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 друг с другом, боковые стенки, жестко соединенные с корпусом, а также систему управления створками, соединенную с дозвуковыми створками и сверхзвуковыми створками посредством механизмов управления (патент RU 2674232 С1).
Недостатком прототипа является недостаточная жесткость элементов конструкции, деформация которых приводит к дополнительным газодинамическим потерям при внешнем обтекании воздуха и протекании газа внутри проточной части регулируемого сопла, вызванная и температурными нагрузками, а также утечки газа со стороны проточной части в местах соединения подвижных элементов, ограничивающих проточную часть, с ответными деталями. Результатом этого являются ощутимые потери эффективной тяги турбореактивного 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 с сохранением параметров его регулирования, возможностью расширения технологии производства деталей и минимизацией их массы, что снижает вес и увеличивает его КПД и двигателя в целом.
Указанный технический результат достигается тем, что известное регулируемое сопло турбореактивного двигателя, 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 систему управления створками, соединенную с дозвуковыми створками и сверхзвуковыми створками посредством механизмов управления, согласно настоящему изобретению, снабжено теплозащитными экранами, установленными со стороны проточной части в корпусе, а также на боковых стенках и дозвуковых створках и жестко зафиксированными на корпусе, боковых стенках и дозвуковых створках соответственно, с образованием тракта охлаждения между теплозащитными экранами и упомянутыми конструктивными элементами, вход в который сообщен с наружным контуром двигателя, при этом каждая из дозвуковых и сверхзвуковых створок, выполнена в поперечном разрезе в форме тупого угла, вершина которого направлена от проточной части, кроме того, каждая дозвуковая створка выполнена из центральной и двух боковых частей, жестко соединенных по близлежащим торцам, при этом близлежащие поверхности дозвуковых и сверхзвуковых створок, расположенных вдоль осей их шарнирных соединений, выполнены коническими, кроме того, на наружной поверхности каждой дозвуковой створки выполнены продольные, поперечные и наклонные относительно направления газового потока ребра жесткости, установленные под углом к продольным и поперечным ребрам жесткости, а также кронштейны с проушинами для соединения с механизмами управления и сверхзвуковыми створками, установленные вдоль центральных частей дозвуковых створок, при этом каждая из дозвуковых створок шарнирно соединена с боковыми стенками, кроме того, на дозвуковой створке, вдоль нее, выполнены, по меньшей мере, один ряд отверстий, в которые установлены втулки, а также, по меньшей мере, два ряда крючкообразных зацепов со стороны ее внутренней поверхности.
Преимущественно центральная и боковые части дозвуковых створок соединены посредством неразъемных соединений.
Преимущественно центральная и боковые части дозвуковых створок соединены посредством разъемных соединений, выполненных в виде выступов с отверстиями под крепежные элементы со стороны наружных поверхностей дозвуковых створок.
Преимущественно шарнирные соединения дозвуковых створок с боковыми стенками реализованы посредством установленных в дозвуковых створках втулок, соединенных с боковыми створками осями вращения.
Преимущественно по наружным поверхностям упомянутых втулок проходит, по меньшей мере, одно продольное ребро жесткости.
Преимущественно отверстия с втулками выполнены в продольных относительно направления газового потока ребрах жесткости.
Преимущественно ряд отверстий вдоль дозвуковых створок выполнен между рядами крючкообразных зацепов.
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. Экранирование силовых элементов конструкции от горячих газов проточной части снижает рабочую температуру деталей сопла в работе, что увеличивает их жесткость и снижает их деформацию. 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.
Снабжение сопла теплозащитными экранами, установленными со стороны проточной части в корпусе, а также на боковых стенках и дозвуковых створках и жестко зафиксированными на корпусе, боковых стенках и дозвуковых створках соответственно, с образованием тракта охлаждения между теплозащитными экранами и упомянутыми конструктивными элементами, вход в который сообщен с наружным контуром двигателя, позволяет организовать тракт охлаждения между последними и деталями, на которых они установлены, что снижает рабочую температуру деталей сопла, что увеличивает их жесткость и, как следствие, снижает сопротивление внешнему обтеканию и лучше сохраняет требуемую форму проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.
Выполнение каждой из дозвуковых и сверхзвуковых створок в поперечном разрезе в форме тупого угла, вершина которого направлена от продольной оси турбореактивного двигателя, позволяет увеличить жесткость дозвуковых и сверхзвуковых створок, что позволяет лучше сохранять форму проточной части и увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.
