Регулируемое сопло турбореактивного двигателя
ADJUSTABLE TURBOJET NOZZLE

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, а именно к конструкции регулируемых сопел турбореактивных двигателей.
В качестве наиболее близкого аналога выбрано регулируемое сопло турбореактивного двигателя, включающее корпус, имеющий в выходном сечении прямоугольную форму, боковые стенки, закрепленные на корпусе, дозвуковые створки, сверхзвуковые створки, шарнирно закрепленные на дозвуковых, образующие проточную часть с управляемыми критическим и выходным сечениями, систему управления створками, соединенную с дозвуковыми створками и сверхзвуковыми створками посредством механизмов управления (патент RU 2674232, 05.12.2018 г.).
Недостатком прототипа является значительные габаритные размеры, значительная номенклатура различных деталей и недостаточная жесткость элементов конструкции, деформация которых приводит к дополнительным газодинамическим потерям при внешнем обтекании воздуха и протекании газа внутри проточной части регулируемого сопла. Результатом этого являются ощутимые потери эффективной тяги газотурбинного двигателя.
Техническим результатом, достигаемым заявленным устройством, является уменьшение номенклатуры различных деталей регулируемого сопла, что снижает затраты на его производство, а также снижение потерь при протекании газа внутри проточной части и внешнем обтекании регулируемого сопла за счет увеличения жесткости элементов его конструкции и снижения габаритных размеров с сохранением параметров его регулирования, что увеличивает его КПД и турбореактивного двигателя в целом.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном регулируемом сопле турбореактивного двигателя, включающем корпус, имеющий в выходном сечении прямоугольную форму, боковые стенки, закрепленные на корпусе, дозвуковые створки, сверхзвуковые створки, шарнирно закрепленные на дозвуковых, образующие проточную часть с управляемыми критическим и выходным сечениями, систему управления створками, соединенную с дозвуковыми створками и сверхзвуковыми створками посредством механизмов управления, согласно предложению дозвуковые створки шарнирно закреплены на боковых стенках,
корпус выполнен симметричным относительно вертикальной продольной плоскости, сопло снабжено шестью траверсами, закрепленными на корпусе по три в верхней и нижней его части, двумя горизонтальными силовыми балками,
при этом механизмы управления установлены на траверсах и шарнирно соединены с последними,
а корпус включает в себя входной кольцевой фланец, силовой пояс и выходной фланец,
при этом передняя плоскость входного кольцевого фланца повернута относительно горизонтали, перпендикулярной оси газотурбинного двигателя, на угол до 5° включительно,
силовой пояс выполнен вне проточной части в виде двух поперечных стенок, закрепленных на обечайке корпуса, и наружной полки, выступающей за габариты поперечных стенок и содержащей плоские горизонтальные площадки на наружной поверхности в верхней и нижней ее части,
кроме того, силовой пояс содержит две коробки с проушинами, при этом проушины расположены таким образом, чтобы в каждой стенке силового пояса их было две, проушины выступают внутрь коробки, а окружная координата центров проушин отклонена от горизонтали и находится в диапазоне от 20° до 35°,
наружная полка в области коробки имеет вырез и выступает относительно стенок больше, чем в других местах силового пояса,
причем горизонтальные силовые балки закреплены на соответствующих прямолинейных участках выходного фланца, притом каждая траверса передней частью закреплена на соответствующей плоской горизонтальной площадке, а задней частью на соответствующей горизонтальной силовой балке.
Обечайка в месте закрепления поперечных стенок может быть выполнена с утолщением.
Общеизвестно, что под действием эксплуатационных нагрузок происходит деформирование элементов регулируемых сопел, в большей степени сопел с плоскими участками, ограничивающими проточную часть. Наиболее значимыми в плане деформаций являются изгибные деформации элементов конструкции, вызванные повышенной температурой и давлением газа внутри проточной части. Накопленная деформация элементов конструкции может составлять десятки миллиметров и приводить к значительному изменению условий внешнего обтекания регулируемого сопла, протекания газа в проточной части и истекания из нее. Минимизация данной деформации элементов сопел является одной из приоритетных задач.
Также одной из приоритетных задач является обеспечение возможности регулирования критического и выходного сечений сопла, а также отклонением вектора тяги, при минимизации увеличения внешних габаритов регулируемого сопла. Тем более этот вопрос становится актуальным в случае наличия в выходной части регулируемого сопла значительных плоских участков, так как его элементы, ограничивающие эти участки, испытывают значительное воздействие от давления газа внутри них и значительные температурные нагрузки, что требует более значительных усилий со стороны системы управления для их отклонения и удержания в требуемом положении. Это требует создания специальных механизмов вокруг данных элементов и размещения их определенным образом вокруг проточной части.
