ПОЛОЕ СОПЛОВОЕ ПРИВОДНОЕ КОЛЬЦО Российский патент 2001 года по МПК F02K1/15 

Предпосылки изобретения
Права на это изобретение принадлежат правительству в соответствии с контрактом N F 33657-91-D-2084, заключенным Департаментом воздушных сил.

Область применения изобретения
Это изобретение относится в основном к приводным кольцам для осесимметричных регулируемых сопел и, более конкретно, к полому приводному кольцу и механизму, который используется для вращения заслонок сопла, которые обеспечивают направление выхлопному потоку из сопла и силы тяги.

Описание предшествующего уровня техники
При использовании в военно-воздушных силах возникает необходимость в увеличении маневренности летательного аппарата как для военных программ полета воздух-воздух, так и для сложных наземных наступательных программ полета. Конструкторы летательных аппаратов пытаются заменить или увеличить использование обычных аэродинамических поверхностей, например заслонок и элеронов, с поворотными соплами, которые обеспечивают поворот или направление выхлопного потока и тяги газотурбинного двигателя, приводящего в движение летательный аппарат. В патенте США N 4994660 (Hauer), включенном здесь для ссылки, описано осесимметричное поворачивающееся выхлопное сопло, которое снабжено средствами для направления тяги осесимметричного сужающегося/расширяющегося сопла посредством универсального поворота расширяющихся заслонок сопла асимметричным образом или, другими словами, поворота расширяющихся заслонок в радиальном и тангенциальном направлениях относительно неизменяемой по направлению сопловой осевой линии. Заслонки поворачиваются посредством приводного кольца, которое может смещаться по оси и шарнирно закрепляться или поворачиваться вокруг его горизонтальной или вертикальной оси (по существу иметь регулируемое пространственное положение) в ограниченных пределах. Ранее два пространственных сопла включали направленные тяговые средства, в которых применялись соответственно плоские заслонки для управления направлением тангажа и угольного скольжения силы тяги двигателя.

Направленная сила тяги вызывает тангенциальную или радиальную нагрузки, называемые боковыми нагрузками, которые передаются от заслонок посредством различных нагрузочных путей назад через приводное кольцо к корпусу двигателя через исполнительные механизмы. Эти огромные нагрузки требуют мощных исполнительных механизмов для поглощения нагрузки и, в частности, изгибающих моментов, оказывающих воздействие на валы исполнительных механизмов при отклонении вектора силы тяги. Разработаны различные конструкции, предусматривающие средства для минимизации и ограничения боковых нагрузок, передаваемых соплом на исполнительные механизмы, и изгибающих моментов, которым могут быть подвержены исполнительные механизмы из-за радиальных нагрузок. В патенте США N 5174502 (Lippmeier et а1.), включенном здесь для ссылки, описаны такие конструкции, но как и в других конструкциях приводное кольцо пока подвергается большим радиальным и осевым нагрузкам так же, как и изгибающим моментам. Приводное кольцо должно быть жестким, чтобы предотвратить конструкционную деформацию под действием векторных нагрузок, которые могут привести к потере коэффициента силы тяги, к уменьшенным векторным угловым характеристикам и потенциальной нестабильности. Упругость в кольце создает его деформацию и искривление под действием сопловых векторных нагрузок, тем самым уменьшая отклонение вектора, достигаемое по отношению к жесткой кинематической системе. Эта проблема, кроме того, усложняется относительно небольшим количеством исполнительных механизмов, используемых для управления соплом, в котором желательно иметь три механизма. Это искривление в конце концов приводит к уменьшенной общей управляющей способности.

Одна проблема, рассматриваемая конструкторами, пытающимися увеличить жесткость на кручение и изгиб, заключается в том, что пространство, необходимое для приводного кольца, в основном ограничено летательным аппаратом, внутренней траекторией потока двигателя, конструкцией сопла и суживающейся приводной системой. Существует, в частности, трудность при модернизации существующего газотурбинного двигателя для летательных аппаратов, заключающаяся в том, что выпускают сопловые системы с соплами AVEN, в то время как приводное кольцо не предусматривается или не учитывается в ненаправляющей первоначальной конструкции. Пространство, необходимое для кольца, приводит к тому, чтобы было принято в расчет соответственно упругое кольцо.

