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, 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 (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 в известном регулируемом сопле турбореактивного двигателя, включающем 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 с силовыми элементами, согласно предложенному изобретению 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, силовые элементы системы управления створками закреплены на корпусе и соединены с дозвуковыми створками и сверхзвуковыми створками посредством механизмов управления, при этом силовыми элементами системы управления створками являются гидроцилиндры и пневмоцилиндры, при этом механизмы управления включают шесть механизмов дозвуковых створок и четыре механизма сверхзвуковых створок поровну расположенных в верхней и нижней части регулируемого сопла, притом система управления створками включает в себя четыре гидроцилиндра по одному на каждый механизм управления сверхзвуковыми створками, закрепленных на корпусе посредством соединительных устройств, четыре гидроцилиндра и два пневмоцилиндра, каждый из которых связан с одним механизмом управления дозвуковыми створками и закреплен на корпусе посредством траверс, систему коммуникаций и агрегаты управления, обеспечивающие независимое управление дозвуковыми и сверхзвуковыми створками в верхней и нижней части регулируемого сопла, кроме того каждое соединительное устройство включает кронштейн, закрепленный на корпусе, рычаг, шарнирно закрепленный на кронштейне, и две тяги, шарнирно соединяющие рычаг с соседними траверсами, при этом каждый гидроцилиндр или пневмоцилиндр механизмов дозвуковых створок закреплен на соответствующей траверсе посредством шарнира, а каждый гидроцилиндр механизмов сверхзвуковых створок закреплен на соответствующем рычаге посредством шарнира, кроме того проушина крепления гидроцилиндра на рычаге расположена между проушинами крепления тяг и проушинами крепления рычага к кронштейну, притом каждые гидроцилиндр и пневмоцилиндр имеют датчик обратной связи, а каждый механизм управления соединен с соответствующим гидроцилиндром или пневмоцилиндром посредством шарнира, при этом пневмоцилиндры соединены с центральными механизмами дозвуковых сворок в верхней и нижней части регулируемого сопла.

Каждый из двух пневмоцилиндров, связанных с механизмом управления дозвуковыми створками, размещен между гидроцилиндрами, связанными с механизмами управления дозвуковыми створками.

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 корпуса 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, увеличивает изгибную жесткость корпуса за счет установки на нем траверс, снижая деформации элементов регулируемого сопла от эксплуатационных нагрузок. Также это позволяет разместить силовые 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.

Шарнирное соединение каждой из дозвуковых створок с боковыми стенками позволяет обеспечить возможность размещения механизмов управления и силовых элементов системы управления в верхней и нижней части корпуса, что снижает 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.

Закрепление силовых элементов системы управления створками на корпусе и соединение их с дозвуковыми створками и сверхзвуковыми створками посредством механизмов управления, а также реализация силовых элементов системы управления створками в виде гидроцилиндров и пневмоцилиндров, позволяет обеспечить необходимые параметры регулирования сопла в пределах необходимых значений усилий и перемещений его подвижных элементов для обеспечения требуемых площадей критического и выходного сечений, что увеличивает его КПД и газотурбинного двигателя в целом.

Реализация механизмов управления, как шесть механизмов дозвуковых створок и четыре механизма сверхзвуковых створок поровну расположенных в верхней и нижней части регулируемого сопла позволяет обеспечить возможность размещения механизмов управления и силовых элементов системы управления в верхней и нижней части корпуса, что снижает 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.

Включение в систему управления створками четырех гидроцилиндров по одному на каждый механизм управления сверхзвуковыми створками, закрепленных на корпусе посредством соединительных устройств, четырех гидроцилиндров и двух пневмоцилиндров, каждый из которых связан с одним механизмом управления дозвуковыми створками и закреплен на корпусе посредством траверс, систему коммуникаций и агрегаты управления, обеспечивающие независимое управление дозвуковыми и сверхзвуковыми створками в верхней и нижней части регулируемого сопла, позволяет обеспечить требуемые параметры регулирования его критическим сечением, выходным сечением и отклонением вектора тяги, а также передавать усилия с силовых элементов системы управления на корпус более распределенными. Это обеспечивает требуемую форму проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.