Закрепление дозвуковых створок шарнирно на боковых стенках сохраняет возможность и требуемые параметры регулирования сопла, что увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.
Выполнение корпуса симметричным относительно вертикальной продольной плоскости позволяет разместить на нем одинаковые элементы конструкции относительно плоскости симметрии, что снижает номенклатуру различных деталей сопла и себестоимость его производства в целом.
Снабжение сопла шестью траверсами, закрепленными на корпусе по три в верхней и нижней его части, двумя горизонтальными силовыми балками, увеличивает изгибную жесткость корпуса, снижая деформации элементов регулируемого сопла от эксплуатационных нагрузок, что снижает сопротивление внешнему обтеканию и лучше сохраняет требуемую форму проточной части за счет чего увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.
Установка механизмов управления на траверсах и шарнирное соединение их с последними позволяет разместить силовые элементы системы управления и механизмы управления на корпусе в верхней и нижней его части, что снижает поперечный горизонтальный габаритный размер сопла с сохранением параметров его регулирования. Это снижает сопротивление внешнему обтеканию и лучше сохраняет требуемую форму проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.
Включение в корпус входного фланца, силового пояса и выходного фланца позволяет увеличить его изгибную жесткость, снижая перемещения элементов регулируемого сопла от эксплуатационных нагрузок, что увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.
Выполнение корпуса таким, что плоскость входного фланца повернута относительно горизонтали, перпендикулярной оси газотурбинного двигателя, на угол до 5 градусов включительно позволяет обеспечить лучшее наружное обтекание регулируемого сопла и требуемое направление вектора тяги, что увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.
Выполнение силового пояса вне проточной части позволяет снизить потери потока газа в последней, что увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.
Выполнение силового пояса в виде двух поперечных стенок, закрепленных на обечайке корпуса, и наружной полки, выступающей за габариты поперечных стенок и содержащей плоские горизонтальные площадки на наружной поверхности в верхней и нижней ее части позволяет обеспечить требуемую жесткость корпуса в месте соединения с самолетом, а также соединение силового пояса с траверсами, одним из назначений которых является увеличение жесткости корпуса в месте их установки, что снижает перемещения элементов регулируемого сопла от эксплуатационных нагрузок и увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.
Выполнение силового пояса таким, что он содержит две коробки с проушинами, при этом проушины расположены таким образом, чтобы в каждой стенке силового пояса их было две, проушины выступают внутрь коробки, а окружная координата центров проушин отклонена от горизонтали и находится в диапазоне от 20° до 35°, позволяет обеспечить максимальную жесткость корпуса непосредственно в местах соединения с самолетом, то есть коробок с проушинами в силовом поясе, что снижает перемещения элементов регулируемого сопла от эксплуатационных нагрузок и увеличивает его КПД и турбореактивного двигателя в целом.
Реализация полки в области коробки с вырезом и выступанием относительно стенок больше, чем в других местах силового пояса, позволяет увеличить жесткость силового пояса вокруг коробки с вырезом, компенсируя снижение жесткости по причине необходимого выреза, что снижает перемещения элементов регулируемого сопла от эксплуатационных нагрузок и увеличивает его КПД и турбореактивного двигателя в целом.
Закрепление горизонтальных силовых балок на соответствующих прямолинейных участках выходного фланца позволяет увеличить жесткость выходного фланца корпуса и снизить потери потока в проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.
Закрепление каждой траверсы передней частью на соответствующей плоской горизонтальной площадке, а задней частью на соответствующей горизонтальной силовой балке увеличивает жесткость системы силовой пояс-траверсы-поперечные балки-обечайка корпуса и уменьшает изменение формы последней, что снижает потери потока в проточной части, увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.
Кроме того, выполнение обечайки с утолщением в месте закрепления поперечных стенок позволяет обеспечить требуемую жесткость обечайке корпуса, что снижает потери потока в проточной части, увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Сущность настоящего изобретения поясняется фигурами чертежей.
На фигуре 1 изображен вид сбоку в изометрии на регулируемое сопло турбореактивного двигателя. На фигуре 2 изображен угол α отклонения по окружности оси соосных проушин от горизонтальной плоскости. На фигуре 3 изображено поперечное сечение силового пояса по соосным парным отверстиям. На фигуре 4 изображен угол β, тождественный углу отклонения плоскости входного кольцевого фланца относительно горизонтали, перпендикулярной оси турбореактивного двигателя.
