ДВИГАТЕЛЬ И ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В НЕМ УЗЕЛ УПЛОТНИТЕЛЯ, ШНУРОВОЙ УПЛОТНИТЕЛЬ И ОПОРНАЯ ВСТАВКА Российский патент 2006 года по МПК F02K7/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к высокотемпературному уплотнителю подвижного соединения на стыке неподвижных и подвижных деталей прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД) со сверхзвуковым горением.

Уровень техники

Учитывая развитие техники ПВРД со сверхзвуковым горением (scram jet engine), большую важность имеет улучшение эксплуатационных и рабочих характеристик силовой установки. Одним из способов достижения этой цели является введение изменяемой геометрии в конструкцию проточного тракта двигателя. Изменяемая геометрия позволяет в реальном масштабе времени проводить оптимизацию обводов проточного тракта в соответствии с изменяющимися условиями полета. Одним из способов введения в ПВРД изменяемой геометрии является использование подвижной створки (обтекателя) воздухозаборника (cowl inlet flap).

Существует много проблем, которые необходимо преодолеть для установки узлов с изменяемой геометрией внутри ПВРД со сверхзвуковым горением. Создание уплотнения на стыке между неподвижными и подвижными деталями является одной из этих проблем. Сочетание экстремальных температур и разницы давлений на этом стыке сильно затрудняет создание конструкции уплотнителя. Задачей герметизации стыка является необходимость так ограничить вытекание наружу рабочей текучей среды (в данном случае, сжатого воздуха) из проточного тракта двигателя, чтобы не ухудшить рабочие характеристики двигателя или не вызвать термических повреждений окружающих конструкций. Уплотнитель должен решать эту задачу в крайне неблагоприятных условиях температурных воздействий, обеспечивая перемещение створки. Также необходимо учитывать локальные тепловые и механические деформации окружающих конструкций.

Раскрытие изобретения

Соответственно, целью настоящего изобретения является создание усовершенствованной конструкции уплотнителя для использования в ПВРД со сверхзвуковым горением.

Другой целью настоящего изобретения является создание конструкции уплотнителя, которая может быть использована там, где требуется уплотнение, устойчивое к высоким температурам.

Упомянутые цели достигаются конструкцией уплотнителя в соответствии с настоящим изобретением.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается двигатель, содержащий подвижный элемент, имеющий две стороны и полость в каждой из сторон, и узел уплотнителя, прилегающий к каждой из сторон. Каждый упомянутый узел уплотнителя содержит опорную вставку (support block), плотно посаженную в полости, и уплотнительный элемент, размещенный с опорой на опорную вставку.

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения опорная вставка имеет часть в виде полки, а уплотнительный элемент содержит шнуровой уплотнитель, размещенный на указанной полке. Упомянутый шнуровой уплотнитель имеет форму головастика, т.е. - в сечении округлое тело с отходящей удлиненной частью, в частности шнуровой уплотнитель имеет средства фиксации его положения, содержащие хвостовик на шнуровом уплотнителе, или шнуровой уплотнитель имеет волоконный сердечник и тканую оплетку, окружающую волоконный сердечник.

Упомянутый подвижный элемент имеет внутреннюю и внешнюю теплообменные панели и наружный конструктивный элемент, причем двигатель содержит стенку двигателя и уплотнительный элемент размещен зажатым между внутренней и внешней теплообменными панелями и стенкой двигателя. Опорная вставка размещена выступающей за края внутренней и внешней теплообменных панелей.

Опорная вставка выполнена из термостойкого изолирующего материала с возможностью термоизоляции наружного конструктивного элемента упомянутого подвижного элемента.

Двигатель предпочтительно представляет собой прямоточный воздушно-реактивный двигатель со сверхзвуковым горением, а подвижный элемент представляет собой подвижную створку воздухозаборника.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается также узел уплотнителя для использования в двигателе, имеющем с подвижный элемент и наружный конструктивный элемент. Узел содержит уплотнительный элемент и средства тепловой изоляции наружного конструктивного элемента и опоры уплотнительнего элемента.

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения уплотнительный элемент содержит шнуровой уплотнитель, размещенный вокруг упомянутых средств тепловой изоляции и опоры и имеющий хвостовик, расположенный с возможностью фиксации положения шнурового уплотнителя. Шнуровой уплотнитель имеет волоконный сердечник и материал оплетки, окружающий волоконный сердечник, причем хвостовик выполнен из материала оплетки.

Упомянутые средства тепловой изоляции и опоры содержат опорную вставку, выполненную из теплостойкого изолирующего материала. Упомянутый наружный конструктивный элемент имеет полость, а опорная вставка выполнена по размерам с возможностью плотного введения в указанную полость. Опорная вставка имеет полку, на которую опирается уплотнительный элемент.

