СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
AIRCRAFT POWER PLANT

Настоящее изобретение относится к силовой установке летательного аппарата, содержащей двухконтурный турбореактивный двигатель, содержащий, по меньшей мере, один компрессор, камеру сгорания, турбину и вентилятор, установленный на входе компрессора и вращаемый турбиной, при этом двигатель охвачен гондолой, ограничивающей на выходе вентилятора кольцевой контур прохождения вторичного воздушного потока вокруг картеров компрессора, камеры сгорания и турбины, причем этот вторичный поток обеспечивает создание основной части тяги.
Силовую установку крепят на конструктивном элементе летательного аппарата, таком как крыло этого летательного аппарата, при помощи средств, которые позволяют передавать на этот конструктивный элемент усилия, создаваемые двигателем во время различных фаз работы.
Турбореактивные двигатели современных гражданских самолетов отличаются высокой степенью разбавления, то есть соотношением вторичный поток/первичный поток, превышающим 5 и в некоторых случаях достигающим 9 или 10, что обеспечивает снижение нежелательных шумовых явлений и расхода топлива. Это выражается в уменьшении поперечных размеров корпуса турбореактивного двигателя между вентилятором и турбиной (эффект «осиной талии»), что приводит к снижению сопротивления прогибу этого корпуса.
Деформации прогиба корпуса турбореактивного двигателя, в свою очередь, приводят к деформациям картера вокруг ротора и к овализации картера, в результате чего в некоторых местах зазор картер-ротор уменьшается, а в других местах увеличивается (эффект «каркасной деформации»).
Это приводит к снижению характеристик турбореактивного двигателя, поскольку приходится предусматривать более значительные зазоры у вершин лопаток.
Как правило, средства крепления силовой установки содержат прочную и массивную деталь, обычно называемую стойкой или пилоном, и средства подвески, которые соединяют двигатель со стойкой. Обычно эти средства подвески крепят, с одной стороны, на одном или нескольких картерах двигателя, например, на промежуточном картере на входе и на выпускном картере на выходе, и, с другой стороны, на нижней части стойки, которая проходит во вторичном контуре и, как правило, окружена стенками направления вторичного потока, образуя то, что иногда называют «разветвлением на 12 часов».
Эти известные средства крепления имеют ряд недостатков.
Крепление силовой установки на стойке летательного аппарата при помощи средств подвески, закрепленных на картерах, приводит к защемлениям на уровне этих картеров и способствует эффектам деформации и осевого смещения различных вращающихся элементов двигателя, что приводит к потере производительности и к повышению расхода топлива.
Кроме того, восприятие торсионного момента, создаваемого вращающимися элементами двигателя на уровне задней подвески, заставляет использовать средства широкой подвески и применять настолько же широкое разветвление на 12 часов в случае стойки, частично заходящей во вторичный поток.
Следовательно, при одной и той же степени разбавления это заставляет увеличивать радиальные размеры гондолы, что приводит к увеличению лобового сопротивления и затрудняет интегрирование турбореактивных двигателей с высокой степенью разбавления.
Настоящее изобретение призвано предложить простое, экономичное и эффективное решение этих проблем, позволяющее устранить недостатки известных технических решений.
В частности, объектом изобретения является силовая установка летательного аппарата, в которой гондола играет конструктивную роль для повышения жесткости двигателя и ограничения его механических деформаций и в котором средства подвески к летательному аппарату позволяют ограничить восприятия точечных усилий и защемления на уровне корпуса двигателя, а также уменьшить габариты разветвления на 12 часов вокруг стойки, обеспечивая при этом хорошую передачу усилий между двигателем и летательным аппаратом.