Двумя важнейшими параметрами, влияющими на жесткость кольца в ранее известных конструкциях, являются расстояние между исполнительными механизмами (кубический эффект) и характеристики сечения кольца. При использовании трех исполнительных механизмов и сжимаемой кольцевой оболочки и диаметра кольца увеличение толщины материала кольца обеспечивает увеличение жесткости кольца, но с соответствующим увеличением веса.

Сущность изобретения
В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения полое приводное кольцо и механизм для приведения в действие и/или поворота заслонок газотурбинного двигателя летательного аппарата обеспечивают направление сопла посредством передачи приводных нагрузок от небольшого количества исполнительных механизмов (предпочтительно 3) к большему количеству поворотных расширяющихся заслоночных элементов, обеспечивающих направление силы тяги и изменение выходного сечения сопла.

Приводное кольцо имеет по существу полую кольцевую форму, включающую расположенные аксиально на расстоянии передние и задние стенки, стойки, аксиально проходящие между ними и конструктивно соединяющие вместе передние и задние стенки, и кольцевые средства жесткости для уменьшения эффективной длины изгиба и кручения, по меньшей мере, одной из передней и задней стенок между стойками. В одном варианте представлены средства жесткости, которые имеют средства для распространения наружу нагрузок, передаваемых от стоек к одной из передней или задней стенкам. В другом варианте представлены средства жесткости, которые выполнены в виде А-образных шпангоутов, расположенных между стойками и, по меньшей мере, одной из передней и задней стенок и альтернативно, по меньшей мере, одной конструкционной траверсы, проходящей диагонально между каждой из стоек и одной из передней и задней стенок. А-образные шпангоуты имеют скругленные внутренние углы. Более детально варианты изобретения представляют рычажные механизмы для приведения в действие заслонок, которые расположены по окружности вокруг и конструктивно присоединены к заднему кольцу конструкции и к исполнительным шарнирным средствам, которые конструктивно присоединены к стойкам. Рычажные механизмы для приведения в действие заслонок и исполнительные шарнирные средства предпочтительно включают сферические шарнирные элементы.

Другой, более предпочтительный вариант, представляет вырезанные элементы, выполненные в усиленных стойках, которые аксиально проходят между передней и задней стенкой и, кроме того, конструктивно соединяют их вместе. Предпочтительно кольцевые наружная и внутренняя крышки выполнены как одна цельная конструкция вместе с передней и задней стенками, стойками, кольцевыми средствами жесткости и усиленными стойками. Альтернативно одна из кольцевых крышек может быть выполнена отдельно и присоединена к цельной конструкции. Один вариант настоящего изобретения включает сопло, имеющее стержни исполнительного механизма, каждый из которых проходит через конические пазы, выполненные в усиленных стойках. Другой вариант включает сферические шарниры, каждый из которых установлен в полуцилиндрических канавках, выполненных в усиленных стойках.

На чертежах, как описано ниже, изображен предпочтительный вариант, однако различные другие модификации и альтернативные конструкции могут быть выполнены дополнительно без отклонения от сущности и объема изобретения.

Преимущества
Среди преимуществ, обеспечиваемых приводным кольцом и сопловым приводным механизмом, настоящего изобретения имеется более жесткое приводное кольцо, которое обеспечивает передачу приводных нагрузок от небольшого количества исполнительных механизмов к большему количеству поворотных расширяющихся заслоночных элементов без соответствующего увеличения веса предшествующих конструкций. Настоящее изобретение также обеспечивает более упругую и меньшую по размерам конструкцию приводного кольца, которую можно установить внутри более ограниченной оболочки без соответствующего увеличения веса предшествующих конструкций. Приводные кольца в соответствии с настоящим изобретением могут быть выполнены с меньшими профилями, включая меньшие радиальные высоты, таким образом, обеспечивая компактность сопловой приводной системы и самого сопла.

Другой задачей настоящего изобретения является использование жесткого полого приводного кольца для поворота заслонок, которые направляют сопловый выхлопной поток. Другой задачей является использование жесткого приводного кольца, которое можно установить внутри ограниченной оболочки. Еще другой задачей настоящего изобретения является использование полого приводного кольца с более низким весом, чем ранее использованные, что позволяет минимизировать размер и вес сопловой системы.

