ОСЕСИММЕТРИЧНОЕ СВЕРХЗВУКОВОЕ РЕАКТИВНОЕ СОПЛО Российский патент 2003 года по МПК F02K1/12 F02K1/15 

Предлагаемое изобретение касается осесимметричного конфузорно-диффузорного или сверхзвукового реактивного сопла турбореактивного двигателя, содержащего венец сходящихся створок, шарнирно закрепленных на заднем по потоку конце неподвижной кольцевой конструкции, и венец расходящихся створок, шарнирно закрепленных на заднем по потоку конце этих сходящихся створок, причем расходящиеся створки связаны, кроме того, с кольцом управления вектором тяги, приводимым в действие при помощи нескольких силовых цилиндров, закрепленных на неподвижной конструкции, для того чтобы обеспечить возможность регулирования выходного поперечного сечения расширяющейся части данного сопла и отклонения выбрасываемого потока газов по отношению к продольной оси данного турбореактивного двигателя.

Современные осесимметричные сверхзвуковые реактивные сопла, содержащие устройство отклонения выбрасываемого потока газов, обеспечивают возможность повышения маневренности самолетов, оборудованных такими соплами, в ближнем воздушном бою, уменьшить взлетную дистанцию и снизить вероятность радиолокационного обнаружения путем устранения или уменьшения размеров вертикального оперения, а также увеличить радиус действия данного самолета путем снижения его лобового сопротивления.

Технологии, используемые в последнее время двигателестроительными фирмами, состоят в обеспечении функции управления вектором тяги на уровне одних только расходящихся створок. Такая концепция позволяет обеспечить достаточно быстрые движения ориентации, поскольку в данном случае инерция движущихся масс является относительно малой по сравнению с техническим решением, в соответствии с которым выполняется пространственная ориентация всего реактивного сопла.

В ориентируемых реактивных соплах этого типа расходящиеся створки связаны с кольцом ориентации вектора тяги при помощи вторичных холодных створок или при помощи тяг, шарнирно связанных с задним по потоку концом этих расходящихся створок.

В том случае, когда продольные перемещения штоков используемых силовых приводов осуществляются различным образом, происходит поворотное движение плоскости кольца управления вектором тяги по отношению к продольной оси данного турбореактивного двигателя, что приводит в движение вторичные холодные створки или тяги, связанные с концами расходящихся створок, вследствие чего происходит наклон потока, сформированного множеством расходящихся створок, по отношению к продольной оси данного турбореактивного двигателя.

В том случае, когда перемещения штоков силовых цилиндров являются идентичными, кольцо управления вектором тяги перемещается поступательным образом, что позволяет модифицировать выходное поперечное сечение расширяющейся части данного реактивного сопла.

Для того чтобы обеспечить уверенное управление упомянутым углом наклона, необходимо, чтобы кольцо управления вектором тяги удерживалось по отношению к неподвижной кольцевой конструкции. Кроме того, наклон вектора тяги порождает дифференциальное распределение давления на периферийной части расширяющихся створок и на вторичных холодных створках или тягах, которые связывают кольцо управления вектором тяги с этими расширяющимися створками. Это обстоятельство приводит к возникновению боковых усилий, воздействующих на кольцо управления вектором тяги, связанное с неподвижной кольцевой конструкцией данного реактивного сопла.

Известны многочисленные технические решения, предназначенные для реализации удержания кольца управления вектором тяги, являющегося по существу концентрическим по отношению к продольной оси данного турбореактивного двигателя, и для устранения его бокового смещения под действием боковых усилий, о которых уже было сказано выше.

В соответствии с патентной публикацией WO 92/03649 кольцо управления вектором тяги содержит три радиальных рельса скольжения, ориентированных в направлении наружу и равномерно распределенных под углом 120^o вокруг оси упомянутого кольца, которое скользит в осевых направляющих, располагающихся под углом 120^o вокруг продольной оси данного турбореактивного двигателя и жестко связанных с упомянутой неподвижной конструкцией, причем штоки силовых цилиндров шарнирно связаны с концами рельсов скольжения. Эти рельсы скольжения и направляющие обеспечивают позиционирование кольца управления вектором тяги и восприятие боковых усилий.

