Змішувач для сопла з розділеними потоками

1. Змішувач для сопла з розділеними потоками турбореактивного двигуна, що містить у напрямку, визначеному подовжньою віссю (Х-Х'), кріпильне кільце (10) для прикріплення зазначеного змішувача до корпуса вихлопу сопла і лопатеву конструкцію (20), призначену для змішування потоків, що надходять з турбореактивного двигуна, причому зазначена лопатева конструкція містить послідовність внутрішніх лопатей (22) і зовнішніх лопатей (21), розподілених по окружності навколо подовжньої осі (Х-Х') змішувача, який відрізняється тим, що лопатева конструкція (20) виготовлена з композитного матеріалу з керамічною матрицею й додатково містить елементи жорсткості для утворення з'єднання між внутрішніми лопатями (22) лопатевої конструкції, таким чином запобігаючи деформуванню зазначеної лопатевої конструкції потоками, що надходять з турбореактивного двигуна. 2. Змішувач за п. 1, який відрізняється тим, що лопатева конструкція (20) виготовлена з композитного матеріалу з керамічною матрицею, вибраного з композитних матеріалів типу C/SiC, C/C-SiC, SiC/SiC і "оксид/оксид". 3. Змішувач за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що містить кільце (30) жорсткості, прикріплене поблизу кінців внутрішніх лопатей (22) лопатевої конструкції (20). 4. Змішувач за п. 3, який відрізняється тим, що кільце (30) жорсткості виконане з металевого матеріалу чи композитного матеріалу з керамічною матрицею. 2 (19) 1 3 91691 4 що сопло оснащене змішувачем, охарактеризованим у будь-якому з пп. 1-11. Даний винахід належить до галузі сопел авіаційних турбореактивних двигунів. Більш конкретно, винахід стосується сопел з розділеними потоками, постачених змішувачами потоків, що дозволяють зменшити рівень шумів, що випускаються вихідним реактивним струменем, і підвищити к.п.д. двигуна. Рівень техніки Сопло з розділеними потоками турбореактивного двигуна звичайно складається з корпуса з потоками, що зливаються, у якому укладений первинний кожух, що обмежує перший кільцевий канал течії первинного (гарячого) потоку, що надходить з камери згоряння, і вторинний кожух, концентрично розташований навколо первинного кожуха, що обмежує другий кільцевий канал течії вторинного (холодного) потоку, що надходить від вентилятора. Для зменшення рівня шумів реактивного струменя, що виходить з такого сопла, відповідно до відомих технологій використовують змішувач, розроблений для полегшення змішування первинного і вторинного потоків, що виходять з турбореактивного двигуна. Однією з найчастіше використовуваних у даний час у цивільному авіабудуванні є конструкція лопатевого змішувача, який забезпечує радіальний зсув первинного і вторинного потоків, що сприяє змішуванню цих потоків. Приклади здійснення лопатевих змішувачів для сопел з розділеними потоками описані, наприклад, у патентних публікаціях ЕР 1141534, US 5755092 і US 5924632. Однак, хоча використання змішувачів такого типу і дозволяє поліпшити к.п.д. і акустичні характеристики турбореактивних двигунів із соплами з розділеними потоками, воно неминуче спричиняє збільшення маси сопла і небажані зміни динамічних характеристик двигуна і його з'єднання з несучими елементами літака. Дійсно, лопатеві змішувачі по відомих технологіях виготовляють з металевих матеріалів, звичайно з матеріалу Inconel® 625. Отже, його установка приводить до додавання значної додаткової маси підвісних елементів двигуна, що викликає збільшення механічного навантаження на фланець корпуса вихлопу сопла, зокрема, у випадку впливу граничних чи надмірних навантажень, наприклад, при втраті лопаті чи внаслідок дисбалансу. Наявність такої додаткової маси також збільшує зусилля, прикладене до з'єднань двигуна з несучими елементами. Розкриття винаходу Задача, на вирішення якої спрямований даний винахід, полягає у створенні нової конструкції лопатевого змішувача для сопла з розділеними потоками, що дозволила б зменшити механічні навантаження, породжувані наявністю додаткової маси на виході із сопла. Для вирішення поставленої задачі відповідно до винаходу пропонується змішувач, що складається з двох частин, а саме кріпильного кільця для прикріплення змішувача до корпуса