Эти задачи и другие признаки и преимущества станут более очевидными из дальнейшего описания со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Краткое описание чертежей
Упомянутые выше аспекты и другие признаки изобретения объясняются в последующем описании со ссылкой на чертежи, где:
На фиг. 1 изображен частичный вырез перспективного вида газотурбинного двигательного осесимметричного поворотного выхлопного сопла с приводным кольцом и механизма в соответствии с предпочтительным вариантом настоящего изобретения.

На фиг. 2 изображен увеличенный частичный вырез перспективного вида части приводного кольца на фиг. 1, иллюстрирующий вариант средств жесткости настоящего изобретения.

На фиг. 2А изображен увеличенный частичный вырез перспективного вида части приводного кольца на фиг. 1, иллюстрирующий цельные кольцевые жесткие средства в соответствии с предпочтительным вариантом настоящего изобретения.

На фиг. 3 изображен вид сзади передней вертикальной проекции приводного кольца, показанного на фиг. 1.

На фиг. 4 изображен вид спереди задней вертикальной проекции приводного кольца, показанного на фиг. 3.

На фиг. 5 изображен другой увеличенный частичный вырез перспективного вида части приводного кольца на фиг. 1.

Описание предпочтительного варианта
Настоящее изобретение в целом изображено на фиг. 1 и включает приводное кольцо 86, которое служит поворотным кольцом для осесимметричного поворотного сопла 14 в выхлопной секции 10 для газотурбинного двигателя летательного аппарата. Выхлопная секция 10 содержит последовательные по ходу потока канал с постоянным сечением или корпус 11 двигателя, включающий форсажную камерную обшивку 12, и секцию 13 с изменяемым сечением, расположенную вниз по потоку осесимметричного направляющего сопла 14 сужающегося/расширяющегося типа, как ранее была ссылка в патенте Hauer.

Со ссылкой на фиг. 1, сопло 14 содержит последовательно по ходу потока сужающуюся секцию 34, критическое сечение сопла 40 и расширяющуюся секцию 48. Сужающаяся секция 34 включает множество сужающихся или первичных заслонок 50, размещенных по окружности вокруг осевой линии 8 двигателя с соединенными внахлестку первичными уплотнениями 51, расположенными с уплотняющим соединением с радиально направленной внутрь внешней поверхностью смежно расположенных по окружности первичных заслонок 50. Первичная заслонка 50 шарнирно присоединена на своем переднем конце к корпусу 11 первым поворотным или в виде серьги шарниром 52. Расширяющаяся или вторичная заслонка 54 шарнирно присоединена на своем переднем конце 53 к заднему концу заслонки 50 посредством универсальных с двумя степенями свободы (2 СС) шарнирных средств 56, по существу, в осевом положении в сопле 14, которое совпадает с критическим сечением сопла 40. Вторичные заслонки 54, по существу, расположены по окружности вокруг осевой линии 8 двигателя с соединенными внахлестку расширяющимися или вторичными уплотнениями 55, расположенными с уплотняющим соединением с радиально направленной внутрь внешней поверхностью смежно расположенных по окружности вторичных заслонок 54. Критическое сечение 40 связано с площадью критического сечения, обозначенной как А8, а выходное сечение сопла 44 находится по существу на конце вторичных заслонок 54 и имеет связанную с ним площадь выходного сечения, обозначенную как А9.

Множество кулачковых роликов 62 размещено в первичном кольце 66, которое в свою очередь перемещается вперед и назад посредством множества первичных исполнительных механизмов 70, из которых количество из четырех является предпочтительным вариантом. Изменяемая площадь критического сечения сопла А8 управляется посредством действия кулачковых роликов 62 на кулачковую поверхность 60, которая выполнена на задней стороне первичной заслонки 50. В процессе работы высокое давление выхлопных газов внутри сопла воздействует на первичные заслонки 50 и вторичные заслонки 54 радиально наружу, таким образом обеспечивая контакт кулачковой поверхности 60 с одним из кулачковых роликов 62. Коническая кольцевая опора 76 исполнительного механизма прикреплена на ее узком переднем конце к корпусу 11 двигателя, и первичный исполнительный механизм 70 шарнирно присоединен к широкому заднему концу опоры 76 исполнительного механизма универсальным шаровым шарниром 74. Первичный исполнительный механизм 70 имеет приводной рычаг 73, который в свою очередь присоединен к первичному кольцу 66 сферическим шарниром 68.

