Регулируемое сопло турбореактивного двигателя
ADJUSTABLE NOZZLE OF A TURBOJET ENGINE

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, что увеличивает его КПД и газотурбинного двигателя в целом.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном регулируемом сопле турбореактивного двигателя, включающем 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, согласно предложенному изобретению сопло снабжено механизмами увеличения жесткости боковых стенок, двумя вертикальными силовыми балками, каждая дозвуковая створка шарнирно соединена с боковыми стенками, при этом корпус включает в себя выходной фланец, на торцевой поверхности которого жестко закреплены боковые стенки, притом силовые балки закреплены на вертикальных участках выходного фланца, причем на силовых балках посредством шарнирного соединения закреплены механизмы увеличения поперечной жесткости боковых стенок, соединенные с последними и корпусом с возможностью перемещения вдоль проточной части,
каждая из боковых стенок снабжена плоскими теплозащитными экранами и законцовками, симметрична относительно горизонтальной плоскости, представляет собой тонкостенную профилированную панель, состоящую из передней, средней и задней частей, которые последовательно и жестко закреплены между собой, и выполненную сужающейся по своей ширине от места контакта с корпусом, а передняя часть снабжена фланцем в области переднего торца, контактирующего с корпусом,
при этом профиль каждой панели содержит выступы, выполненные в виде цилиндрических втулок, ось которых перпендикулярна плоскости экранов, для крепления последних, законцовок и под установку шарнирных соединений с дозвуковыми створками, а также внешние ребра жесткости, средства соединения с механизмами увеличения жесткости боковых стенок, три продольные выпуклости и шесть поперечных выпуклостей, расположенных между продольными, при этом все выпуклости направлены наружу относительно проточной части,
при этом продольные выпуклости выполнены от фланца, центральная из них выполнена шире крайних, зауженной и усиленной двумя внешними ребрами жесткости у фланца, с вогнутостью вдоль наружной поверхности в месте максимального удаления от проточной части и проходит через три части панели,
причем крайние продольные выпуклости выполнены на передней и средней частях, на передней части выполнены две широкие поперечные выпуклости, на средней части выполнены четыре узких поперечных выпуклости, на двух из которых максимально удаленных от фланца выполнены по два средства соединения с механизмом увеличения жесткости боковых стенок, каждое из которых подкреплено внешним ребром жесткости к месту соединения с задней частью,
в задней части на выходе выполнен вырез с отверстиями на кромке, в котором установлена законцовка, повторяющий ее форму, выступы под установку законцовок периодически расположены вдоль кромок выреза, каждый из выступов содержит по паре проушин и подкреплен ребром жесткости к центральной продольной выпуклости или к месту соединения со средней частью, причем вдоль мест соединения частей панель выполнена с большей толщиной,
выступы для установки шарнирных соединений с дозвуковыми створками выполнены между кромкой панели и крайними продольными выпуклостями около фланца, причем каждый подкреплен тремя внешними ребрами жесткости с последним и одним внешним ребром жесткости с крайней продольной выпуклостью, выступы под крепление экранов расположены рядами поперек панели, а выступы для крепления законцовок выполнены с возможностью крепления экранов.
Ттри части боковой стенки могут быть соединены неразъемным соединением. Три части боковой стенки также могут быть соединены разъемным соединением и содержат внешние выступы в местах установки крепежа.
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.
Снабжение сопла механизмами увеличения жесткости боковых стенок, двумя вертикальными силовыми балками, позволяет увеличить изгибную жесткость и снизить деформации элементов регулируемого сопла 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.
Шарнирное соединение каждой из дозвуковых створок с боковыми стенками позволяет обеспечить требуемое регулирование критического и выходного сечений сопла, а также отклонения вектора тяги, что обеспечивает требуемую форму проточной части в работе, за счет чего увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Реализация на корпусе выходного фланца, на торцевой поверхности которого жестко закреплены боковые стенки, закрепление силовых балок на вертикальных участках выходного фланца, а на силовых балках механизмов увеличения поперечной жесткости боковых стенок посредством шарнирного соединения, позволяет увеличить изгибную жесткость и снизить деформации элементов регулируемого сопла 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.