вихлопу сопла і лопатевої конструкції, призначеної для змішуван ня потоків, що надходять з турбореактивного двигуна, причому лопатева конструкція виготовлена з композитного матеріалу з керамічною матрицею і містить засоби для утворення з'єднання між, щонайменше, частиною лопатей зазначеної лопатевої конструкції. Таким чином, більша частина змішувача за винаходом, а саме лопатева конструкція, виконана з композитного матеріалу з керамічною матрицею, що дозволяє значно зменшити масу змішувача й, отже, сопла приблизно на 30-50%. Крім того, оскільки лопатева конструкція виконана з термостійкого композитного матеріалу, вона має високі механічні характеристики, що зберігаються при високих температурах. З'єднання, передбачене між лопатями, дозволяє підвищити жорсткість і, отже, підсилити лопатеву конструкцію, що додає їй механічну міцність, щонайменше, рівну міцності повністю металевих змішувачів. Під «композитними матеріалами з керамічною матрицею (CMC)» розуміють матеріали, утворені з посилюючих жароміцних волокон (вуглецевих чи керамічних), ущільнених з використанням, щонайменше, частково керамічної матриці. У число таких матеріалів CMC входять, зокрема, композитні матеріали C/SiC (з посилюючими волокнами з вуглецю і матрицею з карбіду кремнію), композитні матеріали C/C-SiC (з посилюючими волокнами з вуглецю і матрицею, що містить вуглецеву фазу, звичайно розташовану поблизу волокон, і карборундову, тобто фазу, що складається з карбіду кремнію), композитні матеріали SiC/SiC (з посилюючими волокнами і матрицею з карбіду кремнію) і композитні матеріали типу «оксид/оксид». Лопатева конструкція може бути виготовлена з єдиного елемента чи з декількох секторів, з'єднаних між собою, що в деяких випадках дозволяє спростити виготовлення лопатевої конструкції і знизити вартість заміни елементів. Відповідно до одного з аспектів винаходу лопатева конструкція містить кільце жорсткості, прикріплене поблизу кінців внутрішніх лопатей. Дане кільце може бути виготовлене з металевого матеріалу чи композитного матеріалу з композитною матрицею. Воно може бути прикріплене до внутрішніх лопатей за допомогою гвинтових з'єднань, причому кільце містить обтічні елементи, що містять кожне з таких з'єднань, що дозволяє обмежити аеродинамічні втрати і забезпечити стійкість кільця до подовжніх навантажень. Для компенсації різниці теплового розширення кріпильного кільця змішувача, виконаного з металевого матеріалу, і лопатевої конструкції, виконаної з композитного матеріалу з керамічною матрицею, передбачені гнучкі кріпильні скоби, що прикріплюють лопатеву конструкцію до кріпильного кільця. Аналогічним чином, зовнішній кожух, переважно підданий впливу обвідного потоку, з температурою, меншою за таку, що впливає на внутрішнє кільце, переважно піддане впливу потоку гарячих 5 91691 6 газів, що надходять з камери згоряння турбореакХ-Х1 змішувача. Як відомо, використання такої тивного двигуна, може бути прикріплений до внутлопатевої конструкції в соплі зі змішувачем перрішнього кільця за допомогою гнучких кріпильних винного потоку зі вторинним потоком дозволяє скоб з можливістю компенсування різниці тепловоконтролювати процес змішування двох потоків з го розширення цих двох елементів. підвищенням к.п.д. турбореактивного двигуна і Даний винахід також пропонує турбореактивзменшенням рівня шумів, створюваних двигуном. ний двигун, що містить сопло з розділеними потоВідповідно до даного винаходу, лопатева ками, постачене вищеописаним змішувачем. конструкція 20, що виготовляється по відомих техКороткий опис креслень нологіях з металевого матеріалу, звичайно з матеІнші властивості й переваги даного винаходу ріалу Inconel® 625, виконана з композитного матестануть ясні з нижченаведеного опису окремих ріалу з керамічною матрицею (CMC), тобто варіантів здійснення винаходу, що містить посиматеріалу, виготовленого з використанням посилання на додані креслення, що ілюструють приклюючих жаростійких волокон (вуглецевих чи кералади здійснення винаходу, які не накладають жодмічних), ущільнених за допомогою, щонайменше, них обмежень. На кресленнях: частково керамічної матриці. - фіг. 1 зображує в перспективі змішувач для Для виготовлення