В соответствии с патентом US 5239815 позиционирование кольца управления вектором тяги обеспечивается при помощи сферической стенки, жестко связанной с кольцом управления вектором тяги и опирающейся в наружную стенку, жестко связанную с упомянутой неподвижной конструкцией, и восприятие боковых усилий обеспечивается при помощи роликов, установленных на кольце и имеющих возможность катиться по рельсам, связанным с этой неподвижной конструкцией.

В соответствии с патентом US 5174502 предусматривается позиционирование кольца управления вектором тяги и восприятие боковых усилий при помощи прямоугольных направляющих, жестко связанных с упомянутой неподвижной конструкцией и независимых от силовых приводов, причем эти направляющие связаны с кольцом управления вектором тяги при помощи шаровых шарниров, интегрированных в обоймы, шарнирно закрепленные в радиальном направлении на упомянутой направляющей.

Задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы сгруппировать на силовых приводах функции управления и позиционирования кольца управления вектором тяги, а также восприятия боковых усилий, связанных с отклонением вектора потока выбрасываемых из двигателя газов.

Поставленная в данном изобретении задача решается при помощи предлагаемого реактивного сопла, которое отличается тем, что силовые привода связаны с кольцом управления вектором тяги при помощи соединения в виде шарового шарнира и закреплены на неподвижной конструкции таким образом, чтобы воспринимать тангенциальные усилия, воздействующие со стороны выбрасываемых газов на расширяющиеся створки, и обеспечивать возможность позиционирования этого кольца управления вектором тяги.

В соответствии с первым способом реализации предлагаемого изобретения силовой цилиндр содержит корпус силового цилиндра, шарнирно закрепленный в своей передней по потоку части на неподвижной конструкции с тем, чтобы иметь возможность поворачиваться в радиальной плоскости, кожух, связанный с кольцом управления вектором тяги при помощи шарового шарнира и имеющий возможность скользить по наружной поверхности корпуса данного силового цилиндра, и поршень, установленный с возможностью скольжения в корпусе этого силового цилиндра, шток которого жестко связан с кожухом.

В предпочтительном варианте реализации конец штока поршня силового цилиндра соединен со стенкой конца кожуха при помощи скользящей связи.

Целесообразно, чтобы кожух силового цилиндра скользил между двумя роликами, связанными с неподвижной конструкцией.

В соответствии с вторым способом реализации предлагаемого изобретения силовой цилиндр содержит корпус, шарнирно связанный в его передней по потоку части с неподвижной конструкцией с тем, чтобы иметь возможность поворачиваться в радиальной плоскости, поршень, скользящий внутри корпуса этого силового цилиндра, и шток этого поршня, конец которого соединен с кольцом управления вектором тяги при помощи связи типа шарового шарнира.

Предпочтительно, чтобы корпус силового цилиндра имел возможность скользить в радиальном направлении между двумя направляющими, жестко связанными с неподвижной конструкцией.

В соответствии с третьим способом реализации предлагаемого изобретения силовой цилиндр содержит корпус, закрепленный на неподвижной конструкции, поршень, имеющий возможность скользить в корпусе этого силового цилиндра, и шток поршня, конец которого соединен при помощи шарового шарнира с рычагом, который сам, в свою очередь, шарнирно соединен в радиальном направлении с кольцом управления вектором тяги.

В соответствии с возможным вариантом реализации предлагаемого изобретения кольцо управления вектором тяги реализовано из двух частей, шарнирно связанных между собой при помощи двух диаметрально противоположных шарниров.

Другие характеристики и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из приведенного ниже описания примера его реализации, где даются ссылки на приведенные в приложении фигуры, среди которых:
- фиг. 1 представляет собой схематический вид в разрезе по вертикальной осевой плоскости осесимметричного сверхзвукового реактивного сопла в соответствии с первым способом реализации предлагаемого изобретения;
- фиг.2 представляет собой схематический вид в разрезе по осевой плоскости, проходящей через продольную ось приводного силового цилиндра для кольца управления вектором тяги, сверхзвукового реактивного сопла в соответствии с предлагаемым изобретением, показанного на фиг.1;
- фиг.3 представляет собой схематический вид, подобный виду, показанному на фиг.2, и демонстрирующий вариант первого способа реализации предлагаемого изобретения;
- фиг. 4 представляет собой схематический вид сбоку приводного силового цилиндра для кольца управления вектором тяги в соответствии с третьим способом реализации предлагаемого изобретения;
- фиг.5 представляет собой радиальный схематический вид силового цилиндра в соответствии с третьим способом реализации предлагаемого изобретения;
- фиг.6 представляет собой схематический вид еще одного варианта реализации сверхзвукового реактивного сопла в соответствии с предлагаемым изобретением.

