компоновке с хвостовыми частями самолетов" N 546, 1979 г., фиг. 154, стр. 147). Known flat nozzles having a transition section from a circular cross-section of the gas path behind the turbine to a rectangular one in front of the nozzle, lateral animated walls, fixed upper and lower walls and a wedge-shaped central body of variable geometry with its drive mechanism (see US patent N 1241876 for class 239 / 265.27 for 1980 and a review by TsAGI of the foreign press: “Problems in the layout of jet nozzles on modern supersonic aircraft, part III, WFD nozzles in the layout with the rear parts of aircraft” (N 546, 1979, Fig. 154, p. 147).

Эти сопла по сравнению с обычными осесимметричными соплами имеют внутренние потери тяги на форсажных режимах почти на 1% выше. Кроме того, уровень интенсивности шумов, создаваемого струями, вытекающими из таких сопел, особенно в момент взлета и посадки недопустим по международным нормам, особенно для гражданских самолетов. These nozzles, compared with conventional axisymmetric nozzles, have an internal thrust loss in afterburner modes of almost 1% higher. In addition, the level of intensity of noise created by the jets emanating from such nozzles, especially at the time of take-off and landing, is unacceptable by international standards, especially for civil aircraft.

Указанные недостатки частично устранены в многофункциональных плоских соплах, обеспечивающих в момент взлета и посадки снижение уровня шума и реверсивную тягу при посадке. These drawbacks are partially eliminated in multifunctional flat nozzles, which ensure at the time of take-off and landing a reduction in noise level and reverse thrust during landing.

Известное плоское сопло (см. заявку ФРГ N 4114319 по кл. F 02 K 1/34 за 1994 г. , фиг. 11 - 17) имеет центральное тело, закрепленное на верхних и нижних полых ребрах, по которым производится подача воздуха из воздухозаборника самолета во внутреннюю полость центрального тела и которые установлены на корпусе выхлопного устройства. Законцовка центрального тела выполнена в виде узкой плоской щели, образуемой верхней и нижней выхлопными короткими створками. Воздух, выходящий из полости центрального тела, подмешиваясь к основному потоку, способствует уменьшению шума газовой струи. Снаружи газовый поток формируется двумя боковыми стенками и верхней и нижней подвижными стенками, каждая из которых состоит из трех панелей, причем средние панели снабжены рядами поворотных лотковых смесительных элементов и имеют возможность перекрытия газового тракта путем сдвига их задних концов средних панелей до упора в прикрытые выхлопные створки центрального тела. Такое их положение при открытых передних створках обеспечивает получение реверсивной тяги. Воздух для подачи в лотковые элементы подводится к ним сверху и снизу из воздухозаборника самолета, причем забор воздуха в центральное тело осуществлен из байпасных каналов воздухозаборника. The well-known flat nozzle (see the application of Germany N 4114319 according to class F 02 K 1/34 for 1994, Figs. 11-17) has a central body mounted on the upper and lower hollow ribs, through which air is supplied from the aircraft’s air intake into the inner cavity of the central body and which are mounted on the body of the exhaust device. The ending of the central body is made in the form of a narrow flat gap formed by the upper and lower exhaust short cusps. The air leaving the cavity of the central body, being mixed with the main stream, helps to reduce the noise of the gas stream. Outside, the gas flow is formed by two side walls and upper and lower movable walls, each of which consists of three panels, with the middle panels equipped with rows of rotary tray mixing elements and have the ability to overlap the gas path by moving their rear ends of the middle panels all the way to the covered exhaust flaps central body. Such their position with the open front flaps provides reverse thrust. Air for feeding into the tray elements is supplied to them from above and below from the air intake of the aircraft, and air is taken into the central body from the bypass channels of the air intake.

