СОПЛО С ОТКЛОНЯЕМЫМ ВЕКТОРОМ ТЯГИ Российский патент 2001 года по МПК F02K1/12 F02K9/84 

Изобретение относится к области турбореактивных авиационных двигателей, применяемых на боевых сверхзвуковых самолетах.

В современных боевых самолетах для обеспечения их высокой маневренности применяются двигатели, снабженные соплом, способным изменять как диаметр критического сечения, так и направление вектора тяги. Причем вектор тяги отклоняется за счет поворота расходящихся створок сопла.

Сопло, описанное в международной заявке WO 92/03649, содержит управляющее кольцо с подвеской, набор сходящихся створок, набор расходящихся створок и тяги, соединяющие управляющее кольцо с ведущими расходящимися створками.

Недостатками такого сопла являются:
- жесткая кинематическая связь между диаметром критического сечения и диаметром среза сопла, что не позволяет устанавливать оптимальное соотношение между площадью среза сопла и площадью критического сечения на всех режимах работы двигателя во всех условиях полета. Это приводит к дополнительным потерям тяги, особенно при полете с большими скоростями;
- при повороте управляющего кольца расходящиеся створки, находящиеся в плоскости поворота сопла, поворачиваются, например, на 15^o, а боковые при этом - на 7,5^o. Створки, расположенные между ними, каждая поворачивается на свой угол (от 7,5 до 15^o). Форма сопла, близкая к окружности, выдерживается за счет двуплечих рычагов, расположенных на створках с возможностью проскальзывания и синхронизирующих их положение. Таким образом усилия на створки при их повороте для получения формы сопла, близкого к окружности, передаются и через рычаги на створках, а не только через тяги. Это требует увеличения прочностных свойств синхронизирующих рычагов, что приводит к увеличению веса конструкции. Кроме того, введение рычагов на створках, работающих при температуре до 100^oC, не надежно и может привести к выработке поверхностей и заклиниванию.

В сопле по заявке WO 92/03648 также имеется жесткая кинематическая связь площади критического сечения и площади среза сопла. Данное сопло содержит управляющее кольцо, тяги расходящихся створок и рычаги, присоединенные непосредственно к створкам. При наклоне управляющего кольца створки, находящиеся в плоскости поворота, смещаются относительно осесимметричного положения сопла, например на 15^o (так же как и в конструкции по заявке WO 92/03649), а на остальные створки, помимо тяг, воздействует система рычагов, доворачивающих каждую створку на соответствующий угол для выдерживания формы, близкой к окружности при отклонении вектора тяги.

Кроме вышеуказанного, конструкция имеет следующие недостатки:
- точка воздействия на расходящиеся створки системы доворачивающих рычагов находится вблизи шарнирного соединения со сходящимися створками. Близкое расположение точки воздействия к шарниру соединения створок затрудняет работу системы доворачивания рычагов, т.к. приходится прикладывать при этом большую силу из-за малого плеча;
- система с роликами, катающимися по поверхности, ненадежна, т.к. поверхности и ролики подвержены выработке, которая будет искажать форму сечения сопла на срезе и может привести к заклиниванию и поломке створок.

В качестве прототипа нами выбрано сопло с отклоняемым вектором тяги по заявке РФ N 97115602, опубликованной 27.06.99.

Сопло-прототип содержит сходящиеся створки, расходящиеся створки, тяги расходящихся створок и управляющее кольцо с подвеской в виде многозвенных петель, складывающихся в радиальных плоскостях. Управляющее кольцо кинематически связано с тягами расходящихся створок через параллелограммные механизмы. Параллелограммный механизм состоит из Т-образного (ведущего) рычага, пары тяг и ведомого рычага, на котором крепятся тяги створок.

Ведущий рычаг параллелограммного механизма шарнирно закреплен ведущим плечом на управляющем кольце, а опора вращения ведущего рычага расположена на звене многозвенной петли, соединенном с управляющим кольцом. Опора вращения ведомого рычага параллелограммного механизма расположена на управляющем кольце.

