ВЫХЛОПНОЕ СОПЛО ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к авиационной технике, в частности к конструкциям плоских многофункциональных выхлопных сопел для воздушно-реактивных двигателей летательного аппарата.
Известно выхлопное сопло воздушно-реактивного двигателя, которое содержит признаки, совпадающие с существенными признаками описываемой полезной модели, а именно: содержащее корпус, состоящий из входной части, сужающейся в поперечном сечении полости сопла и имеющей в выходном сечении прямоугольную форму, и выходной части с увеличивающейся по потоку газа площадью прямоугольного поперечного сечения полости сопла, состыкованной с входной частью в выходном ее сечении и имеющей верхнюю, нижнюю и вертикальные стенки и поворотные створки, шарнирно закрепленные в корпусе с возможностью изменения направления потока газа и площади проходного сечения полости выходной части сопла (опубликованная заявка США №2008016873).
В известном выхлопном сопле оси поворота створок расположены вертикально, что позволяет разделить реактивную струю на несколько потоков и регулировать направление струи на выходе из сопла. Однако в известном выхлопном сопле регулирование потока реактивной струи осуществляется только в горизонтальном направлении, что существенно снижает функциональные возможности управления двигателем. Кроме того, в известном сопле поворотные створки полностью расположены в потоке выхлопных газов, что в условиях высоких температур (800-900°C), характерных для современных турбореактивных двигателей, приведет к снижению надежности их работы.
Известно выхлопное сопло воздушно-реактивного двигателя, которое содержит признаки, совпадающие с существенными признаками описываемой полезной модели, а именно: содержащее корпус, состоящий из дозвуковой части, сужающейся в поперечном сечении полости сопла и имеющей в выходном сечении прямоугольную форму, и сверхзвуковой части с увеличивающейся по потоку газа площадью прямоугольного поперечного сечения полости сопла, состыкованной с дозвуковой частью в выходном ее сечении и имеющей вертикальные стенки, жестко связанные с дозвуковой частью, а также верхнюю и нижнюю стенки, имеющие каждая плоские пластины с уплотнительными кромками и поворотные пластины с вертикальными перегородками, шарнирно установленные в чередующемся порядке с плоскими пластинами, и имеющие приводной механизм для изменения направления потока газа и площади проходного сечения полости сопла в сверхзвуковой части (патент РФ №156534).
В известном выхлопном сопле выходная часть корпуса разделена на секции вертикальными перегородками и в каждой секции установлены поворотные створки с осями поворота, закрепленными на верхней и нижней стенках корпуса, что позволяет регулировать направление струи на выходе из каждой секции сопла. При работе на всех режимах в описываемой конструкции сопла все подвижные и неподвижные детали обдуваются потоком встречного воздуха, что снижает их тепловую напряженность и способствует повышению надежности и долговечности работы выхлопного сопла. Однако функциональные возможности известного сопла существенно ограничены в связи с тем, что в нем отсутствует возможность изменения направления потока газа и площади проходного сечения полости сопла в дозвуковой его части.
Известно выхлопное сопло воздушно-реактивного двигателя, которое содержит признаки, совпадающие с существенными признаками описываемой полезной модели, а именно: содержащее корпус, состоящий из дозвуковой части, сужающейся в поперечном сечении полости сопла и имеющей в выходном сечении прямоугольную форму и поворотные створки с приводом, шарнирно установленные в стенках корпуса с возможностью регулирования площади выходного сечения дозвуковой части, и сверхзвуковой части с увеличивающейся по потоку газа площадью прямоугольного поперечного сечения полости сопла, состыкованной с дозвуковой частью в выходном ее сечении и имеющей вертикальные стенки, жестко связанные с дозвуковой частью, и верхнюю и нижнюю поворотные стенки, шарнирно закрепленные на свободных кромках поворотных створок дозвуковой части с осями шарниров, расположенными в плоскостях этих кромок, для изменения направления потока газа и площади проходного сечения полости сопла в сверхзвуковой части (патент США №4819876).
К недостаткам известного сопла следует отнести отсутствие индивидуального приводного механизма для верхней и нижней поворотных стенок сверхзвуковой части сопла корпуса, что существенно снижает функциональные возможности управления двигателем.