В этой связи предлагается силовая установка летательного аппарата, содержащая двухконтурный турбореактивный двигатель, охваченный гондолой, ограничивающей кольцевое пространство прохождения вторичного потока, и средства крепления двигателя на стойке, предназначенной для крепления на элементе конструкции летательного аппарата, при этом выходная часть гондолы содержит внутреннюю круглую конструкцию, ограничивающую изнутри контур прохождения вторичного потока вокруг корпуса двигателя, отличающаяся тем, что внутренняя конструкция выходной части гондолы содержит жесткий каркас, образованный входной кольцевой рамой, закрепленной болтовым соединением на промежуточном картере двигателя, выходной кольцевой рамой, содержащей средства удержания выпускного картера двигателя, и продольными лонжеронами соединения этих рам, и тем, что выходная кольцевая рама этой внутренней конструкции закреплена на стойке при помощи средств гибкой или шарнирной подвески.
Жесткий каркас внутренней конструкции выходной части гондолы позволяет этой конструкции участвовать в передаче усилий между двигателем и стойкой и играть, таким образом, конструктивную роль, ограничивая явления каркасных деформаций в двигателе.
Крепление выходной кольцевой рамы этого каркаса на стойке заменяет обычное крепление выпускного картера на этой стойке и позволяет избежать защемлений на уровне выпускного картера.
Таким образом, изобретение позволяет уменьшить зазоры в вершине лопаток и, в целом, улучшить характеристики силовой установки.
Согласно другому отличительному признаку изобретения, средства удержания выпускного картера содержат тяги, равномерно распределенные вокруг оси двигателя, радиально внутренние концы которых шарнирно установлены при помощи шаровых опор на жесткой цилиндрической стенке выпускного картера и радиально наружные концы которых шарнирно установлены при помощи шаровых опор на выходной кольцевой раме внутренней конструкции гондолы, при этом тяги предпочтительно проходят по существу тангенциально к выпускному картеру и в плоскости, перпендикулярной к оси двигателя.
Тяги обеспечивают передачу усилий между выпускным картером и стойкой, распределяя их вокруг оси двигателя, и ограничивают, таким образом, риски локальных защемлений на уровне этого картера, оптимально используя при этом конструктивные свойства выходной кольцевой рамы.
Предпочтительно, чтобы средства подвески выходной кольцевой рамы содержали тяги, шарнирно установленные при помощи шаровых опор и соединяющие стойку с вершинной частью выходной рамы, и тягу восприятия тягового усилия;
Предпочтительно также, чтобы выходная кольцевая рама содержала кольцо U-образного сечения, образующее кольцевой желоб, открытый в радиальном направлении наружу и содержащий средства шарнирного соединения тяг подвески;
Предпочтительно также, чтобы тяги подвески содержали трехточечную тягу L-образной формы, конец большой ветви которой шарнирно соединен с выходной кольцевой рамой и конец малой ветви которой шарнирно соединен с концом другой тяги, другой конец которой шарнирно соединен с выходной кольцевой рамой.
Тяги подвески выходной рамы на стойке обеспечивают гибкую подвеску, ограничивая риски чрезмерных напряжений, и, кроме того, их преимуществом является уменьшение габаритов, в частности, за счет того, что они могут частично находиться в желобе выходной рамы.
Предпочтительно, чтобы тяга восприятия тягового усилия была направлена в осевом направлении к выходу от вершинной части выходной рамы.
Такая конфигурация позволяет отказаться от тяги восприятия тягового усилия, проходящей через внутреннюю конструкцию гондолы.
Согласно другому отличительному признаку изобретения, стойка содержит входную часть, проходящую до уровня промежуточного картера двигателя и соединенную тремя шарнирными тягами с вершинной частью промежуточного картера, при этом две тяги проходят по существу в радиальном направлении, тогда как третья тяга проходит по существу по касательной к промежуточному картеру.
Эти тяги обеспечивают восприятие боковых и вертикальных усилий, а также торсионного момента, создаваемого при вращении вращающихся элементов двигателя, поэтому нет необходимости в восприятии этого торсионного момента средствами задней подвески.
Это позволяет значительно уменьшить размеры в окружном направлении задних средств подвески и габариты разветвления на 12 часов вокруг стойки и, следовательно, повысить степень разбавления двигателя при одинаковом общем габаритном размере или уменьшить этот общий габаритный размер при одинаковой степени разбавления.
