ПОВОРОТНОЕ СОПЛО С УПРАВЛЯЕМЫМ ВЕКТОРОМ ТЯГИ РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ, СНАБЖЕННОЕ ЭЛАСТИЧНЫМ КОЛЬЦОМ Российский патент 2005 года по МПК F02K1/12 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к поворотному соплу реактивного двигателя, то есть к соплу, которое способно ориентировать реактивную струю реактивного двигателя. Более конкретно, изобретение относится к соплу, которое содержит неподвижную часть, на которой шарнирно укреплены управляемые створки. Будучи смонтированным на самолете, такое сопло позволяет пилоту быстро управлять полетом, изменяя тангаж и рыскание самолета (крен для двухмоторных аппаратов).

Уровень техники

Известны различные варианты поворотных сопел, в которых поворот подвижной части сопла обеспечивается деформацией одного или нескольких упругих элементов, установленного (установленных) между неподвижной и подвижной частями сопла (см., например, патент США №3696999 А, МПК В 64 С 15/04, 1972).

Наиболее близким аналогом изобретения является поворотное сопло реактивного двигателя, содержащее неподвижную часть, предназначенную для соединения с двигателем, подвижную часть, снабженную управляемыми створками, и средства ориентации створок (см. заявку FR 2470253 А1, МПК F 02 K 1/78, 1981, поданную заявителем настоящего изобретения). В известном устройстве подвижная часть, положение которой определяет поворот сопла, содержит металлическое сферическое кольцо, выполненное с возможностью перемещения под действием первой группы домкратов и с использованием упругой кольцевой структуры, состоящей из нескольких упругих секторов, разнесенных по периферии этой кольцевой структуры. Сферическое кольцо подвижной части перемещается по сопряженной с ней сферической опоре неподвижной части и несет управляемые створки, положение которых определяет выходной диаметр сопла. Средства ориентации створок представляют собой вторую группу домкратов, установленных на подвижной части сопла и шарнирно связанных своими штоками со створками. Подвижная часть в известном устройстве имеет сложную конструкцию и соответственно высокую стоимость.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании сопла с управляемыми створками, обладающего более простой и дешевой конструкцией.

Решение поставленной задачи обеспечивается за счет создания поворотного сопла реактивного двигателя, содержащего неподвижную часть, предназначенную для соединения с двигателем, управляемые створки и средства ориентации створок. При этом сопло по изобретению характеризуется тем, что средства ориентации створок содержат эластичное кольцо, первая окружная периферия которого жестко соединена с концом неподвижной части, тогда как вторая окружная периферия эластичного кольца связана с управляемыми створками. Средства ориентации створок содержат также средства управления, позволяющие смещать вторую окружную периферию эластичного кольца по отношению к первой. В состав этих средств управления входят первые домкраты.

Согласно изобретению первая окружная периферия эластичного кольца образована первой жесткой кольцевой обоймой, служащей для эластичного кольца неподвижной опорой, закрепленной на неподвижной части. Вторая окружная периферия эластичного кольца образована второй жесткой кольцевой обоймой, которая служит для эластичного кольца подвижной опорой, связанной со створками. К этой подвижной опоре эластичного кольца прикреплены свободные концы первых домкратов. При этом управляемые створки установлены на конце неподвижной части и шарнирно прикреплены к панелям или тягам, также закрепленным на второй жесткой кольцевой обойме эластичного кольца.

Эластичное кольцо по изобретению позволяет, с одной стороны, ориентировать створки под действием средств управления, и, с другой стороны, воспринимает создаваемые при этом реактивные усилия. Кроме того, благодаря кольцевой конструкции системы привода, образованной эластичным кольцом, равновесная позиция сопла соответствует позиции покоя кольца, что придает дополнительную безопасность в случае неисправности средств управления.

Эластичное кольцо может быть выполнено сплошным или разделенным на секции. Кроме того, в типовом случае указанные первая и вторая окружная периферии эластичного кольца являются соответственно его внутренней и внешней окружной перифериями.

Предпочтительно, эластичное кольцо изготовлено из слоистого материала, образованного комплектом чередующихся слоев эластомера и металла, комплектом чередующихся слоев эластомера и органического композитного материала или комплектом чередующихся слоев эластомера и термоконструкционного материала. Эластомер выбирают из эластомеров, способных выдерживать температуры выше 150°С. Так, например, используют материал, выбранный из группы фторуглеродов и фторосиликонов, а также гидрированные эластомеры, такие как HNBR (гидрированный бутадиен-акрилонитрильный каучук).