Далее в соответствии с настоящим изобретением предлагается шнуровой уплотнитель для использования в узле уплотнителя, имеющий сердечник и средства фиксации уплотнителя в требуемом положении, скрепленные с указанным сердечником.

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения упомянутые средства фиксации содержат хвостовик, соединенный с сердечником, который имеет волоконную сердцевину и наружный слой, образованный материалом оплетки, при этом хвостовик выполнен из материала оплетки. Шнуровой уплотнитель имеет конструкцию с сечением упомянутой формы головастика (округлое тело с отходящей удлиненной частью).

В соответствии с настоящим изобретением также предлагается опорная вставка для шнурового уплотнителя, предназначенная для использования в узле уплотнителя, выполненная из теплостойкого изолирующего материала и имеющая полку, представляющую собой опору шнурового уплотнителя.

Другие детали конструкции высокотемпературного уплотнителя подвижного соединения для ПВРД с изменяемой геометрией, так же как и другие свойственные ему цели и преимущества, описаны в приведенном ниже подробном описании и приложенных чертежах, в которых одинаковые цифровые обозначения относятся к одним и тем же элементам.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 представлено аксонометрическое изображение ПВРД с подвижной створкой воздухозаборника.

На Фиг.2 показана в разобранном виде створка воздухозаборника и узел уплотнителя в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг.3 представлен вид сечения узла уплотнителя в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг.4 представлен вид поперечного сечения элемента шнурового уплотнителя, используемого в узле уплотнителя в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг.5 представлен вид сечения створки, содержащей узел уплотнителя в соответствии с настоящим изобретением.

Осуществление изобретения

Как показано на Фиг.1, ПВРД 10 имеет подвижную створку 12 (обтекателя) воздухозаборника (далее - подвижная створка 12). Узел уплотнителя в соответствии с настоящим изобретением предназначен для предотвращения утечки газа на стыке 14 между подвижной створкой 12 и неподвижной частью конструкции двигателя.

Как показано на Фиг.2, у подвижной створки 12 имеется с каждой из сторон 18 и 20 узел 16 уплотнителя. Каждый узел 16 уплотнителя включает опорную вставку (закладную деталь) 22 уплотнителя и шнуровой уплотнитель 24. В предпочтительном варианте выполнения шнуровой уплотнитель 24 имеет конструкцию с сечением в форме головастика (как показано на Фиг.4, округлое тело с отходящей удлиненной частью в виде хвоста) и может формоваться из термостойкого материала, например ткани NEXTEL. Наружный конструктивный элемент створки, или стрингер 26, имеет сбоку полость 28. В боковую полость 28 вставляется опорная вставка 22 уплотнителя. Для удержания вставки 22 при монтаже створки и в процессе транспортировки и хранения используются два резьбовых крепежных элемента (не показаны). Шнуровой уплотнитель 24 проходит вдоль бокового периметра створки 12 и удерживается хвостовиком 30 шнурового уплотнителя 24 (см. Фиг.5).

Опорная вставка 22 может быть выполнена из устойчивого к воздействию высоких температур изолирующего материала, например композиционного материала на керамической основе, либо монолитного керамического материала. Композиционный материал на керамической основе может представлять собой композиционный материал с волокнами NEXTEL в алюмосиликатной основе. В качестве монолитного керамического материала может использоваться диоксид циркония. Монолитный керамический материал может быть полностью сплошным либо частично сплошным. Опорная вставка 22 выполняет две основные функции. Во-первых, она помогает закреплять и поддерживать шнуровой уплотнитель 24. Во-вторых, она выполняет функцию теплового изолятора для наружного стрингера 26 створки. Последнее важно для предотвращения ухудшения конструктивной целостности силовой конструкции створки из-за теплового повреждения.

В предпочтительном варианте выполнения шнуровой уплотнитель 24 конструктивно выполнен в виде кольца и установлен по краю опорной вставки 22, охватывая носок 33 опорной вставки и поворотный рычаг 34 створки 12. Когда створка 12 устанавливается на двигатель, шнуровой уплотнитель 24 сжимается между внутренней и внешней теплообменными панелями 36 и 38 соответственно и боковой стенкой 40 двигателя до, приблизительно, 80% своего номинального диаметра. Шнуровой уплотнитель 24 предотвращает утечку текучей среды наружу или внутрь из проточного тракта двигателя.