Предпочтительно, чтобы входная и выходная кольцевые рамы внутренней конструкции гондолы были соединены двумя продольными лонжеронами, проходящими в вертикальной плоскости, проходящей через ось двигателя, и двумя боковыми продольными лонжеронами, проходящими в горизонтальной плоскости, проходящей через ось двигателя.
Предпочтительно также, чтобы на каркасе внутренней конструкции гондолы были закреплены панели обтекателя, содержащие по существу продольные жесткие стенки направления вторичного потока вокруг стойки, причем эти стенки содержат гибкие средств соединения со стойкой и, предпочтительно, крышки люков доступа к вспомогательным системам двигателя.
За счет своего соединения со стойкой эти продольные стенки участвуют в передаче усилий между внутренней конструкцией гондолы и стойкой.
Панели обтекателя могут также содержать по существу продольные стенки, проходящие в части пространства прохождения вторичного потока, диаметрально противоположной стойке, для направления вторичного потока вокруг вспомогательных систем двигателя.
Предпочтительно, чтобы панели обтекателя содержали съемные крышки люков доступа для облегчения операций обслуживания двигателя.
Выходная кольцевая рама и, по меньшей мере, некоторые из продольных лонжеронов внутренней конструкции гондолы выполнены из сплава, содержащего никель, что придает им оптимальные жесткость и механическую прочность, а также повышенную температурную стойкость.
Предпочтительно, чтобы входная кольцевая рама и панели обтекателя внутренней конструкции гондолы были выполнены из титана.
Выбор титана позволяет уменьшить массу этих элементов внутренней конструкции гондолы, поэтому нет необходимости, чтобы они имели такие же характеристики с точки зрения жесткости и прочности.
Настоящее изобретение, его другие детали, преимущества и отличительные признаки будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает схематичный вид в изометрии со стороны входа силовой установки в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2 - схематичный частичный вид в изометрии со стороны входа силовой установки в соответствии с настоящим изобретением, в которой полуцилиндрические части выходного наружного кожуха гондолы находятся в открытом положении, панели обтекателя внутренней стенки гондолы сняты, и входные панели обтекателя гондолы показаны с частичным вырезом.
Фиг.3 - схематичный частичный вид в изометрии со стороны выхода силовой установки, показанной на фиг.1, включающей панели обтекателя внутренней стенки гондолы, с вырезом наружной стенки этой гондолы.
Фиг.4 - схематичный частичный вид в разрезе силовой установки, показанной на фиг.1, в плоскости выходной кольцевой конструкции внутренней стенки ее гондолы.
Фиг.5 - схематичный частичный вид в изометрии сбоку силовой установки, показанной на фиг.1, в которой сняты панели обтекателя внутренней стенки гондолы, с вырезом наружной стенки этой гондолы.
Фиг.6 - схематичный частичный вид в разрезе силовой установки, показанной на фиг.1, с показом передних средств подвески двигателя на стойке.
Фиг.7 - схематичный частичный вид в изометрии со стороны выхода силовой установки, показанной на фиг.1, с показом задних средств подвески двигателя на стойке.
Силовая установка 10 летательного аппарата, схематично показанная на фиг.1 и 2, содержит гондолу 12 общей цилиндрической формы, внутри которой установлен двухконтурный турбореактивный двигатель 14, подвешенный к стойке 16 крепления под крылом летательного аппарата.
Спереди двигатель содержит рабочее колесо вентилятора, вращающееся внутри картера 18 вентилятора, который соединен своим выходным концом с наружной цилиндрической стенкой 20 промежуточного картера.
На входе гондола 12 содержит полуцилиндрические панели 22, иногда называемые входным воздухопроводом, и 24 обтекателя, которые охватывают картер 18 вентилятора и наружную стенку 20 промежуточного картера, а на выходе - наружный кожух 26, иногда называемый OFS (Outer Fixed Structure), который образован двумя полуцилиндрическими частями 28, закрепленными на наружной стенке 20 промежуточного картера и содержащими, в случае необходимости, реверсор тяги, что само по себе известно. Полуцилиндрические части наружного кожуха 26 шарнирно соединены со стойкой при помощи шарниров (на фигурах не показаны) и шарнирно соединены между собой концами, противоположными стойке 16, при помощи крюков, взаимодействующих с замками (не показаны), и покрыты панелями 30 капота, предназначенными для обеспечения непрерывности аэродинамического потока вокруг силовой установки 10.
