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 на выходе в поперечном сечении прямоугольной формы, две боковые стенки, закрепленные на корпусе, дозвуковые створки, сверхзвуковые створки, шарнирно закрепленные на дозвуковых, образующие проточную часть с управляемыми критическим и выходным сечениями (патент RU 2674232, 05.12.2018 г.).
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. Результатом этого являются ощутимые потери 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 с сохранением параметров его регулирования, возможностью упрощения производства деталей и минимизацией их массы, что увеличивает его КПД и газотурбинного двигателя в целом.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном регулируемом сопле турбореактивного двигателя, включающем корпус имеющий в выходном сечении прямоугольную форму, дозвуковые створки и сверхзвуковые створки, шарнирно соединенные друг с другом, боковые стенки, жестко соединенные с корпусом, а также элементы внешнего обвода и систему управления створками, соединенную с дозвуковыми створками и сверхзвуковыми створками посредством механизмов управления, согласно предложению на каждой сверхзвуковой створке установлены по одной поперечной передней балке и поперечной задней балке, при этом в каждой поперечной передней балке выполнено по меньшей мере три отверстия, в двух из которых с зазором размещены элементы механизмов управления, при этом каждая из дозвуковых и сверхзвуковых створок выполнена в поперечном разрезе в форме тупого угла, вершина которого направлена от проточной части турбореактивного двигателя, причем каждая из дозвуковых створок шарнирно соединена с боковыми створками, а каждая сверхзвуковая створка выполнена из по меньшей мере двух частей, жестко соединенных по торцам, при том на каждой сверхзвуковой створке выполнена сеть из пересекающихся внешних продольных, поперечных и наклонных относительно проточной части ребер жесткости, а каждая граница частей сверхзвуковой створки проходит по одному из ребер жесткости, кроме того близлежащие поверхности задней части дозвуковой створки и передней части сверхзвуковой створки вдоль оси их каждого шарнирного соединения выполнены в виде двух секторов усеченных конусов, усиленных продольными внешними ребрами жесткости на сверхзвуковых створках, при этом снаружи передней части каждой из последних выполнены три продольных парных проушины соединения с дозвуковой створкой, четыре продольных проушины соединения с механизмами управления и две парных продольных проушины соединения с элементами внешнего обвода, а за ними ближе к выходу расположен ряд средств соединения с поперечной передней балкой, а также ряд средств соединения с поперечной задней балкой, расположенных ближе всех к выходным кромкам сверхзвуковой створки, причем крайние соединения последней с поперечной передней балкой и с поперечной задней балкой выполнены с возможностью относительного перемещения смежных деталей в соответствующих поперечных плоскостях, при этом между двумя рядами средств соединения с поперечной передней балкой и с поперечной задней балкой выполнены две парные продольные проушины соединения с механизмами управления, при этом каждые проушина, средство соединения с поперечной передней балкой и средство соединения с поперечной задней балкой подкреплены внешними ребрами жесткости.
Соединения частей сверхзвуковой створки могут быть выполнены неразъемными. Соединения частей сверхзвуковой створки могут быть выполнены разъемными с внешними выступами в местах установки крепежных элементов. Меньшие основания двух секторов усеченных конусов направлены от боковых стенок. Каждая сверхзвуковая створка может быть выполнена из семи частей. Ряд средств соединения с поперечной передней балкой включает зацепы, расположенные по краям поперечной передней балки, и парную поперечную проушину, расположенную в ее центре. Ряд средств соединения с поперечной задней балкой включает три пары поперечных проушин.
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.
Не менее важной задачей является обеспечение требуемой формы оребренных тонкостенных крупногабаритных деталей сопла, ограничивающих проточную часть, таких как створки и боковые стенки, при их производстве. Так как общеизвестно, что подобные детали производятся из жаропрочных материалов и при высоких температурах, например, при помощи литья или аддитивных технологий. Данные технологии дают маленький процент выхода годного и большой процент брака данных деталей из-за значительных короблений, растрескиваний, непроливов и других дефектов подобных технологий. Для увеличения выхода годного и снижения изменений формы готовых крупногабаритных тонкостенных оребренных деталей технологически делят их на несколько частей и потом соединяют их при помощи разъемных и неразъемных соединений, что обеспечивает требуемую фору и жесткость подобных деталей, но усложняет их производство и сборку.