Наиболее близким аналогом является выхлопное сопло воздушно-реактивного двигателя, которое содержит признаки, совпадающие с существенными признаками описываемой полезной модели, а именно: содержащее корпус, состоящий из дозвуковой части, сужающейся в поперечном сечении полости сопла и имеющей в выходном сечении прямоугольную форму и поворотные створки с приводом, шарнирно установленные в стенках корпуса с возможностью регулирования площади выходного сечения дозвуковой части, и сверхзвуковой части с увеличивающейся по потоку газа площадью прямоугольного поперечного сечения полости сопла, состыкованной с дозвуковой частью в выходном ее сечении и имеющей вертикальные стенки, жестко связанные с дозвуковой частью, и верхнюю и нижнюю поворотные стенки с приводным механизмом, шарнирно закрепленные на свободных кромках поворотных створок дозвуковой части с осями шарниров, расположенными в плоскостях этих кромок, для изменения направления потока газа и площади проходного сечения полости сопла в сверхзвуковой части (опубликованная заявка КНР №104033280).
В этом выхлопном сопле только нижняя поворотная стенка имеет автономный приводной механизм, а верхняя поворотная стенка жестко закреплена на поворотной створке. Поэтому режим минимальной заметности в инфракрасном диапазоне (ИК заметности) может быть осуществлен только в дозвуковом режиме работы двигателя, что наглядно проиллюстрировано на фиг. 3 описания опубликованной заявки.
При этом в известном выхлопном сопле выходная часть корпуса не разделена на секции вертикальными перегородками и поэтому верхняя и нижняя поворотные стенки с осями поворота, закрепленными на поворотных створках, позволяют регулировать только общее направление всего потока газа на выходе из сопла, что существенно ограничивает функциональные возможности известного сопла.
Технической проблемой, решаемой полезной моделью, является расширение функциональных возможностей работы выхлопного сопла.
Техническим результатом полезной модели является обеспечение режима минимальной заметности в инфракрасном диапазоне (ИК заметности) во всем диапазоне работы двигателя.
Технический результат достигается тем, что в выхлопном сопле воздушно-реактивного двигателя, содержащем корпус, состоящий из дозвуковой части, сужающейся в поперечном сечении полости сопла и имеющей в выходном сечении прямоугольную форму и поворотные створки с приводом, шарнирно установленные в корпусе с возможностью регулирования площади выходного сечения дозвуковой части, и сверхзвуковой части с увеличивающейся по потоку газа площадью прямоугольного поперечного сечения полости сопла, состыкованной с дозвуковой частью в выходном ее сечении и имеющей вертикальные стенки, жестко связанные с дозвуковой частью, и верхнюю и нижнюю поворотные стенки с приводным механизмом, шарнирно закрепленные на свободных кромках поворотных створок дозвуковой части с осями шарниров, расположенными в плоскостях этих кромок, для изменения направления потока газа и площади проходного сечения полости сопла в сверхзвуковой части.
Согласно полезной модели верхняя и нижняя поворотные стенки сверхзвуковой части выполнены каждая в виде набора плоских пластин с уплотнительными кромками и пластин с вертикальными перегородками, установленных в чередующемся порядке с плоскими пластинами, причем каждая пластина набора установлена шарнирно на свободной кромке одной из поворотных створок дозвуковой части и снабжена индивидуальным приводом, а пластины верхней поворотной стенки расположены в шахматном порядке относительно соответствующих пластин нижней поворотной стенки.
Такое выполнение выхлопного сопла позволяет обеспечить режим снижения ИК заметности на всех режимах полета летательного аппарата.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где
на фиг. 1 представлен общий вид выхлопного сопла воздушно-реактивного двигателя на крейсерском режиме работы;
на фиг. 2 представлен продольный разрез выхлопного сопла на крейсерском режиме работы;
на фиг. 3 - вид выхлопного сопла со стороны выходной части корпуса сопла на режиме взлета летательного аппарата;
на фиг. 4 - вид выхлопного сопла на режиме реверса;
на фиг. 5 - продольные разрезы выхлопного сопла на режиме снижения ИК заметности для одномоторного летательного аппарата;
на фиг. 6 - вид выхлопного сопла на режиме снижения ИК заметности для двухмоторного летательного аппарата;
на фиг. 7 - вид выхлопного сопла на режиме отклонения вектора тяги «вниз» (без вертикальной стенки);
на фиг. 8 - вид дозвуковой части сопла;
на фиг. 9 - вид плоской пластины в аксонометрии;
на фиг. 10 - вид пластины с вертикальными перегородками в аксонометрии.
Выхлопное сопло воздушно-реактивного двигателя представляет собой сопло Лаваля, содержащее корпус 1, состоящий из дозвуковой части 2, сужающейся в поперечном сечении полости 3 сопла и имеющей в выходном поперечном сечении 4 прямоугольную форму, и сверхзвуковой части 5 с увеличивающейся по потоку газа площадью прямоугольного поперечного сечения полости 6 сопла.