Недостатком прототипа является его форма, не позволяющая обеспечить хорошее внешнее обтекание.

При разработке заявляемого изобретения ставились следующие задачи:
- создать конструкцию сопла, имеющую оптимальные аэродинамические характеристики;
- расширить арсенал технических средств.

Технический результат - изменение внешних размеров.

Сопло с отклоняемым вектором тяги содержит сходящиеся створки, расходящиеся створки, тяги расходящихся створок и управляющее кольцо с подвеской в виде многозвенных петель, складывающихся в радиальных плоскостях. Управляющее кольцо кинематически связано с тягами расходящихся створок через параллелограммные механизмы.

Параллелограммный механизм состоит из ведущего Т-образного рычага, пары тяг и ведомого рычага.

Ведущий рычаг параллелограммного механизма шарнирно закреплен ведущим плечом на управляющем кольце, а опора вращения ведущего рычага расположена на звене многозвенной петли, соединенном с управляющим кольцом. Опора вращения ведомого рычага параллелограммного механизма расположена на управляющем кольце.

Заявляемое сопло отличается от прототипа конструкцией параллелограммного механизма и его кинематическими связями. Каждый параллелограммный механизм между ведомым рычагом и тягами створок дополнительно содержит второе звено (второй параллелограмм). Второе звено состоит из ведомого рычага и пары тяг. Тяги второго звена параллелограммного механизма закреплены на рычагах сферическими шарнирами. Ведомый рычаг второго звена установлен опорой вращения на рычаге-качалке, шарнирно закрепленном на сходящейся створке. Тяги створок крепятся к ведомому рычагу второго звена.

Перечень фигур чертежей
Фиг. 1 - сопло с отклоняемым вектором тяги, установленное на реактивном двигателе. Общий вид.

Фиг. 2 - взаимное расположение ведущих и ведомых створок. Вид по стрелке А.

Фиг. 3 - механизм управления створками. Продольный разрез. Выноска I на фиг. 1.

Фиг. 4 - крепление многозвенной петли к фланцу форсажной камеры.

Фиг. 5 - соединение Т-образного рычага с ведущим кольцом. В-В на фиг. 3.

Фиг. 6 - параллелограммный механизм. Д-Д на фиг. 3.

Фиг. 7 - параллелограммный механизм при довороте створок.

Пример конкретного выполнения
На фиг. 1 представлен общий вид заявляемого сопла, установленного на реактивном двигателе. Сопло содержит сходящиеся ведущие створки 1, расходящиеся ведущие створки 2, сходящиеся ведомые створки 3 и расходящиеся ведомые створки 4. Взаимное расположение ведущих и ведомых створок показано на фиг. 2. Сходящиеся створки 1 и 3 прикреплены к фланцу 5 форсажной камеры 6 двигателя. На корпусе 7 форсажной камеры 6 установлены не менее трех кронштейнов 8, к которым прикреплены с помощью универсального или сферического шарнира 9 гидроцилиндры 10, которые в свою очередь посредством универсального или сферического шарнира 11 крепятся к управляющему кольцу 12. Позицией 13 обозначены гондола двигателя и установленные на ней внешние створки, которые образуют оптимальный контур обтекания.

К кронштейнам 14, установленным в корпусе форсажной камеры, крепятся трехзвенные петли, содержащие звенья 15, 16, 17, (фиг. 3 выноска I и фиг. 4), соединенные осями 18, 19, 20. Управляющее кольцо 12 с помощью винтов 21 крепится к звеньям 17.

На оси 22, установленной в звене 17, расположен Т-образный рычаг 23, который с помощью оси 24 крепится к управляющему кольцу 12 (фиг. 3, 5, 6). К Т-образному рычагу 23 прикреплены осями 25 первая пара тяг 26 параллелограммного механизма. Противоположные концы тяг 26 осями 27 крепятся к первому ведомому рычагу 28, который опорой вращения 29 соединен с управляющим кольцом 12, а плечами шарнирно соединен с тягами 30 второго звена параллелограммного механизма. Тяги 30 второго звена другими концами шарнирно крепятся к второму ведомому рычагу 31. Для крепления тяг 30 к ведомым рычагам 28 и 31 используются сферические шарниры 32. Второй ведомый рычаг 31 опорой вращения 33 установлен на рычаге-качалке 34, который в свою очередь шарнирно закреплен на сходящейся ведущей створке. Ко второму ведомому рычагу 31 крепится с возможностью поворота вокруг его оси тяга 35 ведущей створки 2.