Выполнение каждой дозвуковой створки из центральной и двух боковых частей, жестко соединенных по близлежащим торцам, позволяет применять аддитивные технологии производства со стандартными размерами области печати деталей, а также применять к ним методы топологической оптимизации, что расширяет возможности технологии производства деталей и минимизирует их массу, что снижает их вес и газотурбинного двигателя в целом.
Выполнение близлежащих поверхностей дозвуковых и сверхзвуковых створок, расположенных вдоль осей их шарнирных соединений, коническими позволяет минимизировать утечки из проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.
Выполнение на наружной поверхности каждой дозвуковой створки продольных, поперечных и наклонных ребер жесткости, установленных под углом к продольным и поперечным ребрам жесткости, а также кронштейнов с проушинами для соединения с механизмами управления и сверхзвуковыми створками, установленные вдоль центральных частей дозвуковых створок, позволяет увеличить жесткость дозвуковых створок, что позволяет лучше сохранять форму проточной части и увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом с сохранением параметров его регулирования.
Соединение каждой из дозвуковых створок шарнирно с боковыми стенками позволяет обеспечить требуемые параметры регулирования сопла, что увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.
Выполнение на дозвуковой створке, вдоль нее, по меньшей мере, один ряд отверстий, в которые установлены втулки, а также, по меньшей мере, два ряда крючкообразных зацепов со стороны ее внутренней поверхности, позволяет обеспечить крепление на дозвуковой створке теплозащитных экранов, что снижает рабочую температуру дозвуковой створки в работе, тем самым увеличивая ее жесткость, что позволяет лучше сохранять форму проточной части и увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.
Кроме того, соединение центральной и боковых частей дозвуковых створок посредством неразъемных соединений позволяет применять аддитивные технологии производства со стандартными размерами области печати деталей, а также применять к ним методы топологической оптимизации, расширять возможности технологии производства деталей и минимизирует их массу, что снижает их вес и газотурбинного двигателя в целом. Также за счет неразъемного соединения увеличивает жесткость дозвуковой створки, что позволяет лучше сохранять форму проточной части и увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.
Кроме того, соединение центральной и боковых частей дозвуковых створок посредством разъемных соединений, выполненных в виде выступов с отверстиями под крепежные элементы со стороны наружных поверхностей дозвуковых створок, позволяет применять аддитивные технологии производства со стандартными размерами области печати деталей, а также применять к ним методы топологической оптимизации, расширять возможности технологии производства деталей и минимизирует их массу, что снижает их вес и газотурбинного двигателя в целом.
Кроме того, реализация шарнирных соединений дозвуковых створок с боковыми стенками посредством установленных в дозвуковых створках втулок, соединенных с боковыми створками осями вращения, позволяет обеспечить требуемые параметры регулирования сопла, что увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.
Кроме того, выполнение дозвуковых створок такими, что по наружным поверхностям упомянутых втулок проходит, по меньшей мере, одно продольное ребро жесткости увеличивает жесткость мест крепления теплозащитных экранов на дозвуковых створках, позволяет лучше сохранять форму проточной части и увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.
Кроме того, выполнение отверстий с втулками в продольных относительно направления газового потока ребрах жесткости увеличивает жесткость дозвуковых створок и позволяет лучше сохранять форму проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.
Кроме того, выполнение ряда отверстий вдоль дозвуковых створок между рядами крючкообразных зацепов позволяет обеспечить крепление на дозвуковой створке теплозащитных экранов, что снижает рабочую температуру дозвуковой створки в работе, тем самым увеличивая ее жесткость, что позволяет лучше сохранять форму проточной части и увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.
Сущность настоящего изобретения поясняется фигурами чертежей.
На фигуре 1 изображен продольный разрез регулируемого сопла турбореактивного двигателя при минимальных площадях критического и выходного сечений.
На фигуре 2 изображен вид в изометрии снаружи на дозвуковую створку регулируемого сопла.
На фигуре 3 изображен вид в изометрии со стороны проточной части на дозвуковую створку.
На фигуре 4 представлен вид на теплозащитные экраны регулируемого сопла из проточной части.
