ПОВОРОТНОЕ ОСЕСИММЕТРИЧНОЕ СОПЛО Российский патент 2001 года по МПК F02K1/56 

Изобретение относится к газотурбинным двигателям, а более конкретно к поворотным осесимметричным соплам этих двигателей.

Известно поворотное сопло, содержащее корпус со сферической законцовкой и поворотный насадок, а также консольно закрепленные на них экраны, защищающие сферическую законцовку и поворотный насадок от воздействия горячих газов [1].

Недостатком такой конструкции является наличие консольных экранов, снижающих надежность сопла.

Наиболее близким к заявляемому является поворотное осесимметричное сопло ГТД, содержащее корпус со сферической коробчатой законцовкой и поворотный относительно сферической законцовки насадок. На внутренних поверхностях сферической законцовки и насадка закреплены экраны, которые защищают детали сопла от воздействия горячих газов, а полости между сферической законцовкой, насадком и экранами служат для подачи охлаждающего воздуха на створки сопла [2].

Недостатком известной конструкции является плохая работа контактных уплотнений, отделяющих газовую полость сопла от охлаждающего воздуха и полость охлаждающего воздуха от окружающей среды. Это связано с тем, что сила тяги двигателя от поворотного насадка на сферическую законцовку корпуса передается через поперечные оси. Такая точечная передача силы тяги приводит к деформации насадка и сферической законцовки и к появлению утечек охлаждающего воздуха по контактным уплотнениям, т.е. у коробчатой законцовки недостаточная радиальная жесткость. Кроме того, сферическая законцовка корпуса, выполненная коробчатой конструкции, имеет повышенные термические напряжения из-за неравномерного нагрева внутренней и наружной ее обечаек.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности сопла за счет улучшения работы контактных уплотнений и исключения утечек охлаждающего воздуха.

Сущность технического решения заключается в том, что в поворотном осесимметричном сопле, содержащем контактные уплотнения и сферическую законцовку корпуса с закрепленным на ней поперечными осями поворотным насадком со сферическим экраном и регулируемым соплом, согласно изобретению, в средней части сферической законцовки и в средней части поворотного насадка выполнены кольцевые радиальные ребра, при этом сферическая законцовка выполнена в виде сферического корпуса с гладкой наружной поверхностью и внутренними кольцевыми радиальными ребрами.

Выполнение в средней части сферической законцовки и в средней части поворотного насадка кольцевых радиальных ребер позволяет при работе двигателя в режиме прямой тяги обеспечить надежную работу контактных уплотнений. Для двигателей с поворотными осесимметричными соплами режим с измененным вектором тяги характерен для взлета и посадки, при выполнении сверхманевров, а также в боковых условиях при маневрировании. На остальных же режимах, т.е. основную часть ресурса двигатели работают в режиме прямой тяги. Поэтому наилучшие условия работы для работы контактного уплотнения должны быть обеспечены на режиме прямой тяги. Так как отклонение вектора тяги вверх и вниз осуществляется на одинаковый угол, то положение контактных уплотнений относительно сферического корпуса и экрана поворотного кольца насадка определяется соотношением:
L1 ≃ L2 и 11 ≃ 12,
L1 и L2 - расстояние между положением контактного уплотнения в режиме прямой тяги двигателя и концами сферического участка корпуса;
11 и 12 - расстояние между положением контактного уплотнения в режиме прямой тяги двигателя и концами сферического участка экрана поворотного насадка.

Таким образом, контактные уплотнения и соответствующие им кольцевые ребра на ответных деталях находятся посередине сферических участков этих деталей.

Выполнение сферической законцовки в виде сферического корпуса с гладкой наружной поверхностью и внутренними кольцевыми радиальными ребрами обеспечивает повышенную радиальную жесткость этого корпуса, что исключает утечки охлаждающего воздуха по контактным уплотнениям. Так как такая конструкция не является замкнутой, т. е. не имеет внутренней и наружной обечаек, а имеет только наружную обечайку с ребрами, то термические напряжения в такой конструкции существенно меньше. Кроме того, радиальные кольцевые ребра сферической законцовки, дополнительно турбулизируя воздух, снижают температуру этих экранов, это повышает надежность конструкции в целом.

На фиг. 1 - изображено поворотное осесимметричное сопло.

На фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1 (контактные уплотнения с ребрами).

На фиг. 3 - элемент I на фиг. 2 в увеличенном виде.

