Выходное устройство газотурбинного двигателя вертолета

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к конструкции выходных устройств газотурбинных двигателей, и может быть использована в качестве выходного устройства турбовального газотурбинного двигателя вертолета.
Выходное устройство ГТД вертолёта служит для разворота газового потока и отвода в атмосферу отработанного горячего газового потока.
К основным неисправностям выходного устройства двигателя относят  коробление и деформации отдельных участков выхлопного патрубка, а также трещины выхлопного патрубка возникающие вследствие действия больших температурных напряжений, достигающих максимальной величины при запуске и останове двигателя.
Опасность возникновения трещин заключается в том, что их развитие может привести к разрушению материала выходного устройства, при этом выход газа из проточной части двигателя с высокой температурой, может привести к повреждению элементов подкапотного пространства вертолета.
Перспективным решением снижения температуры выходного устройства газотурбинного двигателя вертолета является установка защитного кожуха эквидистантно поверхности выходного устройства.
Температурные расширения ДСЕ (детали сборочные единицы), возникающие при работе узла, должны быть учтены на стадии проектирования, так как разница температурных расширений стыкующихся ДСЕ может привести к их разрушению.
ДСЕ выходного устройства ГТД вертолета изменяют свои размеры в результате изменения температуры, что приводит к возникновению температурных напряжений, что приводит к созданию потенциальной опасности разрушения соединения.
Выбор способа компенсации температурных расширений осуществляют с учётом производственной технологичности, простоты применения, экономичности и надёжности.
Известно выхлопное устройство (Руководство по технической эксплуатации. Турбовальный двигатель Д-136., Книга 1 . Разделы 70, 72, Изд. 2000 г., стр.2) по наружной поверхности которого крепится защитный кожух.
Недостатком вышеописанной конструкции является применение кольцевой выштамповки для сцепления выходного устройства и защитного кожуха, что приводит к образованию трещин в местах концентрации напряжений возникающих в зоне выштамповки вследствие термической деформации, а также коробление защитного кожуха под воздействием несимметричных силовых нагрузок возникающих в следствии изменения размеров корпуса и защитного кожуха.
Известно выходное устройство газотурбинного двигателя, выбранное в качестве прототипа, (патент на полезную модель РФ № 9202, номер заявки 98108219, дата начала отсчёта действия патента 29.04.1998, опубликовано 16.02.1999), содержащее профилированный тонкостенный корпус с фланцами, выполненный с поворотом потока газа под углом к оси двигателя и расположенный внутри упомянутого корпуса пустотелого обтекателя для вывода вала назад, снаружи на профилированный тонкостенный корпус установлен защитный кожух с фланцами, закрепленный при помощи устройства соединения фланцев, обеспечивающий эквидистантное расположение защитного кожуха относительно вышеупомянутого корпуса с образованием воздушного пространства между ними.
Существенным недостатком описанного устройства является высокая производственная технологичность, связанная с необходимостью на стадии проектирования учитывать разницу в коэффициентах линейного теплового расширения материалов ДСЕ выходного устройства ГТД вертолета, то есть осуществлять подбор материала выходного устройства и кожуха обеспечивающего одинаковые тепловые расширения. По причине того, что двигатель работает на разных режимах и температурное поле внутри выходного устройства неоднородное такой подбор осуществить сложно. Также предложенный вариант устройства соединения корпуса выходного устройства и теплозащитного экрана не может эффективно обеспечить компенсацию тепловых расширений вследствие использования жесткого соединения в виде кронштейна не обеспечивающего требуемой податливости.
Зазор является более эффективным компенсатором тепловых расширений.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является  повышение производственной технологичности изготовления выходного устройства ГТД для вертолета, связанного со способом компенсации температурных расширений.
В предлагаемом устройстве в качества компенсатора температурных расширений используют зазор, что значительно упрощает процесс технологической подготовки производства, влияющей на производственную технологичность с обеспечением эксплуатационной надежности и простоты работы устройства соединения.
Поставленный технический результат достигается тем, что выходное устройство газотурбинного двигателя вертолета содержит профилированный тонкостенный корпус с фланцами, выполненный с поворотом потока газа под углом к оси двигателя и расположенный внутри упомянутого корпуса пустотелого обтекателя для вывода вала назад, снаружи на профилированный тонкостенный корпус установлен защитный кожух с фланцами, закрепленный при помощи устройства соединения фланцев, обеспечивающий эквидистантное расположение защитного кожуха относительно вышеупомянутого корпуса с образованием воздушного пространства между ними.
Новым в полезной модели является то, что устройство соединения  фланцев содержит центрирующий элемент, выполненный из опорной и направляющей частей, причем опорная часть центрирующего элемента крепится к кольцевому выступу фланца защитного кожуха при помощи крепежных элементов, проходящих через отверстия фланца защитного кожуха, а другой фланец профилированного тонкостенного корпуса имеет выступающий элемент с глухим отверстием, обращенный к ответному фланцу защитного кожуха, причем упомянутый выступающий элемент  предназначен для установки в содержащееся в нем глухое отверстие направляющей части центрирующего элемента с зазором, величина которого определена из теплового баланса между защитным корпусом и  профилированный тонкостенный корпус.
