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, содержащее последовательно установленные корпус, имеющий в выходном сечении прямоугольную форму, дозвуковые створки и сверхзвуковые створки, шарнирно соединенные с дозвуковыми створками, а также боковые стенки, жестко соединенные с корпусом, а также механизмы управления дозвуковыми и сверхзвуковыми створками (патент RU 2674232, 05.12.2018 г.).
Недостатками прототипа являются значительные габаритные размеры, особенно в поперечном горизонтальном направлении, и недостаточная жесткость элементов конструкции, деформация которых приводит к дополнительным газодинамическим потерям при внешнем обтекании воздуха и протекании газа внутри проточной части регулируемого сопла, что приводит к ощутимым потерям эффективной тяги газотурбинного двигателя.
Техническим результатом, достигаемым заявленным устройством, является 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 газотурбинного двигателя в целом.
Указанный технический результат достигается тем, что известное регулируемое сопло, содержащее последовательно установленные корпус, имеющий в выходном сечении прямоугольную форму, дозвуковые створки и сверхзвуковые створки, шарнирно соединенные с друг с другом, боковые стенки, жестко соединенные с корпусом, а также механизмы управления дозвуковыми и сверхзвуковыми створками, согласно настоящему изобретению оно дополнительно снабжено двумя вертикальными силовыми балками с отверстиями и двумя горизонтальными силовыми балками, содержащими проушины, а также шестью траверсами, закрепленными на корпусе, вдоль него по три в верхней и нижней его части, при этом каждая дозвуковая створка шарнирно соединена с боковыми стенками, кроме того, механизмы управления створками поровну расположены в верхней и нижней части регулируемого сопла и шарнирно закреплены на траверсах, при этом корпус снабжен выходным фланцем, жестко соединенным с боковыми стенками по торцам, кроме того, с внешней стороны вдоль каждого прямолинейного участка выходного фланца выполнены пазы с ответными отверстиями в их стенках, причем проушины каждой горизонтальной силовой балки размещены в соответствующих пазах между ответными отверстиями в стенках пазов и связаны посредством подвижных соединений с выходным фланцем, а вертикальные силовые балки частично размещены в соответствующих пазах так, что их отверстия расположены между ответными отверстиями стенок пазов и связаны с выходным фланцем посредством подвижных соединений, при этом каждая траверса в области выходного фланца жестко закреплена на соответствующей горизонтальной силовой балке, кроме того, в горизонтальных силовых балках выполнены отверстия под элементы механизмов управления дозвуковыми и сверхзвуковыми створками, установленные в них с зазором.
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 отклонения 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.
Снабжение регулируемого сопла двумя вертикальными силовыми балками с отверстиями и двумя горизонтальными силовыми балками, содержащими проушины, а также шестью траверсами, закрепленными на корпусе, вдоль него по три в верхней и нижней его части, позволяет увеличить изгибную жесткость корпуса за счет установки на нем траверс и выходного фланца корпуса за счет установки на нем горизонтальных и вертикальных силовых балок, снижая деформации элементов регулируемого сопла от эксплуатационных нагрузок. Также это 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 газотурбинного двигателя в целом.
