PL248175B1

PL248175B1 - Dysza wylotowa dużych prędkości

Info

Publication number: PL248175B1
Application number: PL450533A
Authority: PL
Inventors: Józef Zając; Dariusz Partyka; Piotr Różański
Original assignee: Panstwowa Akademia Nauk Stosowanych W Chelmie
Priority date: 2024-12-12
Filing date: 2024-12-12
Publication date: 2025-11-03
Also published as: PL450533A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest dysza wylotowa dużych prędkości, zwłaszcza wentylatora albo silnika odrzutowego o charakterystycznym kształcie przekroju poprzecznego opisana funkcją matematyczną, która określa postać obszaru wyrównanego rozkładu ciśnień wywołanych przez strumień gazów przepływających dyszą. Dysza charakteryzuje się tym, że jej przekrój poprzeczny posiada kształt opisany zależnościami (wzór A), gdzie funkcje γk,k=1,2,3,4,5,6 są postaci dla t ϵ L[0;1] (wzór B). Korzystnie na środku odcinków opisanych funkcją fr(RSH({0}))={ρ(θ)eiθ:θϵ[0;2π]}=U6k=1 γk([0;1]) dla γ2; γ4; γ6, znajdują się kierownice strug gazu skierowane ku środkowi dyszy.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest dysza wylotowa dużych prędkości, zwłaszcza wentylatora albo silnika odrzutowego o charakterystycznym kształcie przekroju poprzecznego opisana funkcją matematyczną, która określa postać obszaru wyrównanego rozkładu ciśnień wywołanych przez strumień gazów przepływających dyszą według wynalazku.

Z opisu zgłoszenia patentowego EP2239420A2 znane są dysze wylotowe silnika odrzutowego zawierające kierownice strug, służące do redukcji hałasu i zwiększenia wymiany ciepła.

Znane jest rozwiązanie konstrukcyjne kierownic w dyszy wylotowej przedstawione w dokumencie US3092205A, w którym dysza wylotowa zaopatrzona jest w podłużne faliste kierownice strugi wylotowej umieszczone na całym obwodzie dyszy, których skutkiem jest znaczna redukcja hałasu.

W rozwiązaniu przedstawionym w zgłoszeniu patentowym US3174282A przedstawiono rozwiązanie konstrukcyjne ukształtowania dyszy wylotowej, redukujące hałas. W rozwiązaniu tym zastosowano niesymetryczne kanały powodujące mieszanie strumienia zimnego i gorącego w części dolnej, ograniczające w bardzo niewielkim stopniu przepływ i powodujące niewielki spadek sprawności. Dysza ta została tak ukształtowana, że mniejsza prędkość strumienia w części dolnej jest kompensowana zwiększonym natężeniem przepływu.

W opisach patentowych US6360528B1 oraz US6532729B2 przedstawione są rozwiązaniach konstrukcyjne ukształtowania dyszy wylotowej w postaci tak zwanych szewronów (trójkątnych końcówek umieszczonych na obwodzie dyszy wylotowej). Rozwiązania te umożliwiają zmniejszenie hałasu oraz śladu termicznego przy niewielkim poziomie mieszania zimnego i gorącego przepływu i niewielkich stratach sprawności.

Z opisu zgłoszenia patentowego WO2014200401A1 znana jest zmienna dysza wylotowa do silnika odrzutowego. Dysza zawiera część przednią, elementy klapowe, które są obrotowo połączone z silnikiem odrzutowym za pośrednictwem część górnej. Elementy klapowe zawierają część dolną tworzącą dolną krawędź liniową. Mechanizmy uruchamiające mają na celu dostosowanie wspomnianych elementów klapowych do zmiany powierzchni przekroju poprzecznego dysz pomiędzy dwoma możliwymi pozycjami. Elementy klapowe są skośne. Dysza zawiera elementy klapowe formujące kształt, do tworzenia obszaru przekroju poprzecznego, oraz sąsiednie elementy klapowe, mające powierzchnie ślizgowe, w ciągły kontakt podczas wspomnianej zmiany.

