СИСТЕМА СИНХРОНИЗАЦИИ СТВОРОК СОПЛА ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2008 года по МПК F02K1/12 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к конструкции регулируемых осесимметричных сопел, и может быть использовано в турбореактивных двигателях с отклонением вектора тяги.

Турбореактивный двигатель (далее ТРД) - это авиационный двигатель, в котором тяга создается струей газов, вытекающих из реактивного сопла. ТРД применяются на сверхзвуковых самолетах как маршевые двигатели либо как подъемные двигатели на самолетах вертикального взлета и посадки.

Реактивное сопло с отклоняемым вектором тяги предназначено для улучшения тактико-технических характеристик самолета. Отклоняемый вектор тяги позволяет самолету резко изменять направление полета, быстро замедляться, переворачиваться на 360 градусов и совершать другие маневры, недоступные обычному истребителю.

Регулируемое реактивное сопло с отклоняемым вектором тяги - это устройство с изменяемыми, в зависимости от режимов работы двигателя, размерами критического и выходного сечений.

Известно регулируемое сверхзвуковое сопло газотурбинного двигателя, содержащее корпус, шарнирно закрепленные на нем дозвуковые и внешние створки, соединенные со сверхзвуковыми створками, привод створок и механизм синхронизации [1].

Механизм синхронизации выполнен в виде основных и шарнирно связанных с ними дополнительных рычагов, соединенных шарнирно с дозвуковыми створками, при этом каждый дополнительный рычаг одним плечом шарнирно связан с внешней створкой, а другим при помощи телескопической тяги - с корпусом.

Известно также регулируемое сопло воздушно-реактивного двигателя, содержащее створки и систему синхронизации движения створок [2].

Сопло содержит корпус и укрепленные на нем управляющие гидроцилиндры, соединенные через силовое кольцо при помощи тяг с регулируемыми створками, при этом по периметру корпуса установлены два соединенных тягами ряда качалок, образующих замкнутый шарнирный многозвенник, который соединен тягами с силовым кольцом.

Недостатком известных устройств является низкая надежность при широком диапазоне регулирования из-за недостаточно жесткой конструкции механизма синхронизации.

Известен механизм синхронизации створок сопла воздушно-реактивного двигателя, содержащий установленные шарнирно на корпусе силовые рычаги, сочлененные друг с другом в поперечной плоскости сопла кинематическими парами ползун-направляющая, образующими замкнутую синхронизирующую цепь [3].

Недостатком данного устройства является то, что он не приемлем при большом диапазоне изменения диаметра критического сечения.

В данном механизме на каждом силовом рычаге шарнирно установлены по два звена, а именно качалки с осями поворота, расположенные в поперечной плоскости сопла. При этом на одной качалке жестко закреплен ползун, выполненный в виде пальца, а в другой установлена сферическая опора с направляющим отверстием, в которое вставлен палец соседней качалки.

Для обеспечения изменения диаметра критического сечения в большом диапазоне качалки должны быть достаточно длинными, так как угол поворота качалок между собой составит меньше 30°, то есть диапазон изменения невелик.

Следует отметить сложность конструкции, низкую надежность в работе.

Известно также регулируемое осесимметричное сопло турбореактивного двигателя с отклоняемым вектором тяги, содержащее дозвуковые и сверхзвуковые створки, электронно-гидравлическую систему управления створками [4].

В данном устройстве изменение направления вектора тяги двигателя происходит за счет отклонения струи газа, истекающей из сверхзвуковой части сопла при перемещении сверхзвуковых створок в радиальном направлении. При этом сверхзвуковые створки объединены в отдельные блоки. Каждым из блоков управляет отдельная система, независимая от управления другими блоками. С помощью этих систем каждый блок может быть установлен в определенное положение относительно друг друга, которое будет соответствовать любому заданному направлению вектора тяги.

Для обеспечения синхронного перемещения створок в каждом отдельном блоке в радиальном направлении створки связаны между собой системой синхронизации, обеспечивающей равнорасположенность всех створок данного блока относительно оси сопла. Система синхронизации подвижна только в радиальном направлении и закреплена на балках, равных по количеству числу створок. При этом балки одним концом шарнирно закреплены на корпусе форсажной камеры, а другим соединены посредством тяг со створками.