В оптимальном исполнении первая окружная периферия эластичного кольца образована первой жесткой кольцевой обоймой, служащей для эластичного кольца неподвижной опорой, жестко соединенной с неподвижной частью, а вторая окружная периферия эластичного кольца образована второй жесткой кольцевой обоймой, служащей для эластичного кольца подвижной опорой, которая связана со средствами управления и с управляемыми створками. Образованная эластичным кольцом и двумя жесткими кольцевыми обоймами конструкция является моноблочной, за счет чего сводятся к минимуму зазоры свободного хода при функционировании и количество подвижных частей.

Средства управления непосредственно управляют смещением второй окружной периферии эластичного кольца, смещение которой вызывает ориентацию створок.

Согласно одному из примеров выполнения средства управления содержат первые домкраты, которые могут относиться к гидравлическому или электрическому типу и разнесены по окружности неподвижной части сопла. Вторая жесткая кольцевая обойма содержит первые крепежные кронштейны, к которым прикреплены свободные концы первых домкратов, и вторые крепежные кронштейны, к которым прикреплены панели или тяги. Управляемые створки шарнирно прикреплены на своих первых участках к указанным панелям или тягам и на вторых участках к неподвижной части сопла.

Согласно второму примеру выполнения изобретения:

указанные створки представляют собой управляемые расходящиеся створки,

сопло дополнительно содержит управляемые сходящиеся створки,

вторая жесткая кольцевая обойма содержит вторые крепежные кронштейны, к которым прикреплены панели или тяги,

каждая управляемая расходящаяся створка шарнирно прикреплена на своем первом участке к панели или тяге и на втором участке к управляемой сходящейся створке, и

управляемые сходящиеся створки, кроме того, шарнирно прикреплены к неподвижной части.

Предусмотрены также средства ориентации управляемых сходящихся створок. Эти средства, которые позволяют изменять диаметр критического сечения сопла, то

есть диаметр поперечного сечения, ограниченного шарнирными точками соединений между сходящимися и расходящимися створками, могут содержать вторые домкраты, расположенные на окружной периферии неподвижной части, кольцо, расположенное, по существу, перпендикулярно продольной оси сопла, причем с указанным кольцом связаны свободные концы указанных вторых домкратов, и ролики, которые установлены внутри указанного кольца и каждый из которых следует по кулачковой поверхности на управляемой сходящейся створке.

Предпочтительно, сопло в этом примере выполнения дополнительно содержит средства противодействия повороту указанного кольца вокруг продольной оси сопла. Эти средства противодействия повороту содержат указанные вторые домкраты, каждый из которых снабжен поперечными тягами, причем каждая тяга шарнирно прикреплена на своем первом конце к корпусу соответствующего домкрата и на втором конце к неподвижной части.

Сопло в соответствии с изобретением может дополнительно содержать ведомые расходящиеся створки и ведомые сходящиеся створки, установленные соответственно в промежутках между управляемыми расходящимися створками и управляемыми сходящимися створками.

Краткое описание чертежей

Варианты выполнения настоящего изобретения, его особенности и преимущества будут подробнее описаны со ссылками на чертежи, на которых:

фиг.1 схематично изображает в разрезе сопло, расположенное в нейтральной позиции,

фиг.2 изображает в перспективе эластичное кольцо и соответствующие опорные кольцевые обоймы,

фиг.3 и 4 - схематичные виды в разрезе половины сопла, ориентированного соответственно кверху и книзу,

фиг.5 изображает на виде сверху устройство, противодействующее повороту,

фиг.6 изображает в перспективе эластичное кольцо и соответствующие опорные кольцевые обоймы согласно другому примеру выполнения.

Осуществление изобретения

На фиг.1 схематично представлено поворотное сопло в соответствии с изобретением. Сопло содержит неподвижную часть 1, которая на своем входном по направлению реактивной струи конце 10 жестко соединена с реактивным двигателем (не показан), и кольцевой комплект 2 поворотных створок, шарнирно укрепленных на выходном по направлению реактивной струи конце 11 неподвижной части 1.

Неподвижная часть 1 содержит выхлопной канал 12, который принимает генерируемые двигателем газы и выбрасывает их как показано стрелками 13 и 14 на фиг.1. Выхлопной канал 12 ограничен волнистой футеровкой 15, имеющей, по существу, цилиндрическую форму. Между внешней стенкой 16 сопла (образующей окружную периферию его неподвижной части 1) и футеровкой 15 образовано пространство 17 охлаждения, в котором циркулирует соответствующая охлаждающая среда.