Дозвуковая часть 2 сопла имеет поворотные створки 7 с приводом 8, шарнирно установленные в корпусе 1 с возможностью регулирования площади выходного поперечного сечения 4 дозвуковой части 2, которое является критическим сечением сопла. Сверхзвуковая часть 5 корпуса 1 состыкована с дозвуковой частью 2 в выходном ее сечении 4 и имеет вертикальные стенки 9, жестко связанные с дозвуковой частью 2, верхнюю поворотную стенку 10 и нижнюю поворотную стенку 11, шарнирно закрепленные на свободных кромках 12 поворотных створок 7 дозвуковой части 2.
Верхняя 10 и нижняя 11 поворотные стенки сверхзвуковой части 5 выполнены каждая в виде набора плоских пластин 13 с уплотнительными кромками 14 и пластин 15 с вертикальными перегородками 16, установленных в чередующемся порядке с плоскими пластинами 13. Каждая пластина 15 снабжена двумя вертикальными перегородками 16, расположенными на ее кромках со стороны, противоположной полости 6 сопла, и сопряженными с уплотнительными кромками 14 плоских пластин 13. Каждая пластина 13 и 15 набора установлена шарнирно на свободной кромке 12 одной из поворотной створки 7 дозвуковой части 2 и снабжена индивидуальным приводом 17, а пластины 13 и 15 верхней поворотной стенки 10 расположены в шахматном порядке относительно соответствующих пластин 13 и 15 нижней поворотной стенки 11.
При таком исполнении каждая из поворотных стенок 10 и 11 состоит из набора чередующихся однотипных плоских пластин 13 и пластин 15 с вертикальными стенками 16, выполненных одинаковыми по ширине для верхней 10 и нижней 11 поворотных стенок. Напротив плоской пластины 13 верхнего ряда располагается пластина 15 с вертикальными перегородками 16 в нижнем ряду и наоборот.
Плоская пластина 13 представляет собой створку прямоугольной формы, усиленную ребрами жесткости и имеющую проушины 18 для шарнирного соединения с одной из поворотных створок 7 дозвуковой части 2 сопла. На боковой поверхности плоских пластин 13 имеются пазы 19 для установки уплотнительных элементов, например, пластинчатых с поджимающими пружинами.
Индивидуальный привод 17 пластин 13 и 15 может быть выполнен в виде гидроцилиндров, исполнительные элементы которых кинематически связаны с проушинами 20 для перемещения и фиксации пластин 13 и 15 в заданном положении. Для обеспечения равномерности перемещения пластин 13 и 15 должна быть предусмотрена синхронизация механизма привода верхней 10 и нижней 11 поворотных стенок сверхзвуковой части 5 сопла. Выполнение кинематической схемы и системы синхронизации, размещение гидроцилиндров (приводного механизма), выбор материалов для деталей сопла не являются предметом данной полезной модели.
При работающем двигателе функции сопла заключаются в изменении площади выходного (критического) поперечного сечения 4 дозвуковой части 2, а также формы и направления реактивной струи на выходе из сверхзвуковой части 5 сопла с помощью верхней 10 и нижней 11 поворотных стенок.
Поворотные створки 7 регулируют выходное (критическое) поперечное сечение дозвуковой части 2 сопла, поддерживая тем самым определенный (заданный) режим работы двигателя и разгоняя поток выхлопных газов до скорости звука. Полость 6 сверхзвуковой расширяющейся части 5 служит для дальнейшего разгона потока до скоростей выше скорости звука. Форма сверхзвуковой части 5 регулируется таким образом, чтобы обеспечить минимальные потери на крейсерском режиме работы. Вертикальные перегородки 16 создают скос потока между отдельными струями, это вызывает возникновение продольной завихренности в реактивной струе за критическим сечением сопла, что способствует эффективному шумоглушению на частичных режимах работы сопла.
Регулирование газодинамической формы дозвуковой 2 и сверхзвуковой 5 частей сопла независимое, т.е. каждому положению поворотных створок 7 соответствует несколько положений сверхзвуковых поворотных стенок 10 и 11. Кроме того, плоские пластины 13 и пластины 15 с вертикальными перегородками 16 сверхзвуковой части 5, имеющие индивидуальные приводы 17, регулируются независимо одни от других. При таком исполнении сопла каждому режиму работы двигателя и движения летательного аппарата соответствует определенное положение поворотных створок 7, плоских пластин 13 и пластин 15 с вертикальными перегородками 16, обеспечивающее оптимальную форму сопла для конкретного режима и придания ему таких свойств, как снижение уровня шума выхлопного устройства, отклонения вектора тяги, обеспечения реверса тяги, снижения ИК заметности.
