ПОВОРОТНОЕ КРУГЛОЕ ОСЕСИММЕТРИЧНОЕ РЕАКТИВНОЕ СОПЛО ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2012 года по МПК F02K1/04 F02K1/78 

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, в частности к реактивным соплам воздушно-реактивных двигателей с изменяемым направлением вектора тяги.

Известно поворотное круглое осесимметричное реактивное сопло с изменяемым вектором тяги в вертикальной и в горизонтальной плоскостях поперечного сечения сопла, содержащее механизм управления дозвуковыми и сверхзвуковыми створками сопла, корпус сопла, состоящий из двух частей, расположенных по потоку - неподвижной и подвижной, с уплотнительными элементами между неподвижной и подвижной частями, поворотное устройство сопла в виде двух подвижных колец - наружного и внутреннего, соединенных между собой, а внутреннего с неподвижной частью корпуса шарнирами, выполненными в виде полуосей в двух диаметрально противоположных точках оси поперечного сечения сопла, управляющие вектором тяги цилиндры, соединенные с поворотным устройством и корпусом сопла с механизмом управления дозвуковыми и сверхзвуковыми створками сопла (см. патент РФ №2309278, МПК⁷ F02K 1/06, 20.01.2006 г.).

Такое сопло позволяет изменять направление вектора тяги во всех направлениях по углу, что обеспечивает высокую маневренность самолета, на котором установлен такой двигатель. Однако передача усилия от газовых сил на створчатые венцы, воспринимаемого наружным подвижным кольцом, по всему периметру, передается на внутреннее подвижное кольцо только в двух точках - шарнирах, расположенных на горизонтальной оси с последующей передачей нагрузки на неподвижный корпус сопла также в двух точках, расположенных на вертикальной оси. Такое нагружение колец приводит к возникновению соответствующих изгибающих моментов, вызывающих концентрацию высоких напряжений в местах соединения их с корпусом и в поперечных сечениях колец. Для обеспечения необходимой прочности и жесткости колец требуется их усиление, что вызывает нежелательное увеличение массы всей конструкции. Кроме того, имеет место и другое обстоятельство. При отклонении вектора тяги в комбинированные положения (между горизонтальным и вертикальным положениями, когда работают все четыре гидроцилиндра поворота сопла) возникает боковая составляющая сила, которая действует на силовые кольца и шарниры. При этом возможны деформации конструкции поворотного устройства, а это, в свою очередь, может привести к перекосам и касанию с затиранием трущихся поверхностей. Чтобы не допустить указанное явление, необходимы конструктивные мероприятия (введение дополнительных подвижных опор). Это усложняет конструкцию, увеличивает массу и габариты в целом.

Задачей изобретения является уменьшение габаритных диаметральных размеров, массы и увеличение надежности при передаче поперечных сил на жесткую часть конструкции сопла.

Указанный технический результат достигается тем, что поворотное круглое осесимметричное реактивное сопло воздушно-реактивного двигателя, содержащее механизм управления дозвуковыми и сверхзвуковыми створками сопла, механизм изменения направления вектора тяги с четырьмя гидроцилиндрами и силовым кольцом, корпус сопла, состоящий из двух частей, расположенных по потоку газа - неподвижной и подвижной, с уплотнительным элементом между ними, причем подвижная часть корпуса сопла включает в себя силовое кольцо, задняя по потоку часть которого соединена с дозвуковыми и сверхзвуковыми створками сопла, а передняя - с четырьмя гидроцилиндрами изменения направления вектора тяги, расположенными двумя диаметральными парами по вертикальной и горизонтальной соответственно осям поперечного сечения корпуса, при этом силовое кольцо в поперечном сечении выполнено пустотелым в виде прямоугольника, в четырех равнорасположенных по окружности местах подсоединения кольца к гидроцилиндрам изменения вектора тяги содержит жестко закрепленные в нем вкладыши с шаровыми шарнирами, в которые входят вилкообразные качалки в виде радиальных пальцев с возможностью радиального и углового перемещения относительно силового кольца, соединенные с другой стороны с подвижными каретками при помощи цилиндрических стержней, кроме этого каретки имеют две пары роликов, перемещающихся в четырех направляющих кронштейнах, закрепленных на неподвижной части корпуса сопла, по дуге, имеющей кривизну, описанную радиусом из точки, являющейся центром поворота подвижной части сопла, фиксация кареток от боковых перемещений осуществлена при помощи другой пары роликов, установленных на радиальных пальцах, расположенных в каретке, с геометрическими осями, проходящими через центр поворота сопла, при этом каждый ролик своей цилиндрической боковой поверхностью контактирует с возможностью качения по торцевым поверхностям сквозной прорези неподвижных кронштейнов.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена принципиальная схема продольного разреза сопла по вертикальной плоскости при положении сопла в исходном неотклоненном положении.