Поворотное осесимметричное сопло 1 состоит из сферической законцовки 2, выполненной в виде сферического корпуса 3, по сферической поверхности 4 которого работает контактное уплотнение 5, состоящее из отдельных сегментов 6, прижимаемых к поверхности 4 с помощью пластинчатых пружин 7. Контактное уплотнение 5 отделяет полость 8 подвода охлаждающего воздуха повышенного давления от полости 9 с давлением окружающей среды. На сферическом корпусе 3 с помощью поперечных осей 10 и кронштейнов 11 закреплен поворотный насадок 12, включающий в себя поворотное кольцо 13 с регулируемым соплом 14. На сферическом корпусе 3 телескопически закреплен экран 15, отделяющий газовую полость 16 с пониженным давлением от полости 8 охлаждающего воздуха, а на поворотном кольце 13 закреплен сферический экран 17, по сферической поверхности 18 которого перемещается при повороте насадка 12 контактное сегментное упругое уплотнение 19, закрепленное на сферическом корпусе 3. В средней части сферической поверхности 4 корпуса 3 выполнено кольцевое радиальное ребро 20, обеспечивающее потребную геометрию поверхности 4 на режиме максимальной наработки двигателя, т.е. на режиме прямой тяги. На поворотном кольце 13 в средней его части выполнены кольцевые радиальные ребра 21, обеспечивающие заданную геометрию на режиме прямой тяги двигателя сферической поверхности 18 сферического экрана 17, который крепится между ребрами 21 с помощью выступов 22. На сферической поверхности 4 корпуса 3 выполнены кольцевые радиальные ребра 23, между которыми и экраном 15 образованы щели 24 для разгона охлаждающего воздуха 25, поступающего из-за компрессора низкого давления двигателя (на фиг. не показано), а также полости 26 для расширения воздуха 25.

Работает устройство следующим образом. При работе двигателя контактные уплотнения 5 и 19 уплотняют воздушную полость 8 от газовой полости 16 и полости 9 окружающей среды. При повороте насадка 12 (изменении вектора тяги) контактные уплотнения перемещаются по сферическим поверхностям 4 и 18 ответных им деталей. Так как работа контактного уплотнения определяется точностью геометрии ответной сферической поверхности, то кольцевые ребра 20 и 21, выполненные на ответных уплотнениям деталях в средней части сферической поверхности, обеспечивают надежную работу этих уплотнений на режиме прямой тяги, т.е. на режиме максимальной продолжительной работы двигателя. При изменении вектора тяги усилие от тяги двигателя направлено не по оси сопла, а в боковом направлении, т.е. сферическое кольцо 3 должно быть максимально жестким в радиальном направлении, чему способствуют радиальные окружные ребра 20 и 23. Величина тяги, воспринимаемая сферическим корпусом 3, до 16,5 т для двигателя Д-30Ф6. Охлаждающий воздух 25, поступающий из компрессора низкого давления двигателя (на фиг. не показано), разгоняется в щелях 24, образованных ребрами 23 и экраном 15, а затем расширяется в полостях 26 между ребрами 23. Турбулизированный таким образом воздушный поток лучше охлаждает экраны 15, что повышает надежность поворотного сопла.

Источники информации:
1. Патент FR, N 2470253, кл. F 02 K 1/78, 1982 г.

2. Патент RU, N 2095605, кл. F 02 K 1/78, 1987 г. - прототип.

Поворотное осесимметричное сопло содержит контактные уплотнения и сферическую законцовку корпуса с закрепленным на ней поперечными осями поворотным насадком со сферическим экраном и регулируемым соплом. В средней части сферической законцовки и в средней части поворотного насадка выполнены кольцевые радиальные ребра, при этом сферическая законцовка выполнена в виде сферического корпуса с гладкой наружной поверхностью и внутренними кольцевыми радиальными ребрами. Изобретение позволяет повысить надежность сопла за счет улучшения работы контактных уплотнений и исключения утечек охлаждающего воздуха. 3 ил.

Поворотное осесимметричное сопло, содержащее контактные уплотнения и сферическую законцовку корпуса с закрепленным на ней поперечными осями поворотным насадком со сферическим экраном и регулируемым соплом, отличающееся тем, что в средней части сферической законцовки и в средней части поворотного насадка выполнены кольцевые радиальные ребра, при этом сферическая законцовка выполнена в виде сферического корпуса с гладкой наружной поверхностью и внутренними кольцевыми радиальными ребрами.