РЕГУЛИРУЕМОЕ СОПЛО

Предложение относится к машиностроению, в частности к конструкции регулируемых осесимметричных сопел и может быть использовано в турбореактивных двигателях с отклонением вектора тяги.
Регулируемое сопло - это устройство с изменяемыми, в зависимости от режимов работы двигателя, размерами критического и выходного сечений, в канале которого происходит ускорение потока газа с целью создания реактивной тяги.
В дозвуковом сужающемся сопле регулирование состоит, как правило, в изменении площади выходного сечения сопла. В сверхзвуковом сопле регулированию подвергаются как площадь критического сечения, так и площадь выходного сечения сопла.
Регулируемое сопло применяется в турбореактивных двигателях с форсажной камерой, а также в некоторых других газотурбинных, воздушно-реактивных и ракетных двигателях.
Известно регулируемое сверхзвуковое сопло газотурбинного двигателя, содержащее корпус, шарнирно закрепленные на нем дозвуковые и внешние створки, соединенные со сверхзвуковыми створками, привод створок и механизм синхронизации [1].
Механизм синхронизации выполнен в виде основных и шарнирно связанных с ними дополнительных рычагов, соединенных шарнирно с дозвуковыми створками, при этом каждый дополнительный рычаг одним плечом шарнирно связан с внешней створкой, а другим при помощи телескопической тяги - с корпусом.
Известно также регулируемое сопло, воздушно-реактивного двигателя, содержащее створки и систему синхронизации движения створок [2].
Сопло содержит корпус и укрепленные на нем управляющие гидроцилиндры, соединенные через силовое кольцо при помощи тяг с регулируемыми створками, при этом по периметру корпуса установлены два соединенных тягами ряда качалок, образующих замкнутый шарнирный многозвенник, который соединен тягами с силовым кольцом.
Недостатками известных устройств являются сложность конструкции и значительные габариты, а также низкая надежность при широком диапазоне регулирования.
Известен механизм синхронизации створок сопла воздушно-реактивного двигателя, содержащий установленные шарнирно на корпусе силовые рычаги, сочлененные друг с другом в поперечной плоскости сопла кинематическими парами ползун-направляющая, образующими замкнутую синхронизирующую цепь [3].
Недостатками данного устройства является сложность конструкции и низкая надежность в работе.
В данном механизме на каждом силовом рычаге шарнирно установлены по два звена, а именно качалки с осями поворота, расположенные в поперечной плоскости сопла. При этом на одной качалке жестко закреплен ползун, выполненный в виде пальца, а в другой установлена сферическая опора с направляющим отверстием, в которое вставлен палец соседней качалки.
Для обеспечения изменения диаметра критического сечения в большом диапазоне качалки должны быть достаточно длинными, так как угол поворота качалок между собой составит меньше 30°, то есть диапазон изменения невелик.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому решению является регулируемое осесимметричное сопло турбореактивного двигателя с отклоняемым вектором тяги, содержащее
дозвуковые и сверхзвуковые створки, электронно-гидравлическую систему управления створками [4].
В данном устройстве изменение направления вектора тяги двигателя происходит за счет отклонения струи газа, истекающей из сверхзвуковой части сопла при перемещении сверхзвуковых створок в радиальном направлении. При этом сверхзвуковые створки объединены в отдельные блоки. Каждым из блоков управляет отдельная система, независимая от управления другими блоками. С помощью этих систем каждый блок может быть установлен в определенное положение относительно друг друга, которое будет соответствовать любому заданному направлению вектора тяги.
Для обеспечения синхронного перемещения створок в каждом отдельном блоке в радиальном направлении створки связаны между собой системой синхронизации, обеспечивающей равнорасположенность всех створок данного блока относительно оси сопла. Система синхронизации подвижна только в радиальном направлении и закреплена на балках, равных по количеству числу створок. При этом балки одним концом шарнирно закреплены на корпусе форсажной камеры, а другим - соединены посредством тяг со створками.
Недостатком известного устройства является то, что при изменении направления струи газа, вытекающей из сопла при повороте сверхзвуковой части сопла, силы, действующие на отдельные дозвуковые створки, значительно отличаются друг от друга, а существующая система синхронизации перемещения створок не обеспечивает постоянного положения центра (оси) критического сечения строго по оси сопла.
Следует также отметить, что для обеспечения работоспособности устройства необходима система параллелограммов для передачи усилий, возникающих при повороте сопла от створки к створке, что приводит к наличию дополнительных элементов, повышающих вес сопла.
Технический результат заявляемого решения заключается в повышении надежности работы при одновременном снижении веса сопла и двигателя в
целом с помощью простой конструкции, обеспечивающей стабильность выполнения маневра летательного аппарата за счет стабильности боковой силы двигателя при повороте сопла.
Для достижения указанного технического результата в регулируемом сопле, предназначенном преимущественно для турбореактивного двигателя с отклоняемым вектором тяги, содержащем створки, снабженные системой синхронизации их перемещения, согласно предложению, система синхронизации перемещения створок включает звенья, размещенные между створками, при этом каждое звено состоит из двух рычагов, которые соединены между собой сферическим шарниром и закреплены на створках посредством кронштейнов, образуя кольцевую пространственную подвижную систему, дающую возможность одновременного эквидистантного перемещения каждой из створок в своей радиальной плоскости.
Также, согласно предложению, каждое звено расположено в плоскости параллельной полотну створки, а каждый кронштейн имеет два соосных отверстия, выполненных в плоскости перпендикулярной полотну створки.
