Регулируемое сопло турбореактивного двигателя Российский патент 2022 года по МПК F02K1/12 

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, а именно к конструкции регулируемых сопел турбореактивных двигателей.

В качестве наиболее близкого аналога выбрано регулируемое сопло турбореактивного двигателя, содержащее последовательно установленные корпус, имеющий в выходном сечении прямоугольную форму, дозвуковые створки и сверхзвуковые створки, шарнирно соединенные с дозвуковыми створками, а также боковые стенки, жестко соединенные с корпусом (патент RU 2674232, 05.12.2018 г.).

Недостатком прототипа является значительные габаритные размеры, особенно в поперечном горизонтальном направлении, и недостаточная жесткость элементов конструкции, деформация которых приводит к дополнительным газодинамическим потерям при внешнем обтекании воздуха и протекании газа внутри проточной части регулируемого сопла. Результатом этого являются ощутимые потери эффективной тяги газотурбинного двигателя.

Техническим результатом, достигаемым заявленным устройством, является снижение потерь при протекании газа внутри проточной части и внешнем обтекании регулируемого сопла за счет увеличения жесткости элементов его конструкции и снижения габаритных размеров с сохранением параметров его регулирования, что увеличивает его КПД и газотурбинного двигателя в целом.

Указанный технический результат достигается тем, что известное регулируемое сопло турбореактивного двигателя, включающее корпус, имеющий в выходном сечении прямоугольную форму, боковые стенки, закрепленные на корпусе, дозвуковые створки, сверхзвуковые створки, шарнирно закрепленные на дозвуковых, образующие проточную часть с управляемыми критическим и выходным сечениями, систему управления створками, соединенную с дозвуковыми створками и сверхзвуковыми створками посредством механизмов управления согласно предложенному изобретению сопло снабжено шестью траверсами, закрепленными на корпусе по три в верхней и нижней его части, двумя горизонтальными силовыми балками и четырьмя соединительными устройствами, корпус включает в себя выходной фланец прямоугольной формы, причем каждая траверса содержит передний фланец, донышко, стенки с полками и два задних дугообразных выступа, причем передний фланец закреплен на корпусе с возможностью перемещения вдоль сопла, а задняя часть каждой траверсы соединена с корпусом посредством соответствующей горизонтальной силовой балки, последние закреплены на соответствующих горизонтальных участках выходного фланца, при этом механизмы управления установлены на траверсах и шарнирно соединены с последними, каждое из соединительных устройств жестко закреплено на корпусе между траверсами и шарнирно соединено с последними, система управления створками содержит гидроцилиндры, шарнирно закрепленные по одному на каждой траверсе и соединительном устройстве, а в каждой траверсе выполнен поперечный паз, охватывающий горизонтальную силовую балку с передней стороны, со стороны корпуса и задней стороны, при этом каждая траверса содержит последовательно расположенные от переднего фланца проушины, по одной проушине на каждой стенке для соединения с соответствующими соединительными устройствами, две проушины для крепления гидроцилиндра системы управления, расположенные между стенок, последовательно выполненные на стенках ближе к поперечному пазу две пары проушин для соединения с механизмами управления и по одной проушине для соединения с механизмами управления на краю каждого дугообразного выступа, причем поперечный паз расположен перед дугообразными выступами, а донышко выполнено только в области поперечного паза, включая область двух пар проушин, и между дугообразными выступами, кроме того крепление траверсы к горизонтальной силовой балке выполнено посредством фланцевых соединений по передней и задней части поперечного паза, притом, по меньшей мере, две траверсы выполнены с возможностью контакта с корпусом, помимо мест их крепления к корпусу.

В местах возможного контакта с корпусом на траверсах закреплены подпятники.

Общеизвестно, что под действием эксплуатационных нагрузок происходит деформирование элементов регулируемых сопел, в большей степени сопел с плоскими участками, ограничивающими проточную часть. Наиболее значимыми в плане деформаций являются изгибные деформации элементов конструкции, вызванные повышенной температурой и давлением газа внутри проточной части. Накопленная деформация элементов конструкции может составлять десятки миллиметров и приводить к значительному изменению условий внешнего обтекания регулируемого сопла, протекания газа в проточной части и истекания из нее. Минимизация данной деформации элементов сопел является одной из приоритетных задач.

Также одной из приоритетных задач является обеспечение возможности регулирования критического и выходного сечений сопла, а также отклонением вектора тяги, при минимизации увеличения внешних габаритов регулируемого сопла. Тем более этот вопрос становится актуальным в случае наличия в выходной части регулируемого сопла значительных плоских участков, так как его элементы, ограничивающие эти участки, испытывают значительное воздействие от давления газа внутри них и значительные температурные нагрузки, что требует более значительных усилий со стороны системы управления для их отклонения и удержания в требуемом положении. Это требует создания специальных механизмов вокруг данных элементов и размещения их определенным образом вокруг проточной части.