Как схематично показано на фиг.3, воздушный поток, всасываемый вентилятором, делится на выходе этого вентилятора на первичный поток 32, проходящий в двигатель 14, который содержит в направлении от входа к выходу компрессор, камеру сгорания и турбину, и на вторичный поток 34, который проходит между корпусом двигателя 14 и наружным кожухом 26 гондолы и который создает основную часть тяги, к которой добавляется тяга, создаваемая отработанными газами 32, выходящими из турбины в виде реактивной струи.
Контур прохождения вторичного потока 34 ограничен снаружи на выходе промежуточного картера наружным кожухом 26 гондолы и изнутри внутренней круглой конструкцией 36 этой гондолы, иногда называемой IFS (Inner Fixed Structure), которая охватывает корпус двигателя и проходит от внутренней цилиндрической стенки 38 промежуточного картера, соединенной с его наружной стенкой 20 лопатками 39 статора, до выпускного картера 40, находящегося на выходе турбины и содержащего, как известно, две коаксиальные цилиндрические стенки, соответственно наружную 42 и внутреннюю 44, соединенные радиальными траверсами 46.
Внутренняя конструкция 36 гондолы 12 содержит жесткий каркас, на котором закреплены панели 48 обтекателя.
Как будет более подробно описано ниже, каркас содержит две кольцевые рамы, соответственно входную 50 и выходную 52, соединенные четырьмя продольными лонжеронами, из которых два лонжерона 54 и 56 находятся в вертикальной плоскости, проходящей через ось двигателя, и два боковых лонжерона 58 и 60 находятся в горизонтальной плоскости, проходящей через ось двигателя.
Панели 48 обтекателя, закрепленные на каркасе, содержат, например, четыре панели в виде участка цилиндра, попарно соединяющие продольные лонжероны 54, 56, 58, 60 и содержащие проемы 62, предназначенные для закрывания съемными крышками люков, обеспечивающих доступ к корпусу двигателя во время операций обслуживания. В варианте панели 48 обтекателя могут, например, содержать две полуцилиндрические панели, соединяющие продольные лонжероны 54 и 56.
Каждая из двух панелей 48, соединенных с продольным лонжероном 54, находящимся в вершине двигателя, содержит на уровне своего конца, закрепленного на этом лонжероне 54, стенку 64, проходящую в продольном направлении в сторону стойки 16, направляя вторичный поток 34 вокруг этой стойки. Таким образом, обе направляющие стенки 64 образуют то, что иногда называют разветвлением на 12 часов по аналогии с циферблатом часов, и позволяют ограничить потери напора вторичного потока 34 во время обдувания стойки 16.
Аналогично, обе панели 48, соединенные с продольным лонжероном 56, диаметрально противоположным стойке 16, содержат на уровне своих концов, закрепленных на этом лонжероне 56, стенки 66 направления вторичного потока, образующие закрытое пространство, иногда называемое разветвлением на 6 часов, в котором можно разместить вспомогательные системы и агрегаты двигателя.
Входную кольцевую раму 50 крепят болтовым соединением на внутренней стенке 38 промежуточного картера.
Как показано на фиг.4, выпускной картер 40 соединен с выходной кольцевой рамой 52 внутренней конструкции 36 гондолы тягами 68 передачи усилий, равномерно распределенными вокруг оси 70 двигателя, радиально внутренние концы которых шарнирно соединены с наружной стенкой 42 выпускного картера и радиально наружные концы которых шарнирно соединены с выходной кольцевой рамой 52.
В представленном примере тяги 68 выполнены в количестве шести и находятся в одной поперечной плоскости, будучи объединенными в пары на уровне точек 72 шарнирного соединения их радиально внутренних концов с выпускным картером 40, причем эти точки 72 шарнирного соединения содержат, например, две расположенные рядом проушины 74. Радиально наружные концы тяг 68 установлены в проушинах 76, выполненных или закрепленных на внутренней поверхности выходной кольцевой рамы 52, и расположены таким образом, чтобы две тяги каждой пары проходили по существу тангенциально относительно наружной стенки 42 выпускного картера на уровне точек 72 их шарнирного соединения с этой стенкой.