Недостатком известного устройства является то, что при изменении направления струи газа, вытекающей из сопла при повороте сверхзвуковой части сопла, силы, действующие на отдельные дозвуковые створки, значительно отличаются друг от друга, а существующая система синхронизации перемещения створок не обеспечивает постоянного положения центра (оси) критического сечения строго по оси сопла.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому решению является система синхронизации створок сопла воздушно-реактивного двигателя [5].

Данное устройство содержит установленные шарнирно на корпусе силовые рычаги, сочлененные друг с другом в поперечной плоскости сопла кинематическими парами ползун-направляющая, образующими замкнутую синхронизирующую цепь, и шарнирно установленные на рычагах флюгерные сверхзвуковые внешние и внутренние створки.

Недостатком известного устройства является недостаточная жесткость конструкции системы синхронизации.

Технический результат заявляемого решения заключается в создании простой и надежной в работе системы синхронизации створок сопла путем повышения жесткости конструкции, обеспечивающей постоянное положение оси критического сечения сопла, сохранения его круглой формы при отклонении вектора тяги и, как следствие, позволяющей повысить эффективность выполнения маневра летательного аппарата.

Для достижения указанного технического результата в системе синхронизации створок сопла турбореактивного двигателя, преимущественно с отклоняемым вектором тяги, содержащей дозвуковые створки, шарнирно закрепленные на корпусе и кинематически связанные между собой промежуточными элементами с образованием замкнутого многозвенника, согласно предложению на боковых поверхностях каждой створки образованы симметрично расположенные выступы, на концах которых под промежуточные элементы выполнены отверстия, лежащие на одной оси, параллельной оси шарнира створки, при этом плоскость, проходящая через указанные оси, расположена под углом α к плоскости створки, определяющим угол ее отклонения в ту или другую сторону от плоскости, перпендикулярной оси сопла, который, как правило, составляет половину угла β поворота створки относительно ее шарнира, причем промежуточные элементы выполнены в виде V-образных шарниров, состоящих из двух цилиндрических стержней, расположенных под углом γ друг к другу, равным углу между двумя рядом расположенными створками.

Наличие отличительных признаков, а именно выполнение каждой створки с двумя боковыми симметричными выступами, имеющими на конце отверстия под промежуточные элементы, размещение указанных отверстий на одной оси, параллельной оси шарнира створки, причем плоскость, проходящая через указанные оси, расположена под углом α к плоскости створки, определяющим угол ее отклонения в ту или другую сторону от плоскости, перпендикулярной оси сопла, который, как правило, составляет или стремится к величине, равной половине угла β поворота створки относительно ее шарнира, выполнение промежуточных элементов в виде V-образных шарниров, состоящих из двух цилиндрических стержней, расположенных под углом γ друг к другу, равным углу между двумя рядом расположенными створками, свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «новизна».

Как правило, система синхронизации дозвуковых створок сопла ГТД представляет собой совокупность деталей, кинематически связывающих створки между собой с образованием кольцевого многозвенника, воспринимающего поперечную составляющую вектора тяги при его отклонении.

Поскольку при отклонении вектора тяги возникают значительные поперечные силы, вызывающие деформацию сопла, изменение формы критического сечения, то система синхронизации перемещения створок должна обладать достаточной конструктивной жесткостью. Указанные силы действуют в продольной плоскости, создавая повышенную нагрузку на часть створок сопла, воспринимающих поперечную составляющую вектора тяги. В этом случае нагрузка на створки существенно выше, чем для обычных осесимметричных сопел, что и требует увеличения жесткости системы синхронизации створок, обеспечивающей сохранение круглой формы поперечного критического сечения на всех режимах работы двигателя.

В заявляемом техническом решении за счет перераспределения действующих сил конструктивная жесткость системы синхронизации существенно выше, чем в известных устройствах.

На схеме, представленной на фиг.4, показано, как обычно происходит распределение сил, действующих на створки сопла при отклонении вектора тяги.

На данной схеме изображены корпус, дозвуковая и сверхзвуковая створки в момент отклонения вектора тяги. При этом возникает поперечная сила F, поворачивающая дозвуковую створку относительно шарнира створки, соединяющего створку с корпусом. Вследствие этого от перемещения дозвуковой створки возникают следующие силы: сила R, действующая на корпус, и сила Р, действующая на систему синхронизации в плоскости, перпендикулярной оси сопла. Недостаточная жесткость корпуса и системы синхронизации в плоскости, перпендикулярной оси сопла, приводит к их деформации и, как следствие, к деформации круглой формы критического сечения, что ухудшает работоспособность двигателя.