На фиг.1 схематически представлено осесимметричное сверхзвуковое реактивное сопло 1, которое содержит, по потоку позади от кольцевого кожуха 2, имеющего продольную ось X, первый венец сходящихся створок 3, передний по потоку конец которых 4 шарнирно закреплен на заднем по потоку конце 5 этого кожуха 2, и содержит, по потоку позади от венца сходящихся створок 3, второй венец расходящихся створок 6, передние по потоку концы которых 7 шарнирно закреплены на заднем по потоку конце 8 сходящихся створок 3.

Каждый из упомянутых выше венцов створок имеет в своем составе одно и то же количество управляемых или ведущих створок, вставленных между пассивными или ведомыми створками.

Расходящиеся створки 6 шарнирно закреплены своими задними по потоку концами 9 на задних по потоку концах 10 рычагов 11, передние по потоку концы которых 12 шарнирно закреплены на кольце управления вектором тяги 13, охватывающем сходящиеся створки 3.

Рычаги 11 могут быть заменены на вторичные так называемые холодные створки или могут удерживать эти холодные створки, располагающиеся в аэродинамическом продолжении фюзеляжа самолета, оснащенного турбореактивными двигателями, оборудованными соплом 1.

Каждая управляемая сходящаяся створка 3 содержит на своей наружной поверхности кулачок 14, на который опирается ролик 15, закрепленный на кольце управления 16, приводимом в движение при помощи нескольких силовых цилиндров 17, закрепленных на наружной поверхности кожуха 2.

Это кольцо управления 16 имеет возможность перемещаться в кольцевом пространстве, располагающемся между упомянутыми сходящимися створками 3 и кольцом управления вектором тяги 13, параллельно продольной оси Х кожуха 2 вследствие того обстоятельства, что штоки 18 силовых цилиндров 17 приводятся в движение синхронным образом.

Осевое перемещение кольца управления 16 приводит к изменению кругового поперечного сечения А8 выходного участка сходящейся части данного реактивного сопла 1.

Кольцо управления вектором тяги 13 приводится в движение при помощи нескольких приводных силовых цилиндров 20, закрепленных в своей передней по потоку части на наружной поверхности кожуха 2.

Эти приводные силовые цилиндры 20, которых в данном случае может быть использовано три, равномерно распределены вокруг кожуха 2 и отстоят друг от друга по угловому положению на постоянный угол в 120^o.

В том случае, когда штоки 21 силовых цилиндров 20 выдвигаются из своих корпусов на одну и ту же длину, кольцо управления вектором тяги 13 располагается в плоскости, перпендикулярной оси X.

Однако в том случае, когда эти штоки 21 силовых цилиндров 20 перемещаются различным образом, происходит движение поворота кольца управления вектором тяги 13, которое приводит в движение рычаги 11, связанные с концами расходящихся створок 6, следствием чего является изменение угла наклона выбрасываемого потока газов на некоторый угол α по отношению к продольной оси X, формирующееся при помощи расходящихся створок, как это схематически показано на фиг.1.

Упомянутый наклон вектора тяги порождает дифференциальное давление на периферийные части сходящихся створок 6 и на рычаги 11. Это приводит к возникновению боковых усилий, воздействующих на кольцо синхронизации 13.

В соответствии с предлагаемым изобретением силовые цилиндры 20 воспринимают тангенциальные усилия, воздействующие на кольцо управления вектором тяги.

Для этого и в соответствии с первым способом реализации предлагаемого изобретения, схематически представленным на фиг.1, 2 и 3, силовой цилиндр 20 выполнен в виде шарнирного силового цилиндра, связанного с кольцом управления вектором тяги 13 посредством шарового шарнира 22, центр которого располагается в точке 23.