Установка на каждой сверхзвуковой створке по одной поперечной передней балке и поперечной задней балке позволяет увеличить изгибную жесткость и снизить деформации сверхзвуковой створки от эксплуатационных нагрузок. Это снижает сопротивление внешнему обтеканию и лучше сохраняет требуемую форму проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Выполнение в каждой поперечной передней балке по меньшей мере трех отверстий, в двух из которых с зазором размещены элементы механизмов управления, позволяет минимизировать массу поперечных передних балок с сохранением требуемой жесткости, а также уменьшить вертикальный габаритный размер сопла в области сверхзвуковой створки, что обеспечивает требуемую форму проточной части и снижает потери при внешнем обтекании в работе, за счет чего увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Выполнение каждой из дозвуковых и сверхзвуковых створок в поперечном разрезе в форме тупого угла, вершина которого направлена от проточной части турбореактивного двигателя, позволяет увеличить их изгибную жесткость и снижает деформации от эксплуатационных нагрузок, что обеспечивает требуемую форму проточной части и снижает потери при внешнем обтекании в работе, за счет чего увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Шарнирное соединение каждой из дозвуковых створок с боковыми стенками позволяет обеспечить уголковую форму непосредственно с входного торца каждой дозвуковой створки, что увеличивает их изгибную жесткость и снижает деформации элементов регулируемого сопла от эксплуатационных нагрузок, а также обеспечивает подвижность дозвуковых створок. Это снижает сопротивление внешнему обтеканию, лучше сохраняет требуемую форму проточной части и возможность регулирования сопла с требуемыми параметрами, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Выполнение каждой сверхзвуковой створки из, по меньшей мере, двух частей, жестко соединенных по торцам, позволяет обеспечить ее требуемую жесткость и технологичность, что снижает деформации от эксплуатационных нагрузок, обеспечивает требуемую форму проточной части и снижает потери при внешнем обтекании в работе, за счет чего увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Выполнение на каждой сверхзвуковой створке сети из пересекающихся внешних продольных, поперечных и наклонных относительно проточной части ребер жесткости, с прохождением каждой границы частей сверхзвуковой створки по одному из ребер жесткости, позволяет обеспечить требуемую жесткость последней, что снижает деформации от эксплуатационных нагрузок, обеспечивает требуемую форму проточной части и снижает потери при внешнем обтекании в работе, за счет чего увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Выполнение близлежащих поверхностей задней части дозвуковой створки и передней части сверхзвуковой створки вдоль оси их каждого шарнирного соединения в виде двух секторов усеченных конусов, усиленных продольными внешними ребрами жесткости на сверхзвуковых створках, позволяет обеспечить требуемую изгибную жесткость и относительную подвижность дозвуковых и сверхзвуковых створок с минимизацией утечек газа из проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Выполнение снаружи передней части каждой сверхзвуковой створки трех продольных парных проушин соединения с дозвуковой створкой, четырех продольных проушин соединения с механизмами управления и четырех продольных проушин соединения с элементами внешнего обвода, а также расположение за ними ближе к выходу ряда средств соединения с поперечной передней балкой, а также ряда средств соединения с поперечной задней балкой, расположенных ближе всех к выходным кромкам сверхзвуковой створки, позволяет соединить соответствующие детали регулируемого сопла с последней и обеспечить им совместную требуемую жесткость и возможность регулирования, что снижает деформации от эксплуатационных нагрузок, обеспечивает требуемую форму проточной части и снижает потери при внешнем обтекании в работе, за счет чего увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Выполнение крайних соединений сверхзвуковой створки с поперечной передней балкой и с поперечной задней балкой с возможностью относительного перемещения смежных деталей в соответствующих поперечных плоскостях позволяет обеспечить требуемую жесткость сверхзвуковой створки, исключая негативное влияние на совместные деформации деталей сопла температурных градиентов в работе, что обеспечивает требуемую форму проточной части и снижает потери при внешнем обтекании в работе, за счет чего увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Выполнение между двумя рядами поперечных парных проушин двух парных продольных проушин соединения с механизмами управления позволяет обеспечить требуемые параметры регулирования срезом сопла, что обеспечивает требуемую форму проточной части и снижает потери при внешнем обтекании в работе, за счет чего увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Подкрепление каждой проушины, средства соединения с поперечной передней балкой и средства соединения с поперечной задней балкой внешними ребрами жесткости позволяет снизить деформации от эксплуатационных нагрузок, обеспечить требуемую форму проточной части и снизить потери при внешнем обтекании в работе, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Кроме того, соединение частей сверхзвуковой створки неразъемным соединением или разъемным соединением, содержащим внешние выступы в местах установки крепежа, позволяет обеспечить требуемую форму сверхзвуковых створок после сборки и требуемую жесткость последних в работе, что снижает сопротивление внешнему обтеканию и лучше сохраняет требуемую форму проточной части, увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Кроме того, выполнение меньших оснований двух секторов усеченных конусов в направлении от боковых стенок позволяет снизить утечки газа из проточной части и обеспечить возможность регулирования элементов сопла, что снижает сопротивление внешнему обтеканию и лучше сохраняет требуемую форму проточной части, увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Кроме того, выполнение каждой сверхзвуковой створки из семи частей позволяет увеличить выход годного при производстве и снизить отклонения от номинальных размеров, что сохраняет требуемую форму проточной части, увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Кроме того, включение в ряд средств соединения с поперечной передней балкой зацепов, расположенных по краям поперечной передней балки, и парной поперечной проушины, расположенной в ее центре, позволяет увеличить выход годного при производстве и снизить отклонения от номинальных размеров, что сохраняет требуемую форму проточной части, увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Кроме того, включение в ряд средств соединения с поперечной задней балкой трех пар поперечных проушин позволяет увеличить выход годного при производстве и снизить отклонения от номинальных размеров, что сохраняет требуемую форму проточной части, увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Сущность настоящего изобретения поясняется фигурами чертежей.