Соединение механизмов увеличения поперечной жесткости боковых стенок с последними и корпусом с возможностью перемещения вдоль проточной части позволяет снизить изгибные деформации элементов сопла и обеспечить температурную развязку между ними, которые при высоких рабочих температурах могли бы приводить к заклиниванию механизмов поперечной жесткости боковых стенок или потере работоспособности ими и смежными им деталями. Это снижает сопротивление внешнему обтеканию и лучше сохраняет требуемую форму проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Снабжение каждой из боковых стенок плоскими теплозащитными экранами и законцовками, а также выполнение каждой боковой стенки симметричной относительно горизонтальной плоскости, позволяет снизить рабочую температуру и обеспечить более симметричное ее распределение по данной детали, что увеличивает ее жесткость за счет увеличения значения модуля упругости и более симметричную деформацию в рабочих условиях. Это снижает сопротивление внешнему обтеканию и лучше сохраняет требуемую форму проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Выполнение каждой боковой стенки в виде тонкостенной профилированной панели, состоящей из передней, средней и задней частей, которые последовательно и жестко закреплены между собой, и выполненной сужающейся по своей ширине от места контакта с корпусом, а также снабжение передней части фланцем в области переднего торца, контактирующего с корпусом, позволяет увеличить жесткость боковой стенки и места соединения ее с корпусом, что снижает сопротивление внешнему обтеканию и лучше сохраняет требуемую форму проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Выполнение профиля каждой панели с выступами, выполненными в виде цилиндрических втулок, ось которых перпендикулярна плоскости экранов, предназначенных для крепления последних, законцовок и под установку шарнирных соединений с дозвуковыми створками, а также выполнение профиля с внешними ребрами жесткости, средствами соединения с механизмами увеличения жесткости боковых стенок, тремя продольными выпуклостями и шестью поперечными выпуклостями, расположенными между продольными, при этом все выпуклости выполнены направленными наружу относительно проточной части, а также выполнение продольных выпуклостей от фланца, центральная из которых выполнена шире крайних, зауженной и усиленной двумя внешними ребрами жесткости у фланца, с вогнутостью вдоль наружной поверхности в месте максимального удаления от проточной части и проходящей через три части панели, а также выполнение крайних продольных выпуклостей на передней и средней частях, на передней части выполнены две широкие поперечные выпуклости, на средней части выполнены четыре узких поперечных выпуклости, на двух из которых максимально удаленных от фланца выполнены по два средства соединения с механизмом увеличения жесткости боковых стенок, каждое из которых подкреплено внешним ребром жесткости к месту соединения с задней частью, а также выполнение в задней части на выходе выреза с отверстиями на кромке, в котором установлена законцовка, повторяющего ее форму, а также выполнение выступов под установку законцовок периодически расположенными вдоль кромок выреза, каждый из выступов содержит по паре проушин и подкреплен ребром жесткости к центральной продольной выпуклости или к месту соединения со средней частью, а также выполнение панели вдоль мест соединения частей большей толщины, а также выполнение выступов для установки шарнирных соединений с дозвуковыми створками между кромкой панели и крайними продольными выпуклостями около фланца, причем каждый подкреплен тремя внешними ребрами жесткости с последним и одним внешним ребром жесткости с крайней продольной выпуклостью, а также расположение выступов под крепление экранов рядами поперек панели, а также выполнение выступов для крепления законцовок с возможностью крепления экранов, позволяет обеспечить меньшие поперечные деформации боковых стенок за счет формы профиля последних, возможности закрепления на них теплозащитных экранов и законцовок, обеспечивающих меньшие и более равномерные температурные нагрузки. Это снижает сопротивление внешнему обтеканию и лучше сохраняет требуемую форму проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Кроме того, соединение трех частей боковой стенки неразъемным соединением или разъемным соединением, содержащим внешние выступы в местах установки крепежа, позволяет обеспечить требуемую форму боковых стенок после сборки и требуемую жесткость последних в работе, что снижает сопротивление внешнему обтеканию 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 вид сверху на регулируемое сопло турбореактивного двигателя.
На фигуре 2 изображена в изометрии боковая стенка.