Множество приводных исполнительных механизмов 90, из которых количество из трех является предпочтительным вариантом, размещены равноугольно по окружности вокруг корпуса 11 и присоединены к опоре 76 исполнительного механизма посредством универсальных шаровых шарниров 94 аналогичным способом, как исполнительные механизмы 70. Приводное кольцо 86 присоединено к приводным исполнительным механизмам 90 на заднем конце приводного рычага 93 исполнительного механизма посредством сферического шарнира 96. Это обеспечивает приводному кольцу 86 возможность аксиального перемещения и поворота вокруг осевой линии 8 для того, чтобы управлять его пространственным положением. Приводное кольцо 86 управляет расположением и поворотом вторичных заслонок 54. Вторичная заслонка 54 шарнирно присоединена к первичной заслонке 50 посредством 2 СС универсальных шарнирных средств 56 и шарнирно управляется способом со многими степенями свободы посредством множества соответствующих Y-образных шпангоутов 59, имеющих две управляющие консоли 58a и 58b, которые присоединяют вторичное приводное кольцо 86 к вторичной заслонке 54. Периферийные заслонки 64, по меньшей мере, частично поддерживаются Y-образными шпангоутами 59 и обеспечивают обтекаемую и гладкую аэродинамическую форму вдоль внешней стороны сопла.

Управляющие консоли 58a и 58b присоединены к приводному кольцу 86 посредством 3 СС сферических шарниров 82 и к заднему концу вторичной заслонки 54 посредством сферического шарнира 84. Этот рычажной механизм обеспечивает преобразование изменения пространственного положения приводного кольца 86 в изменение качания со многими степенями свободы или планетарного движения вторичной заслонки 54, в результате чего каждая вторичная заслонка может быть повернута на разный угол. Использование сферических шарниров 82, чтобы воздействовать на управляющие консоли 58a и 58b, обеспечивает вращение рычажного типа Y-образного шпангоута 59, предотвращая при этом изгибающие нагрузки, которые могут быть переданы либо на управляющую консоль 58a, либо на 58b от перемещения при этом назад к приводному кольцу 86. Опора 92 обеспечивает крепление для вторичной заслонки 54 и крепления для шарниров 84 и 56 на ее двух концах.

Приводное кольцо 86 поддерживается посредством, по меньшей мере, и предпочтительно тремя аксиально регулируемыми опорными для приводного кольца средствами 100, равноугольно расположенными по окружности вокруг корпуса 11, что обеспечивает аксиальное перемещение приводного кольца 86 и шарнирное установление его приводными исполнительными механизмами 90. Аксиально перемещающийся А-образный шпангоут 210 поддерживает приводное кольцо 86 посредством 3 СС сферического шарнира 206. А-образный шпангоут 210 шарнирно прикреплен к ползуну 220 шарнирными средствами 208 в виде серьги в форме сферических шарниров на концах консолей 211a и 211b. Использование сферических шарниров на концах консолей 211a и 211b обеспечивает поворот А-образного шпангоута 210 в виде серьги, а также сокращает передачу изгибающих нагрузок, которые могут быть переданы на консоли. Ползун 220 выполнен с возможностью скольжения вдоль полого стержня 226 скольжения, который прикреплен к корпусу двигателя 11 посредством переднего кронштейна 230 и заднего кронштейна 236. Приводные кольцевые опорные средства 100 обеспечивают возможность приводному кольцу 86 перемещаться аксиально вперед и назад и поворачиваться так, чтобы изменить его пространственное положение. Более детальное описание приводных кольцевых опорных средств 100 можно найти в патенте США 5174502 (Lippmeier et a1.), озаглавленном "Опора для перемещающегося соплового приводного кольца", который включен здесь для ссылки.

Со ссылкой теперь на фиг. 2, полное приводное кольцо 86 является по существу кольцевой конструкцией, имеющей аксиально расположенные на расстоянии переднюю и заднюю стенки 110 и 114 соответственно. Соединительные стойки 118 аксиально проходят между передней стенкой 110 и задней стенкой 114 и конструктивно соединяют их вместе.