лопатевої конструкції за дасопла турбореактивного двигуна по одному з варіним винаходом формують волокнисту заготівку з антів здійснення винаходу; жаростійких волокон (вуглецевих чи керамічних), - фіг. 2 представляє у збільшеному вигляді чаформа якої, по суті, збігається з формою виготовстину II змішувача за фіг. 1; люваної конструкції. Потім таку заготівку ущільню- на фіг. 3 представлений вигляд частини зміють по відомих технологіях рідинним і/чи газовим шувача за фіг. 2 у розрізі по площині III; методом. - на фіг. 4 представлена фронтальна проекція Процес ущільнення рідинним методом полягає по напрямку IV змішувача за фіг. 1; в просочуванні заготівки рідким складом, що міс- на фіг. 5А представлений вигляд змішувача тить речовину, яка є прекурсором матеріалу матза фіг. 4 у розрізі по площині А; риці. Такий прекурсор звичайно має форму полі- фіг. 5В зображує в перспективі кріпильну меру, наприклад, смоли, що може бути скобу за фіг. 5А; розчинений у розчиннику. Перетворення прекур- на фіг. 6А представлений вигляд змішувача сору на керамічний матеріал здійснюють шляхом за фіг. 4 у розрізі по площині В; теплової обробки, здійсненої після видалення мо- фіг. 6В зображує в перспективі кріпильну жливого розчинника і структурування (ретикуляскобу за фіг. 6А; ции) полімеру. Для одержання необхідного ступе- фіг. 7А зображує в перспективі сектори, виня ущільнення може бути проведено кілька користовувані для формування лопатевої конструпослідовних циклів просочування. Наприклад, як кції за іншим варіантом здійснення винаходу; рідкі прекурсори вуглецю можуть бути використані - фіг. 7В зображує в перспективі лопатеву смоли з високим умістом коксу, наприклад феноконструкцію, одержувану шляхом з'єднання сектольні смоли, а як рідкі прекурсори керамічних матерів за фіг. 7А; ріалів, зокрема, SiC, можуть бути використані смо- на фіг. 7С представлений збільшений вигляд ли типу полікарбосилану (PCS) чи у розрізі по напрямку VIIC лопатевої конструкції за політитанкарбосилану (PTCS). фіг. 7В. Процес ущільнення газовим методом полягає Здійснення винаходу в хімічному просоченні в пароподібній фазі. ВолоФіг. 1 ілюструє змішувач для сопла турбореаккнисту заготівку, що відповідає виготовлюваній тивного двигуна з розділеними потоками відповідконструкції, вміщують у піч, у яку вводять реагуючу но до одного з варіантів здійснення винаходу. газоподібну речовину. Тиск і температуру в печі, а Змішувач, розташований уздовж подовжньої осі Хтакож склад газоподібної фази підбирають так, Х', містить, з одного боку, кріпильне кільце 10, вищоб забезпечити дифузію газоподібної фази в готовлене з металевого матеріалу (наприклад, з пористу структуру заготівки для формування шляматеріалу Inconel® 625), призначене для прикріпхом осадження при зіткненні з волокнами матриці, лення змішувача до корпуса вихлопу сопла турбоутвореної з твердого матеріалу, що виходить у реактивного двигуна (не представлене), і, з іншого результаті розкладання однієї зі складових газобоку, лопатеву конструкцію 20, на краю якої відбуподібної фази чи в результаті хімічної реакції між вається змішування внутрішнього газового потоку, різними складовими. Наприклад, як газоподібні що надходить з камери згоряння турбореактивного прекурсори вуглецю можуть бути використані вугдвигуна (і називаного також гарячим потоком чи леводні, наприклад метан та/або пропан, з яких у первинним потоком), що циркулює всередині зміпроцесі крекінгу виділяється вуглець, а як газопошувача, із зовнішнім потоком, що надходить, надібні прекурсори керамічних матеріалів, зокрема приклад, від вентилятора, розташованого перед SiC, може бути використаний метилтрихлорсилан змішувачем щодо напрямку течії потоків (і назива(MTS), причому SiC утворюється в результаті розним також холодним потоком чи вторинним потокладання MTS. ком), що циркулює зовні від змішувача. Існують також змішані технології, що викорисДля обмеження шумів, породжуваних при товують одночасно рідинні й газові методи. злитті двох потоків на виході зі змішувача, консЛопатева конструкція за винаходом може бути трукція 20 містить хвилеподібні елементи, що виготовлена з одного з наступних композитних утворюють