Снабжение регулируемого сопла шестью траверсами, закрепленными на корпусе по три в верхней и нижней его части, двумя горизонтальными силовыми балками и четырьмя соединительными устройствами, и снабжение корпуса выходным фланцем прямоугольного поперечного сечения, позволяет увеличить изгибную жесткость корпуса за счет установки на нем траверс и выходного фланца, в том числе за счет возможности установки на последнем горизонтальных силовых балок, снижая деформации элементов регулируемого сопла от эксплуатационных нагрузок. Также это позволяет разместить элементы системы управления и механизмы управления на корпусе в верхней и нижней его части, что снижает поперечный горизонтальный габаритный размер сопла с сохранением параметров его регулирования. Это снижает сопротивление внешнему обтеканию и лучше сохраняет требуемую форму проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.

Снабжение каждой траверсы передним фланцем, донышком, стенками с полками и двумя задними дугообразными выступами, причем передний фланец закреплен на корпусе с возможностью перемещения вдоль сопла, а также соединение задней части каждой траверсы с корпусом посредством соответствующей горизонтальной силовой балки, позволяет увеличить изгибную жесткость корпуса с реализацией температурной развязки траверс вдоль корпуса и разместить элементы системы управления и механизмов управления в верхней и нижней частях корпуса, что снижает поперечный горизонтальный габаритный размер сопла с сохранением параметров его регулирования. Это снижает сопротивление внешнему обтеканию и лучше сохраняет требуемую форму проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.

Закрепление горизонтальных силовых балок на соответствующих горизонтальных участках выходного фланца позволяет увеличить изгибную жесткость последнего, что лучше сохраняет требуемую форму проточной части и увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.

Размещение механизмов управления створками в верхней и нижней части регулируемого сопла с шарнирным закреплением их на траверсах позволяет снизить поперечный горизонтальный габаритный размер сопла с сохранением параметров его регулирования и лучше сохраняет требуемую форму проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.

Жесткое закрепление каждого из соединительных устройств на корпусе между траверсами и шарнирное соединение с последними, а также шарнирное закрепление по одному на каждой траверсе и соединительном устройстве гидроцилиндров системы управления, позволяет более равномерно передавать на корпус нагрузки с элементов системы управления и механизмов управления посредством траверс и соединительных устройств, снижая локальные прогибы корпуса, что сохраняет требуемую форму проточной части и увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.

Выполнение в каждой траверсе поперечного паза, охватывающего горизонтальную силовую балку с передней стороны, со стороны корпуса и задней стороны позволяет обеспечить жесткое соединение траверсы с горизонтальной силовой балкой с минимизацией вертикального габаритного размера сопла, что лучше сохраняет требуемую форму проточной части и увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.

Выполнение на каждой траверсе последовательно расположенных от переднего фланца проушин, по одной проушине на каждой стенке для соединения с соответствующими соединительными устройствами, две проушины для крепления гидроцилиндра системы управления, расположенные между стенок, последовательно выполненные на стенках ближе к поперечному пазу две пары проушин для соединения с механизмами управления и по одной проушине для соединения с механизмами управления на краю каждого дугообразного выступа, а также расположение поперечного паза перед дугообразными выступами, а также выполнение донышка только в области поперечного паза, включая область двух пар проушин, и между дугообразными выступами, позволяет разместить элементы системы управления и механизмов управления в верхней и нижней частях регулируемого сопла с обеспечением требуемых жесткости и параметров регулирования критическим и выходным сечениями, а также вектором тяги, что сохраняет требуемую форму проточной части и увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.

Выполнение крепления каждой траверсы к горизонтальной силовой балке посредством фланцевых соединений по передней и задней части поперечного паза позволяет увеличить жесткость каждой системы корпус-выходной фланец-горизонтальная силовая балка-траверса, что лучше сохраняет требуемую форму проточной части и увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.

Выполнение, по меньшей мере, двух траверс с возможностью контакта с корпусом, помимо мест их крепления к корпусу, позволяет снизить поперечные деформации корпуса в работе, что лучше сохраняет требуемую форму проточной части и увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.

Кроме того, закрепление в местах возможного контакта с корпусом на траверсах подпятников позволяет увеличить площадь контакта, чем снижаются локальные деформации корпуса в местах контакта, что лучше сохраняет требуемую форму проточной части и увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.

Сущность настоящего изобретения поясняется фигурами чертежей.