Это шарнирное соединение 22 шарового типа обеспечивает возможность вращения в любом направлении кольца управления вектором тяги 13 относительно точки 23. Это шарнирное соединение 22 шарового типа жестко связано со стенкой конца 24 кожуха 25, который имеет возможность скользить в осевом направлении по наружной поверхности корпуса 26 силового цилиндра 20.

Это скольжение обеспечивается при помощи соответствующих средств 27, представляющих собой либо шариковую направляющую, как это показано на фиг.2, либо обычную систему подшипников, подобную той, которая схематически представлена на фиг.3.

Поршень 28 установлен с возможностью скольжения в корпусе 26 силового цилиндра и жестко связан со штоком 21 этого поршня. Этот шток поршня жестко связан с кожухом 25 на его вертикальной наружной стенке 29, располагающейся в непосредственной близости от концевой стенки 24.

Для устранения воздействия изгибающего усилия на конец штока 21 со стороны наружной стенки 29 кожуха 25 в процессе восприятия тангенциальных усилий изменения вектора тяги, приложенных к точке 23, соединение конца штока 21 с наружной стенкой 29 выполнено скользящим на двух своих поверхностях, и это скользящее соединение выполнено в виде шарового шарнира посредством сферических шайб 30.

Передний по потоку конец корпуса 26 силового цилиндра соединен с конструктивным элементом 31, связанным с кожухом 2 посредством шарнирного соединения 32, выполненного в виде радиальной шарнирной обоймы.

Позицией 33 на приведенных в приложении фигурах обозначена тяга, связывающая шарнирное соединение 32 с неподвижной конструкцией задней по потоку части кожуха 2 и предназначенная для восприятия по меньшей мере части осевых усилий, создаваемых штоком 21 силового цилиндра.

Таким образом, силовой цилиндр 20 имеет возможность поворачиваться в радиальной плоскости, проходящей через ось X, в зависимости от позиционирования кольца управления вектором тяги 13.

Благодаря описанной выше конструкции силового цилиндра 20 шток 21 его поршня воспринимает только осевые усилия, тогда как тангенциальные усилия управления вектором тяги воспринимаются кожухом 25, корпусом 26 силового цилиндра и конструктивным элементом 31.

Для того чтобы уменьшить усилие, воспринимаемое конструктивным элементом 31, кожух 25 имеет возможность скользить в радиальном направлении между двумя роликами 40, связанными с кожухом 2. Эти ролики препятствуют тангенциальному вращению силового цилиндра 20. Тангенциальный момент сил управления вектором тяги, воздействующий на систему силового цилиндра 20 и возникающий в точке 23, уравновешивается между роликами 40 и точкой шарнирного соединения 32 корпуса 26 силового цилиндра с конструктивным элементом 31.

Теперь более подробно будет описано функционирование привода управления вектором тяги.

Для того чтобы обеспечить требуемую ориентацию вектора тяги реактивного сопла 1, каждый из приводных силовых цилиндров 20 кольца управления вектором тяги 13 управляется независимым образом.

Поршень 28 скользит в осевом направлении в корпусе 26 силового цилиндра, приводя в движение его шток 21. Этот шток силового цилиндра при этом тянет или толкает наружную стенку 29 посредством сферических шайб 30. Стенка 29 приводит в движение кожух 25, который при этом скользит в шариковой направляющей 27 или в подшипниках и устанавливает таким образом точки шаровых шарниров 22 в требуемое положение, необходимое для ориентации кольца управления вектором тяги 13 таким образом, чтобы соответственно позиционировать расходящиеся створки 6 и придать требуемую ориентацию направлению выброса потока газов из реактивного сопла 1 посредством приводных рычагов 11 или вторичных так называемых холодных створок.

В процессе этого перемещения соединительные обоймы 41 шаровых шарниров 22 на кольце управления вектором тяги 13 поворачиваются вокруг точки 23. Система опорного силового цилиндра 20 поворачивается в радиальном направлении вокруг шарнирного соединения 32 и кожух 25 скользит между двумя роликами 40.

Аэродинамические усилия, возникающие на расходящихся створках 6 в результате управления вектором тяги, передаются на кольцо управления вектором тяги 13 посредством рычагов 11 или вторичных холодных створок, которые оказывают на кольцо управления вектором тяги 13 осевое усилие и радиальное усилие.