Кольцевой комплект 2 известным образом содержит управляемые створки, то есть створки, смещение которых управляется непосредственно с помощью средств управления, и ведомые створки, которые встроены между управляемыми створками и приспособлены для простого следования за смещениями управляемых створок.

Более конкретно, кольцевой комплект 2 створок образован несколькими смежными управляемыми и ведомыми устройствами, смонтированными по окружности на периферии выходного конца 11 неподвижной части 1. Каждое устройство содержит управляемую сходящуюся створку 20 (называемую далее для краткости “сходящейся створкой 20”) и управляемую расходящуюся створку 21 (называемую далее для краткости “расходящейся створкой 21”). Каждое управляемое устройство содержит также панель (не изображена) или, альтернативно, тягу 22, функция которой будет пояснена далее. Дальнейшее описание относится только к управляемым устройствам.

Согласно изобретению расходящиеся створки 21 устанавливаются в позицию ориентации с помощью эластичного кольца 3 привода, которое установлено между двумя жесткими кольцевыми обоймами 30 и 31. Эластичное кольцо 3 изготовлено, как правило, из слоистого материала, то есть из материала, образованного комплектом слоев эластомера, заключенных между армирующими слоями. В соответствии с изобретением эластомер выбирают из эластомеров, способных выдерживать температуры выше 150°С. Так, например, можно использовать материал, выбранный из группы фторуглеродов и фторосиликонов, а также гидрированные эластомеры, такие как HNBR (гидрированный бутадиен-акрилонитрильный каучук). Армирующие слои предпочтительно выполняются из металла, из органического композитного материала или из термоконструкционного материала, такого как композитный материал углерод-углерод или композитный материал с керамической матрицей.

Первая жесткая кольцевая обойма 30, на которой укреплена внутренняя окружная периферия эластичного кольца 3, жестко соединена с неподвижной частью 1 и служит неподвижной опорой. Вторая жесткая кольцевая обойма 31, на которой укреплена внешняя окружная периферия эластичного кольца 3, служит подвижной опорой эластичного кольца.

Фиг.2 изображает в перспективе эластичное кольцо 3 и его жесткие кольцевые обоймы 30 и 31. Как показано на фиг.1 и 2, вторая жесткая кольцевая обойма 31 (которая служит подвижной опорой эластичного кольца 3) снабжена первыми крепежными кронштейнами 32, отходящими в сторону входа сопла, и вторыми крепежными кронштейнами 33, отходящими в сторону выхода сопла. Первые крепежные кронштейны 32 позволяют соединить вторую жесткую кольцевую обойму 31 с первыми домкратами 4, установленными по окружности неподвижной части 1 сопла (на фиг.1 показан один первый домкрат 4). Концы штоков первых домкратов 4 присоединены к первым крепежным кронштейнам 32, а передние (по ходу реактивной струи) концы 40 первых домкратов шарнирно укреплены на внешней стенке 16 сопла. Вторые крепежные кронштейны 33 позволяют соединить соответствующие концы 220 тяг 22 привода со второй жесткой кольцевой обоймой 31.

В представленной конструкции управляемых створок сходящаяся створка 20 поворачивается на неподвижной части 1 вокруг шарнирной точки 200 (или линии). Расходящаяся створка 21 шарнирно соединена с выходным концом сходящейся створки 20 в шарнирной точке 201 и шарнирно соединена с тягой 22 привода в шарнирной точке 202 на конце, противоположном указанному концу 220. Узлы шарнирных точек 201 ограничивают внутри сопла круглое сечение С, которое является его критическим сечением. Выходные концы расходящихся створок 21 определяют выходное сечение S сопла.

В соответствии с изобретением смещение второй жесткой кольцевой обоймы 31 под действием первых домкратов 4 вызывает изменение ориентации расходящихся створок. Последние поворачиваются вокруг шарнирных точек 201, при этом сходящиеся створки остаются неподвижными, если не производится одновременно изменение диаметра критического сечения. На фиг.3 и 4 показаны крайние позиции ориентации расходящихся створок в одном и другом направлении. В первой крайней позиции по фиг.3 представленный на чертеже первый домкрат 4 оттягивает вторую жесткую кольцевую обойму 31 в направлении входа сопла и вызывает соответствующее скручивание эластичного кольца 3 таким образом, что створка 21 ориентируется в одном направлении. Во второй крайней позиции по фиг.4 первый домкрат 4 толкает вторую жесткую кольцевую обойму 31 в направлении выхода сопла таким образом, что створка 21 ориентируется в другом направлении.