На фигуре 1 изображен продольный разрез вертикальной плоскостью нижней части регулируемого сопла турбореактивного двигателя.

На фигуре 2 подробнее показана траверса.

На фигуре 3 подробнее показано в изометрии место соединения траверсы с горизонтальной силовой балкой.

На фигуре 4 подробнее показано расположение соединительных устройств на корпусе.

Регулируемое реактивное сопло турбореактивного двигателя, содержит последовательно установленные корпус 1, содержащий выходной фланец 2 прямоугольной формы, жестко закрепленные на вертикальных участках фланца 2 по торцам две боковые стенки 3, две дозвуковые створки 4 и две сверхзвуковые створки 5, причем каждая из дозвуковых створок 4 соединена с боковыми стенками 3 посредством шарнирных соединений, дозвуковые створки 4 в свою очередь попарно соединены со сверхзвуковыми створками 5 посредством шарнирных соединений. Дозвуковые створки 4 и сверхзвуковые створки 5 соединены с механизмами управления 6 и могут проворачиваться под их действием (фиг. 1), регулируя тем самым площадь критического и выходного сечений, а также отклонение вектора тяги. Регулируемое сопло включает систему управления с гидроцилиндрами 7, систему коммуникаций и агрегаты управления, обеспечивающие посредством механизмов управления 6 возможность отклонения дозвуковых створок 4 и сверхзвуковых створок 5. А также включает поровну установленные в верхней и нижней его частях шесть траверс 8, расположенных вдоль корпуса 1, и четыре соединительных устройства 9, каждое из которых жестко закреплено на корпусе 1 между траверс 8 и шарнирно соединено с последними (фиг. 4). Это позволяет более равномерно передавать на корпус 1 нагрузки с гидроцилиндров 7 и механизмов управления 6. Регулируемое сопло также снабжено двумя горизонтальными силовыми балками 10, каждая из которых содержит прямолинейный участок с проушинами 11, посредством которых крепится к выходному фланцу 2 на его прямолинейных участках с внешней стороны (фиг. 3). При этом на каждой траверсе 8 выполнены передний фланец 12, донышко 13, стенки 14 с полками 15 и два задних дугообразных выступа 16, а также поперечный паз 17. Передний фланец 12 закреплен на корпусе 1 с возможностью перемещения вдоль условной оси сопла, а задняя часть каждой траверсы 8 соединена с соответствующей горизонтальной силовой балкой 10 посредством фланцев 18. Таким образом осуществляется температурная развязка между корпусом 1 и траверсами 8, что необходимо для компенсации их относительных перемещений и снижению возникающих нагрузок в местах их соединений. Горизонтальная силовая балка 10 установлена в поперечных пазах 17. В частном случае реализации каждая траверса содержит последовательно расположенные от переднего фланца 12 проушины: по одной проушине 19 на каждой стенке 14 для соединения с соответствующими соединительными устройствами 9, две проушины 20 для крепления гидроцилиндра 7 системы управления, расположенные между стенок 14, последовательно выполненные на стенках ближе к поперечному пазу 17 две пары проушин 21 для соединения с механизмами управления 6 и по одной проушине 21 на краю каждого дугообразного выступа 16 (фиг. 2). Траверсы 8 выполнены с возможностью контакта в работе с корпусом 1, помимо места соединения по переднему фланцу 12. В частном случае реализации на каждой траверсе 8 в местах возможного контакта при помощи сварки закреплены подпятники 22. Также на траверсах 8 установлены и шарнирно закреплены элементы механизмов управления 6 посредством проушин 21. И траверсы 8, и механизмы управления 6 поровну расположены в верхней и нижней части регулируемого сопла. Причем система управления позволяет осуществлять независимое управление створками 4, 5, расположенных в верхней и нижней части регулируемого сопла.

Сборка регулируемого сопла проверена на электронном макете, часть которого представлена на фиг. 2, 3, 4.

Устройство работает следующим образом.

В процессе работы турбореактивного двигателя изменяются площади критического и выходного сечений сопла, а также направление вектора тяги, за счет поворота дозвуковых створок 4 относительно боковых стенок 3 и изменения положения сверхзвуковых створок 5 под действием механизмов управления 6. При этом нагрузки от давления в проточной части от створок 4, 5 передаются на механизмы управления, а далее на корпус 1 посредством траверс 8, которые более равномерно их распределяют по корпусу 1, способствуя тем самым снижению его деформации, в том числе и выходного фланца 2, излишние деформации которого ограничивают горизонтальные силовые балки 9. Деформациям подвергаются не только описанные выше, но и остальные элементы регулируемого сопла, в том числе как образующие проточную часть, так и элементы внешнего обвода. Конструктивно данные деформации минимизируются.