Применение известного плоского сопла требует увеличенного проходного сечения воздухозаборника, учитывающего кроме расхода воздуха через рабочие контура двигателя и дополнительный расход воздуха, идущий на подмешивание воздуха через лотковые смесительные элементы и через центральное тело. Такая компоновка ведет к переутяжелению всей силовой установки. Кроме того, такое плоское сопло переутяжелено и переразмерено за счет наличия сложных и длинных верхней и нижней подвижных стенок. Наличие двух рядов лотковых элементов и ребер крепления центрального тела приводит к большим потерям полного давления газа в тракте двигателя, т.е. тяги и также к дополнительному увеличению массы силовой установки. The use of the known flat nozzle requires an increased bore of the air intake, taking into account in addition to the air flow through the working circuits of the engine and the additional air flow going to mix air through the tray mixing elements and through the central body. This arrangement leads to an overload of the entire power plant. In addition, such a flat nozzle is overweighted and oversized due to the presence of complex and long upper and lower movable walls. The presence of two rows of tray elements and mounting ribs of the central body leads to large losses of the total gas pressure in the engine path, i.e. traction and also to an additional increase in the mass of the power plant.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение заключается в создании малошумящего сопла, обеспечивающего при упрощенной конструкции на режиме взлета международные нормы по шуму при существенном снижении массы и габаритов. The problem to which the invention is directed is to create a low-noise nozzle that provides, with a simplified design on take-off mode, international noise standards with a significant reduction in weight and dimensions.

Поставленная задача решается тем, что в плоском сопле с полым центральным телом боковые стенки сопла и торцы центрального тела в местах скрепления его с боковыми стенками выполнены с окнами, сообщающими внутреннюю полость центрального тела с атмосферой. The problem is solved in that in a flat nozzle with a hollow central body, the side walls of the nozzle and the ends of the central body at the points of its bonding with the side walls are made with windows communicating the inner cavity of the central body with the atmosphere.

Варианты решения задачи описаны в последующих пунктах формулы изобретения. В частности, в них указано, что приводной механизм закритических панелей установлен на хвостовой панели, расположенной в горизонтальной плоскости симметрии сопла и скрепленной по ее концам с боковыми стенками сопла, что неподвижная закритическая часть центрального тела в месте стыковки с поворотными панелями снабжена рядами регулируемых элементов эжекции, что верхняя и нижняя внешние створки в их закритических частях включают ряды регулируемых элементов эжекции наружного воздуха, что передние кромки внешних створок снабжены поворотными козырьками и, что центральное тело включает цилиндрический переходник - вытеснитель. Options for solving the problem are described in the following claims. In particular, they indicate that the drive mechanism of supercritical panels is mounted on the tail panel located in the horizontal plane of symmetry of the nozzle and fastened at its ends to the side walls of the nozzle, that the fixed supercritical part of the central body at the junction with the rotary panels is equipped with rows of adjustable ejection elements that the upper and lower outer flaps in their supercritical parts include rows of adjustable elements of ejection of external air, that the front edges of the outer flaps are provided with a rotation bubbled peaks and that the central body comprises a cylindrical adapter - displacer.

Предложенное плоское сопло, представляющее собой сопло внешнего расширения, позволяет, при получении хороших тяговых характеристик, уменьшить габариты и массу выхлопного устройства и решить проблемы снижения уровня шума на взлете сверхзвуковых пассажирских самолетов второго поколения. The proposed flat nozzle, which is an external expansion nozzle, allows, when obtaining good traction characteristics, to reduce the size and weight of the exhaust device and to solve the problems of reducing noise levels during take-off of second-generation supersonic passenger aircraft.

Настоящее изобретение будет описано более полно при помощи нижеследующих фигур чертежа. The present invention will be described more fully with the help of the following figures.