Концы тяг 68 установлены при помощи шаровых опор в проушинах 74 и 76 таким образом, что тяги 68 обеспечивают удержание и центровку выпускного картера 40 и одновременно допускают осевые и радиальные дифференциальные расширения между этим картером и каркасом внутренней конструкции 36 гондолы.
Как более наглядно показано на фиг.5, где представлена силовая установка 10 без панелей 48 обтекателя внутренней конструкции 36 гондолы, стойка 16 содержит входную часть 78, проходящую до уровня промежуточного картера двигателя и содержащую средства 80 подвески, шарнирно установленные на вершинной части наружной стенки 20 этого промежуточного картера, и выходную часть 82, соединенную со средствами 84 подвески, шарнирно установленными на выходной кольцевой раме 52 внутренней конструкции 36 гондолы.
Передние средства подвески 80 более детально показаны на фиг.6 и содержат узел 86 крепления, закрепленный на входной части 78 стойки 16 и проходящий в поперечном направлении тангенциально относительно вершины наружной стенки 20 промежуточного картера, при этом узел 86 содержит средства 88 типа проушины или аналогичного элемента для крепления трех тяг 90, 92 и 94, соединенных со стенкой 20 промежуточного картера. Один из концов каждой тяги 90, 92 или 94 установлен при помощи шаровой опоры в одном из средств 88 крепления узла 86 крепления, и другой ее конец установлен тоже при помощи шаровой опоры в проушине 96, выполненной или закрепленной на наружной поверхности стенки 20 промежуточного картера. Две тяги 90 и 92, шарнирно соединенные с концами узла 86 крепления, проходят по существу радиально, тогда как третья тяга 94, шарнирно соединенная с промежуточной частью узла 86 крепления, проходит по существу тангенциально к стенке 20 промежуточного картера, поэтому передние средства 80 подвески могут воспринимать боковые и вертикальные усилия, а также торсионный момент, создаваемый двигателем.
Как показано на фиг.7, выходная кольцевая рама 52 внутренней стенки 36 гондолы содержит кольцо U-образного сечения, содержащее две радиальные кольцевые стенки, соответственно входную 98 и выходную 100, образующие боковые стенки желоба и соединенные на своих радиально внутренних концах кольцевой стенкой 102, проходящей в осевом направлении и образующей дно желоба. Каждая из радиальных кольцевых стенок 98 и 100 содержит кольцевой бортик, соответственно 99 и 101, проходящий в осевом направлении наружу кольцевого желоба.
Задние средства 84 подвески содержат трехточечную тягу 104 L-образной формы, конец большой ветви 106 которой шарнирно установлен в желобе выходной кольцевой рамы 52 и конец малой ветви 108 которой шарнирно соединен с концом другой тяги 110, другой конец которой шарнирно установлен в желобе выходной кольцевой рамы 52, при этом вершина трехточечной тяги 104 шарнирно соединена с радиальной лапкой 112 крепления выходной части 82 стойки 16.
Задние средства 84 подвески содержат также тягу 114 восприятия тягового усилия, шарнирно соединенную одним из своих концов с проушиной 116, выполненной или закрепленной на вершинной части бортика 101 выходной радиальной стенки 100 кольцевой рамы 52, и направленную в сторону выхода от этого конца, при этом тяга шарнирно соединена своим другим концом с проушиной 118, закрепленной на стойке 16.
В известных технических решениях выпускной картер соединяют непосредственно со стойкой, и тяга восприятия тягового усилия соединяет стойку со ступицей промежуточного картера, что приводит к локальным защемлениям этих картеров, отрицательно сказывающихся на характеристиках двигателя.
Согласно изобретению, выпускной картер 40 устанавливают на выходной кольцевой раме 5 внутренней стенки 36 гондолы при помощи тяг 68, распределенных вокруг оси двигателя, и со стойкой соединяют выходную раму 52.