При использовании заявляемого технического решения, как видно из схемы, представленной на фиг.5, силы R и Р направлены вдоль оси сопла. Это обеспечивается тем, что створка в заявляемом техническом решении представляет собой двуплечий рычаг Г-образной формы с углом между плечами α.

Указанный угол выбирают из условия: положение плоскости, проходящей через ось отверстий, выполненных на конце плеча (назовем его выступом) створки, и ось шарнира створки должны быть такими, чтобы отклонение ее от плоскости, перпендикулярной оси сопла, составляло угол, равный половине угла поворота створки относительно ее шарнира.

Жесткость корпуса вдоль оси сопла существенно выше, чем в направлении, перпендикулярном оси сопла. Расположение выступов двух соседних створок в непосредственной близости друг от друга и их соединение одним элементом, а именно V-образным шарниром, также позволяют повысить жесткость полученного замкнутого многозвенника. В результате в режиме отклонения вектора тяги деформация критического сечения сопла будет минимальной, определяемой практически только податливостью материала створки.

Из вышесказанного следует, что технический результат предложения достигается новой совокупностью существенных признаков, как вновь введенных, так и известных, следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично показан общий вид заявляемого устройства; на фиг.2 показан разрез А-А, выполненный по оси створки; на фиг.3 изображен вид I с промежуточным элементом системы синхронизации створок; на фиг.4 представлена схема распределения сил, возникающих при отклонении вектора тяги в известных решениях; на фиг.5 представлена схема распределения сил, возникающих при отклонении вектора тяги в заявляемом решении; на фиг.6 изображен фрагмент системы синхронизации.

Следует учесть, что на чертежах для большей ясности представлены только те детали, которые необходимы для понимания существа технического решения, а сопутствующие элементы, хорошо известные специалистам в данной области, на чертежах не представлены.

В приведенном примере конкретного выполнения показано использование заявляемого технического решения в турбореактивном двигателе с отклоняемым вектором тяги.

В двигателе такого типа регулируемое сопло включает шарнирно закрепленные на фланце форсажной камеры ведущие и ведомые дозвуковые створки и соединенные с ними валиками соответственно ведущие и ведомые сверхзвуковые створки. При этом дозвуковую часть сопла составляют двадцать четыре створки (двенадцать ведущих и двенадцать ведомых). Сверхзвуковую часть также составляют двадцать четыре створки (двенадцать ведущих и двенадцать ведомых). Места соединений створок образуют критическое сечение (критический диаметр) сопла.

Заявляемое техническое решение применимо для створок дозвуковой части сопла.

Устройство включает дозвуковые ведущие створки 1, шарнирно закрепленные на корпусе 2 форсажной камеры (фиг.1). Створки 1 связаны между собой промежуточными элементами в замкнутый многозвенник. Каждая створка 1 имеет два симметрично расположенных боковых выступа 3. На конце каждого выступа 3 под промежуточный элемент выполнены отверстия 4, например, в цилиндрической втулке, которой заканчивается выступ 3. Отверстия 4 расположены на одной оси, параллельной оси шарнира 5 створки 1, соединяющего ее с корпусом 2 (фиг.2).

При этом плоскость, проходящая через указанные оси, расположена под углом α (˜120°) к плоскости створки 1, определяющим угол ее отклонения в ту или другую сторону от плоскости, перпендикулярной оси сопла. Указанный угол отклонения, как правило, составляет половину угла β (˜40°) поворота створки 1 относительно ее шарнира 5 (фиг.2).

Промежуточные элементы выполнены в виде V-образных шарниров 6, состоящих из двух цилиндрических стержней 7, расположенных под углом γ=30° (при двенадцати ведущих створках) друг к другу, равным углу между двумя рядом расположенными створками 1 (фиг.3).

Атмосферный воздух, поступающий в ТРД при полете, сжимается в воздухозаборнике и далее в турбокомпрессоре. Сжатый воздух подается в камеру сгорания, в которую впрыскивается жидкое химическое топливо (обычно авиационный керосин). Образовавшиеся при сгорании газы частично расширяются в турбине, вращающей компрессор; окончательное расширение газов происходит в реактивном сопле. Тяга ТРД может быть значительно увеличена (примерно на 30-40%) путем дополнительного сжигания топлива в форсажной камере, расположенной между турбиной и реактивным соплом.