На фиг. 1 изображено схематически плоское сопло с центральным телом на взлетном режиме полета самолета; на фиг. 2 - элемент 1 на фиг. 1; на фиг. 3 - вид А на фиг. 1; на фиг. 4 - плоское сопло на сверхзвуковом крейсерском режиме; на фиг. 5 - плоское сопло с центральным телом на режиме реверсирования тяги; на фиг. 6 - вариант выполнения плоского сопла с регулируемыми окнами эжекции наружного воздуха на внешних створках сопла; на фиг. 7 - аксонометрическое изображение плоского сопла на взлетном режиме. In FIG. 1 shows a schematically flat nozzle with a central body in an airplane take-off flight mode; in FIG. 2 - element 1 in FIG. 1; in FIG. 3 is a view A in FIG. 1; in FIG. 4 - a flat nozzle at a supersonic cruising mode; in FIG. 5 - a flat nozzle with a central body in thrust reversal mode; in FIG. 6 is an embodiment of a flat nozzle with adjustable windows for ejecting outside air on the outer flaps of the nozzle; in FIG. 7 is a perspective view of a flat nozzle in take-off mode.

Плоское сопло с центральным телом включает две неподвижные боковые стенки 1 и подвижные верхнюю 2 и нижнюю 3 внешние створки с внутренней акустической облицовкой. Верхняя створка установлена на осях вращения 4; на аналогичных осях установлена и нижняя створка. Каждая передняя кромка 5 внешних створок снабжена поворотным на осях 6 козырьком 7. Данный козырек имеет возможность фиксации в трех положениях: положении турбулизации пограничного слоя, когда кончик 8 козырька выступает над контуром 9, убранном положении, когда кончик 8 установлен в гнездо 10 и в положении при реверсировании тяги, когда кончик 8 установлен в крайнее левое положение. Каждая внешняя створка также снабжена парой силовых цилиндров 11 с закреплением одним концом на створке, а другим - на профильном силовом фланце 12. Обе боковые створки 1 содержат окна 13, снабженные регулируемыми створками 14 и скреплены между собой полым клиновидным центральным телом 15. Центральное тело выполнено с внешней акустической облицовкой из неподвижной передней части 16 в двух подвижных закритических трактовых панелей 17. Каждая панель 17 установлена на осях 18 и при повороте имеет возможность образования их хвостовыми участками 19 двумерного центрального канала 20. Приводной механизм панелей 17 состоит из двух силовых цилиндров 21 с системой рычагов 22, которые расположены в окнах 23 хвостовой панели 24, а сама панель установлена в горизонтальной плоскости симметрии 25 сопла и скреплена по ее концам со стенками 1. Передние концы панелей 17 снабжены системой поводков 26 с возможностью образования в одном из крайних положений продольной щели 27. A flat nozzle with a central body includes two fixed side walls 1 and movable upper 2 and lower 3 outer wings with internal acoustic lining. The upper sash is mounted on the axis of rotation 4; on the same axes the lower wing is installed. Each leading edge 5 of the external flaps is provided with a visor 7 rotatable on the axes 6. This visor has the ability to be fixed in three positions: the position of the boundary layer turbulization, when the visor tip 8 protrudes above the contour 9, the retracted position, when the tip 8 is installed in the socket 10 and in the position when reversing the thrust, when the tip 8 is set to the leftmost position. Each external sash is also equipped with a pair of actuators 11 with one end fixed to the sash and the other to the profile power flange 12. Both side sashes 1 contain windows 13 provided with adjustable sashes 14 and fastened together by a hollow wedge-shaped central body 15. The central body is made with external acoustic cladding from a fixed front part 16 in two movable supercritical tract panels 17. Each panel 17 is mounted on the axes 18 and, when turning, has the possibility of their tail sections 19 forming two measured central channel 20. The drive mechanism of the panels 17 consists of two power cylinders 21 with a system of levers 22, which are located in the windows 23 of the tail panel 24, and the panel itself is installed in the horizontal plane of symmetry 25 of the nozzle and fastened at its ends with the walls 1. Front ends panels 17 are provided with a system of leashes 26 with the possibility of formation in one of the extreme positions of the longitudinal slit 27.