Выполнение каждого соединительного устройства в виде кронштейна, закрепленного на корпусе, рычага, шарнирно закрепленного на кронштейне, и двух тяг, шарнирно соединяющих рычаг с соседними траверсами, при этом закрепление каждого гидроцилиндра или пневмоцилиндра механизмов дозвуковых створок на соответствующей траверсе посредством шарнира, а каждого гидроцилиндра механизмов сверхзвуковых створок на соответствующем рычаге посредством шарнира, позволяет закрепить на корпусе силовые элементы механизмов управления сверхзвуковыми створками при помощи специальных устройств, предназначенных для передачи усилия с соответствующих силовых элементов не только посредством соединительных устройств, но и посредством более жестких траверс, а силовые элементы механизмов управления дозвуковыми створками закрепить на корпусе при помощи непосредственно более жестких траверс. Это позволяет снизить перемещения элементов сопла от эксплуатационных нагрузок и разместить силовые элементы системы управления и механизмов управления в верхней и нижней части сопла, что снижает поперечный горизонтальный габаритный размер сопла с сохранением параметров его регулирования и снижает сопротивление внешнему обтеканию и лучше сохраняет требуемую форму проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.

Расположение проушины крепления гидроцилиндра на рычаге между проушинами крепления тяг и проушинами крепления рычага к кронштейну позволяет более равномерно распределить усилие с силового элемента механизма управления сверхзвуковыми створками между кронштейном и траверсой, что снижает локальный прогиб корпуса в данном месте и лучше сохраняет требуемую форму проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.

Снабжение каждых гидроцилиндра и пневмоцилиндра датчиками обратной связи и соединение каждого механизма управления с соответствующим гидроцилиндром или пневмоцилиндром посредством шарнира позволяет воздействовать на механизмы управления и перемещать или удерживать створки в требуемом положении, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.

Соединение пневмоцилиндров с центральными механизмами дозвуковых сворок в верхней и нижней части регулируемого сопла, а также размещение каждого из двух пневмоцилиндров, связанных с механизмом управления дозвуковыми створками, между гидроцилиндрами, связанными с механизмами управления дозвуковыми створками, позволяет более равномерно воспринимать механизмам управления усилия со створок и передавать их на корпус, что обеспечивает меньшую деформацию проточной части, увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.

Сущность настоящего изобретения поясняется фигурами чертежей.

На фигуре 1 изображен вид сверху на регулируемое сопло турбореактивного двигателя.

На фигуре 2 подробнее показаны траверсы и соединительные механизмы в верхней части регулируемого сопла в местах соединения с силовыми элементами системы управления.

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 и могут проворачиваться под их действием (фиг.1), регулируя тем самым площадь критического и выходного сечений, а также обеспечивая возможность отклонения вектора тяги. Механизмы управления делятся на шесть механизмов дозвуковых створок 6 и четыре механизма сверхзвуковых створок 7 в равной степени расположенных в верхней и нижней частях регулируемого сопла (фиг.1). Регулируемое сопло включает систему управления с силовыми элементами, систему коммуникаций и агрегаты управления, обеспечивающие посредством механизмов управления 6, 7 возможность отклонения дозвуковых створок 4 и сверхзвуковых створок 5. А также шесть траверс 8 и четыре соединительных механизма 9, каждый из которых состоит из кронштейна 10, закрепленного на корпусе 1 между смежных траверс 8, рычага 11 шарнирно закрепленного на кронштейне 10, и двух тяг 12, шарнирно соединяющих рычаг 11 со смежными траверсами 8 (фиг.2). При этом для шарнирного соединения с одним из силовых элементов системы управления каждая траверса 8 снабжена проушинами 13, а каждый рычаг 11 снабжен дополнительными проушинами 14, расположенными между шарнирами соединения с тягами 12 и шарнирами соединения с траверсами 8, для большей равномерности распределения усилия с силового элемента между кронштейном 10 и траверсами 8. Каждым силовым элементом системы управления, соединенным с механизмами сверхзвуковых створок 7 является гидроцилиндр 15. Также четырьмя силовыми элементами системы управления, соединенным с механизмами дозвуковых створок 6 является гидроцилиндр 15, а оставшимися двумя являются пневмоцилиндры 16, предназначенные для снижения ресурсов гидравлической системы газотурбинного двигателя, используемых для нужд системы управления. Каждый силовой элемент снабжен датчиком обратной связи, необходимым для контроля положения створок 4 и 5 в процессе работы. В частном случае реализации на траверсах 8 установлены гидроцилиндры 15, за исключением центральных траверс 8 в верхней и нижней части сопла, на которых установлены пневмоцилиндры 16, соединенные с соответствующими механизмами дозвуковых створок 6. Причем система управления позволяет осуществлять независимое управление створками 4, 5, расположенных в верхней и нижней части регулируемого сопла.