Эту выходную раму 52 выполняют из жесткого материала, такого как жаростойкий сплав на основе никеля, который позволяет распределять усилия по контуру выпускного картера 40 и избегать, таким образом, локальных защемлений этого картера.
Преимуществом задних средств 84 подвески является их компактность, в частности, за счет того, что они частично проходят в желобе выходной рамы, что позволяет уменьшить габаритный размер разветвления на 12 часов и настолько же увеличить пространство для прохождения вторичного потока 34.
Расположение тяги 114 восприятия тягового усилия, соединяющей стойку 16 с выходной рамой 52, позволяет избегать прохождения этой тяги 144 через внутреннюю конструкцию 36 гондолы.
Конфигурация задних средств 84 подвески, учитывая их шарнирное соединение при помощи шаровых опор, придает им гибкость, позволяющую ограничивать чрезмерные напряжения на уровне задней подвески.
В варианте осуществления, задние средства подвески могут содержать элементы из эластомера, чтобы иметь сравнимые свойства гибкости.
Согласно изобретению, внутренняя конструкция 36 гондолы играет конструктивную роль и позволяет ограничивать явления каркасной деформации и осевого смещения элементов, вращающихся в двигателе.
Для этого, как и выходную раму 52, продольные лонжероны 54, 56, 58 и 60 внутренней конструкции 36 гондолы тоже выполняют из жесткого материала, такого как жаропрочный сплав на основе никеля.
За счет своего болтового крепления на внутренней стенке 38 промежуточного картера входная рама может быть выполнена из более легкого материала, такого как титан.
Панели 48 внутренней стенки 36 гондолы тоже выполняют из титана, как и их продольных стенки 64 и 68, образующие разветвления контура прохождения вторичного потока 34.
Стенки 64 разветвления на 12 часов, направляющие вторичный поток вокруг стойки 16, соединены со стойкой гибкими средствами соединения и играют конструктивную роль.
Крышки 62 люков панелей 48 и крышки люков продольных стенок 64 и 66 можно выполнять из композитного материала, что дает выигрыш в массе и облегчает их монтаж и демонтаж во время фаз обслуживания двигателя.
В варианте, входную раму 50, боковые продольные лонжероны 58 и 60, а также панели 48 внутренней конструкции 36 гондолы и их продольные стенки 64 и 66 направления вторичного потока можно выполнять из композитного материала, что дает еще больший выигрыш в массе.
Вместе с тем, предпочтительно выполнять выходную раму 52 и продольные лонжероны 54 и 56, соответственно на 12 часов и на 6 часов, из более жаростойкого материала, такого как вышеуказанный жаростойкий сплав на основе никеля, для сохранения конструктивных свойств внутренней конструкции 36 гондолы и обеспечения другого пути усилий для самого двигателя в случае аварии, например, при возгорании или при разрушении канала прохождения горячего воздуха.
В этом случае соединение между частями из металла и частями из композитного материала осуществляют при помощи гибких средств соединения, допускающих дифференциальные расширения материалов.
Во время операций обслуживания обе полуцилиндрические части наружного кожуха 26 гондолы могут поворачиваться вокруг своих шарниров соединения со стойкой 16, чтобы обеспечить доступ к внутренней конструкции 36 гондолы. Крышки, закрывающие проемы 62, можно снять для облегчения доступа к корпусу двигателя.
В случае необходимости, двигатель можно отсоединить от стойки 16 и от наружного кожуха 26 гондолы, которая при этом может оставаться закрепленной на стойке.
В целом, силовая установка в соответствии с настоящим изобретением позволяет при ограничении явлений каркасной деформации уменьшить, как минимум, на 50% влияние этих явлений на удельный расход топлива двигателя.
Уменьшение габаритного размера разветвления на 12 часов позволяет уменьшить перекрывание вторичного контура и, следовательно, повысить характеристики двигателя и/или уменьшить общий диаметр гондолы.
Изобретение позволяет также замедлить износ картеров двигателя за счет существенного сокращения явления защемления этих картеров, что дает выигрыш в расходах по обслуживанию силовой установки.