На фигуре 3 изображен вид в изометрии на теплозащитные экраны и законцовку боковой стенки со стороны выхода из 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 6, 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 и могут проворачиваться под их действием, регулируя тем самым площадь критического и выходного сечений. Регулируемое сопло турбореактивного двигателя также содержит две вертикальные силовые балки 7, закрепленные на вертикальных участках выходного фланца 2 посредством подвижных соединений. В частном случае реализации каждая вертикальная силовая балка 7 закреплена на выходном фланце 2 при помощи трех подвижных соединений - в центральной части при помощи цилиндрического шарнира, а по краям при помощи соединения (например, посредством проушин), позволяющего взаимные возвратно-поступательные относительные перемещения вдоль вертикальной силовой балки 7 и ограничивающего перемещения в перпендикулярных последней направлениях. При этом регулируемое сопло снабжено четырьмя механизмами 8 увеличения жесткости боковых стенок 3, установленных на соответствующих вертикальных силовых балках 7 посредством шарнирного соединения и соединенных с соответствующими боковыми стенками 3 и корпусом 1 по их внешней стороне. Причем на каждой вертикальной силовой балке 7 закреплено по два механизма 8 (см. фиг. 1). Причем на каждой боковой стенке установлены плоские теплозащитные экраны 9 и законцовка 10, обеспечивающая равномерную продувку воздуха с внешней стороны боковой стенки 3, что способствует более равномерному распределению температуры по ней в работе. Боковая стенка 3 выполнена в виде тонкостенной панели, симметричной относительно горизонтальной плоскости, сложного профиля и сужающейся по своей ширине от начала к выходу, и состоит из передней 11, средней 12 и задней 13 частей. Последнее обусловлено технологией ее производства, так как обеспечивает меньшее отклонение ее формы после сборки. Передняя часть 11 по переднему торцу снабжена фланцем 14 для крепления при помощи него к торцу выходного фланца 2 корпуса 1. При этом профиль каждой панели содержит выступы, выполненные в виде цилиндрических втулок, ось которых перпендикулярна плоскости теплозащитных экранов 9. Данные выступы делятся на выступы 15 для установки шарниров 6, выступы 16 для закрепления теплозащитных экранов 9 и выступы 17 для крепления законцовок 10. При этом профиль каждой боковой стенки 3 содержит внешние ребра жесткости 18, средства соединения 19 с механизмами 8, две крайние продольные выпуклости 20, одну центральную продольную выпуклость 21 и шесть поперечных выпуклостей 22, расположенных между продольных выпуклостей 20 и 21. Все выпуклости направлены наружу относительно проточной части. Причем продольные выпуклости 20 и 21 выполнены от фланца 14, а центральная выпуклость 21 выполнена шире крайних выпуклостей 20, зауженной и усиленной двумя внешними ребрами жесткости 18, с вогнутостью 23 вдоль наружной поверхности в месте максимального удаления от проточной части и расположена на трех частях 11, 12, 13 панели. Крайние продольные выпуклости 20 выполнены на передней 11 и средней 12 частях, на передней части 11 выполнены две широкие поперечные выпуклости 22, на средней части 12 выполнены четыре узких поперечных выпуклости 22, на двух из которых максимально удаленных от фланца 14 выполнены по два средства соединения 19 с механизмом 8 увеличения жесткости боковых стенок 3, каждое из которых подкреплено внешним ребром жесткости 18 к месту соединения с задней частью 13. В последней на выходе выполнен вырез 24 с отверстиями 25 на кромке, в котором установлена законцовка 10, при этом вырез 24 повторяет форму законцовки 10, а выступы 17 под установку законцовок 10 периодически расположены вдоль кромок выреза 24, каждый из выступов содержит по паре проушин 26 и подкреплен ребром жесткости 18 к центральной продольной выпуклости 21 или к месту соединения со средней частью 12. Вдоль каждого места соединения частей 11, 12, 13 панель выполнена большей толщины. Выступы 15 под установку шарниров 6 соединения с дозвуковыми створками 4 выполнены между кромкой боковой стенки 3 и крайними продольными выпуклостями 20 около фланца 14, причем каждый подкреплен тремя внешними ребрами жесткости 18 с последним и одним внешним ребром жесткости 18 с крайней продольной выпуклостью 20. Выступы 16 под крепление теплозащитных экранов 9 расположены рядами поперек боковой стенки 3, а выступы 17 для крепления законцовок выполнены с возможностью крепления теплозащитных экранов 9. В частном случае реализации части боковой стенки 3 соединены посредством разъемных соединений, при этом в местах соединений реализованы выступы 27 под крепежные элементы.
Сборка регулируемого сопла проверена при помощи 3D электронного макета, часть которого представлена на фигурах.
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. При этом в работе от эксплуатационных нагрузок элементы регулируемого сопла подвергаются деформациям, которые реализуются как на элементах, образующих проточную часть, в частности, боковых стенках 3 с теплозащитными экранами 9, так и на элементах внешнего обвода. Конструктивно данные деформации минимизируются. Например, для боковых стенок 3 их изгиб минимизируется за счет их профиля и механизмов 8.
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.