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, соединенную с дозвуковыми створками и сверхзвуковыми створками посредством механизмов управления (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, дозвуковые створки и сверхзвуковые створки, шарнирно соединенные с друг с другом, боковые стенки, жестко соединенные с корпусом, а также систему управления створками, соединенную с дозвуковыми створками и сверхзвуковыми створками посредством механизмов управления, согласно предлагаемому изобретению сопло снабжено шестью траверсами, закрепленными на корпусе по три в верхней и нижней его части, 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, притом каждый механизм дозвуковых створок содержит рычаг и рычаг дозвуковой створки, шарнирно закрепленные на траверсе, тягу соединяющую рычаг и рычаг дозвуковой створки посредством шарниров, тягу дозвуковой створки, соединяющую рычаг дозвуковой створки и дозвуковую створку посредством шарниров, при этом каждый механизм сверхзвуковой створки расположен между механизмами дозвуковой створки и содержит дополнительный рычаг, шарнирно закрепленный на смежных траверсах, рычаг сверхзвуковой створки, шарнирно закрепленный в передней части сверхзвуковой створки, а также дополнительную тягу, соединяющую дополнительный рычаг и рычаг сверхзвуковой створки посредством шарниров, а также распорную тягу, соединяющую рычаг сверхзвуковой створки с задней частью последней посредством шарниров, притом каждые рычаг и дополнительный рычаг шарнирно соединены с системой управления.

Кроме того, оси распорной тяги и дополнительной тяги каждого механизма сверхзвуковых створок лежат в одной плоскости и образуют тупой угол в пределах от 150 до 180 градусов. Кроме того, каждая распорная тяга выполнена с возможностью изменения своей длины. Кроме того, каждый шарнир соединения тяги и рычага расположен ближе к траверсе, чем соответствующий шарнир соединения рычага с системой управления. Кроме того, каждый шарнир соединения дополнительной тяги и дополнительного рычага расположен ближе к траверсе, чем соответствующий шарнир соединения дополнительного рычага с системой управления.

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, увеличивает изгибную жесткость корпуса за счет установки на нем траверс, 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.

Шарнирное соединение каждой из дозвуковых створок с боковыми стенками позволяет обеспечить возможность размещения механизмов управления и 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.

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.

Выполнение каждого механизма дозвуковых створок таким образом, что он содержит рычаг и рычаг дозвуковой створки, шарнирно закрепленные на траверсе, тягу соединяющую рычаг и рычаг дозвуковой створки посредством шарниров, тягу дозвуковой створки, соединяющую рычаг дозвуковой створки и дозвуковую створку посредством шарниров, что позволяет снизить перемещения элементов сопла от эксплуатационных нагрузок, разместить элементы системы управления и механизмов управления в верхней и нижней части сопла, а также обеспечить требуемые параметры регулирования критическим и выходным сечениями, а также отклоняемым вектором тяги. Это 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 каждого механизма сверхзвуковых створок между механизмами дозвуковой створки 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.

Выполнение каждого механизма сверхзвуковых створок таким образом, что он содержит дополнительный рычаг, шарнирно закрепленный на смежных траверсах, рычаг сверхзвуковой створки, шарнирно закрепленный в передней части сверхзвуковой створки, а также дополнительную тягу, соединяющую дополнительный рычаг и рычаг сверхзвуковой створки посредством шарниров, а также распорную тягу, соединяющую рычаг сверхзвуковой створки с задней частью последней посредством шарниров, что позволяет снизить перемещения элементов сопла от эксплуатационных нагрузок, разместить элементы системы управления и механизмов управления в верхней и нижней части сопла, а также обеспечить требуемые параметры регулирования критическим и выходным сечениями, а также отклоняемым вектором тяги. Это 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.

Шарнирное соединение каждого рычага и дополнительного рычага с системой управления позволяет обеспечить изменение параметров регулирования в требуемых диапазонах для обеспечения требуемой формы проточной части на каждом конкретном режиме работы турбореактивного двигателя, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.