Предложенное устройство поясняется следующими чертежами:
фиг. 1 – общий вид выходного устройства газотурбинного двигателя вертолета;
фиг. 2 – устройство соединения фланцев.
Позициями на фигурах обозначены:
1 – профилированный тонкостенный корпус (фиг. 1, 2);
2 – фланец корпуса 1 (фиг. 2);
3 – кожух (фиг. 1, 2);
4 – фланец кожуха 3 (фиг. 2);
5 –  устройство соединения фланцев (фиг. 1, 2);
6 – воздушное пространство (фиг. 1);
7 – центрирующий элемент (фиг. 2);
8 – опорная часть центрирующего элемента 7 (фиг. 2);
9 – направляющая часть центрирующего элемента 7 (фиг. 2);
10 – кольцевой выступ фланца 4 (фиг. 2);
11 – крепежные элементы (фиг. 2);
12 – отверстия для крепежных элементов 11 (фиг. 2);
13 – выступающий элемент фланца 2 (фиг. 2);
14 – глухое отверстие (фиг. 2);
Н – величина зазора.
Выходное устройство газотурбинного двигателя вертолета представляет собой сварную конструкцию и содержит профилированный тонкостенный корпус 1 (фиг. 1, 2) с фланцами 2 (фиг. 2), выполненный с поворотом потока газа под углом к оси двигателя и расположенный внутри упомянутого корпуса пустотелого обтекателя для вывода вала назад (не показано).
Снаружи на профилированный тонкостенный корпус 1 (фиг. 1) установлен защитный кожух 3 (фиг. 1, 2) с фланцами 4 (фиг. 2), закрепленный при помощи устройства соединения фланцев 5 (фиг. 1, 2), обеспечивающий эквидистантное расположение защитного кожуха 3 (фиг. 1, 2) относительно вышеупомянутого корпуса 1 (фиг.1) с образованием воздушного пространства 6 (фиг. 1) между ними, благодаря которому происходит охлаждение профилированного тонкостенного корпуса 1 (фиг. 1,2) забираемым воздухом из атмосферы.
Защитный кожух 3 (фиг. 1, 2) выполнен разъемным для обеспечения снижения трудоемкости процесса установки защитного кожуха 3 (фиг. 1, 2)  на профилированный тонкостенный корпус 1 (фиг. 1, 2).
Защитный кожух 3 (фиг. 1, 2) выполнен из листовой легированной стали, устойчивой к коррозии в атмосфере и обладающей термостойкими свойствами.
Устройство соединения фланцев 5 (фиг. 1, 2) содержит центрирующий элемент 7 (фиг. 2), выполненный из опорной 8 (фиг. 2) и направляющей 9 (фиг. 2) частей.
Устройство соединения фланцев 5 (фиг. 1, 2) фиксирует защитный кожух (фиг. 1, 2) относительно профилированный тонкостенный корпус 1 (фиг. 1, 2) в продольном и радиальном направлениях, центрирует в радиальном направлении и обеспечивает свободу тепловых перемещений в радиальном и продольном направлениях.
Опорная часть 8 (фиг. 2) центрирующего элемента 7 (фиг. 2) крепится к кольцевому выступу 10 (фиг. 2) фланца 4 (фиг. 2) защитного кожуха 3 (фиг. 2) при помощи крепежных элементов 11 (фиг. 2), проходящих через отверстия 12 (фиг. 2) фланца 4 (фиг. 2) защитного кожуха 3 (фиг. 2).
Другой фланец 2 (фиг. 1, 2) профилированного тонкостенного корпуса  (фиг. 1,2) имеет выступающий элемент 13 (фиг. 2) с глухим отверстием 14 (фиг. 2), обращенный к ответному фланцу 4 (фиг. 1, 2) защитного кожуха 3 (фиг. 1, 2).
Выступающий элемент 13 (фиг. 2) предназначен для установки в содержащееся в нем глухое отверстие 14 (фиг. 2) направляющей части 9 (фиг. 2) центрирующего элемента 7 (фиг. 2) с зазором Н (фиг. 2), величина которого определена из теплового баланса между защитным корпусом 3  (фиг. 1, 2) и профилированный тонкостенный корпус 1 (фиг. 1, 2).
Устройство работает следующим образом.
При работе двигателя охлаждение профилированного тонкостенного корпуса 1 осуществляется воздухом из окружающей среды из под капотного пространства вертолета.
Поток воздуха из атмосферы поступает в зазор 6 (фиг. 1, 2) между защитным кожухом 3 (фиг. 1, 2) и профилированным тонкостенным корпусом 1 (фиг. 1, 2) образуя вокруг него воздушную завесу и тем самым, обеспечивая его эффективное охлаждение.
Устройство соединения фланцев 5 (фиг. 1, 2) обеспечивает эквидистантное соединение фланцев и обеспечивает свободу тепловых перемещений в радиальном и продольном направлениях выходного устройства.
Благодаря предлагаемой полезной модели повышается производственная технологичность изготовления выходного устройства газотурбинного двигателя вертолета, данная конструкция не вызывает затруднений при изготовлении и сборке, предполагает использование простых (доступных) материалов и стандартного оборудования.