На Фиг.3 узел 16 уплотнителя показан установленным в створку 12. Кроме того, створка 12 показана установленной рядом с боковой стенкой 40 двигателя. Видно, как опорная вставка 22 уплотнителя вставлена в полость 28 наружного стрингера 26. Шнуровой уплотнитель 24 зажат между внутренней теплообменной панелью 36 и внешней теплообменной панелью 38 и боковой стенкой 40 двигателя. На этом чертеже видно, что все, что просачивается мимо шнурового уплотнителя 24, остается между активно охлаждаемой боковой стенкой 40 двигателя и опорной вставкой 22 уплотнителя. Таким образом этот узел эффективно изолирует наружный стрингер 26 от любых горячих газов, просачивающихся мимо шнурового уплотнителя 24.

Как показано на Фиг.3, опорная вставка 22 выступает за кромку теплообменных панелей 36 и 38, благодаря чему создается опора для шнурового уплотнителя 24 в виде полки 50, на которой может лежать шнуровой уплотнитель 24. Этот выступ также помогает свести к минимуму зазор между наружным краем теплообменных панелей 36 и 38 створки и боковой стенкой 40 двигателя, тем самым сокращая размер пути просачивания. В предпочтительном варианте выполнения опорная вставка 22 делается заменяемой на случай, если она войдет в соприкосновение с боковой стенкой 40 двигателя во время работы двигателя.

Кольцевая конструкция шнурового уплотнителя 24 решает две задачи. Во-первых, в ней обеспечивается более эффективная конфигурация двойного уплотнения. Во-вторых, в этой конструкции обеспечивается фиксация положения шнурового уплотнителя 24 во время работы.

Как видно на Фиг.4, сходство с "головастиком" шнурового уплотнителя 24 обусловлено формой его поперечного сечения. В предпочтительном варианте выполнения шнуровой уплотнитель 24 состоит из немонолитного волоконного сердечника 52 с тканой оплеткой 54, с которой сплетена дополнительная полоса, образующая хвостовик 30. Хвостовик 30 используется в качестве фиксирующего элемента. В частности, в зажатом состоянии хвостовик не позволяет шнуровому уплотнителю 24 под действием фрикционных нагрузок сместиться из занимаемого им положения при приведении в действие створки 12.

В предпочтительном варианте выполнения сердечник 52 шнурового уплотнителя 24 выполнен из материала NEXTEL благодаря его стойкости к высоким температурам. Оплетка 54 и хвостовик 30 могут быть выполнены из ткани NEXTEL или ткани, сделанной из металлической проволоки, например проволочной ткани HAYNES 188. Поскольку оплетка 54 оказывает сопротивление скольжению створки 12 по металлическим боковым стенкам двигателя, материал, из которого выполнена оплетка 54, должен обладать хорошей устойчивостью на истирание.

На Фиг.5 показано, как опорная вставка образует опору для уплотнителя, а шнуровой уплотнитель 24 притянут к стенке. На этом чертеже демонстрируется посадка шнурового уплотнителя 24 вокруг опорной вставки 22 и то, как после установки на створку 12 хвостовик 30 оказывается зажатым между опорной вставкой 22 и теплообменными панелями 36 и 38.

Как видно из приведенного выше описания, опорная вставка 22 уплотнителя служит (1) для поддержания и фиксации шнурового уплотнителя 24, (2) для тепловой защиты неохлаждаемых элементов конструкции, (3) для уменьшения эффективного зазора, через который происходит утечка и (4) в качестве заменяемой части на случай случайного соприкосновения с конструкцией проточного тракта двигателя.

Несмотря на то, что узел уплотнителя в соответствии с настоящим изобретением был описан применительно к использованию в ПВРД, он также может быть использован в двигателях других типов, где требуется уплотнение, выдерживающее высокие температуры.

Очевидно, что в соответствии с настоящим изобретением предложено высокотемпературное уплотнение подвижного соединения для ПВРД со сверхзвуковым горением с переменной геометрией, которое полностью соответствует целям, средствам и преимуществам, изложенным выше. Несмотря на то, что настоящее изобретение описано применительно к определенному варианту его выполнения, для специалиста станут очевидными другие альтернативы, модификации и видоизменения после прочтения вышеприведенного описания. Соответственно, подразумевается, что изобретение охватывает все те альтернативы, модификации и видоизменения, которые попадают в широкую область притязаний прилагаемой формулы изобретения.