Расположение осей распорной тяги и дополнительной тяги каждого механизма сверхзвуковых створок в одной плоскости с образованием тупого угла в пределах от 150 до 180 градусов позволяет передавать силу со сверхзвуковой створки посредством распорной тяги на дополнительную тягу и другие элементы механизмов сверхзвуковых створок с минимальным ее увеличением. Это минимизирует деформации элементов механизмов сверхзвуковых створок, тем самым сохраняет требуемую форму проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.

Выполнение каждой распорной тяги с возможностью изменения своей длины позволяет обеспечить сборку жесткого треугольника из распорной тяги, части сверхзвуковой створки и рычага сверхзвуковой створки, а также обеспечить предварительное распирание данных элементов при сборке, в каждом механизме сверхзвуковых створок, что снижает деформации сверхзвуковых створок в эксплуатации. Это минимизирует изменение формы проточной части в области сверхзвуковых створок, тем самым увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.

Выполнение каждого шарнира соединения тяги и рычага ближе к траверсе, чем соответствующего шарнира соединения рычага с системой управления, позволяет уменьшить усилия, приходящие со стороны механизмов дозвуковых створок на систему управления. Как правило данные усилия приходят на силовые элементы системы управления, например, гидроцилиндры. Уменьшение потребных усилий на них позволяет снизить их диаметр, что уменьшает вертикальный поперечный габаритный размер регулируемого сопла, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.

Выполнение каждого шарнира соединения дополнительной тяги и дополнительного рычага ближе к траверсе, чем соответствующего шарнира соединения дополнительного рычага с системой управления, позволяет уменьшить усилия, приходящие со стороны механизмов сверхзвуковых створок на систему управления. Как правило данные усилия приходят на силовые элементы системы управления, например, гидроцилиндры. Уменьшение потребных усилий на них позволяет снизить их диаметр, что уменьшает вертикальный поперечный габаритный размер регулируемого сопла, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.

Сущность настоящего изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен продольный разрез регулируемого сопла турбореактивного двигателя.

На фиг. 2 изображен вид сверху на регулируемое сопло турбореактивного двигателя.

На фиг. 3 подробнее, для наглядности, показаны ЗЭ-модели только дозвуковых и сверхзвуковых створок, траверс и механизмов управления верхней части регулируемого сопла, а также одной из боковых стенок, взятые с его электронного макета.

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. 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. Регулируемое сопло включает систему управления с силовыми элементами 8 (фиг. 2), систему коммуникаций и агрегаты управления, обеспечивающие посредством механизмов управления 6, 7 возможность отклонения дозвуковых створок 4 и сверхзвуковых створок 5. А также шесть траверс 9, закрепленных снаружи корпуса 1 по три в верхней и нижней его части. Причем каждый механизм дозвуковых створок 6 установлен на соответствующей траверсе 9 и состоит из рычага 10, рычага дозвуковой створки 11, тяги 12 и тяги дозвуковой створки 13. При этом рычаг 10 и рычаг дозвуковой створки 11 шарнирно закреплены на траверсе 9. Тяга 12 соединяет рычаг 10 с рычагом дозвуковой створки 11 посредством шарниров. В частном случае реализации четыре механизма дозвуковых створок 6, расположенных ближе к боковым стенкам 3, выполнены идентичными. Такое их выполнение обусловлено особенностями работы силовых элементов 8 системы управления. Каждый механизм сверхзвуковых створок 7 установлен между механизмами дозвуковых створок 6 и состоит из дополнительного рычага 14, дополнительной тяги 15, рычага сверхзвуковой створки 16 и распорной тяги 17. Дополнительная тяга 15 соединяет дополнительный рычаг 14, шарнирно закрепленный на смежных траверсах 9, с рычагом сверхзвуковой створки 16, который шарнирно установлен на сверхзвуковой створке 5 в передней ее части (фиг. 3). В свою очередь распорная тяга 17 шарнирно закреплена между рычагом сверхзвуковой створки 16 и задней частью сверхзвуковой створки 5, образуя локальный жесткий треугольник из данных трех деталей. Для снижения нагрузки, передаваемой на дополнительный рычаг 14, угол между осями дополнительной тяги 15 и распорной тяги 17 минимизируют. Обычно он изменяется в пределах от 150 до 180 градусов. В частном случае реализации распорная тяга 17 выполнена с возможностью изменения длины при сборке. Это позволяет реализовать предварительный натяг в деталях каждого жесткого треугольника, увеличивая их жесткость. Также, для снижения нагрузки на силовые элементы 8 системы управления, места их соединения 18 (фиг. 3) с рычагами 10 и дополнительными рычагами 14 выполняют дальше от траверс 9, чем шарниры соединения рычагов 10 и дополнительных рычагов 14 с соответствующими тягами 12 и дополнительными тягами 15. Выполнение механизмов управления двух типов позволяет системе управления осуществлять независимое управление створками 4, 5 как в верхней, так и в нижней части регулируемого сопла.