Приводные рычаги 93 прикреплены сферическим шарниром 96 к приводному кольцу 86 на основании 120 стоек 118. Кольцевые жесткие средства 124 предусмотрены для уменьшения эффективной длины L на изгиб и кручение (также см. фиг. 3) задней стенки 114 между смежными стойками 118. Это осуществляется посредством распространения наружу нагрузок, передаваемых от стоек 118 к задней стенке 114. А-образный шпангоут 130 расположен между каждой одной из стоек 118 и задней стенкой 114. А-образный шпангоут 130 имеет конструкционную траверсу 132, проходящую диагонально между каждой из стоек 118 и задней стенкой 114. А-образные шпангоуты предпочтительно выполнены с закругленными внутренними углами 134. Закругленный внутренний угол 134, ближайший к основанию 120, модифицирован добавлением распорной секции 138, для образования эффективной внутренней поверхности вершины 136 острого угла, который имеет два закругления 140 в его подуглах 144.

Кольцевые внутренняя и наружная крышки 150 и 152 соответственно конструктивно присоединены к радиально внутреннему и наружному концам 154 и 156 в указанном порядке соответствующих передней и задней стенок, таким образом завершая внешнюю конструкцию полого приводного кольца 86. Кольцевые внутренняя и наружная крышки 150 и 152 соответственно также конструктивно присоединены к кольцевым жестким средствам 124. В предпочтительном варианте внутренняя и наружная крышки 150 и 152 соответственно, конструкционная траверса 132, стойки 118 и передняя и задняя стенки 110 и 114 соответственно выполнены по существу в виде цельной конструкции посредством литья или любыми другими средствами, как показано на фиг. 2А. Способ потери пластичности материала или инвертированный способ литья, которые хорошо известны в промышленности, могут быть использованы. Альтернативно, одна из внутренней или наружной крышек 150 и 152 соответственно, конструкционная траверса 132, стойки 118 и передняя и задняя стенки 110 и 114 соответственно могут быть выполнены в виде цельной детали литьем или любыми другими средствами, а другая из внутренней и наружной крышек 150 и 152 соответственно выполнена отдельно и затем присоединена к этим частям сваркой, пайкой твердым припоем, диффузионной сваркой или некоторыми другими соединительными средствами. Сферический шарнир 96 присоединяет приводной рычаг 93 к основанию 120 стойки 118 с использованием шарнирной подвески 164, имеющей два расположенных на расстоянии по окружности фланца 166, которые прикреплены к основанию стойки двумя расположенными на расстоянии по окружности винтами 168.

Сферические шарниры 82, которые присоединяют управляющие консоли 58a и 58b к приводному кольцу 86, как показано на фиг. 1, обеспечивают приведение в действие рычажных средств заслонок, которые более подробно изображены на фиг. 3 подобранными парами 174 выступающих опор 176, в которых каждая из выступающих опор имеет пары параллельных проушин 178, выступающих из них. Выступающие опоры 176 расположены по окружности вокруг и конструктивно присоединены к задней стенке 114, и все их проушины 178 параллельны радиусу R, проходящему от осевой линии 8 и делящему пополам угол А между выступающими опорами 176, где угол А имеет свое начало на осевой линии. Каждая подобранная пара выступающих опор 176 присоединяет соответствующую одну из управляющих консолей 58a и 58b к приводному кольцу 86.

На фиг. 5 изображено расположение вырезанных элементов, выполненных в приводном кольце 86, в котором в качестве примера приведены конический паз 180 и полуцилиндрическая канавка 182. Конический паз 180 предусматривает зазор для приводного рычага 73 первичного исполнительного механизма 70 (показано на фиг. 1), который более подробно изображен на фиг. 5. Полуцилиндрическая канавка 182 предусматривает пространство для установки сферического шарнира 206, который соединяет А-образный шпангоут 210 с приводным кольцом 86, которое более подробно изображено на фиг. 2. Усиленные стойки 300 аксиально проходят между передней и задней стенками 110 и 114 соответственно в положениях по окружности относительно вырезанных элементов. Вырезанные элементы, такие как конический паз 180 и полуцилиндрическая канавка 182, предпочтительно выполнены в усиленных стойках 300. Усиленные стойки 300 обеспечивают конструктивное усиление приводного кольца 86, где вырезанные элементы обычно уменьшают его прочность и обеспечивают возможность выполнять сопла с меньшим диаметром. Приводные кольца могут быть выполнены с меньшими поперечными сечениями и меньшими радиальными высотами, таким образом обеспечивая компактность сопловой приводной системе в целом и самому соплу. Усиленные стойки 300 предпочтительно выполнены в виде цельной детали литьем или любыми другими средствами с внутренней крышкой 150, конструкционной траверсой 132, стойками 118 и передней и задней стенками 110 и 114 соответственно.