Регулируемое реактивное сопло турбореактивного двигателя, содержит последовательно установленные корпус 1, содержащий выходной фланец 2 прямоугольной формы, жестко закрепленные на вертикальных участках фланца 2 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 6, дозвуковые створки 4 в свою очередь попарно соединены с сверхзвуковыми створками 5 посредством шарнирных соединений 7. Дозвуковые створки 4 и сверхзвуковые створки 5 соединены с механизмами управления 8 и могут проворачиваться под их действием, регулируя тем самым площадь критического и выходного сечений. На корпусе 1, на боковых стенках 3 и на дозвуковых створках 4 установлены теплозащитные экраны 9 (фиг. 4). Между теплозащитными экранами 9 и деталями регулируемого сопла, на которых они зафиксированы, образован тракт охлаждения 10, вход в который сообщается с наружным контуром турбореактивного двигателя. Также внутренние поверхности теплозащитных экранов 9 формируют проточную часть 11, а последние выполнены из отдельных перфорированных сегментов, установленных с перехлестами на соответствующих им деталях сопла (корпусе 1, боковых стенках 3 и дозвуковых створках 4) для минимизации зазоров между ними. При этом каждая из дозвуковых створок 4 и сверхзвуковых створок 5 выполнена в поперечном разрезе в форме тупого угла, вершина которого направлена от проточной части, а их близлежащие поверхности, расположенные вдоль осей их шарнирных соединений, выполнены коническими для минимизации зазоров между ними при условии относительного вращения. Кроме того, каждая дозвуковая створка 4 на наружной поверхности содержит продольные, поперечные и наклонные относительно направления газового потока ребра жесткости 12 (установленные под углом к продольным и поперечным ребрам жесткости) и выполнена из центральной и двух боковых частей, жестко соединенных по близлежащим торцам. В частном случае реализации каждое такое соединение выполнено разъемным по продольному (расположенному вдоль газового потока) ребру жесткости 12, где в местах соединений выполнены выступы 13 под установку крепежа (фиг. 2). А также на центральной части выполнены продольные кронштейны 14 с парными проушинами 15 для соединения с механизмами управления 8 и проушинами 16 для соединения со сверхзвуковыми створками 5, подкрепленные поперечными и наклонными относительно газового потока ребрами жесткости 12. При этом, в частном случае реализации, поперек дозвуковой створки выполнены один ряд отверстий с втулками 17 для жесткой фиксации теплозащитных экранов 9, а также два ряда крючкообразных зацепов 18 со стороны ее внутренней поверхности для подвижной фиксации теплозащитных экранов 9 (фиг. 3). Втулки 17 для увеличения жесткости мест крепления теплозащитных экранов подкреплены продольными (относительно газового потока) ребрами жесткости 12 и расположены между рядами крючкообразных зацепов 18. В местах соединения дозвуковых створок 4 с боковыми стенками 3 на первых выполнены втулки 19 с глухими отверстиями под соединительную ось шарниров 6. В частном случае реализации каждая втулка 19 подкреплена тремя поперечными (относительно газового потока) ребрами жесткости 12 (фиг. 2).
Устройство работает следующим образом.
В процессе работы турбореактивного двигателя изменяются площади критического и выходного сечений сопла за счет поворота дозвуковых и сверхзвуковых створок 4 и 5 совместно с теплозащитными экранами 9 под действием механизмов управления 8. При этом происходит относительное перемещение смежных поверхностей, а именно, передних торцов дозвуковых створок 4 относительно близлежащих поверхностей сверхзвуковых створок 5. Выполнение данных поверхностей коническими снижает утечки газа через зазоры между ними. Также в работе происходит разогрев элементов регулируемого сопла, в результате чего снижается их жесткость и увеличиваются деформации, которые минимизируются за счет наличия тракта охлаждения 10 и продувки через него более холодного воздуха из наружного контура турбореактивного двигателя. При этом в работе от эксплуатационных нагрузок элементы регулируемого сопла подвергаются деформациям, которые реализуются как на элементах, образующих проточную часть, в частности, на дозвуковых створках 4. Конструктивно данные деформации минимизируются. Например, для дозвуковых створок 4 изгиб минимизируется за счет их формы и сети внешних ребер жесткости 12.
Такое выполнение позволяет за счет увеличения жесткости элементов конструкции и ее оригинальности снизить потери при внешнем обтекании и внутри проточной части, в том числе и в тракте охлаждения, с сохранением параметров регулирования сопла, что увеличивает его КПД и турбореактивного двигателя в целом.