УСТРОЙСТВО ОТКЛОНЕНИЯ ВЕКТОРА ТЯГИ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Изобретение относится к авиадвигателестроению, в частности к регулируемым соплам воздушно-реактивных двигателей, выполненных с возможностью отклонения вектора тяги.
Известно устройство отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя (см. Попов Н.К., Соколов В.Д., Хвостов Н.И. «Сопла воздушно-реактивных двигателей с отклоняемым вектором тяги». - М.: «Машиностроение», 1979. - стр.121-122), которое включает сопло с дозвуковой и сверхзвуковой частями, конструктивный узел, в котором размещены подвеска подвижной части сопла, уплотнения, приводы.
Недостатком данного устройства является усложнение конструкции и увеличение массы устройства за счет наличия дополнительных механических подвижных элементов, обеспечивающих поворот сопла или его части.
Известно устройство отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя (см. Попов Н.К., Соколов В.Д., Хвостов Н.И. «Сопла воздушно-реактивных двигателей с отклоняемым вектором тяги». - М.: «Машиностроение», 1979. - стр.128-129) - прототип, которое включает сопло с дозвуковой и сверхзвуковой частями, а также газовод с управляемым дросселем, установленным между форсажной камерой двигателя и сверхзвуковой частью сопла.
Недостатком данного устройства является то, что конструкция клапанов и подводящих газоводов, обеспечивающих работу устройства, достаточно сложна и увеличивает поперечный габарит и массу двигателя, а также приводит к уменьшению ресурса работы устройства и всего двигателя в целом.
Технический результат заявленного устройства - повышение эффективности и надежности отклонения газового потока за счет упрощения
конструкции, снижения затрат мощности на управление и повышения динамических характеристик устройства, а также повышение ресурса работы и снижение массы устройства и двигателя в целом.
Для получения указанного технического результата в заявленном устройстве отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя, включающем сопло с дозвуковой и сверхзвуковой частями, состоящими из створок, для обеспечения подвода атмосферного воздуха во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла, по меньшей мере, часть створок сверхзвуковой части сопла имеет окна, выполненные с возможностью их закрытия и открытия, причем створка сверхзвуковой части сопла выполнена с одним окном или с несколькими окнами на ней.
При этом сопло дополнительно может содержать наружные створки, по меньшей мере, часть из которых имеет окна, выполненные с возможностью их закрытия и открытия.
Створки сверхзвуковой части и дополнительные наружные створки сопла, имеющие окна, соединены с управляемыми заслонками.
Выполнение устройства, по меньшей мере, часть створок сверхзвуковой части сопла которого имеет окна, выполненные с возможностью их закрытия и открытия, и выполнение створки сверхзвуковой части сопла с одним окном или с несколькими окнами на ней, для обеспечения подвода атмосферного воздуха во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла, позволяет повысить надежность и эффективность отклонения газового потока благодаря упрощению конструкции, снижению затрат мощности на управление, повышению динамических характеристик устройства и ресурса его работы. Повышение динамических характеристик устройства достигается благодаря повышенному быстродействию, отсутствию значительных шарнирных моментов, возникающих вследствие больших инерционных нагрузок и трения в подвижных узлах, уплотнениях. Снижение затрат мощности на управление достигается благодаря уменьшению потерь расходуемого газа из газогенератора двигателя. Снижение массы устройства
и двигателя в целом достигается за счет отсутствия в нем дополнительных клапанов, газоводов, наличие которых в прототипе необходимо для обеспечения функционирования устройства по управлению газовым потоком.
Предложенное изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-4, на которых изображены:
На фиг.1 - вариант выполнения сопла с несколькими окнами на створках сверхзвуковой части.
На фиг.2 - показан вид А и направление втекания атмосферного воздуха через открытые окна сверхзвуковой части сопла.
На фиг.3 - вариант выполнения сопла с одним окном на створках сверхзвуковой части.
На фиг.4 - показан вид Б и направление втекания атмосферного воздуха через открытые окна сверхзвуковой части сопла.
Устройство отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя включает сопло двигателя, выполненное с дозвуковой 1 и сверхзвуковой 2 частями, состоящими из створок. Часть створок 3 сверхзвуковой части 2 сопла имеет окна 4 (на чертежах показаны схематично), выполненные с возможностью их закрытия и открытия. Створки 3 сверхзвуковой части, которые имеют окна 4, содержат управляемые заслонки 5, имеющие собственные приводы 6.
Сопло дополнительно может содержать наружные створки 7, часть из которых имеет окна 8 (на чертежах показаны схематично), выполненные с возможностью их закрытия и открытия. Наружные створки 7 сопла, которые имеют окна 8, содержат управляемые с помощью приводов (на чертежах не показаны) заслонки 9.
При этом, каждая створка 3 сверхзвуковой части сопла может быть выполнена с одним окном 4 (см. фиг.3) или с несколькими окнами 4 (см.
4 фиг.1) на ней. Наружная створка 7 сопла также может быть выполнена с одним окном 8 (см. фиг.3) или с несколькими окнами 8 (см. фиг.1) на ней.
Комбинация створок 3 сверхзвуковой части сопла, на которых могут быть выполнены окна 4, может быть различной, например, окно или окна могут быть выполнены на каждой из створок, через одну створку, через две створки. Таким же образом могут быть выполнены окна 8 на наружных створках 7.
Устройство отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя работает следующим образом.