Наличие отличительных признаков, а именно, выполнение системы синхронизации перемещения створок с дополнительными звеньями, размещение указанных звеньев между створками с образованием кольцевой пространственной подвижной системы, дающей возможность одновременного эквидистантного перемещения каждой из створок в своей радиальной плоскости, расположение каждого звена в плоскости параллельной полотну створки, выполнение каждого звена из двух рычагов, соединенных между собой сферическим шарниром, крепление каждого из рычагов на соседних створках посредством кронштейнов, решение кронштейнов с двумя соосными отверстиями, выполненными в плоскости перпендикулярной полотну створки, свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «новизна».
Сущность предложения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично показан общий вид заявляемого устройства; на фиг.2 представлен фрагмент системы синхронизации перемещения створок сопла; на фиг.3 изображен узел соединения двух рычагов звена.
Следует учесть, что на чертежах для большей ясности представлены только те детали, которые необходимы для понимания существа технического решения, а сопутствующие элементы, хорошо известные специалистам в данной области, на чертежах не представлены.
В приведенном примере конкретного выполнения показано использование заявляемого технического решения в турбореактивном двигателе с отклоняемым вектором тяги.
В двигателе такого типа регулируемое сопло включает шарнирно закрепленные на фланце форсажной камеры ведущие и ведомые дозвуковые створки и соединенные с ними валиками соответственно ведущие и ведомые сверхзвуковые створки. При этом дозвуковую часть сопла составляют двадцать четыре створки (двенадцать ведущих и двенадцать ведомых). Сверхзвуковую часть также составляют двадцать четыре створки (двенадцать ведущих и двенадцать ведомых). Места соединений створок образуют критическое сечение (критический диаметр) сопла.
Заявляемое техническое решение применимо для створок любой из частей сопла.
Например, в случае использования технического решения на дозвуковой части сопла, устройство включает дозвуковые ведущие створки 1, шарнирно закрепленные на фланце форсажной камеры.
Устройство также включает систему синхронизации перемещения створок 1 при изменении диаметра критического сечения. Данная система содержит звенья, расположенные между створками 1, причем каждое звено состоит из двух рычагов 2 и 3, соединенных между собой сферическим шарниром 4. Каждый из рычагов 2, 3 вторым своим концом установлен в кронштейнах 5, закрепленных на створках 1. Кронштейн 5 выполнен с двумя
соосными отверстиями 6 для размещения рычага 2 или 3. Плоскость отверстий 6 кронштейна 5 расположена перпендикулярно полотну створки 1, а каждое звено при этом расположено в плоскости параллельной полотну створки 1. Таким образом, звенья совместно со створками 1 составляют кольцевую пространственную подвижную систему, дающую возможность одновременного эквидистантного перемещения каждой из створок 1 в своей радиальной плоскости.
Система предназначена для согласованного перемещения створок 1 сопла при изменении профиля проточной части, она также является препятствием деформациям в поперечном сечении сопла от действия сил неравномерного усилия на каждую дозвуковую створку 1 и от разности усилий гидроцилиндров и давления газов в сопле.
Устройство работает следующим образом.
При работе двигателя изменяется площадь критического сечения регулируемого сопла за счет изменения угла наклона дозвуковых створок 1, а также площадь среза сопла за счет изменения угла наклона сверхзвуковых створок.
При повороте сверхзвуковой части регулируемого сопла в любом направлении по окружности от давления газов возникают различные силы, воздействующие на сверхзвуковые створки в определенных пределах от минимальных до максимальных значений. От сверхзвуковых створок действие указанных сил распространяется и на дозвуковые створки 1. Под действием этих различного уровня сил дозвуковые створки 1 могут раскрываться достаточно неравномерно.
Система синхронизации перемещения створок 1 (фиг.1, 2) компенсирует возникающую разность сил, образуя равнодействующую силу, которая или закрывает или раскрывает одновременно все створки 1 регулируемого сопла, постоянно обеспечивая необходимый для работы двигателя диаметр критического сечения сопла посредством системы гидроуправления створками.
Рычаги 2 или 3 расположены в одной плоскости с полотном соответственно каждой створки 1, и при изменении угла наклона створок 1 относительно оси сопла, звенья системы синхронизации не дают возможности створкам 1 двигаться относительно друг друга, все створки 1 могут перемещаться только одновременно эквидистантно в своей радиальной плоскости. При изменении нагрузки на одной из створок 1 в паре створок в сферическом шарнире 4 (фиг.3) возникает изгибающий момент, который через рычаги 2, 3 придает второй соседней створке 1 движение аналогичное первой створки 1.
Из вышесказанного следует, что изготовление данного устройства промышленным способом не вызывает затруднений, предполагает использование освоенных материалов и стандартного оборудования, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Использование заявляемого технического решения позволяет значительно уменьшить количество элементов, участвующих в передаче усилий, возникающих при повороте сопла от створки к створке, снижая, таким образом, вес сопла. Масса регулируемого сопла имеет большое значение по сравнению с другими элементами двигателя, так как регулируемое сопло является наиболее удаленным от центра тяжести самолета. Одновременно с этим предложение повышает надежность работы сопла и обеспечивает стабильность боковой силы двигателя, возникающей при повороте сопла.
Источники информации:
1. Авторское свидетельство SU №1009150, F 02 K 1/12, 1996;
2. Авторское свидетельство SU №377053, F 02 K 1/12, 2005;
3. Патент RU №758810, F 02 K 1/12, 1994;
4. Свидетельство на полезную модель RU №6414, F 02 K 1/12, 1998.