зовнішні лопаті 21 і внутрішні лопаті 22, матеріалів з керамічною матрицею (CMC): компорозподілені по окружності навколо подовжньої осі зитний матеріал C/SiC (з посилюючими волокнами 7 91691 8 з вуглецю і карборундовою, тобто матрицею, що ції, виготовленої з композитного матеріалу з кераскладається з карбіду кремнію), композитний мамічною матрицею, а не з металу, дозволяє зментеріал C/C-SiC (з посилюючими волокнами з вугшити масу сопла на 30-50%. Крім того, композитні лецю і матрицею, що містить вуглецеву фазу, звиматеріали з керамічною матрицею відомі гарними чайно розташовану ближче до волокон, і механічними характеристиками і здатністю зберікарборундову, тобто, що складається з карбіду гати свої властивості при високих температурах. кремнію, фазу), композитний матеріал SiC/SiC (з Таким чином, лопатева конструкція за винаходом карборундовими, тобто що складаються з карбіду виготовлена з матеріалу, особливо добре пристокремнію, посилюючими волокнами і матрицею) і сованого для роботи при температурах газового композитний матеріал типу «оксид/оксид». потоку, що утворюються в турбореактивному двиКонструкція за винаходом може бути виготовгуні перед соплом, і зокрема, при температурах лена у вигляді єдиного елемента. Однак лопатева гарячих газів, що надходять з камери згоряння. конструкція також може бути зібрана з декількох Однак для підвищення механічної міцності і секторів, з'єднаних між собою, що може бути зручжорсткості лопатевої конструкції з композитного но в деяких випадках, зокрема, у зв'язку зі складніматеріалу з керамічною матрицею дана конструкстю форми виготовлюваної конструкції. ція додатково містить елементи жорсткості. ВідпоОдин з варіантів здійснення розділеної на секвідно до варіанта здійснення, проілюстрованого на тори лопатевої конструкції проілюстрований на фіг. 1, поблизу кінців внутрішніх лопат 22 конструфіг. 7А-7С. Як показано на фіг. 7А, лопатева конскції 20 прикріплене кільце 30 жорсткості. Таким трукція 200 утворена з'єднанням трьох секторів чином, лопатева конструкція 20 набуває підвище210, 220, 230, виготовлених з композитного матеної механічної стійкості до тиску, породжуваного ріалу з керамічною матрицею з використанням потоками, що надходять з турбореактивного двиодного з вищеописаних методів виготовлення. гуна. Точніше, оскільки кожен з кінців внутрішніх Кожен із секторів виготовляють (включаючи виголопатей жорстко з'єднаний з кільцем, лопатева товлення волокнистої заготівки і її ущільнення) конструкція не може бути деформована течією ані окремо, що забезпечує велику гнучкість виготоввнутрішнього, ані зовнішнього потоку. Кільце 30 лення і технічного обслуговування. Дійсно, у проможе бути виконане з металевого матеріалу чи цесі виготовлення розміри сектору можуть бути композитного матеріалу з керамічною матрицею. вибрані відповідно до можливостей засобів виробВідповідно до одного з варіантів здійснення винаництва. Наприклад, розмір секторів може бути ходу, замість кільця 30 як елемент жорсткості лопідібраний відповідно до завантажувальних потупатевої конструкції може бути використаний вижностей печей для теплової обробки в процесі хлопний конус (обтічник) двигуна. У цьому випадку ущільнення, що звичайно мають діаметр близько внутрішні лопати конструкції безпосередньо при1000 мм. Крім того, залежно від типу матеріалу, лягають до вихлопного конуса, що виконує функції використовуваного для виготовлення посилюючих елемента жорсткості. волокон, може виявитися доцільним розділення Кожна з внутрішніх лопатей прикріплена до ківолокнистої заготівки на сектори, розміри яких льця за допомогою гвинтового з'єднання 40. Для відповідають геометрії структури використовувазабезпечення гарного опору кільця поздовжньому ного волокнистого матеріалу. Крім того, у випадку вигину, а також для обмеження аеродинамічних виникнення несправності (ушкодження, поломки, утрат гвинтові з'єднання вбудовані в обтічні елезносу і т.