На фиг.2 показана принципиальная схема продольного разреза сопла по вертикальной плоскости в отклоненном положении сопла.

На фиг.3 показан продольный разрез А-А фиг.1 по горизонтальной плоскости в отклоненном положении сопла.

На фиг.4 показан вид на сопло, отклоненное одновременно в вертикальном и горизонтальном положении.

На фиг.5 показан продольный разрез элемента Г фиг.1 размещение каретки в направляющих неподвижного кронштейна и шарнирное соединение каретки с силовым кольцом.

На фиг.6 показан поперечный разрез Б-Б фиг.5 каретки в направляющих неподвижного кронштейна и шарнирного соединения ее с силовым кольцом.

На фиг.7 показан поперечный разрез В-В фиг.5 шарнирного соединения каретки с силовым кольцом при положении сопла, отклоненного в вертикальном и горизонтальном положении, фиг.4.

На фиг.8 показана принципиальная схема поперечного разреза сопла Е-Е фиг.1.

Поворотное круглое осесимметричное реактивное сопло воздушно-реактивного двигателя содержит механизм управления 1 дозвуковыми и сверхзвуковыми створками сопла, корпус сопла, состоящий из двух частей, расположенных по потоку - неподвижной 2 и подвижной 3 с уплотнительными элементами 4 между ними, поворотное устройство сопла в виде силового кольца 6 с поперечным сечением в виде пустотелого прямоугольника на подвижной части корпуса 3. В четырех равнорасположенных по окружности местах к силовому кольцу 6 с передней по потоку стороны шарнирно подсоединены две пары цилиндров 10 и 11, опирающихся через шарниры на кронштейны 14, закрепленные на неподвижной части корпуса сопла 2, причем пара цилиндров 10 расположена в вертикальной плоскости 21, а другая пара цилиндров 11 расположена в горизонтальной плоскости 22. В местах подсоединения силовых цилиндров к силовому кольцу 6 внутри последнего закреплены вкладыши 12 с шаровыми шарнирами. Шарниры вкладышей 12 сочленяются с вилкообразными качалками 13, которые посредством шарнирных стержней 15 устанавливаются в каретках 5. Каждая каретка 5 имеет по две оси 17, по концам которых установлены две пары роликов 16, контактирующих в радиальном направлении с направляющими кронштейна 18. Четыре кронштейна 18 равнорасположены и закреплены на неподвижной части корпуса сопла 2, а форма их направляющих определяется двумя цилиндрами с радиусами R и R₁ из точки О центра поворота подвижной части корпуса сопла 3 относительно неподвижной части корпуса сопла 2. Радиусы R и R₁ располагаются отдельно в вертикальной 21, горизонтальной 22 плоскостях. Направляющие с формой по радиусу R₁ на всем своем цилиндрическом протяжении в серединной зоне имеют вырезы 24, ширина которых соответствует диаметрам роликов 19, установленных по две штуки в каждой каретке 5 на пальцах 20 для обеспечения передачи на неподвижную часть корпуса сопла 2 поперечных усилий, возникающих при отклонениях подвижной части корпуса сопла 3, жестко соединенной с задней по потоку стороной силового кольца 6.

При работе воздушно-реактивного двигателя предлагаемое сопло функционирует следующим образом.

а) Случай, когда вектор тяги направлен вдоль оси двигателя (без отклонения). Пары цилиндров 10 и 11 занимают нейтральное положение, т.е. поршни цилиндров находятся в середине их рабочего хода, а штоки выпущены на одинаковый для всех

4-х цилиндров размер, что обуславливает перпендикулярное по отношению к оси двигателя положение плоскости, в которой размещается силовое кольцо 6. Соответственно, подвижная часть корпуса сопла 3 вместе со створками сопла занимают положение, при котором продольная ось сопла совпадает с осью двигателя. Уплотнительный элемент 4 замыкает газовый тракт с повышенным по отношению к окружающему пространству давлением.