Принцип отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя основан на перераспределении давления по внутренней поверхности сверхзвуковой части сопла в результате взаимодействия основного газового потока со вторичной струей воздуха, поступающего из атмосферы. Образованное вторичной струей воздуха препятствие вносит возмущение в набегающий основной газовый поток и перестраивает характер его течения. Вследствие несимметричности этого течения относительно оси сопла появляется нормальная к оси сопла несбалансированная сила, которая и образует в конечном итоге управляющее усилие.
вн.бок
Сначала изменяют угол раскрытия створок 3 сверхзвуковой части сопла. На этом режиме работы струя неустойчива, происходит «отрыв» струи от одной части боковой поверхности во внутренней полости сопла и «прилипание» струи к противоположной части боковой поверхности. В результате изменения угла раскрытия створок 3 сверхзвуковой части сопла, происходит понижение давления р, действующего на боковую поверхность (во внутренней полости) сверхзвуковой части сопла в зоне, расположенной между критическим сечением и выходным сечением сопла, которое становится ниже давления окружающей среды - атмосферного давления р, действующего на внешнюю боковую поверхность сверхзвуковой части сопла в той же зоне. Угол раскрытия створок
сверхзвуковой части сопла может составлять 5°-50°. Данный диапазон угла раскрытия створок 3 сверхзвуковой части сопла является оптимальным диапазоном для эффективного управления летательным аппаратом за счет прилипания струи к боковой поверхности во внутренней полости сопла (эффект Коанда).
бок
При угле раскрытия створок 3 сверхзвуковой части сопла менее 5° боковая составляющая тяги р в этом случае составит всего 2% от тяги двигателя, а этого недостаточно для общего управления тягой летательного аппарата.
При угле раскрытия створок 3 сверхзвуковой части сопла более 50° может возникнуть отрыв газового потока от боковой поверхности во внутренней полости сопла, что не позволит достичь газодинамического эффекта отклонения струи.
Затем при помощи управляемых заслонок 5 с приводами 6 открывают окна 4 створок 3 сверхзвуковой части сопла. При этом количество и расположение открытых окон 4 на створках 3 сверхзвуковой части сопла могут быть различны и зависят от необходимого угла Р отклонения струи на выходе из сопла, который может составлять до 25°. Например, открывают окна 4 на створках 3 сверхзвуковой части сопла, расположенных последовательно друг за другом, составляющих половину от общего числа створок 3 сверхзвуковой части сопла.
При наличии в устройстве наружных створок 7 сопла, имеющих окна 8, для обеспечения подвода атмосферного воздуха во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла, одновременно с открытием окон 4, открывают окна 8 при помощи управляемых заслонок 9.
При этом количество и расположение открытых окон 8 на наружных створках 7 могут быть различны и зависят от необходимого угла (3 отклонения струи на выходе из сопла. Например, открывают окна на створках, расположенных последовательно друг за другом, составляющих половину от общего числа наружных створок 7 сопла.
вн.бок
н
вн.бок
бок
бок
бок
2
В результате открытия окон атмосферный воздух поступает во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла. На боковую поверхность во внутренней полости сверхзвуковой части сопла, противоположную открытым окнам, действует пониженное давление р, величина которого ниже атмосферного давления и составляет примерно 0,05... 0,07 МПа (0,5...0,7 кг/см). Разность давлений Δр=p-p, действующая на площадь S боковой поверхности сверхзвуковой части сопла, создает боковую силу Р, действующую на двигатель и летательный аппарат. Сила р является составляющей от общей тяги двигателя и может быть определена следующим образом:
бок
бок
p=Δp·S
или
бок
Р=p·sinβ,
бок
где Р - тяга двигателя, р - боковая составляющая тяги, р - угол отклонения струи и вектора тяги.
Таким образом, поступающий во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла поток атмосферного воздуха воздействует на основную струю газа из двигателя и отклоняет ее на угол р.
Пример.
Была поставлена задача отклонить вектор тяги воздушно-реактивного двигателя на угол β=15° при следующих исходных данных для двигателя:
- расход газа через сопло двигателя G=190 кг/с;
г
*
2
- давление газа на входе в сопло р =4,2 кг/см;
г
*
- температура газа на входе в сопло Т =2100°К;
кр
2
- площадь критического сечения сопла F=0,57 м.
В результате проведенных расчетов, выполненных численными методами, было установлено, что для отклонения вектора тяги воздушно-
вн.бок
2
реактивного двигателя на угол β=15°, при угле раскрытия величина угла раскрытия створок 3 сверхзвуковой части сопла должна составлять 15°. При этом, для подвода атмосферного воздуха во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла, необходимо открыть окна 4 на створках 3 сверхзвуковой части сопла, расположенных друг за другом и составляющих половину соответственно от общей боковой поверхности створок 3 сверхзвуковой части сопла. Давление р, действующее на боковую поверхность, противоположную открытым окнам, во внутренней полости сверхзвуковой части сопла, составило 0,5 кг/см. Угол β отклонения струи на выходе из сопла и соответственно вектора тяги воздушно-реактивного двигателя составил 15°.
Применение предложенного устройства отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя позволяет повысить эффективность и надежность управления газовым потоком за счет упрощения конструкции, снижения затрат мощности на управление и повышения динамических характеристик устройства, а также повысить ресурс работы и снизить массу устройства и двигателя в целом.