п.) у процесі виготовлення чи експлуатації менти. Конкретніше, як показано на фіг. 2 і 3, з лопатевої конструкції, заміні підлягають тільки верхньої (зовнішньої) сторони лопатей передбасектори, безпосередньо зачеплені такою несправчені прокладки 44, форма яких обмежує збурюністю. вання течії зовнішнього потоку Fext. Прокладка 44 Виготовлені сектори з'єднують краями так, містить паз 441, у якому знаходиться гвинт 42 щоб утворити єдину лопатеву конструкцію 200, з'єднання 40. Як показано на фіг. 3, унаслідок цьопредставлену на фіг. 7В. Відповідно до одного з го гвинт 42 не виступає із зовнішньої лопаті 22. варіантів здійснення винаходу сектори можуть Аналогічним чином, з нижньої (внутрішньої) сторобути скріплені між собою за допомогою заклепувани лопаті 22, що прилягає до кільця 30, гвинтове льних з'єднань. Як показано на фіг. 7С, краї 211 і з'єднання 40 укладене в профільований обтічник 231, відповідно, двох сусідніх секторів 210 і 230 31, прикріплений до кільця 30. Обтічник 31 має накладають один на одний, причому кожен із країв аеродинамічну форму, що максимально обмежує 211 і 231 містить, відповідно, отвори 2110 і 2310, вплив з'єднання 40 на течію внутрішнього потоку що сполучаються при накладенні країв секторів. Fint. Обтічник 31 містить отвір 31а, що дозволяє Потім у кожен канал, утворений спільно двома надягти загвинчувальний інструмент на гайку 41 отворами 2110 і 2310, вміщують заклепку 240, що з'єднання 40. Обтічник також збільшує стійкість забезпечує скріплення секторів. Зрозуміло, для кільця до подовжнього тиску. скріплення секторів між собою також можуть бути На фіг. 4 представлені засоби з'єднання, виковикористані інші сполучні засоби (наприклад, болристовувані відповідно до одного з варіантів здійстові з'єднання, паяння тощо). нення змішувача за винаходом, з одного боку, для Використання композитного матеріалу з кераприкріплення лопатевої конструкції 20 до кріпильмічною матрицею для виготовлення лопатевої ного кільця 10, а з іншого боку, для прикріплення конструкції змішувача за винаходом дозволяє зназовнішнього кожуха 11 до внутрішнього кільця 12. чно зменшити масу сопла в порівнянні з відомими Одна з особливостей композитних матеріалів соплами, постаченими цілком металевими змішуз керамічною матрицею, з яких виготовлена лопавачами. Дійсно, використання лопатевої конструктева конструкція 20, полягає в їхньому малому 9 91691 10 коефіцієнті теплового розширення в порівнянні з 13 додатково містять отвори 13а, через які провометалевими матеріалами, з яких виконані інші дять гайкові ключі для закріплення болтових з'єделементи змішувача, зокрема, внутрішнє кільце нань. 12, до якого прикріплена лопатева конструкція 20. Аналогічним чином, для компенсації різниці в Ці елементи піддаються впливу вкрай високих тетепловому розширенні зовнішнього кожуха 11 і мператур, створюваних газами згоряння двигуна. внутрішнього кільця 12, на які впливають потоки Для компенсації різниці розширення лопатевої (відповідно, первинний і вторинний) різних темпеконструкції з композитного матеріалу з керамічною ратур, використовують гнучкі металеві кріпильні матрицею і внутрішнього кільця 12 з металевого скоби 14, прикріплені, з одного боку, до внутрішматеріалу використовують гнучкі металеві кріпинього кільця 12 болтовими з'єднаннями 141, а з льні скоби 13, що дозволяють компенсувати таку іншого боку, до зовнішнього кожуха 11 заклепками різницю в тепловому розширенні й обмежити ме142 (див. фіг. 6А і 6В). ханічний тиск, що робиться на лопатеву конструкТаким чином, конструкція змішувача за винацію. Як показано на фіг. 5А і 5В, верхня (зовнішня) ходом дозволяє зменшити масу навісних елеменчастина скоб 13 містить отвори 13с, що їх сполутів, що обмежує можливе механічне навантаження чають з отворами 20а лопатевої конструкції для на фланець корпуса вихлопу сопла у випадку випроведення крізь них болтових з'єднань 132. Нижникнення значних навантажень, викликаних, наня внутрішня частина скоб 13 містить отвори 13b, приклад, утратою лопаті чи дисбалансом. Зменщо їх сполучають з отворами 12а внутрішнього шена маса змішувача за винаходом також кільця 12, причому скріплення даних елементів дозволяє зменшити зусилля, що прикладається до забезпечують болтові з'єднання 131. Гнучкі скоби з'єднання двигуна з несучими елементами. 11 91691 12 13 91691 14 15 Комп’ютерна верстка В. Мацело 91691 Підписне 16 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601