Предпочтительно, первые домкраты 4 равномерно разнесены по окружности внешней стенки 16 сопла. В практическом исполнении используются, по меньшей

мере, три первых домкрата 4, расположенных по окружности с угловым шагом 120°. Кроме того, взаимодействие данных домкратов синхронизировано таким образом, что позволяет получать желаемую ориентацию реактивной струи. Так, например, для получения позиции по фиг.3 два не показанных на чертеже первых домкрата 4, расположенных с угловым шагом в 120° относительно показанного первого домкрата 4, толкают вторую жесткую кольцевую обойму 31, в то время как показанный первый домкрат 4 тянет ее.

Кроме ориентации расходящихся створок 21 в соответствии с изобретением можно изменять диаметр критического сечения С. Для этой цели предусмотрены средства ориентации сходящихся створок 20 путем их поворота вокруг шарнирных точек 200. Однако шарнирный поворот сходящихся створок 20 вокруг шарнирных точек 200 связан со смещением расходящихся створок 21. Управляемые створки 20, 21 и средства ориентации расходящихся створок 21 скомпонованы таким образом, что комбинированное смещение сходящихся створок 20 и расходящихся створок 21 удовлетворяет определенной кинематической зависимости, увязывающей диаметр критического сечения С сопла с диаметром выходного сечения S сопла.

Известные средства ориентации сходящихся створок 20 в типовом случае содержат вторые домкраты 5, один из которых показан на фиг.1. Передние относительно направления реактивной струи концы 50 вторых домкратов 5 укреплены на неподвижной части 1, а свободные концы их штоков соединены с кольцом 6. В нейтральной позиции сопла ось симметрии кольца 6 совпадает с продольной осью сопла, обозначенной AL. В кольце 6 расположены ролики 7, каждый из которых следует по кулачковой поверхности 8 на сходящейся створке 20. В практическом исполнении ролики 7 предусмотрены в конструкции управляемых сходящихся створок 20. Перемещение роликов 7 по кулачковым поверхностям 8 вызывает шарнирный поворот сходящихся створок 20 вокруг шарнирных точек 200 их шарнирного крепления к неподвижной части 1, и это изменяет диаметр критического сечения С. В практическом исполнении предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, три вторых домкрата 5 управления сходящимися створками 20 были равномерно разнесены по окружности внешней стенки 16 неподвижной части 1 и расположены в промежутках между первыми домкратами 4.

Далее, как показано на фиг.1 и 5, каждый второй домкрат 5 управления сходящихся створок 20 содержит поперечные тяги 51, расположенные по обеим сторонам от корпуса второго домкрата 5. Тяги 51 шарнирно прикреплены своими передними (относительно направления реактивной струи) концами 510 к корпусу второго домкрата 5, а своими задними концами - к монтажным кронштейнам 52, жестко соединенным с неподвижной частью 1 сопла. Поперечные тяги 51 вместе со вторым домкратом 5 образуют противодействующие повороту средства, которые ограничивают поворот кольца 6 в направлении окружности сопла, перпендикулярной продольной оси AL сопла.

В представленном на фиг.2 примере выполнения эластичное кольцо 3 выполнено непрерывным. В другом варианте выполнения это кольцо может быть разделено на секции. Фиг.6 изображает такое секционное эластичное кольцо, образованное эластичными секциями 3а, которые смонтированы на подвижной опорной обойме 31а. При этом каждая секция содержит участок кольцевой неподвижной обоймы 30а, жестко соединенной с неподвижной частью 1 сопла.

Таким образом, представленное на фиг.1, 3 и 4 сопло содержит сходящуюся и расходящуюся конструкции, образованные сходящимися створками 20 и расходящимися створками 21. В варианте выполнения только одна из частей, а именно сходящаяся или расходящаяся, может быть образована шарнирными створками. В примере выполнения только с поворотными расходящимися створками 21 каждая расходящаяся створка 21 шарнирно соединена на своем первом участке в шарнирной точке 202 с тягой 22 привода, которая присоединена ко второй жесткой кольцевой обойме 31 и также имеет возможность шарнирного поворота, а соответствующий конец расходящейся створки 21 шарнирно соединяется непосредственно с неподвижной частью 1 (в точке, совпадающей с точкой 200 на фиг.1).

