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, имеющий в выходном сечении прямоугольную форму, боковые стенки, закрепленные на корпусе, дозвуковые створки, сверхзвуковые створки, шарнирно закрепленные на дозвуковых, образующие проточную часть с управляемыми критическим и выходным сечениями, систему управления створками (патент RU 2674232, 05.12.2018 г.).
Недостатком прототипа является значительные габаритные размеры, особенно в поперечном горизонтальном направлении, и 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 и снижения габаритных размеров 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, содержащем корпус с обечайкой, выполненный с обеспечением перехода от цилиндрической формы в поперечном сечении на входе к прямоугольной форме на выходе, боковые стенки, закрепленные на корпусе, дозвуковые створки, сверхзвуковые створки, шарнирно закрепленные на дозвуковых, образующие проточную часть с управляемыми критическим и выходным сечениями, систему управления створками, соединенную с дозвуковыми створками и сверхзвуковыми створками посредством механизмов управления, согласно предложению сопло снабжено, по меньшей мере, двумя механизмами увеличения жесткости корпуса, двумя горизонтальными и двумя вертикальными силовыми балками, а также шестью траверсами, закрепленными снаружи корпуса по три в верхней и нижней его части,
при этом механизмы управления установлены на траверсах и шарнирно соединены с последними,
корпус выполнен составным из передней и задней частей и включает в себя последовательно расположенные входной фланец, силовой пояс соединения с самолетом, два внешних поперечных шпангоута, выполненные своим периметром по форме обечайки корпуса, поперечное фланцевое соединение двух частей корпуса, расположенное в его центральной части, три внешних поперечных шпангоута, выполненные по форме обечайки корпуса, и выходной фланец,
при этом, по меньшей мере, один из шпангоутов выполнен с возможностью контакта с, по меньшей мере, двумя траверсами,
вертикальные и горизонтальные силовые балки закреплены на соответствующих прямолинейных участках выходного фланца посредством подвижных соединений,
притом траверсы задней частью закреплены на корпусе посредством горизонтальных силовых балок,
причем каждый механизм увеличения жесткости корпуса включает кронштейн, установленный на поперечном фланцевом соединении двух частей корпуса, и балку, которая своей центральной частью шарнирно закреплена на соответствующей вертикальной силовой балке,
при этом один конец каждой из балок соединен с корпусом посредством кронштейна, а другой - с соответствующей боковой стенкой, с возможностью смещения концов балок относительно кронштейна и боковой стенки вдоль продольной оси сопла.
Внешние поперечные шпангоуты могут быть выполнены П-образными в поперечном сечении.
В местах каждого возможного контакта шпангоута с траверсой на них установлены подпятники.
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.
Также одной из приоритетных задач является обеспечение возможности регулирования критического и выходного сечений сопла, а также отклонением вектора тяги, при минимизации увеличения внешних габаритов регулируемого сопла. Тем более этот вопрос становится актуальным в случае наличия в выходной части регулируемого сопла значительных плоских участков, так как его элементы, ограничивающие эти участки, испытывают значительное воздействие от давления газа внутри них и значительные температурные нагрузки, что требует более значительных усилий со стороны системы управления для их отклонения и удержания в требуемом положении. Это требует создания специальных механизмов вокруг данных элементов и размещения их определенным образом вокруг проточной части.
Снабжение сопла, по меньшей мере, двумя механизмами увеличения жесткости корпуса, двумя горизонтальными и двумя вертикальными силовыми балками, а также шестью траверсами, закрепленными снаружи корпуса по три в верхней и нижней его части, увеличивает изгибную жесткость корпуса, снижая деформации элементов регулируемого сопла от эксплуатационных нагрузок. Также это позволяет разместить силовые элементы системы управления и механизмы управления на корпусе в верхней и нижней его части, что снижает поперечный горизонтальный габаритный размер сопла с сохранением параметров его регулирования. Это снижает сопротивление внешнему обтеканию и лучше сохраняет требуемую форму проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Установка механизмов управления на траверсах и шарнирное соединение их с последними позволяет разместить силовые элементы системы управления и механизмы управления на корпусе в верхней и нижней его части, что снижает поперечный горизонтальный габаритный размер сопла с сохранением параметров его регулирования. Это снижает сопротивление внешнему обтеканию и лучше сохраняет требуемую форму проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Выполнение корпуса составным из передней и задней частей позволяет обеспечить технологически изготовить его со всеми требуемыми элементами увеличения его жесткости, такими как силовой пояс и внешние поперечные шпангоуты, что увеличивает изгибную жесткость корпуса, снижая перемещения элементов регулируемого сопла от эксплуатационных нагрузок, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Выполнение корпуса таким, что он включает в себя последовательно расположенные входной фланец, силовой пояс соединения с самолетом, два внешних поперечных шпангоута, выполненные своим периметром по форме обечайки корпуса, поперечное фланцевое соединение двух частей корпуса, расположенное в его центральной части, три внешних поперечных