Регулируемое реактивное сопло турбореактивного двигателя, содержит последовательно установленные корпус 1, симметричный относительно продольной вертикальной плоскости, содержащий выходной фланец 2 прямоугольной формы, жестко закрепленные на вертикальных участках фланца 2 по торцам две боковые стенки 3, две дозвуковые створки 4 и две сверхзвуковые створки 5, причем каждая из дозвуковых створок 4 соединена с боковыми стенками 3 посредством шарнирных соединений, дозвуковые створки 4 в свою очередь попарно соединены со сверхзвуковыми створками 5 посредством шарнирных соединений. Дозвуковые створки 4 и сверхзвуковые створки 5 соединены с механизмами управления 6 и могут проворачиваться под их действием (фиг. 1), регулируя тем самым площадь критического и выходного сечений. Также регулируемое сопло содержит две поперечные силовые балки 7, установленные на горизонтальных участках выходного фланца 2, шесть траверс 8, по три в верхней и нижней части регулируемого сопла. Также корпус 1 содержит входной кольцевой фланец 9 и, расположенный непосредственно за ним, силовой пояс 10, закрепленный на обечайке 11 с внешней стороны. В частном случае реализации обечайка 11 имеет утолщение по окружности в месте закрепления силового пояса 10. Последний состоит из двух стенок 12, наружной полки 13, двух коробок 14 открытых снаружи и с двумя соосными проушинами 15 в каждой, установленными на уровне соответствующей стенки 12, предназначенных для соединения с самолетной частью. Для доступа в коробки 14 в наружной полке 13 выполнены два выреза 16 (фиг. 4). Соосные проушины 15 выступаю внутрь коробок 14. При этом наружная полка 13 выступает за габаритные размеры стенок 12 и они выполнены таким образом, что наружная полка 13 в верхней и нижней части силового пояса 10 образует плоские площадки 17. Притом вокруг коробок 14 наружная полка 13 выступает больше, чем в остальных местах силового пояса 10, так как имеет вырезы 16 для доступа в коробки 14, что требует увеличения жесткости и прочности. При этом ось соосных парных отверстий параллельна оси входного кольцевого фланца 9 и отклонена в диапазоне от 20° до 35° от горизонтальной плоскости, проходящей через ось входного кольцевого фланца 9, в окружном направлении (фиг. 2 - горизонтальная плоскость параллельно смещена относительно оси входного кольцевого фланца 9 для лучшей визуализации угла α). В частном случае реализации ее угол α отклонения составляет на 32°43'38'' и направлен вниз относительно указанной плоскости. Также передняя плоскость входного кольцевого фланца 9 повернута относительно горизонтали, перпендикулярной оси газотурбинного двигателя, на угол до 5° включительно. Данный угол равен углу β между осью турбореактивного двигателя и осью входного кольцевого фланца 9, который реализован в плоскости данных осей (фиг. 4). Это приводит к отклонению передней плоскости входного кольцевого фланца 9 на данный угол относительно плоскости, перпендикулярной оси турбореактивного двигателя. В частном случае реализации данный угол составляет β=3,5°. При этом передняя плоскость входного кольцевого фланца 9 отклонена так, чтобы выходная часть регулируемого сопла отклонилась вниз. Каждая траверса 8 задней своей частью закреплена на поперечной силовой балке 7, а передней своей частью закреплена на плоской площадке 17 силового пояса 10, образуя дополнительную жесткость системы силовой пояс 10 - траверсы 8 -поперечные силовые балки 7 - выходной фланец 2 - обечайка 11. Причем механизмы управления 6 установлены на траверсах 8 посредством шарнирных соединений. Устройство работает следующим образом.
В процессе работы турбореактивного двигателя изменяются площади критического и выходного сечений сопла, а также направление вектора тяги, за счет поворота дозвуковых створок 4 относительно боковых стенок 3 и изменения положения сверхзвуковых створок 5 под действием механизмов управления 6. При этом в работе от эксплуатационных нагрузок элементы регулируемого сопла подвергаются деформациям, которые реализуются как на элементах, образующих проточную часть, так и на элементах внешнего обвода. Конструктивно данные деформации минимизируются за счет наличия элементов увеличения жесткости корпуса 1, например, таких, как силовой пояс 10, траверсы 8, поперечные силовые балки 7.
Такое выполнение позволяет за счет увеличения жесткости элементов конструкции и оригинальности расположения и соединения силовых элементов корпуса, а также расположения и соединения механизмов управления со створками, снизить потери при внешнем обтекании и внутри проточной части с сохранением параметров регулирования сопла, что увеличивает его КПД и газотурбинного двигателя в целом, а также снизить количество различных деталей регулируемого сопла.