Это осевое усилие уравновешивается поршнями 28, которые принимают рабочую жидкость. Боковое усилие передается на шарнирные силовые цилиндры 20 тангенциально при помощи шаровых шарниров 23.

На фиг.3 схематически представлен вариант реализации, который отличается от способа реализации, показанного на фиг.2, отсутствием направляющих подшипников 40. В данном случае вся полнота тангенциального усилия, приложенного к точке 23, проходит транзитно на изгиб в систему шарнирного силового цилиндра 20 вплоть до шарнира 32 на конструктивном элементе 31.

В соответствии со вторым способом реализации предлагаемого изобретения, не представленным на приведенных в приложении фигурах, изгибающие тангенциальные усилия управления вектором тяги воспринимаются штоками 21 силовых цилиндров. В этом случае кожух 25 отсутствует, и шаровой шарнир 23 располагается на заднем по потоку конце штока 21 поршня.

При этом ориентация штока 21 обеспечивается корпусом 26 силового цилиндра. В данном случае ролики 40 могут быть заменены двумя направляющими, жестко связанными с кожухом 2, между которыми корпус 26 поршня может скользить в радиальном направлении.

В соответствии с этим вторым способом реализации корпус 26 поршня также смонтирован на конструктивном элементе 31 с возможностью поворота в радиальном направлении вокруг шарнирного соединения 32. Тяга 33 также предусмотрена между шарнирным соединением 33 и задним по потоку концом кожуха 2.

На фиг. 4 и 5 схематически представлен третий способ реализации предлагаемого изобретения.

Здесь корпус 26 силового цилиндра 20 является неподвижным по отношению к кожуху 2. Для того чтобы обеспечить возможность радиальных движений кольца управления вектором тяги 13, это кольцо связано с концом штока 21 силового цилиндра 20 при помощи рычага 50, шарнирно закрепленного в радиальном направлении в точке 51 на обойме 52, жестко связанной с кольцом управления вектором тяги 13, и закрепленного при помощи шарового шарнира на конце штока поршня 21 в точке 53.

В соответствии с возможным вариантом этого третьего способа реализации предлагаемого изобретения будут располагать центр шарового шарнира 53 между рычагом 50 и кольцом управления вектором тяги 13 и будут располагать обойму радиального шарнирного соединения в соединении между штоком 21 силового цилиндра и рычагом 50.

На фиг.6 схематически представлен вариант, который может применяться во всех трех описанных выше способах реализации предлагаемого изобретения. Этот вариант позволяет обеспечить вторую степень свободы на уровне регулировки поперечного сечения, сформированного задними кромками расходящихся створок 6.

В данном случае кольцо управления вектором тяги 13, являющееся самонесущим при помощи силовых цилиндров 20, выполнено из двух частей 13а, 13b, шарнирно связанных между собой при помощи двух диаметрально противоположных шарниров 60. Эти шарниры 60 могут группировать центры шаровых шарниров 23 в форме универсального шарнира.

Кольцо управления вектором тяги 13, состоящее из двух частей, удерживается и приводится в движение при помощи одних и тех же силовых цилиндров 20, как это было описано выше. Количество и расположение этих силовых цилиндров определяются таким образом, чтобы обеспечить устойчивость данного устройства.

В процессе движений управления вектором тяги рабочий ход штоков 21 силовых цилиндров 20 управляется для сочленения частей 13а и 13b таким образом, чтобы деформировать посредством рычагов 11 поверхность, определяемую задней кромки расходящихся створок с тем, чтобы отрегулировать выходное поперечное сечение в каждый момент полета и сохранить тем самым характеристики реактивного сопла 1, когда это сопло ориентировано.