шпангоута, выполненные по форме обечайки корпуса, и выходной фланец, позволяет увеличить изгибную жесткость корпуса, снижая перемещения элементов регулируемого сопла от эксплуатационных нагрузок, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Выполнение, по меньшей мере, одного из шпангоутов с возможностью контакта с, по меньшей мере, двумя траверсами позволяет уменьшить изменение формы обечайки корпуса и снизить потери потока в проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Закрепление вертикальных и горизонтальных силовые балок на соответствующих прямолинейных участках выходного фланца посредством подвижных соединений позволяет увеличить жесткость выходного фланца корпуса с сохранением работоспособности конструкции при разных коэффициентах линейного температурного расширения материалов этих деталей и снизить потери потока в проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Закрепление траверс задней их частью на корпусе посредством горизонтальных силовых балок увеличивает жесткость системы корпус-траверсы-поперечные балки-корпус и уменьшает изменение формы обечайки корпуса, что снижает потери потока в проточной части, увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Включение в каждый механизм увеличения жесткости корпуса кронштейна, установленного на поперечном фланцевом соединении двух частей корпуса, и балки, которая своей центральной частью шарнирно закреплена на соответствующей вертикальной силовой балке, при этом один конец каждой из балок соединен с корпусом посредством кронштейна, а другой - с соответствующей боковой стенкой, с возможностью смещения концов балок относительно кронштейна и боковой стенки вдоль продольной оси сопла, позволяет увеличить жесткость обечайки корпуса с сохранением работоспособности конструкции при разных нагревах в работе и разных коэффициентах линейного температурного расширения материалов этих деталей, что снижает потери потока в проточной части и увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Кроме того, выполнение внешних поперечных шпангоутов П-образными в поперечном сечении позволяет обеспечить требуемую жесткость обечайке корпуса, что снижает потери потока в проточной части, увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.
Подпятники, установленные в местах каждого возможного контакта шпангоута с траверсой, предназначены для уменьшения износа траверс и шпангоутов в местах их контакта.
Сущность настоящего изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен вид сбоку в изометрии на регулируемое сопло турбореактивного двигателя.
Регулируемое реактивное сопло турбореактивного двигателя, содержит последовательно установленные корпус 1, содержащий выходной фланец 2 прямоугольной формы, жестко закрепленные на вертикальных участках фланца 2 по торцам 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, 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 6 и могут проворачиваться под их действием (фиг. 1), регулируя тем самым площадь критического и выходного сечений. В частном случае реализации корпус 1 состоит из двух частей. Также сопло содержит две поперечные силовые балки 7, установленные на горизонтальных участках выходного фланца 2, шесть траверс 8, две вертикальные силовые балки 9, установленные на горизонтальных участках выходного фланца 2, и четыре механизма увеличения жесткости корпуса 1. Каждый из последних состоит из кронштейна 10, закрепленного на поперечном фланцевом соединении 11 частей корпуса 1, и балки 12, которая своей центральной частью шарнирно закреплена на соответствующей вертикальной силовой балке 9. Балка 12 одним своим концом соединена с кронштейном 10, а вторым своим концом соединена с соответствующей боковой стенкой 3. Оба соединения выполнены с возможностью относительного перемещения соединяемых деталей вдоль регулируемого сопла и совместности перемещений соединяемых деталей поперек регулируемого сопла. Причем механизмы управления 6 установлены на траверсах 8 посредством шарнирных соединений. Корпус 1 включает в себя последовательно установленные кольцевой входной фланец 13, силовой пояс 14 соединения с самолетом, два поперечных шпангоута 15, поперечный фланец 11 соединения частей корпуса 1, три поперечных шпангоута 16 и выходной фланец 2. В частном случае реализации поперечные шпангоуты 15, 16 выполнены в поперечном сечении П-образными, с возможностью контакта с траверсами 8 и повторяют форму обечайки корпуса 1. В местах возможного контакта на траверсах 8 и шпангоутах 15, 16 жестко закреплены подпятники 17 в виде пластин.
Устройство работает следующим образом.
В процессе работы турбореактивного двигателя изменяются площади критического и выходного сечений сопла, а также направление вектора тяги, за счет поворота дозвуковых створок 4 относительно боковых стенок 3 и изменения положения сверхзвуковых створок 5 под действием механизмов управления 6. При этом в работе от эксплуатационных нагрузок элементы регулируемого сопла подвергаются деформациям, которые реализуются как на элементах, образующих проточную часть, так и на элементах внешнего обвода. Конструктивно данные деформации минимизируются за счет наличия элементов и механизмов увеличения жесткости корпуса 1, а также возможности контакта поперечных шпангоутов 15, 16 с траверсами.
Такое выполнение позволяет за счет увеличения жесткости элементов конструкции и оригинальности расположения и соединения силовых элементов корпуса, а также расположения и соединения механизмов управления со створками, снизить потери при внешнем обтекании и внутри проточной части с сохранением параметров регулирования сопла, что увеличивает его КПД и газотурбинного двигателя в целом.