Z opisu zgłoszenia patentowego EP3032032A1 znana jest wylotowa kratka prowadząca ze ścianą zewnętrzną, ścianą wewnętrzną do tworzenia kanału pierścieniowego i do prowadzenia strumienia gorącego gazu oraz z co najmniej jedną łopatką kierującą, która jest umieszczona pomiędzy ścianami zewnętrzną i wewnętrzną. Co najmniej jeden przekrój zmniejszający przewężenie jest umieszczony pomiędzy przednią krawędzią łopatki prowadzącej oraz dolnym końcem ściany zewnętrznej. Co najmniej jedno przewężenie bezwzględne znajduje się w obszarze pomiędzy krawędzią natarcia a dolnym końcem usytuowanym bliżej krawędzi spływu łopatki kierującej niż końca.

Z opisu zgłoszenia patentowego US2005060984A1 znana jest zbieżno-rozbieżna dysza turboodrzutowa zawierająca napędzane klapy rozbieżne, popychacze rozbieżne klapy umieszczone pomiędzy napędzanymi klapami i elementy służące dostarczaniu powietrza chłodzącego do klap popychacza. Wspomniane klapy popychacza mają konstrukcję skrzynkową i posiadają boczne otwory służące dostarczaniu powietrza chłodzącego w kierunku wewnętrznej powierzchni wspomnianych klap napędzanych w taki sposób, aby ograniczyć nagrzewanie się tych klap podczas pracy turboodrzutowca.

Z opisu zgłoszenia patentowego US4989406A znany jest zespół turbiny, który zawiera pierścieniową owiewkę i podzespół rozporki zapewniający wytrzymałość mechaniczną zespołowi turbiny i podporę dla tylnego łożyska wirnika. Łatwo demontowalny zespół pierścieniowej łopatki prowadzącej wylotu jest zamontowany z tyłu zespołu owiewki i rozporki w celu odwirowania gazów wydechowych, które opuszczają zespół turbiny. Tylne zamontowanie łopatek kierujących wylotu pozwala na osiowo krótszą i lżejszą konstrukcję silnika turbinowego, która usuwa większe zawirowania na wlocie niż w poprzednich konstrukcjach, przy równych lub mniejszych stratach ciśnienia.

W artykule pt. „The Schwarz type inequality for harmonie mappings of the unit disc with boundary normalization ”, autorstwa Dariusza Partyki i Józefa Zająca, przedstawiono szereg wyników dotyczących klasy H odwzorowań harmonicznych F określonych w kole jednostkowym D i o wartościach w tym kole. Odwzorowania te spełniają dodatkowo warunek normalizacyjny mówiący, że dla każdego k = 0, 1, 2, oraz prawie każdego z e Tk := {e'^e : 2k π/3 < Θ < 2 (k + 1) π/3} granica radialna funkcji F w punkcie z należy do sektora kątowego wyznaczonego przez zbiór wypukły rozpięty przez początek układu

PL 248175 Β1 współrzędnych i łuk Tk, k = O, 1,2. Podstawowym wynikiem zamieszczonym w tym artykule jest twierdzenie podające dokładne oszacowanie wielkości |F(z)| dla zeD i dla wszystkich FeH. Podane są funkcje ekstremalne realizujące znak równości tego oszacowania. Dalsze rozwinięcie tych badań zaowocowało wyznaczeniem zakresu zmienności zera dla klasy H, czyli zbioru {F(0): F e H}, co posłużyło do określenia kształtu przekroju poprzecznego dyszy z trzema symetrycznie rozmieszczonymi prowadnicami wzdłużnymi. Zasadność użycia takiego kształtu dyszy została pozytywnie zweryfikowana empirycznie.

Wynalazekjest kontynuacją prac nad zmniejszeniem oporów przepływu, jego stabilizacji i redukcji hałasu powstającego w dyszach wylotowych, które zostały podane w opisie patentowym PL239213B1 pt. Dysza wylotowa silnika turbowentylatorowego. Dysza przedstawiona w tym rozwiązaniu charakteryzuje się tym, że jej przekrój poprzeczny posiada kształt opisany zależnościami:

r = Rp(e\ gdzie R jest promieniem okręgu opisanego na przekroju poprzecznym dyszy, zaś pjest funkcją określoną wzorem:

cos Θ , 2 ^π ^cos Ϊ2

Ζ7Γ >' sin I 3· + 0 1 cos , gdy₅<e<j.

gdy — < θ < dla n = 1,2,3,4,5.