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 и 7, приводимых в движение и удерживаемых в нужном положении посредством силовых элементов системы управления. При этом в работе от эксплуатационных нагрузок элементы регулируемого сопла подвергаются деформациям, которые реализуются как на элементах, образующих проточную часть, так и на элементах внешнего обвода. Конструктивно данные деформации минимизируются.

Такое выполнение позволяет за счет увеличения жесткости элементов конструкции и оригинальности расположения и соединения силовых элементов системы управления с корпусом, а также расположения и соединения системы управления со створками посредством механизмов управления, 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 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, силовые элементы системы управления створками закреплены на корпусе и соединены с дозвуковыми створками и сверхзвуковыми створками посредством механизмов управления. Система управления створками включает в себя четыре гидроцилиндра по одному на каждый механизм управления сверхзвуковыми створками, закрепленных на корпусе посредством соединительных устройств, четыре гидроцилиндра и два пневмоцилиндра, каждый из которых связан с одним механизмом управления дозвуковыми створками и закреплен на корпусе посредством траверс, систему коммуникаций и агрегаты управления. Каждое соединительное устройство включает кронштейн, закрепленный на корпусе, рычаг, шарнирно закрепленный на кронштейне, и две тяги, шарнирно соединяющие рычаг с соседними траверсами. Каждый гидроцилиндр или пневмоцилиндр механизмов дозвуковых створок закреплен на соответствующей траверсе посредством шарнира, а каждый гидроцилиндр механизмов сверхзвуковых створок закреплен на соответствующем рычаге посредством шарнира. Проушина крепления гидроцилиндра на рычаге расположена между проушинами крепления тяг и проушинами крепления рычага к кронштейну. Каждые гидроцилиндр и пневмоцилиндр имеют датчик обратной связи, а каждый механизм управления соединен с соответствующим гидроцилиндром или пневмоцилиндром посредством шарнира. Пневмоцилиндры соединены с центральными механизмами дозвуковых сворок в верхней и нижней части регулируемого сопла. Изобретение позволяет повысить КПД двигателя. 1 з.п. ф-лы, 2 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 с силовыми элементами, отличающееся тем, что 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, силовые элементы системы управления створками закреплены на корпусе и соединены с дозвуковыми створками и сверхзвуковыми створками посредством механизмов управления, при этом силовыми элементами системы управления створками являются гидроцилиндры и пневмоцилиндры, при этом механизмы управления включают шесть механизмов дозвуковых створок и четыре механизма сверхзвуковых створок, поровну расположенных в верхней и нижней части регулируемого сопла, притом система управления створками включает в себя четыре гидроцилиндра по одному на каждый механизм управления сверхзвуковыми створками, закрепленных на корпусе посредством соединительных устройств, четыре гидроцилиндра и два пневмоцилиндра, каждый из которых связан с одним механизмом управления дозвуковыми створками и закреплен на корпусе посредством траверс, систему коммуникаций и агрегаты управления, обеспечивающие независимое управление дозвуковыми и сверхзвуковыми створками в верхней и нижней части регулируемого сопла, кроме того, каждое соединительное устройство включает кронштейн, закрепленный на корпусе, рычаг, шарнирно закрепленный на кронштейне, и две тяги, шарнирно соединяющие рычаг с соседними траверсами, при этом каждый гидроцилиндр или пневмоцилиндр механизмов дозвуковых створок закреплен на соответствующей траверсе посредством шарнира, а каждый гидроцилиндр механизмов сверхзвуковых створок закреплен на соответствующем рычаге посредством шарнира, кроме того, проушина крепления гидроцилиндра на рычаге расположена между проушинами крепления тяг и проушинами крепления рычага к кронштейну, притом каждые гидроцилиндр и пневмоцилиндр имеют датчик обратной связи, а каждый механизм управления соединен с соответствующим гидроцилиндром или пневмоцилиндром посредством шарнира, при этом пневмоцилиндры соединены с центральными механизмами дозвуковых сворок в верхней и нижней части регулируемого сопла.

2. Регулируемое сопло турбореактивного двигателя по п. 1, отличающееся тем, что каждый из двух пневмоцилиндров, связанных с механизмом управления дозвуковыми створками, размещен между гидроцилиндрами, связанными с механизмами управления дозвуковыми створками.