Устройство работает следующим образом.

При изменении режимов работы двигателя изменяется площадь критического сечения реактивного сопла за счет изменения угла наклона дозвуковых створок 1, а также площадь среза сопла за счет изменения угла наклона сверхзвуковых створок 8.

При повороте сверхзвуковой части реактивного сопла от давления газов возникают различные силы, воздействующие на сверхзвуковые створки в определенных пределах от минимальных до максимальных значений. От сверхзвуковых створок 8 действие указанных сил распространяется и на дозвуковые створки 1.

Система синхронизации створок 1 компенсирует возникающую разность сил, обеспечивая круглую форму критического сечения сопла и постоянное положение оси указанного сечения.

При перемещении створки 1 происходит ее поворот вокруг шарнира 5. При этом оси цилиндрических стержней 7 V-образных шарниров 6 перемещаются по цилиндрическим поверхностям отверстий 4, вследствие чего плоскость, в которой расположены стержни 7, постоянно перпендикулярна оси сопла.

Выступы 3 двух рядом расположенных створок 1 незначительно сближаются и удаляются друг от друга, изменяя зазор Б в пределах порядка 1 мм (фиг.3). Таким образом, кинематическая связь между створками 1 обеспечивается путем реализации одновременного вращательного и возвратно-поступательного движения V-образных шарниров 6 внутри отверстий 4 выступов 3.

При отклонении вектора тяги поперечная сила F, действующая на часть створок 1, не вызывает деформации диаметра критического сечения сопла, так как данные створки 1 удерживаются от поворота вокруг своих шарниров 5 рядом расположенными створками 1 с помощью V-образных шарниров 6.

При этом силы, вызывающие деформацию всей конструкции, направлены преимущественно вдоль оси сопла, то есть в направлении ее максимальной жесткости.

Из вышесказанного следует, что изготовление данного устройства промышленным способом не вызывает затруднений, предполагает использование освоенных материалов и стандартного оборудования, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «промышленная применимость».

Изобретение повышает надежность работы двигателя.

Источники информации

1. Авторское свидетельство SU №1009150, F02K 1/12, 1996.

2. Авторское свидетельство SU №377053, F02K 1/12, 2005.

3. Патент RU №758810, F02K 1/12, 1994.

4. Свидетельство на полезную модель RU №6414, F02K 1/12, 1998.

5. Патент FR №2145362, F02K 1/12, F02K 1/00, 1973.

Система синхронизации створок сопла турбореактивного двигателя с отклоняемым вектором тяги содержит дозвуковые створки. Створки шарнирно закреплены на корпусе и кинематически связаны между собой промежуточными элементами с образованием замкнутого многозвенника. На боковых поверхностях каждой створки образованы симметрично расположенные выступы, на концах которых под промежуточные элементы выполнены отверстия, лежащие на одной оси, параллельной оси шарнира створки. Плоскость, проходящая через указанные оси, расположена под углом α к плоскости створки, определяющим угол ее отклонения в ту или другую сторону от плоскости, перпендикулярной оси сопла, который составляет половину угла β поворота створки относительно ее шарнира. Промежуточные элементы выполнены в виде V-образных шарниров, состоящих из двух цилиндрических стержней, расположенных под углом γ друг к другу, равным углу между двумя рядом расположенными створками. Изобретение позволяет повысить жесткость конструкции и сохранить круглую форму критического сечения сопла при отклонении вектора тяги. 6 ил.

Система синхронизации створок сопла турбореактивного двигателя, преимущественно с отклоняемым вектором тяги, содержащая дозвуковые створки, шарнирно закрепленные на корпусе и кинематически связанные между собой промежуточными элементами с образованием замкнутого многозвенника, отличающаяся тем, что на боковых поверхностях каждой створки образованы симметрично расположенные выступы, на концах которых под промежуточные элементы выполнены отверстия, лежащие на одной оси, параллельной оси шарнира створки, при этом плоскость, проходящая через указанные оси, расположена под углом α к плоскости створки, определяющим угол ее отклонения в ту или другую сторону от плоскости, перпендикулярной оси сопла, который, как правило, составляет половину угла β поворота створки относительно ее шарнира, причем промежуточные элементы выполнены в виде V-образных шарниров, состоящих из двух цилиндрических стержней, расположенных под углом γ друг к другу, равным углу между двумя рядом расположенными створками.