РЕГУЛИРУЕМОЕ РЕАКТИВНОЕ СОПЛО АВИАЦИОННОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Заявляемое техническое решение относится к регулируемым поверхностям управления потоком на выходе из газодинамического тракта авиационного двигателя, в основном к реактивным соплам газотурбинных двигателей, а именно, к таковым с изменяемой эффективной площадью проходного сечения, в частности, за счет поворотных створок, с целью воздействия на реактивный поток, и особенно работающих по типу струйных закрылков как на малых, докритических, перепадах давления газа на срезе сопла, так и на небольших сверхкритических.
Известно техническое решение фирмы SNECMA «Выхлопное сопло с регулируемой геометрией для турбореактивного двигателя», патент US №5934564, кл. US 239/265.37, № приоритетной заявки FR 9607666 от 20.06.96).
Известное регулируемое сопло относится к осесимметричным и содержит внешний однорядный контур створок, концентрично окружающий передний и задний ряды створок внутреннего контура, шарнирно взаимосвязаных между собой. С несущей, силовой, частью двигателя шарнирно связаны своими передними кромками и створки внешнего контура, и передние створоки внутреннего контура сопла. Силовая, несущая часть устройства - корпус двигателя, на котором закреплены активаторы-гидроприводы и выходная часть форсажной камеры. Штоки гидроприводов шарнирно-рычажно связаны со створками внешнего и внутреннего контуров сопла.
Внутренний контур сопла содержит два последовательных ряда створок, связанных между собой шарнирно. Передний ряд створок внутреннего контура своими же передними кромками шарнирно связан с силовой несущей частью, т.е. корпусом двигателя, и через объединяющее приводное кольцо 12 и рычаги, с активаторами-гидроприводами.
При этом задними кромками, также шарнирно, они связаны с последующим, задним, рядом створок. Створки заднего ряда взаимосвязаны одним шарниром с трехшарнирным рычагом. Вторым шарниром каждый такой рычаг, через общее кольцо, связан с активатором-гидроприводом
Третий шарнир этого рычага, через дополнительный двухшарнирный рычаг кинематически связывает внутренние створки заднего ряда и соответствующие внешние створки.
Приводное кольцо в известном решении осуществляет роль ведущего узла для обоих контуров створок сопла.
Предполагается обеспечение продувки подкапотного пространства двигателя.
Однако известное устройство обладает избыточным весом из-за множественности конструктивных связей деталей и узлов.
Из описания к патенту US №4,043,509, кл. US 239/265.41, «Система активации выхлопного устройства турбореактивного двигателя», заявленному 13.05.1976 г. General Electric, известно осесимметричное регулируемое сопло, взаимодействующее с единой системой активации от гидроцилиндров с концентричными газодинамическими потоками газотурбинного двигателя: внутренним основным, за форсажной камерой, и концентричным наружным ее обтеканием.
Здесь вторичный поток, из-за вентилятора или из-за компрессора для продувки подкапотного пространства, подключается к общей тяге на заданных режимах.
Створки внутреннего сопла, своими передними концами по потоку шарнирно связаны с силовой частью двигателя, а именно, с корпусом форсажной камеры.
Далее эти створки, последовательно по их длине, связаны каждая с одним шарниром двухшарнирного рычага. Второй его шарнир соединен с трехшарнирным рычагом типа «качалки». Каждая ось качания «качалки» соединена с каждой передней створкой внешнего контура сопла. Каждая передняя внешняя створка на входе шарнирно крепится к оболочке наружного канала двигателя, а на выходе - к передней кромке каждой выходной створки внешнего сопла цилиндрическими штырями в продольные пазы передних кромок этих створок.
Те же выходные створки шарнирно, но неразъемно связаны с наружным конечным обтекателем 44 с образованием общей выходной кромки.
Третьим своим шарниром рычаг-«качалка» связан также шарнирно с кольцом, передающим усилия от штоков гидроцилиндров-активаторов вдоль продольной оси двигателя, в том числе и на внутренние створки сопла.
Поток воздуха из-за вентилятора - это поток вокруг кожуха и далее, по наружной поверхности створок внутреннего сопла. Поток же из отверстий термостенки вокруг форсажной камеры обтекает внутренние поверхности створок этого сопла и вливается далее во внутренний поток на выход из двигателя. При этом обеспечивается обдув термостенки форсажной камеры и створок внутреннего сопла (см. положение на FIG 1).
На режиме ускорения все потоки вливаются в поток за форсажной камерой.
Внутренние створки сопла, как продолжение кожуха форсажной камеры, прилегают своими выходными кромками ко входу конечных, условно внешних створок сопла при полном его раскрытии (см. положение на FIG 4).