б) Случай, когда вектор тяги отклоняется в вертикальной плоскости 21. В пару цилиндров 10 поступает управляющее давление - в один из них, например верхний, поступает давление в поршневую полость, тогда у нижнего цилиндра давление поступает в штоковую полость. В результате штоки цилиндров 10 начнут синхронное движение в противоположных направлениях, а силовое кольцо 6 вместе с подвижной частью корпуса сопла 3 и створками в контакте с уплотнительным элементом 4 начнут перекашиваться относительно оси двигателя в нашем рассматриваемом варианте (см. фиг.2). При этом места сочленения вкладышей 12 с вилкообразными качалками 13, расположенные в горизонтальной плоскости 22, не изменяя своего пространственного положения, станут простыми шарнирами для перекоса силового кольца 6. Места же сочленения вкладышей 12 с вилкообразными качалками 13, расположенные в вертикальной плоскости 21, вместе со своими каретками 5, напротив, изменят свое пространственное положение (в рассматриваемом варианте, как изображено на фиг.2), не теряя связи с неподвижной частью корпуса сопла 2 благодаря роликам 16 на каретках 5 и направляющих R и R₁ кронштейнов 18. Возникающая поперечная сила передается на неподвижную часть корпуса сопла 2 через ролики 19 кареток 5, оставшихся в покое в горизонтальной плоскости 22 и опирающихся на боковые поверхности вырезов 24 в направляющих кронштейнах 18 с кривизной R₁.

в) Случай, когда вектор тяги отклоняется в горизонтальной плоскости 22. В пару цилиндров 11 поступает управляющее давление - в один из них, например верхний, как на фиг.3, поступает давление в поршневую полость. Тогда у нижнего цилиндра давление поступает в штоковую полость. В результате штоки цилиндров 11 начнут синхронное движение в противоположных направлениях, а силовое кольцо 6 вместе с подвижной частью корпуса сопла 3 и створками в контакте с уплотнительным элементом 4 начнут перекашиваться относительно оси двигателя в нашем рассматриваемом варианте на фиг.3 - вниз. При этом места сочленения вкладышей 12 с вилкообразными качалками 13, расположенные в вертикальной плоскости 21, не изменяя своего пространственного положения, станут простыми шарнирами для перекоса силового кольца 6. Места же сочленения вкладышей 12 с вилкообразными качалками 13, расположенные в горизонтальной плоскости 22, вместе со своими каретками 5, напротив, изменят свое пространственное положение (в рассматриваемом варианте как изображено на фиг.3), не теряя связи с неподвижной частью корпуса сопла 2 благодаря роликам 16 на каретках 5 и направляющих R и R₁ кронштейнов 18. Возникающая поперечная сила передается на неподвижную часть корпуса сопла 2 через ролики 19 кареток 5, оставшихся в покое в вертикальной плоскости 21 и опирающихся на боковые поверхности вырезов 24 в направляющих кронштейнах 18 с кривизной R₁.

г) Случай, когда вектор тяги отклоняется на любой угол из всеракурсного множества вариантов по отношению и к вертикальной 21 и к горизонтальной 22 плоскостям.

На фиг.4 представлен один из вариантов такого множества, а именно, по отношению к горизонтальной плоскости 22 подвижная часть корпуса 3 вместе со створками в контакте с уплотнительным элементом 4 отклонена вниз и одновременно по отношению к вертикальной плоскости 21 отклонение осуществлено в сторону смотрящего.

В этом варианте пары цилиндров 10 и 11 получают командные давления в соответствии со случаями "б" и "в", но одновременно. В результате осуществляется синхронное разнонаправленное движение штоков у каждой пары цилиндров на свой задаваемый размер, а силовое кольцо 6 вместе с подвижной частью корпуса 3 и створками отклоняется сразу и в вертикальной 21, и горизонтальной 22 плоскостях, т.е. занимает комбинированное пространственное положение перекоса по отношению к оси двигателя. При этом места сочленения вкладышей 12 с вилкообразными качалками 13 как в вертикальной 21, так и в горизонтальной 22 плоскостях изменяют свое пространственное положение (у каждой пары зеркально). В отличие от случаев "б" и "в" особенностью изменения пространственного положения мест сочленения является смещение концов качалок 13 на величину "К" положения 23 (см. фиг.7) за счет возможности их поворота относительно шарнирных стержней 15 и в силу несовпадения направлений движения силового кольца 6 (в точках сочленения вкладышей 12 с качалками 13) с ориентацией вырезов 24 в направляющих кронштейнах 18 (строго связанных или с вертикальной 21 или с горизонтальной 22 плоскостями), по которым движутся каретки 5 с качалками 13.

Особенностью передачи возникающих поперечных сил для случая "г" является задействование роликов 19 у всех 4-х кареток сразу, в движении или в покое на время фиксации отклоненного положения подвижной части корпуса 2.