На взлетном режиме сверхзвуковая часть 5 сопла принимает ступенчатую форму (фиг. 3) и происходит разбиение основного потока выхлопных газов на отдельные струи при помощи плоских пластин 13 и пластин 15 с вертикальными перегородками 16, тем самым создается скос потока между струями, что позволяет снизить уровень шума на выхлопе.
На крейсерском режиме полета сверхзвуковая часть 5 сопла принимает прямоугольную форму, пластины 13 и пластины 15 с вертикальными перегородками 16 каждой из поворотных стенок 10 и 11 перемещаются в открытое положение, выравниваясь на один уровень (фиг. 1 и 2) при этом обеспечивается режим минимальных потерь и максимальной экономичности полета.
Для обеспечения режима отклонения вектора тяги «вверх» пластины 13 и 15 верхней поворотной стенки 10 отклоняются в максимально поднятое положение, а пластины 13 и 15 нижней поворотной стенки 11 отклоняются в сторону оси. При отклонении вектора тяги «вниз» пластины 13 и 15 верхней поворотной стенки 10 отклоняются в сторону оси, а пластины 13 и 15 нижней поворотной стенки 11 отклоняются в максимально опущенное положение.
Возможно отклонение вектора тяги на больший угол, для создания большей вертикальной тяги. Это обеспечивается отклонением дозвуковых поворотных створок 7 вниз с сохранением оптимальной для конкретного режима работы двигателя площади критического сечения и отклонением сверхзвуковых пластин 13 и 15 на больший угол (фиг. 7).
Для перекрытия потока газа для создания режима реверса пластины 13 и 15 верхней и нижней поворотных стенок отклоняются к оси сопла, полностью перекрывая проточную полость 6 сверхзвуковой части 5 сопла. Течение газового потока через сопло прекращается и поток выбрасывается через реверсивное устройство (на чертеже не показано).
Для однодвигательного летательного аппарата режим минимальной заметности в инфракрасном диапазоне (ИК заметности) обеспечивается установкой сверхзвуковых поворотных стенок 10 и 11 во взлетный режим, а дозвуковых поворотных створок 7 - в положение минимальной площади выходного (критического) поперечного сечения 4 дозвуковой части 2 сопла, при этом одна из поворотных створок 7 может отклоняться до положения, в котором ее плоская поверхность параллельна оси сопла.
Такая конструктивно-кинематическая схема сопла позволяет обеспечить режимы минимальной ИК заметности на всех режимах работы двигателя с показателями, приближенными к оптимальным. Для компенсации момента по крену летательного аппарата общее число пластин 13 и 15 каждой из поворотных стенок 10 и 11 выбирается нечетным, а компенсация вертикальной составляющей тяги может осуществляться неполным раскрытием одной из поворотных стенок 10 или 11.
Такой вариант снижения ИК заметности возможен и для двухдвигательного летательного аппарата. Например, в летательном аппарате с симметричным расположением двигателей режим минимальной заметности в инфракрасном диапазоне обеспечивается, на одном двигателе отклонением одной половины сверхзвуковых поворотных стенок 10 или 11 в режим «вектор тяги «вниз», а другой половины в режим «вектор тяги «вверх». На втором двигателе выполняется аналогичное отклонение сверхзвуковых поворотных стенок 10 или 11 в «зеркальном» отображении (фиг. 6). При этом появляющийся момент по крену одного двигателя парируется моментом второго двигателя, направленным в противоположную сторону и летательный аппарат сохраняет заданную траекторию полета.
Такая конструктивно-кинематическая схема позволяет получить сопло, выполняющее различные функции. Отклонение дозвуковых поворотных створок обеспечивает регулирование двигателя во всем диапазоне рабочих режимов двигателя. А расширяющаяся сверхзвуковая часть 5 сопла с независимым управлением пластинами 13 и 15, дополнительно, наряду с регулированием оптимальной площади на выходе из сопла позволяет получить возможность снижения шума на режиме взлета, набора высоты и посадки, отклонения вектора тяги в вертикальной плоскости, перекрытия газового тракта (потока) для обеспечения реверса тяги, а также обеспечить режим минимальной заметности в инфракрасном диапазоне на всех режимах полета летательного аппарата.