Известное по патенту US №4,043,509 техническое решение рационально по конструкции и имеет достаточный диапазон эффективно используемых расчетных режимов для газотурбинных авиационных двигателей, особенно с учетом режимов форсажной камеры.
Предусмотрены меры по обдуву особо горячих мест, в частности, кольца вокруг форсажной камеры, поскольку таковое использовано для крепления створок сопла.
Учитывая все вышеизложенное, техническое решение по патенту US №4,043,509 выбрано в качестве прототипа заявляемого технического решения.
Следует отметить, что в известном решении взаимосвязи створок сопла, внешних и внутренних, таковы, что створки внутренние нужно расценивать, как ведомые. При этом прототип конструктивно несколько усложнен, что приводит к его излишнему весу.
Перед авторами стояла задача создать регулируемое реактивное сопло для авиационного газотурбинного двигателя, в частности, при использовании в нем форсажной камеры не только с позиций газодинамики, но и возможности использования ее корпуса как опорной силовой части конструкции, что дает совокупный технический результат, а именно:
- компактность конструкции при сокращении комплектации и снижении веса сопла,
- обеспечение его кинематической устойчивости в работе на различных режимах,
- обеспечение геометрических и прочностных возможностей организации обдува как подкапотного пространства двигателя, так и аэродинамических обводов кормовой части самолета на заданных режимах.
Поставленная задача решается тем, что в известном регулируемом реактивном сопле авиационного двигателя произведены усовершенствования. При этом сопло содержит соосные внешние и внутренние створки, взаимосвязанные шарнирно с силовыми опорными частями двигателя, а между собой - рычагами с шарнирами.
Внутренние створки такого сопла на входе подвешены шарнирами на опорном корпусе форсажной камеры сгорания и присоединены шарниром двухшарнирного рычага типа серьги к трехшарнирному рычагу. Последний также шарнирно взаимосвязан со штоком гидропривода
Усовершенствования известного технического решения состоят в следующем.
Шток гидропривода и трехшарнирный рычаг, каждые, непосредственно соединены между собой общим шарниром. При этом каждый указанный трехшарнирный рычаг еще одним шарниром закреплен непосредственно на опорном корпусе форсажной камеры, а в полости, между указанными каждой внешней и внутренней створками размещены дополнительные тяги.
Эти тяги шарнирно взаимосвязаны с обеими створками, как с внешней, так и со внутренней.
Шарнир крепления каждой упомянутой дополнительной тяги ко внутренней створке сопла подсоединен последовательно за шарнирным креплением серьги трехшарнирного рычага в направлении к выходной части внутренней створки.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, где на:
Фиг.1 - Схематическое изображение авиационного газотурбинного двигателя, где стрелками указано направление потока газа, истекающего из сопла и потока воздуха, участвующего в обдуве подкапотного пространства регулируемого реактивного сопла, с выделенными рабочими положениями (см. фрагменты I, II);
Фиг.2 - увеличенный фрагмент I фиг.1 - заявляемое регулируемое реактивное сопло в положении при минимальных площадях выходных сечений, ограниченных створками сопла как внутренними, так и внешними;
Фиг.3 - увеличенный фрагмент II фиг.1 - заявляемое регулируемое реактивное сопло в положении при максимальных площадях выходных сечений, ограниченных створками сопла как внутренними, так и внешними;
Фиг.4 - увеличенный фрагмент III продольного вида фиг.2, где даны взаимосвязи с силовыми частями гидроцилиндра и створок, внешних и внутренних, объединенных трехшарнирным рычагом;
Фиг.5 - увеличенный фрагмент IV фиг.3 - регулируемое реактивное сопло в положении максимальных площадей выходного сечения сопла;
Авиационный газотурбинный двигатель 1 (Фиг.1) содержит силовое кольцо 2, размещенное на выходе тракта двигателя и выполняющее функцию наружной силовой опорной части заявляемого устройства сопла 3.
Внутренней, по отношению к силовому кольцу 2 наружного корпуса двигателя 1, силовой частью для крепления заявляемого регулируемого сопла 3 является корпус 4 форсажной камеры сгорания (см. Фиг.2).
Узел регулируемого реактивного сопла 3 (см. Фиг.2, 3, 4, 5) содержит его внутреннюю часть, расположенную вокруг продольной оси двигателя 1 на выходе из его форсажной камеры сгорания и взаимосвязанную с упомянутым корпусом 4 форсажной камеры. Эта часть регулируемого реактивного сопла содержит ряд внутренних створок 5.