Акустически обработанная неподвижная передняя часть центрального тела 16 по своим торцам 28 скреплена с боковыми стенками 1 по форме она выполнена, преимущественно, с острым углом раствора α и совместно с панелями 17 образует внутреннюю полость 29 непосредственно сообщающуюся по мере необходимости через окна 13, с окружающей средой, т.е. с атмосферой. The acoustically processed stationary front part of the central body 16 is bonded at its ends 28 to the side walls 1 in shape, it is made mainly with an acute angle of the solution α and together with the panels 17 forms an internal cavity 29 directly communicating as necessary through the windows 13, with the environment , i.e. with the atmosphere.

Неподвижная закритическая часть 30 в месте стыковки 31 снабжена рядами 32 регулируемых элементов эжекции, например, в виде приводных складывающихся треугольных пластин, или выдвижных патрубков. The fixed supercritical part 30 at the docking point 31 is provided with rows 32 of adjustable ejection elements, for example, in the form of folding folding triangular plates, or telescoping tubes.

Все сопло спереди посредством фланца 12 крепится к переходному участку 33, позволяющему обеспечить плавный переход от круглого сечения за турбиной к прямоугольному проходному сечению перед соплом. The entire nozzle in the front through the flange 12 is attached to the transition section 33, which allows for a smooth transition from a circular cross-section behind the turbine to a rectangular passage section in front of the nozzle.

На взлетном режиме полета верхние и нижние наружные створки 2 совместно с неподвижной передней частью 16 центрального тела 15 образуют два критических сечения 34 для прохода газов, натекающих из переходного участка 33. Ниже по потоку за критическими сечениями газ подвергнут процессу внешнего расширения в атмосфере. При этом на этих режимах регулируемые створки 14 окон 13 установлены в положении открытия окон 13, а элементы эжекции рядов 32 приведены в выдвинутое положение непосредственно в газовый поток. Выдвижение осуществляется посредством поводков 26 при приведении в действие силовых цилиндров 21, которые через систему рычагов 22 поворачивают на осях 18 закритические трактовые панели 17 и обеспечивают последовательно раскрытие хвостовыми участками 19 двухмерного центрального канала 20 раскрытие продольных щелей 27 и выдвижение в поток элементов эжекции. In take-off flight mode, the upper and lower outer flaps 2, together with the fixed front part 16 of the central body 15, form two critical sections 34 for the passage of gases flowing from the transition section 33. Downstream of the critical sections, the gas undergoes an external expansion process in the atmosphere. Moreover, in these modes, the adjustable sashes 14 of the windows 13 are installed in the open position of the windows 13, and the ejection elements of the rows 32 are brought into the extended position directly into the gas stream. The extension is carried out by means of leads 26 when actuating the power cylinders 21, which through the system of levers 22 rotate the supercritical path panels 17 on the axes 18 and ensure that the tail sections 19 open sequentially the longitudinal slots 27 and open the longitudinal slots 27 and extend the ejection elements into the stream.