^{0 J} 3 3

Problemem technicznym do rozwiązania jest uzyskanie możliwie równomiernego rozkładu ciśnień wewnątrz dyszy wylotowej.

Istotą dyszy wylotowej dużych prędkości według wynalazku jest to, że jej przekrój poprzeczny posiada kształt opisany zależnościami:

ίΓ(^({0})) = [ρ(0>^ί£?: Θ e [0; 2ττ]} = I Γ ^([0; 1])

Gdzie funkcje γκ, k= 1,2,3,4,5,6 są postaci dla te [0;1]

PL 248175 Β1 t- 1 χ(0

Ys'· t + 1 2V3

2π(ί —1) x(0 ⁼ 3 ^cos---3-1 2π(ί — 1) y(t) =- sin

Opcjonalnie na środku odcinków opisanych funkcją

- {ρ(^)θ^1β: Θ e [0; 2tt]} = U)|₌₁ ([0; 1]) dla /21/41/6, znajdują się kierownice strug gazu skierowane ku środkowi dyszy.

Podstawową korzyścią wynikającą z zastosowania przedmiotowego wynalazku jest to, że podany kształt dyszy wylotowej, zapewnia dość równomierny rozkład ciśnień wewnątrz strugi. Przekłada się to na zredukowanie strat związanych z zawirowaniami powstałymi w wyniku nierównomiernego rozkładu ciśnienia wewnątrz strugi i na jej brzegu, co ma miejsce w przypadku dyszy klasycznej. Szczególna poprawa tych właściwości jest odczytywalna przy dużych prędkościach przepływu gazu. Warunki jakie są rozważne w modelu matematycznym spełniają przepływy gazu przy prędkościach ponaddźwiękowych. W wyniku przeprowadzonych badań wykazano, że w narożach oraz przy ściankach tworzą się obszary powietrzne, gdzie znacząco zmniejszony jest ciąg w stosunku do centralnej części dyszy.

Przedmiot wynalazku został przystosowany w przykładzie wykonania na rysunku, na którym poszczególne figury przedstawiają:

Fig. 1 - zarys przekroju poprzecznego dyszy wylotowej opisany funkcją fr(RSjr({0})),

Fig. 2 - zarys przekroju poprzecznego dyszy wylotowej z kierownicami strumienia opisany funkcją fr(RS^({0})).

Dysza wylotowa gorącego traktu gazowego silnika odrzutowego w przykładzie pokazanym na rysunku posiada przekrój poprzeczny o kształcie opisanym zależnościami:

fr(/?S_%({0})) = {p(0)e^ie: θ E [0; 2tt]}, gdzie p- R -> R jest funkcją spełniającą warunki:

ππ τ——τ,gdy--< θ <- , 2 cos σ 66 oraz , /2π\ ρ(θ) =ρ[0 +—),& e Κ.

Dokonując zamiany wzoru określającego krzywą zamkniętą we współrzędnych biegunowych, otrzymamy równania równoważne w układzie współrzędnych kartezjańskich:

Z równości ż(0) = x(ff) + iy(0) - p(9)e'^e, Θ e R, mamy = Re ż(0) = p(9) cos Θ, gdy SER, y(0) = Im ż(0) = p(0)sin0, gdy θ E R,

Rozważamy następujące przypadki:

Przypadek 1

Przyjmując t:

— tan0 + i dla θ E 2 2 mamy t E [0; 1] i tan0 - dla t E [0; 1], skąd

PL 248175 Β1 x(0 = p(0)cos θ = cos θ = -,

Z COS σΔ y(0) = p(0)sin θ ------- sin θ = — tan6* = cos Θ2

2t - 1 2V3 gdy t e [0; 1], zatem równania

y(t) = k

2t — 1

2^3 gdy t e [0; 1] opisują zbiór [p(0)e¹⁰: Θ F [^—

Przypadek 2

Przyjmując t: - y -·| dla 0 e [y mamy t e [0; 1] i Θ - + dla t e [0; 1], skąd

X(θ') = ρ(θ) COS Θ = |cos (0 - COS Θ = | [cos (2Θ - ^) + COS (- y)] =

2πί cos+ / u\ γ(β) — p(0)sin0 = -cos [0 — — ) -sin0 =

gdy t e [0; 1]

Zatem równania z 1 2nt 1

2πτ V3 yft) = — sin^— + —— v 3 3 6 gdy t E [0; 1] opisują zbiór [p(0)e^ie: θ 6

Przypadek 3

Z równości ρ(θ) = ρ(θ + y), podstawiając do przypadku 1, gdzie tan0 = yy, t e [0; 1], otrzymujemy z 2π\ z 2π\ z 2π\ 1 r 2π 2πι χ I θ 4--Ι—ρι04--cos 0 4--) —----- cos 0 cos--sin 0 sin — — \ 3 J ^{1 1 *} \ 3/ V 3/2 cos 0 L 3 3 J — tan 0 —2t — 1 t

— — (1 + 2t — 1) = — — +r Z cos 0

[sin fi

2π cos — + cos 0 sin

2πι 1 — - - tan0

J 2 ^{sdy ic[0:11}

PL 248175 Β1

Zatem równania

-1 + 2 2V3 gdy t e [0; 1] opisują zbiór {p(0)e^ie: Θ e

Przypadek 4

Z równości ρ(ύ) - p (θ + y), podstawiając do przypadku 2, gdzie Θ - (t + otrzymujemy

Zatem równania f 1 2π(ί +1) 1 x(t) — ^COS------^{v J} 3 3 3 y(t) =

2π(Γ + 1) — ςιη---------gdy t e [0; 1] opisują zbiór Θ G

5tt 7ττ1Ί .6 ^r 6JJ

Przypadek 5

Z równości p(0) = p («+

2t—1 , podstawiając do przypadku 3, gdzie tan0 = ——,t e [0; 1], otrzymujemy <3

r 4π 4πι

------ cos Θ cos--sin Θ sin— — cos 0 l 3 3 J

V3 2t-1 * ~λ---⁼~

4· 4 V3

PL 248175 Β1

r 4π 4πΐ

----- sin θ cos — + cos θ sin— 2 cos θ L 3 3 J = — tan Θ

2t —1

V3

V3 — —i=C2t -1 + 3)

4V3 t E [0; 1]

Zatem równania *(t) = t 4- 1 gdy t E [0; 1] opisują zbiór {p(0)e^ie: θ E

Przypadek 6

Zatem równania

2π(ί + 2) 1 x(0 = ~ cos-------+ 3 3 6 . 2Ti(t + 2) y(0 = 3 sin------gdy t E [0; 1] opisują zbiór jjo(0)e^ie: Θ G

Przedmiot wynalazku został w szczególności przystosowany do zabudowy na silniku turbowentylatorowym dwuprzepływowym.

Claims

1. Dysza wylotowa dużych prędkości, znamienna tym, że jej przekrój poprzeczny posiada kształt opisany zależnościami:

fr^ CiO})) = Θ e [0; 2π]} = I l^& _Kfe([0; 1]) gdzie funkcje γκ, k = 1,2,3,4,5,6 są postaci dla t e [0; 1 ]

Ι 3 3 6 ^2] 1 2nt 1 i »(o =

1 . 2TT(t + l) y(f) =- sin------i t -1 x(t) - ——

1 2TT(t-l) 1 x(t) =5003-5-+-

2. Dysza według zastrz. 1 znamienna tym, że na środku odcinków opisanych funkcją fr(RS_w ({0})) - {p(0)e^ie: θ E [0; 2jt]} - U£₌₁n([0; 1]) dla y₂; y_Ą; γ₆, znajdują się kierownice strug gazu skierowane ku środkowi dyszy.