Внутренние створки 5 регулируемого реактивного сопла 3 через шарниры 6 взаимосвязаны с внутренней опорной силовой частью 7 вышеупомянутого корпуса 4 форсажной камеры сгорания.
Внешние створки 8 регулируемого реактивного сопла 3, окружающие внутренние створки 5, связаны с наружным силовым кольцом 2 двигателя 1 посредством шарниров 9.
Венец из внутренних створок 5 сопла формирует вокруг продольной оси внутренний тракт в виде усеченного конуса с положением внутренних створок 5 в зависимости от расчетного режима работы двигателя 1.
Активаторами силового воздействия на положение створок сопла 3, внутренних 5 и внешних 8, являются гидроцилиндры 10, которые шарнирами 11 связаны с корпусом 4 форсажной камеры сгорания (см. Фиг.2, 3).
В свою очередь, каждый гидроцилиндр 10 своим подвижным штоком 12 взаимосвязан с поворотным трехшарнирным рычагом 13 посредством цилиндрического шарнира 14.
Трехшарнирные рычаги 13 размещены в пространстве между внутренними 5 и внешними 8 створками сопла 3. При этом каждый трехшарнирный рычаг 13, другим своим шарниром 15, поворотно прикреплен к упомянутому опорному силовому корпусу 4.
Третий шарнир 16 каждого трехшарнирного рычага 13, посредством дополнительного двухшарнирного рычага в виде серьги 17 и шарнира 18 взаимосвязан непосредственно с внутренними створками 5 регулируемого реактивного сопла 3 (см. Фиг.2).
Каждая внутренняя створка 5 регулируемого реактивного сопла 3, за шарниром 18 в направлении выходного сечения связана через шарнир 19, дополнительную тягу 20 и, далее, через шарнир 21 с соответствующей внешней створкой 8 регулируемого реактивного сопла 3 (см. Фиг.2, 3).
Благодаря шарнирной взаимосвязи посредством тяги 20 внутренние створки 5 играют роль ведущих для ведомых внешних створок 8.
Заявляемое регулируемое сопло работает следующим образом.
Обеспечение площадей необходимого выходного сечения регулируемого реактивного сопла в соответствии с задаваемым режимом осуществляется посредством взаимозависимого изменения положения внутренних створок 5 и внешних створок 8 регулируемого реактивного сопла 3.
На установившихся режимах работы двигателя на внутренние створки 5 регулируемого реактивного сопла 3 действуют силы от истекающего потока газа и от потока, участвующего в обдуве подкапотного пространства. В то же время посредством тяги 20 также передается и часть сил, возникающих на внешней створке 8.
Эти силы, в свою очередь, уравновешены силами, возникающими от перепада давления на поршнях гидроцилиндров 10, и передаются через штоки 12 далее на шарниры 14 трехшарнирных рычагов 13 и, далее, через двухшарнирные рычаги 17 на внутренние створки 5, обеспечивая им заданное положение.
При этом на наружные поверхности внешних створок 8 действуют силы от потока атмосферного воздуха, а на внутренние их поверхности - силы от потока газа.
На переходных режимах работы двигателя створки регулируемого реактивного сопла 3, внутренние 5 и внешние 8, перемещаются под воздействием на них штоков 12 гидроцилиндров 10 при изменении перепада давления рабочего тела в полостях последних.
Перемещение внутренних 5 и внешних 8 створок заявляемого регулируемого реактивного сопла в положение, обеспечивающее минимальные значения площадей критического и выходного сечения сопла (фиг.2), происходит при повышении давления рабочего тела в полостях нагнетания гидроцилиндров 10 в зависимости от заранее заданных режимов работы двигателя, необходимых для летательного аппарата.
При необходимости получить максимальные значения площадей критического выходного сечения сопла (Фиг.3) программируется расчетное снижение давления рабочего тела в полостях нагнетания гидроцилиндров 10.
Заявляемое техническое решение регулируемого реактивного сопла для авиационных двигателей, особенно использующих форсажную камеру, дает возможность получить максимально эффективную тягу двигателя на различных режимах в условиях полета за счет обеспечения необходимых площадей критического и выходного сечений сопла.
Испытания опытных образцов конструкции в реальных условиях эксплуатации двигателей на полетных режимах показали, что заявляемое регулируемое реактивное сопло позволяет на всех режимах эффективно реализовать располагаемый перепад давлений в камере смешения и организовать вентиляцию подкапотного пространства двигателя.
Это обеспечивает охлаждение частей двигателя и минимизирует потери на донное сопротивление, что в свою очередь позволяет снизить массу регулируемого реактивного сопла, а, следовательно, массу и стоимость самого двигателя.