Атмосферный воздух в таком положении панелей 17 в количестве 20-25% от общего расхода эжектируется из атмосферы горячим газом, проходя через двухмерный центральный канал 20, продольные щели 27 и через ряды 32 регулируемых элементов эжекции. В результате происходит разделение газового потока на более тонкие струи и значительное уменьшение средней скорости струи выхлопа до 400-450 м/с при значительном уменьшении уровня шума. Кроме того, в начале взлета кончики 8 турбулизирующих козырьков 7 установлены в положение выступания над внешним контуром 9 сопла, что приводит к наведению в пограничных слоях над внешними створками 2 и 3 дополнительных вихрей 35, которые способствуют более быстрому перемешиванию горячих струй с газовыми струями и, соответственно, уменьшению шума истечения газов. Поворот козырька на осях 6 осуществляется силовыми цилиндрами 11 через соответствующую систему привода. На частичных крейсерских режимах эжектирующие элементы 32 и козырьки 7 находятся в убранном положении, а двухмерный канал 20 частично закрыт. В результате этого воздух, истекающий из канала 20, производит отжатие газовых струй вверх и вниз и этим устраняет донный эффект, возникающий на границах взаимодействия газовых струй с окружающей атмосферой. Atmospheric air in this position of the panels 17 in an amount of 20-25% of the total flow rate is ejected from the atmosphere by hot gas, passing through a two-dimensional central channel 20, longitudinal slots 27 and through rows 32 of adjustable ejection elements. The result is a separation of the gas stream into thinner jets and a significant decrease in the average velocity of the exhaust stream to 400-450 m / s with a significant decrease in noise level. In addition, at the beginning of take-off, the tips 8 of the turbulent visors 7 are set to protrude above the outer contour of the nozzle 9, which leads to the guidance in the boundary layers above the outer wings 2 and 3 of additional vortices 35, which facilitate faster mixing of hot jets with gas jets and, accordingly, reducing the noise of the outflow of gases. The rotation of the visor on the axles 6 is carried out by power cylinders 11 through the corresponding drive system. In partial cruising modes, the ejection elements 32 and the visors 7 are in the retracted position, and the two-dimensional channel 20 is partially closed. As a result of this, the air flowing out of the channel 20 presses the gas jets up and down and this eliminates the bottom effect that arises at the boundaries of the interaction of gas jets with the surrounding atmosphere.

На крейсерском сверхзвуковом режиме полета кончик 8 козырька убран в гнездо 10, окна 13 перекрыты створками 14, хвостовые участки 19 панелей 17 прижаты к панели 24, а регулирующие эжектирующие элементы рядов 32 установлены заподлицо с поверхностью тракта центрального тела 15. Сопло в таком положении работает как сверхзвуковое сопло внешнего расширения с двумя критическими сечениями 34. Перед режимом реверсирования тяги силовые цилиндры 11 разворачивают внешние створки 2 на осях 4 до соприкосновения задних кромок створок с центральным телом 15. Отрицательная тяга при реверсировании доходит до 50% от прямой тяги. In cruising supersonic flight mode, the visor tip 8 is put into slot 10, windows 13 are closed by flaps 14, tail sections 19 of panels 17 are pressed against panel 24, and the regulating ejection elements of rows 32 are mounted flush with the surface of the central body tract 15. The nozzle in this position works as supersonic external expansion nozzle with two critical sections 34. Before the thrust reversal mode, the power cylinders 11 rotate the outer wings 2 on the 4 axes until the trailing edges of the valves contact the central body 15. Otri Rod atelnaya when reversing up to 50% of the forward thrust.

В зависимости от общей компоновки двигателя центральное тело сопла может быть выполнено с цилиндрическим переходником - вытеснителем 36. Переходник установлен соосно турбине и обеспечивает при малых потерях полного давления и уменьшенной длине равномерную подачу кольцевой струи газа из турбины на вход в плоское сопло. Сопло может быть также выполнено с внешними створками 37, включающими в их закритических частях выдвижные концевые участки 38, и ряды регулируемых элементов 39 эжекции воздуха. Подвод атмосферного воздуха осуществляется при этом через канал 40. В случае несимметричного выполнения системы рычагов 22 конструкция сопла может, при необходимости, обеспечить на взлете еще получение вертикальной составляющей тяги. При необходимости получения большой вертикальной составляющей за счет отклонения выхлопной струи на 15-20^o силовые цилиндры приведены в движение закритических панелей могут быть закреплены на неподвижной передней части центрального сопла, или на сдвинутой вперед хвостовой панели.Depending on the general layout of the engine, the central body of the nozzle can be made with a cylindrical adapter — displacer 36. The adapter is mounted coaxially with the turbine and ensures, with small losses of total pressure and a reduced length, a uniform supply of an annular gas stream from the turbine to the entrance to the flat nozzle. The nozzle can also be made with external flaps 37, including in their supercritical parts extendable end sections 38, and rows of adjustable elements 39 of the ejection of air. The supply of atmospheric air is carried out through the channel 40. In the case of an asymmetric execution of the system of levers 22, the nozzle design can, if necessary, ensure that the vertical thrust component is also received on takeoff. If it is necessary to obtain a large vertical component due to the deviation of the exhaust stream by 15-20 ^{°, the} power cylinders are driven by supercritical panels, which can be mounted on the fixed front of the central nozzle, or on the tail panel shifted forward.