Собираемость регулируемого сопла подтверждена при помощи электронного макета, часть которого представлена на фиг. 2.

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, 7, приводимых в движение и удерживаемых в нужном положении посредством силовых элементов 8 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 конструкции позволяет за счет увеличения жесткости элементов ее элементов, оригинальности механизмов управления 6, 7, их расположения и соединения с силовыми элементами 8 системы управления позволяет 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, а именно к конструкции регулируемых сопел турбореактивных двигателей. Регулируемое сопло турбореактивного двигателя содержит корпус, дозвуковые и сверхзвуковые створки, шарнирно соединенные друг с другом, боковые стенки, жестко соединенные с корпусом, систему управления створками, соединенную со створками посредством механизмов управления. Сопло снабжено шестью траверсами, закрепленными на корпусе по три в верхней и нижней части. Раскрыто крепление дозвуковых створок, а также раскрыты механизмы управления, включающие шесть механизмов дозвуковых створок и четыре механизма сверхзвуковых створок, поровну расположенных в верхней и нижней части регулируемого сопла. Технический результат заключается в увеличении жесткости элементов сопла. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Регулируемое сопло турбореактивного двигателя, содержащее корпус, имеющий в выходном сечении прямоугольную форму, дозвуковые створки и сверхзвуковые створки, шарнирно соединенные друг с другом, боковые стенки, жестко соединенные с корпусом, а также 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, 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, притом каждый механизм дозвуковых створок содержит рычаг и рычаг дозвуковой створки, шарнирно закрепленные на траверсе, тягу, соединяющую рычаг и рычаг дозвуковой створки посредством шарниров, тягу дозвуковой створки, соединяющую рычаг дозвуковой створки и дозвуковую створку посредством шарниров, при этом каждый механизм сверхзвуковых створок расположен между механизмами дозвуковых створок и содержит дополнительный рычаг, шарнирно закрепленный на смежных траверсах, рычаг сверхзвуковой створки, шарнирно закрепленный в передней части сверхзвуковой створки, а также дополнительную тягу, соединяющую дополнительный рычаг и рычаг сверхзвуковой створки посредством шарниров, а также распорную тягу, соединяющую рычаг сверхзвуковой створки с задней частью последней посредством шарниров, притом каждые рычаг и дополнительный рычаг шарнирно соединены с системой управления.

2. Регулируемое сопло турбореактивного двигателя по п. 1, отличающееся тем, что оси распорной тяги и дополнительной тяги каждого механизма сверхзвуковых створок лежат в одной плоскости и образуют тупой угол в пределах от 150 до 180°.

3. Регулируемое сопло турбореактивного двигателя по п. 1, отличающееся тем, что каждая распорная тяга выполнена с возможностью изменения своей длины.

4. Регулируемое сопло турбореактивного двигателя по п. 1, отличающееся тем, что каждый шарнир соединения тяги и рычага расположен ближе к траверсе, чем соответствующий шарнир соединения рычага с системой управления.

5. Регулируемое сопло турбореактивного двигателя по п. 1, отличающееся тем, что каждый шарнир соединения дополнительной тяги и дополнительного рычага расположен ближе к траверсе, чем соответствующий шарнир соединения дополнительного рычага с системой управления.