Шарнирное соединение каждой из дозвуковых створок с боковыми стенками позволяет обеспечить возможность размещения механизмов управления в верхней и нижней части корпуса, что снижает поперечный горизонтальный габаритный размер сопла с сохранением параметров его регулирования и лучше сохраняет требуемую форму проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Размещение механизмов управления створками поровну в верхней и нижней части регулируемого сопла с шарнирным закреплением их на траверсах позволяет снизить поперечный горизонтальный габаритный размер сопла с сохранением параметров его регулирования и лучше сохраняет требуемую форму проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Снабжение корпуса выходным фланцем прямоугольной формы, жестко соединенным с боковыми стенками по торцам, позволяет увеличить жесткость элементов сопла и снижает изменение формы проточной части в работе, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Выполнение с внешней стороны вдоль каждого прямолинейного участка выходного фланца пазов с ответными отверстиями в их стенках таким образом, что, проушины каждой горизонтальной силовой балки размещены в соответствующих пазах между ответными отверстиями в стенках пазов и связаны посредством подвижных соединений с выходным фланцем, а вертикальные силовые балки частично размещены в соответствующих пазах так, что их отверстия расположены между ответными отверстиями стенок пазов и связаны с выходным фланцем посредством подвижных соединений, позволяет увеличить поперечную жесткость выходного фланца. Это позволяет снизить перемещения элементов сопла от эксплуатационных нагрузок, что лучше сохраняет требуемую форму проточной части и элементов внешних обводов, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Жесткое закрепление каждой траверсы в области выходного фланца на соответствующей горизонтальной силовой балке позволяет увеличить жесткость каждой системы корпус - выходной фланец - горизонтальная силовая балка - траверса, что лучше сохраняет требуемую форму проточной части и увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Выполнение в горизонтальных силовых балках отверстий под элементы механизмов управления дозвуковыми и сверхзвуковыми створками, установленные в них с зазором, позволяет обеспечить возможность размещения механизмов управления в верхней и нижней части корпуса, что снижает поперечный горизонтальный габаритный размер сопла с сохранением параметров его регулирования и лучше сохраняет требуемую форму проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Сущность настоящего изобретения поясняется фигурами чертежей.
На фигуре 1 изображен продольный разрез вертикальной плоскостью нижней части регулируемого сопла турбореактивного двигателя.
На фигуре 2 подробнее показан выходной фланец корпуса в месте соединения с ним горизонтальных и вертикальных силовых балок, а также место соединения горизонтальной силовой балки с траверсой.
Регулируемое реактивное сопло турбореактивного двигателя содержит последовательно установленные корпус 1, 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, а также отклонение вектора тяги. Во фланце 2, на его прямолинейных участках с внешней стороны, выполнены пазы 7 с ответными отверстиями 8, выполненными в стенках пазов 7. Регулируемое сопло также снабжено двумя горизонтальными силовыми балками 9, каждая из которых содержит прямолинейный участок с проушинами 10. Причем каждая проушина 10 размещена в соответствующем пазу 7 между ответных отверстий 8, и в данном месте реализовано подвижное соединение посредством, например, оси. В частном случае реализации, каждая горизонтальная силовая балка 9 снабжена тремя проушинами 10. Также сопло содержит две вертикальные силовые балки 11 с отверстиями, которые размещены в соответствующих пазах 7 между ответных отверстий 8. Между стенок пазов 7 и вертикальными силовыми балками 11 реализованы подвижные соединения. Последние необходимы для частичной компенсации температурных расширений смежных элементов регулируемого сопла и снижения возникающих нагрузок в местах их соединений, в том числе и температурных за счет образования зазоров между ними и меньшей теплопередачи, но обеспечивая при этом связи в требуемых направлениях для увеличения совместной изгибной жесткости данных элементов. В частности, каждое подвижное соединение выполнено в виде цилиндрического шарнира. При этом в горизонтальных силовых балках 9 выполнены отверстия 12, в которых с зазором установлены элементы механизмов управления 6 (фиг. 2). Кроме того, регулируемое сопло содержит шесть траверс 13, расположенных вдоль корпуса 1, закрепленных передней частью на последнем, а задней частью закрепленных на соответствующих горизонтальных силовых балках 9. На траверсах 13 установлены механизмы управления 6. Причем и траверсы 13 и механизмы управления 6 поровну расположены в верхней и нижней части регулируемого сопла.
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 нагрузки от давления в проточной части от створок 4, 5 передаются на механизмы управления 6, а далее на корпус 1 посредством траверс 13, которые более равномерно их распределяют по корпусу 1, способствуя тем самым снижению его деформации, в том числе и выходного фланца 2, излишние деформации которого ограничивают горизонтальные силовые балки 9 и вертикальные силовые балки 11. Деформациям подвергаются не только описанные выше, но и остальные элементы регулируемого сопла, в том числе как образующие проточную часть, так и элементы внешнего обвода. Конструктивно данные деформации минимизируются.
Такое выполнение конструкции позволяет уменьшить ее габариты и увеличить жесткость за счет оригинальности расположения и соединения ее элементов, снизить потери при внешнем обтекании и внутри проточной части с сохранением параметров регулирования сопла, что увеличивает его КПД и газотурбинного двигателя в целом.