На фиг. 1 изображен продольный разрез регулируемого сопла турбореактивного двигателя при минимальных площадях критического и выходного сечений.
На фиг. 2 изображена в изометрии сверхзвуковая створка регулируемого сопла.
Регулируемое реактивное сопло турбореактивного двигателя, содержит последовательно установленные корпус 1, содержащий выходной фланец 2 прямоугольной формы, жестко закрепленные по торцам на вертикальных участках фланца 2 две боковые стенки 3, две дозвуковые створки 4 и две сверхзвуковые створки 5, расположенные между боковых стенок 3, причем каждая из дозвуковых створок 4 соединена с последними посредством шарнирных соединений (фиг. 1). Дозвуковые створки 4 в свою очередь попарно соединены со сверхзвуковыми створками 5 посредством шарнирных соединений 6. Дозвуковые створки 4 и сверхзвуковые створки 5 выполнены в поперечном сечении в форме тупого угла, вершина которого направлена от проточной части турбореактивного двигателя, соединены с механизмами управления 7 и могут проворачиваться под их действием, регулируя тем самым площадь критического и выходного сечений в работе. Регулируемое сопло турбореактивного двигателя также содержит две поперечные передние балки 8 и две поперечные задние балки 9, закрепленные попарно на соответствующих сверхзвуковых створках 5 посредством ряда из трех подвижных средств соединений каждая. В частном случае реализации поперечная задняя балка 9 закреплена в парной поперечной проушине 10 (фиг. 2) соответствующей сверхзвуковой створки 5 посредством цилиндрического шарнира. А также крайние средства соединения позволяют взаимные возвратно-поступательные перемещения в работе концов поперечной задней балки 9 относительно сверхзвуковой створки 5, выполнены в виде парных проушин 11 на последней и проушины 12 с овальными отверстиями на каждом из концов поперечной задней балки 9. В частности, три средства соединения поперечной передней балки 8 выполнены и работают аналогично средствам соединения поперечной задней балки 9 со сверхзвуковой створкой 5, за исключением крайних средств соединения, часть которых, относящаяся к последней, выполнены в виде парных поперечных зацепов 13 (фиг. 2). Данные отличия обусловлены технологичностью изготовления сверхзвуковой створки 5. По той же причине сверхзвуковая створка 5 выполнена из семи частей, что обусловлено размером рабочей камеры оборудования для производства ее методом аддитивных технологий. Передняя часть сверхзвуковой створки 5 выполнена в виде двух секторов усеченных конусов 14 для минимизации зазора с дозвуковой створкой 4, осью которых является ось их шарнирных соединений 6. Для их реализации на сверхзвуковой створке 5 выполнены три парных продольных проушины 15 (фиг. 2). Для увеличения жесткости сверхзвуковой створки 5 с ее внешней стороны выполнена сеть продольных, поперечных и наклонных ребер жесткости 16, таким образом, что границы ее частей проходят по ним и два сектора усеченных конусов 14 подкреплены ими (фиг. 2). Также с внешней стороны передней части сверхзвуковой створки 5 выполнены четыре продольных проушины 17 соединения с механизмами управления и две парных продольных проушины 18 соединения с элементами внешнего обвода 19. Ряд из средств соединения сверхзвуковой створки 5 с поперечной задней балкой 9 расположен ближе всего к выходным кромкам 20 последней. Между ним и рядом из трех средств соединения сверхзвуковой створки 5 с поперечной передней балкой 8 расположены еще две парные проушины 21 соединения с механизмами управления 7. Каждая из проушин 12, 13, 15, 17, 18, 21 и парные зацепы 13 подкреплены ребрами жесткости 16. Для снижения веса и вертикального габаритного размера конструкции в поперечных передних балках выполнены отверстия 22, в частном случае реализации, по пять. Соответственно в поперечных задних силовых балках выполнены отверстия 23, в частном случае реализации, по шестнадцать. При этом в двух отверстиях 22 с зазором размещены элементы механизмов управления 7 (фиг. 2). В частном случае реализации части сверхзвуковых створок 5 соединены посредством разъемных соединений с внешними выступами 24 в местах установки крепежных элементов.
Сборка регулируемого сопла проверена при помощи 3D электронного макета, часть которого представлена на 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 под действием механизмов управления 7. При этом в работе от эксплуатационных нагрузок элементы регулируемого сопла подвергаются деформациям, которые реализуются как на элементах, образующих проточную часть, в частности, сверхзвуковых створках 5, так и на элементах внешнего обвода 19. Конструктивно данные деформации минимизируются. Например, для сверхзвуковых створок 5 изгиб минимизируется за счет их формы, сети внешних ребер жесткости 16, двух поперечных передних балок 8 и двух поперечных задних балок 9.
Такое выполнение позволяет за счет увеличения жесткости элементов конструкции и ее оригинальности снизить потери при внешнем обтекании и внутри проточной части с сохранением параметров регулирования сопла, что увеличивает его КПД и газотурбинного двигателя в целом.