Уменьшение на взлете средней скорости выхлопных газов без потери тяги за счет подмешивания 20% эжектируемого воздуха до 400 ÷ 450 м/с, уменьшение температуры газов, разделение потока горячего газа на струи малых толщин, использование внутренних поверхностей с акустической облицовкой, искусственная турбулизация пограничного слоя, стекающего с мотогондолы, позволяют в итоге обеспечить на режиме взлета международные нормы по шуму для сверхзвуковых транспортных самолетов второго поколения на взлете при приемлемых потерях удельной тяги и небольшом увеличении массы. Устранение донного эффекта на частичных крейсерских режимах за счет отжатия и вниз газовых струй путем частичного открытия двухмерного центрального канала и эжектирования воздуха на границе двух плоских струй позволяет улучшить картину обтекания хвостовой части двигателя и улучшить его тяговые характеристики. Наличие переходника-вытеснителя на центральном теле уменьшает общие потери на сопле на любом режиме работы двигателя и уменьшает общую длину хвостовой части двигателя. Возможность обеспечения соплом вертикальной составляющей тяги расширяет тактико-технические возможности самолета. Reducing the average exhaust gas velocity at take-off without losing traction by mixing 20% of the ejected air to 400 ÷ 450 m / s, lowering the temperature of the gases, dividing the flow of hot gas into jets of small thicknesses, using internal surfaces with acoustic cladding, artificial turbulence of the boundary layer, flowing from the engine nacelle, as a result, they can provide international take-off noise standards for take-off mode for second-generation supersonic transport aircraft on take-off with acceptable loss of specific thrust and sky superfluous increase in mass. Eliminating the bottom effect in partial cruising regimes by squeezing out and down the gas jets by partially opening a two-dimensional central channel and ejecting air at the boundary of two plane jets allows us to improve the picture of the flow around the tail of the engine and improve its traction characteristics. The presence of a propellant adapter on the central body reduces the total loss on the nozzle at any engine operating mode and reduces the total length of the tail of the engine. The ability to provide a nozzle with a vertical thrust component extends the tactical and technical capabilities of the aircraft.

Claims

1. A flat nozzle with a central body containing side walls, movable upper and lower outer flaps and a wedge-shaped hollow central body with a fixed front part and movable supercritical tract panels, with a drive mechanism, which are made rotary with the possibility of forming their tail sections of a two-dimensional central channel for exit from the inner cavity of the central body ejected by a gas stream of air, characterized in that the side walls of the nozzle and the ends of the central body at the bonding points I have it with the side walls made with windows communicating the inner cavity of the central body with the atmosphere.

2. The nozzle according to claim 1, characterized in that the drive mechanism is mounted on the tail panel located in the horizontal plane of symmetry of the nozzle and fastened at its ends to the side walls.

3. The nozzle according to claims 1 and 2, characterized in that the fixed supercritical part of the central body at the junction with the rotating supercritical panels is equipped with rows of adjustable ejection elements.

4. The nozzle in paragraphs. 1 to 3, characterized in that the upper and lower outer cusps in their supercritical parts include rows of adjustable elements of ejection of external air.

5. The nozzle according to claim 1, characterized in that the front edges of the outer flaps are provided with rotary visors.

6. The nozzle according to claim 1, characterized in that the central body includes a cylindrical adapter-displacer.