Осесимметричное сверхзвуковое реактивное сопло турбореактивного двигателя содержит венец сходящихся и венец расходящихся створок. Расходящиеся створки дополнительно связаны с кольцом управления вектором тяги, приводимым в движение при помощи нескольких силовых цилиндров, для обеспечения возможности регулирования выходного поперечного сечения расширяющейся части и отклонения потока выбрасываемых газов. Силовые цилиндры соединены с кольцом управления вектором тяги при помощи связи в виде шарового шарнира и закреплены на неподвижной конструкции так, чтобы воспринимать тангенциальные усилия, воздействующие со стороны выбрасываемого потока газов на расходящиеся створки для обеспечения возможности позиционирования кольца управления вектором тяги. Изобретение позволяет сгруппировать на силовых приводах функции управления и позиционирования кольца управления вектором тяги, а также восприятия боковых усилий, связанных с отклонением вектора потока выбрасываемых из двигателя газов. 7 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Осесимметричное сверхзвуковое реактивное сопло турбореактивного двигателя, содержащее венец сходящихся створок (3), шарнирно соединенных с задним по потоку концом (5) кольцевой неподвижной конструкции (2), и венец расходящихся створок (6), шарнирно соединенных с задним по потоку концом (8) сходящихся створок (3), причем расходящиеся створки (6) дополнительно связаны с кольцом управления вектором тяги (13), приводимым в движение при помощи нескольких силовых цилиндров (20), закрепленных на неподвижной конструкции (2), с тем, чтобы обеспечить возможность регулирования выходного поперечного сечения расширяющейся части и отклонения потока выбрасываемых газов по отношению к продольной оси Х данного турбореактивного двигателя, отличающееся тем, что силовые цилиндры (20) соединены с кольцом управления вектором тяги (13) при помощи связи в виде шарового шарнира (22) и закреплены на неподвижной конструкции так, чтобы воспринимать тангенциальные усилия, воздействующие со стороны выбрасываемого потока газов на расходящиеся створки (6) для обеспечения возможности позиционирования кольца управления вектором тяги (13). 2. Осесимметричное сверхзвуковое реактивное сопло по п.1, отличающееся тем, что силовой цилиндр (20) содержит корпус (26) силового цилиндра, шарнирно закрепленный на передней по потоку части на неподвижной конструкции (2) для того, чтобы иметь возможность поворачиваться в радиальной плоскости, кожух (25), связанный с кольцом управления вектором тяги (13) при помощи соединения типа шарового шарнира (22) и имеющий возможность скользить на наружной поверхности корпуса (26) силового цилиндра, и поршень (28), установленный с возможностью скольжения в корпусе (26), причем шток (21) этого поршня жестко связан с кожухом (25). 3. Осесимметричное сверхзвуковое реактивное сопло по п.2, отличающееся тем, что конец штока (21) поршня связан с наружной стенкой (29) кожуха (25) при помощи скользящего соединения. 4. Осесимметричное сверхзвуковое реактивное сопло по п.2 или 3, отличающееся тем, что кожух (25) выполнен с возможностью скольжения между двумя роликами (40), связанными с неподвижной конструкцией (2). 5. Осесимметричное сверхзвуковое реактивное сопло по п.1, отличающееся тем, что силовой цилиндр (20) содержит корпус (26) силового цилиндра, шарнирно закрепленный в передней по потоку части на неподвижной конструкции (2) для возможности поворота в радиальной плоскости, поршень (28), выполненный с возможностью скольжения в корпусе (26) силового цилиндра, и шток (21) поршня, конец которого связан с кольцом управления вектором тяги (13) при помощи соединения типа шарового шарнира (22). 6. Осесимметричное сверхзвуковое реактивное сопло по п.5, отличающееся тем, что корпус (26) силового цилиндра выполнен с возможностью скольжения в радиальном направлении между двумя направляющими, жестко связанными с неподвижной конструкцией (2). 7. Осесимметричное сверхзвуковое реактивное сопло по 1, отличающееся тем, что упомянутый силовой цилиндр (20) содержит корпус (26) силового цилиндра, закрепленный на неподвижной конструкции (2), поршень (28), выполненный с возможностью скольжения в корпусе (26) этого силового цилиндра, и шток (21) поршня, конец которого соединен при помощи связи типа шарового шарнира с рычагом (50), который, в свою очередь, шарнирно закреплен в радиальном направлении на кольце управления вектором тяги (13). 8. Осесимметричное сверхзвуковое реактивное сопло по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что кольцо управления вектором тяги (13) выполнено из двух частей (13а, 13б), шарнирно связанных между собой при помощи двух диаметрально противоположных шарниров (60).