В то время, как предпочтительный вариант настоящего изобретения описан полностью, для того, чтобы объяснить его принципы, понятно, что различные модификации или изменения могут быть выполнены по отношению к предпочтительному варианту без отклонения от объема изобретения, заявленного в прилагаемой формуле изобретения.

Полое сопловое приводное кольцо предназначено для осесимметричных регулируемых сопел. Полое приводное кольцо служит для приведения в действие заслонок сопла газотурбинного двигателя летательного аппарата посредством передачи приводных нагрузок от небольшого количества исполнительных механизмов к большему количеству поворотных расширяющихся заслоночных элементов сопла. Приводное кольцо имеет по существу полую кольцевую конструкцию, включающую аксиально расположенные на расстоянии переднюю и заднюю стенки, соединительные стойки, аксиально проходящие между передней и задней стенками и конструктивно соединяющие их вместе, и кольцевые жесткие средства для уменьшения эффективной кольцевой длины (L) на изгиб и кручение, по меньшей мере, одной из передней и задней стенок между соединительными стойками. Жесткие средства предусмотрены для распределения нагрузок наружу, передаваемых от соединительных стоек к одной из передней и задней стенкам с использованием конструкционных траверс, проходящих диагонально между соединительными стойками и одной из передней и задней стенок. 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Полое приводное кольцо для одновременного поворота заслонок сопла газотурбинного двигателя летательного аппарата, имеющее полую по существу кольцевую конструкцию, включающую аксиально расположенные на расстоянии переднюю и заднюю стенки, отличающееся тем, что содержит кольцевые жесткие средства для уменьшения эффективной длины на изгиб и кручение, по меньшей мере, одной из передней и задней стенок между соединительными стойками, аксиально проходящими между передней и задней стенками и соединяющими их. 2. Кольцо по п. 1, отличающееся тем, что кольцевые жесткие средства включают средства для распространения наружу нагрузок, передаваемых от соединительных стоек к одной из передней и задней стенкам. 3. Кольцо по п. 1, отличающееся тем, что кольцевые жесткие средства включают А-образные шпангоуты, выполненные между соединительными стойками и, по меньшей мере, одной из передней и задней стенок. 4. Кольцо по п. 1, отличающееся тем, что кольцевые жесткие средства включают, по меньшей мере, одну траверсу, проходящую по диагонали между каждой из соединительных стоек и одной из передней и задней стенок. 5. Кольцо по п. 3, отличающееся тем, что А-образные шпангоуты имеют закругленные внутренние углы. 6. Кольцо по п.3, отличающееся тем, что дополнительно содержит кольцевые внутреннюю и наружную крышки, присоединенные к радиально внутреннему и наружному концам соответственно передней и задней стенок, соединительным стойкам и кольцевым жестким средствам. 7. Кольцо по п.6, отличающееся тем, что кольцевые внутренняя и наружная крышки выполнены в виде цельной конструкции с передней и задней стенками, соединительными стойками и кольцевыми жесткими средствами. 8. Кольцо по п.7, отличающееся тем, что дополнительно содержит средства, соединяющие заслонки, расположенные по окружности и вокруг и присоединенные к задней стенке конструкции, и приводные соединительные средства, присоединенные к соединительным стойкам. 9. Кольцо по п. 8, отличающееся тем, что дополнительно содержит вырезанные элементы, выполненные в соединительных стойках, аксиально проходящих между передней и задней стенками и соединяющих их. 10. Кольцо по п.9, отличающееся тем, что оно установлено в сопле и имеет приводные рычаги, каждый из которых проходит через конические пазы, вырезанные в соединительных стойках.