Принципиально важным средством достижения заявленных целей изобретения является использование одного силового поворотного кольца 6 вместе двух у прототипа, что влечет за собой применение 4-х кронштейнов 18 с цилиндрическими направляющими, которые являются конструктивным элементом для центровки поворотного кольца 6 на неподвижной части корпуса 2, (независимо от наличия или отсутствия перекоса кольца относительно оси двигателя), а также являются конструктивным элементом жесткого восприятия поперечных сил, возникающих при отклонениях вектора тяги.

Остальные элементы конструкции предлагаемого изобретения несут логически подчиненную роль для реализации поставленной задачи - осуществлять установку подвижной части сопла с дозвуковыми и сверхзвуковыми створками вдоль оси двигателя или с отклонениями от нее, с применением одного силового кольца, центр которого пересекает ось двигателя в одной постоянной точке независимо от наличия или отсутствия перекоса, и при этом в любом положении иметь опору на неподвижную часть сопла при практическом отсутствии упругих прогибов несущих элементов конструкции.

Поворотное круглое осесимметричное реактивное сопло воздушно-реактивного двигателя содержит механизм управления створками сопла, механизм изменения направления вектора тяги с четырьмя гидроцилиндрами и силовым кольцом, а также корпус сопла, состоящий из неподвижной и подвижной частей. Подвижная часть корпуса сопла включает в себя силовое кольцо, задняя по потоку часть которого соединена с дозвуковыми и сверхзвуковыми створками сопла, а передняя - с гидроцилиндрами изменения направления вектора тяги, расположенными двумя диаметральными парами по вертикальной и горизонтальной осям. Силовое кольцо в поперечном сечении выполнено пустотелым в виде прямоугольника и содержит жестко закрепленные в нем вкладыши с шаровыми шарнирами. Во вкладыши входят вилкообразные качалки в виде радиальных пальцев с возможностью радиального и углового перемещения относительно силового кольца, соединенные с другой стороны с подвижными каретками. Каретки имеют две пары роликов, перемещающихся в четырех направляющих кронштейнах, закрепленных на неподвижной части корпуса сопла, по дуге, имеющей кривизну, описанную радиусом из точки, являющейся центром поворота подвижной части сопла. Фиксация кареток от боковых перемещений осуществлена при помощи другой пары роликов, установленных на радиальных пальцах, расположенных в каретке. Каждый ролик фиксации кареток от боковых перемещений своей цилиндрической боковой поверхностью контактирует с возможностью качения по торцевым поверхностям сквозной прорези неподвижных кронштейнов. Изобретение позволяет повысить надежность поворотного сопла при передаче поперечных сил, возникающих при отклонении вектора тяги. 8 ил.

Поворотное круглое осесимметричное реактивное сопло воздушно-реактивного двигателя, содержащее механизм управления дозвуковыми и сверхзвуковыми створками сопла, механизм изменения направления вектора тяги с четырьмя гидроцилиндрами и силовым кольцом, корпус сопла, состоящий из двух частей, расположенных по потоку газа - неподвижной и подвижной, с уплотнительным элементом между ними, причем подвижная часть корпуса сопла включает в себя силовое кольцо, задняя по потоку часть которого соединена с дозвуковыми и сверхзвуковыми створками сопла, а передняя - с четырьмя гидроцилиндрами изменения направления вектора тяги, расположенными двумя диаметральными парами по вертикальной и горизонтальной соответственно осям поперечного сечения корпуса, при этом силовое кольцо в поперечном сечении выполнено пустотелым в виде прямоугольника, в четырех равнорасположенных по окружности местах подсоединения кольца к гидроцилиндрам изменения вектора тяги содержит жестко закрепленные в нем вкладыши с шаровыми шарнирами, в которые входят вилкообразные качалки в виде радиальных пальцев с возможностью радиального и углового перемещения относительно силового кольца, соединенные с другой стороны с подвижными каретками при помощи цилиндрических стержней, кроме этого, каретки имеют две пары роликов, перемещающихся в четырех направляющих кронштейнах, закрепленных на неподвижной части корпуса сопла, по дуге, имеющей кривизну, описанную радиусом из точки, являющейся центром поворота подвижной части сопла, фиксация кареток от боковых перемещений осуществлена при помощи другой пары роликов, установленных на радиальных пальцах, расположенных в каретке, с геометрическими осями, проходящими через центр поворота сопла, при этом каждый ролик своей цилиндрической боковой поверхностью контактирует с возможностью качения по торцевым поверхностям сквозной прорези неподвижных кронштейнов.