Поворотное сопло реактивного двигателя содержит предназначенную для соединения с двигателем неподвижную часть, управляемые створки и средства ориентации створок. Средства ориентации створок содержат эластичное кольцо, первая окружная периферия которого жестко соединена с концом неподвижной части, а вторая окружная периферия связана с управляемыми створками, и средства управления, позволяющие смещать вторую окружную периферию эластичного кольца и содержащие первые домкраты. Первая окружная периферия эластичного кольца образована первой жесткой кольцевой обоймой, служащей для эластичного кольца неподвижной опорой, закрепленной на неподвижной части. Вторая окружная периферия эластичного кольца образована второй жесткой кольцевой обоймой, которая служит для эластичного кольца подвижной опорой, связанной со створками, и к которой прикреплены свободные концы первых домкратов. Управляемые створки установлены на конце неподвижной части и шарнирно прикреплены к панелям или тягам, также закрепленным на второй жесткой кольцевой обойме. Изобретение позволит создать сопло с управляемыми створками, обладающее более простой и дешевой конструкцией. 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Поворотное сопло реактивного двигателя, содержащее неподвижную часть (1), предназначенную для соединения с двигателем, управляемые створки (21) и средства ориентации сворок, отличающееся тем, что средства ориентации створок содержат эластичное кольцо (3), первая окружная периферия которого жестко соединена с концом (11) неподвижной части, а вторая окружная периферия связана с управляемыми створками, и средства управления, позволяющие смещать вторую окружную периферию эластичного кольца и содержащие первые домкраты (4), причем первая окружная периферия эластичного кольца (3) образована первой жесткой кольцевой обоймой (30), служащей для эластичного кольца неподвижной опорой, закрепленной на неподвижной части, тогда как вторая окружная периферия эластичного кольца (3) образована второй жесткой кольцевой обоймой (31), которая служит для эластичного кольца подвижной опорой, связанной со створками и к которой прикреплены свободные концы первых домкратов (4), при этом управляемые створки (21) установлены на конце (11) неподвижной части и шарнирно прикреплены к панелям или тягам, также закрепленным на второй жесткой кольцевой обойме (31).2. Поворотное сопло по п.1, отличающееся тем, что управляемые створки шарнирно прикреплены на своих первых участках к указанным панелям или тягам и на своих вторых участках - к неподвижной части (1).3. Поворотное сопло по п.1, отличающееся тем, что управляемые створки представляют собой управляемые расходящиеся створки (21).4. Поворотное сопло по п.3, отличающееся тем, что сопло дополнительно содержит управляемые сходящиеся створки (20), каждая управляемая расходящаяся створка (21) шарнирно прикреплена на своем первом участке к панели или тяге и на втором участке к управляемой сходящейся створке (20) и управляемые сходящиеся створки (20), кроме того, шарнирно прикреплены к неподвижной части (1), первая окружная периферия является внутренней окружной периферией эластичного кольца (3), а вторая окружная периферия является внешней окружной периферией эластичного кольца.5. Поворотное сопло по п.4, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит средства (5, 6, 7, 8) для ориентации управляемых сходящихся створок.6. Поворотное сопло по п.5, отличающееся тем, что средства ориентации управляемых сходящихся створок содержат вторые домкраты (5), расположенные на окружной периферии неподвижной части (1), кольцо (6), расположенное, по существу, перпендикулярно продольной оси (AL) сопла, причем с указанным кольцом связаны свободные концы указанных вторых домкратов, и ролики (7), которые установлены внутри указанного кольца (6) и каждый из которых следует по кулачковой поверхности (8) на управляемой сходящейся створке (20).7. Поворотное сопло по п.6, отличающееся тем, что дополнительно содержит средства противодействия повороту указанного кольца (6) вокруг продольной оси (AL) сопла.8. Поворотное сопло по п.7, отличающееся тем, что средства противодействия повороту содержат указанные вторые домкраты (5), каждый из которых снабжен поперечными тягами (51), причем каждая тяга шарнирно прикреплена на своем первом конце (510) к корпусу соответствующего второго домкрата и на втором конце к неподвижной части (1).9. Поворотное сопло по любому из пп.4-8, отличающееся тем, что дополнительно содержит ведомые расходящиеся створки и ведомые сходящиеся створки, установленные соответственно в промежутках между управляемыми расходящимися створками и управляемыми сходящимися створками.