Работает описанное устройство следующим образом. Под воздействием гидроцилиндров управляющее кольцо устанавливается в положение Е. Расходящиеся створки занимают положение F (пунктирная линия на фиг. 1). При этом, если верхние и нижние створки поворачиваются на 15^o в положение F непосредственно от воздействия управляющего кольца через тяги 35, то остальные створки - дополнительно через систему рычагов, образующих параллелограммный механизм.

На фиг. 7 показан пример доворота створки, лежащей в плоскости горизонтального разреза. Для поворота створок, лежащих в плоскости вертикального разреза, на 15^o требуется повернуть управляющее кольцо 12 на угол приблизительно в 2 раза меньший.

При повороте управляющего кольца линия U-U, соединяющая оси 29 и 24, закрепленные на управляющем кольце, займет положение U'-U' (осевая линия управляющего кольца), а Т-образный рычаг 23 повернется относительно оси 22 на угол 15^o, и займет положение, показанное штрихпунктирной линией U''-U''. Параллелограммный механизм повернет тягу 35 и, соответственно, створку на тот же угол 15^o, что обеспечивается соответствующим положением шарнира 22 на U-U.

Таким образом, створки поворачиваются на требуемый угол, равномерно распределяясь по периметру сопла, для сохранения его (сопла) формы, близкой к окружности при отклонении вектора тяги.

Рычаг-качалка 34 выполняет следующие функции:
- позволяет передавать усилие от кольца 12 на расходящиеся створки по ломаной линии, а именно - от оси 29 через пару тяг 30 и пару тяг 35;
- фиксирует опору вращения 33 рычага 31 на осевой линии сопла U-U.

Описанная подвеска, состоящая из трех звеньев 15, 16, 17, позволяет как поворачивать управляющее кольцо в любом направлении, так и смещать его вдоль оси сопла.

При необходимости регулировать площадь среза сопла независимо от площади критического сечения, как при осесимметричном положении сопла, так и при отклонении вектора тяги, управляющее кольцо 12 смещается вдоль оси сопла под одновременным воздействием гидроцилиндров.

По сравнению с прототипом управляющее кольцо смещено вперед. За счет этого задней части гондолы и внешним створкам придается более плавный контур обтекания.

Сопло с отклоняемым вектором тяги содержит сходящиеся створки, расходящиеся створки, тяги расходящихся створок и управляющее кольцо с подвеской в виде многозвенных петель, складывающихся в радиальных плоскостях, кинематически связанное с тягами расходящихся створок через параллелограммные механизмы. Каждый параллелограммный механизм между ведомым рычагом и тягами створок содержит второе звено в виде второго ведомого рычага, установленного опорой вращения на рычаге-качалке, шарнирно закрепленном на сводящейся створке, и тяг второго звена, причем последние закреплены на рычаге сферическими шарнирами. Предложенное изобретение позволяет создать конструкцию сопла, имеющую оптимальные аэродинамические характеристики. 7 ил.

Сопло с отклоняемым вектором тяги, содержащее сходящиеся створки, расходящиеся створки, тяги расходящихся створок и управляющее кольцо с подвеской в виде многозвенных петель, складывающихся в радиальных плоскостях, кинематически связанное с тягами расходящихся створок через параллелограммные механизмы, отличающееся тем, что каждый параллелограммный механизм между ведомым рычагом и тягами створок содержит второе звено в виде второго ведомого рычага, установленного опорой вращения на рычаге-качалке, шарнирно закрепленном на сходящейся створке, и тяг второго звена, причем последние закреплены на рычаге сферическими шарнирами.