Такое выполнение конструкции позволяет уменьшить ее габариты и увеличить жесткость за счет оригинальности расположения и соединения ее элементов, снизить потери при внешнем обтекании и внутри проточной части с сохранением параметров регулирования сопла, что увеличивает его КПД и газотурбинного двигателя в целом.

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения. Регулируемое сопло турбореактивного двигателя включает корпус, имеющий в выходном сечении прямоугольную форму, боковые стенки, закрепленные на корпусе, дозвуковые створки, сверхзвуковые створки, шарнирно закрепленные на дозвуковых, образующие проточную часть с управляемыми критическим и выходным сечениями, систему управления створками. Сопло снабжено шестью траверсами, закрепленными на корпусе по три в верхней и нижней его части, и четырьмя соединительными устройствами, каждое из которых установлено на корпусе между траверсами. Каждая дозвуковая створка шарнирно соединена с боковыми стенками, при этом механизмы управления включают шесть механизмов дозвуковых створок и четыре механизма сверхзвуковых створок, поровну расположенных в верхней и нижней части регулируемого сопла. Система управления створками включает в себя силовые элементы, закрепленные на корпусе и соединенные с дозвуковыми створками и сверхзвуковыми створками посредством механизмов управления. Силовые элементы представляют собой гидроцилиндры с датчиком обратной связи по одному на каждый механизм управления, соединенные посредством шарниров, систему коммуникаций и агрегаты управления, обеспечивающие независимое управление дозвуковыми и сверхзвуковыми створками в верхней и нижней части регулируемого сопла. Каждое соединительное устройство включает кронштейн, закрепленный на корпусе, рычаг, шарнирно закрепленный на кронштейне, и две тяги, шарнирно соединяющие рычаг с соседними траверсами. Каждый гидроцилиндр механизмов дозвуковых створок закреплен на соответствующей траверсе посредством шарнира, а каждый гидроцилиндр механизмов сверхзвуковых створок закреплен на соответствующем рычаге посредством шарнира, кроме того проушина для крепления гидроцилиндра на рычаге расположена между проушинами для крепления тяг и проушинами для крепления рычага к кронштейну. Изобретение позволяет увеличить КПД газотурбинного двигателя. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Регулируемое сопло турбореактивного двигателя, включающее корпус, имеющий в выходном сечении прямоугольную форму, боковые стенки, закрепленные на корпусе, дозвуковые створки, сверхзвуковые створки, шарнирно закрепленные на дозвуковых, образующие проточную часть с управляемыми критическим и выходным сечениями, систему управления створками, соединенную с дозвуковыми створками и сверхзвуковыми створками посредством механизмов управления, отличающееся тем, что сопло снабжено шестью траверсами, закрепленными на корпусе по три в верхней и нижней его части, двумя горизонтальными силовыми балками и четырьмя соединительными устройствами, корпус включает в себя выходной фланец прямоугольной формы, причем каждая траверса содержит передний фланец, донышко, стенки с полками и два задних дугообразных выступа, причем передний фланец закреплен на корпусе с возможностью перемещения вдоль сопла, а задняя часть каждой траверсы соединена с корпусом посредством соответствующей горизонтальной силовой балки, последние закреплены на соответствующих горизонтальных участках выходного фланца, при этом механизмы управления установлены на траверсах и шарнирно соединены с последними, каждое из соединительных устройств жестко закреплено на корпусе между траверсами и шарнирно соединено с последними, система управления створками содержит гидроцилиндры, шарнирно закрепленные по одному на каждой траверсе и соединительном устройстве, а в каждой траверсе выполнен поперечный паз, охватывающий горизонтальную силовую балку с передней стороны, со стороны корпуса и задней стороны, при этом каждая траверса содержит последовательно расположенные от переднего фланца проушины, по одной проушине на каждой стенке для соединения с соответствующими соединительными устройствами, две проушины для крепления гидроцилиндра системы управления, расположенные между стенок, последовательно выполненные на стенках ближе к поперечному пазу две пары проушин для соединения с механизмами управления и по одной проушине для соединения с механизмами управления на краю каждого дугообразного выступа, причем поперечный паз расположен перед дугообразными выступами, а донышко выполнено только в области поперечного паза, включая область двух пар проушин, и между дугообразными выступами, кроме того крепление траверсы к горизонтальной силовой балке выполнено посредством фланцевых соединений по передней и задней части поперечного паза, притом, по меньшей мере, две траверсы выполнены с возможностью контакта с корпусом, помимо мест их крепления к корпусу.

2. Регулируемое сопло турбореактивного двигателя по п. 1, отличающееся тем, что в местах возможного контакта с корпусом на траверсах закреплены подпятники.