Прямоточный воздушно-реактивный двигатель со сверхзвуковым горением содержит подвижный элемент, имеющий две стороны, полость в каждой из упомянутых сторон и узел уплотнителя, прилегающий к каждой из сторон. Каждый узел уплотнителя содержит опорную вставку, плотно посаженную в упомянутой полости, и уплотнительный элемент, размещенный с опорой на опорную вставку. Узел уплотнителя имеет подвижный элемент и наружный конструктивный элемент, уплотнительный элемент и средства тепловой изоляции наружного конструктивного элемента и опоры уплотнительного элемента. В качестве уплотнительного элемента используется шнуровой уплотнитель, конструкция которого имеет форму головастика, имеющий сердечник и средства его фиксации в требуемом положении, скрепленные с указанным сердечником. Опорная вставка выполнена из теплостойкого изолирующего материала и имеет полку, представляющую собой опору упомянутого шнурового уплотнителя. Изобретение позволяет создать уплотнитель, устойчивый к высоким температурам. 4 н. и 21 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Двигатель, содержащий подвижный элемент, имеющий две стороны и полость в каждой из упомянутых сторон, и узел уплотнителя, прилегающий к каждой из упомянутых сторон, отличающийся тем, что каждый упомянутый узел уплотнителя содержит опорную вставку, плотно посаженную в упомянутой полости, и уплотнительный элемент, размещенный с опорой на упомянутую опорную вставку.2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что упомянутая опорная вставка имеет часть в виде полки, а упомянутый уплотнительный элемент содержит шнуровой уплотнитель, размещенный на указанной полке.3. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что упомянутый шнуровой уплотнитель имеет в сечении округлое тело с отходящей удлиненной частью.4. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что упомянутый шнуровой уплотнитель имеет средства фиксации его положения.5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что упомянутые средства фиксации содержат хвостовик на упомянутом шнуровом уплотнителе.6. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что упомянутый шнуровой уплотнитель имеет волоконный сердечник и тканую оплетку, окружающую упомянутый волоконный сердечник.7. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что упомянутый подвижный элемент имеет внутреннюю и внешнюю теплообменные панели и наружный конструктивный элемент.8. Двигатель по п.7, отличающийся тем, что он содержит стенку двигателя и упомянутый уплотнительный элемент размещен зажатым между упомянутыми внутренней и внешней теплообменными панелями и стенкой двигателя.9. Двигатель по п.7, отличающийся тем, что упомянутая опорная вставка размещена выступающей за края упомянутых внутренней и внешней теплообменных панелей.10. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что упомянутая опорная вставка выполнена из термостойкого изолирующего материала с возможностью термоизоляции наружного конструктивного элемента упомянутого подвижного элемента.11. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он представляет собой прямоточный воздушно-реактивный двигатель со сверхзвуковым горением, а упомянутый подвижный элемент представляет собой подвижную створку воздухозаборника.12. Узел уплотнителя для использования в двигателе, имеющем подвижный элемент и наружный конструктивный элемент, отличающийся тем, что он содержит уплотнительный элемент и средства тепловой изоляции наружного конструктивного элемента и опоры уплотнительнего элемента.13. Узел по п.12, отличающийся тем, что упомянутый уплотнительный элемент содержит шнуровой уплотнитель, размещенный вокруг упомянутых средств тепловой изоляции и опоры.14. Узел по п.13, отличающийся тем, что упомянутый шнуровой уплотнитель имеет хвостовик, расположенный с возможностью фиксации положения шнурового уплотнителя.15. Узел по п.14, отличающийся тем, что упомянутый шнуровой уплотнитель имеет волоконный сердечник и материал оплетки, окружающий волоконный сердечник.16. Узел по п.15, отличающийся тем, что упомянутый хвостовик выполнен из материала упомянутой оплетки.17. Узел по п.12, отличающийся тем, что упомянутые средства тепловой изоляции и опоры содержат опорную вставку, выполненную из теплостойкого изолирующего материала.18. Узел по п.17, отличающийся тем, что упомянутый наружный конструктивный элемент имеет полость, а упомянутая опорная вставка выполнена по размерам с возможностью плотного введения в указанную полость.19. Узел по п.17, отличающийся тем, что упомянутая опорная вставка имеет полку, на которую опирается упомянутый уплотнительный элемент.20. Шнуровой уплотнитель для использования в узле уплотнителя, отличающийся тем, что он имеет сердечник и средства фиксации уплотнителя в требуемом положении, скрепленные с указанным сердечником.21. Уплотнитель по п.20, отличающийся тем, что упомянутые средства фиксации содержат хвостовик, соединенный с упомянутым сердечником.22. Уплотнитель по п.21, отличающийся тем, что упомянутый сердечник имеет волоконную сердцевину и наружный слой, образованный материалом оплетки.23. Уплотнитель по п.22, отличающийся тем, что упомянутый хвостовик выполнен из упомянутого материала оплетки.24. Уплотнитель по п.20, отличающийся тем, что упомянутый шнуровой уплотнитель имеет в сечении округлое тело с отходящей удлиненной частью.25. Опорная вставка для шнурового уплотнителя, предназначенная для использования в узле уплотнителя, выполненная из теплостойкого изолирующего материала и имеющая полку, представляющую собой опору упомянутого шнурового уплотнителя.