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, верхние и нижние дозвуковые створки и верхние и нижние сверхзвуковые створки, шарнирно соединенные с соответствующими дозвуковыми створками, а также боковые стенки, жестко соединенные с корпусом (патент RU 2674232 С1).

Недостатком прототипа является недостаточная жесткость элементов конструкции, деформация которых приводит к дополнительным газодинамическим потерям при внешнем обтекании воздуха и протекании газа внутри проточной части регулируемого сопла, вызванная и температурными нагрузками, а также утечки газа со стороны проточной части в местах соединения подвижных элементов, ограничивающих проточную часть, с ответными деталями. Результатом этого являются ощутимые потери эффективной тяги турбореактивного двигателя.

Техническим результатом, достигаемым заявленным устройством, является снижение потерь при протекании газа внутри проточной части, в том числе и в тракте охлаждения, и внешнем обтекании регулируемого сопла за счет увеличения жесткости элементов его конструкции и уменьшения утечек из проточной части и тракта охлаждения с сохранением параметров его регулирования, что увеличивает его КПД и турбореактивного двигателя в целом.

Указанный технический результат достигается тем, что известное регулируемое сопло турбореактивного двигателя, содержащее последовательно установленные корпус, имеющий в выходном сечении прямоугольную форму, верхние и нижние дозвуковые створки и верхние и нижние сверхзвуковые створки, шарнирно соединенные с соответствующими дозвуковыми створками, а также боковые стенки, жестко соединенные с корпусом, согласно настоящему изобретению снабжено теплозащитными экранами и уплотнительными элементами, а корпус снабжен выходным фланцем, жестко соединенным с боковыми стенками по торцам, причем каждая из дозвуковых створок шарнирно соединена с боковыми стенками, при этом теплозащитные экраны установлены со стороны проточной части в корпусе, а также на боковых стенках и дозвуковых створках и жестко зафиксированы на корпусе, боковых стенках и дозвуковых створках соответственно, с образованием тракта охлаждения между теплозащитными экранами и упомянутыми конструктивными элементами, вход в который сообщен с наружным контуром двигателя, а каждый из уплотнительных элементов установлен между верхним торцом выходного фланца и близлежащим торцом верхней дозвуковой створки, а также между нижним торцом выходного фланца и близлежащим торцом нижней дозвуковой створки и жестко соединен с выходным фланцем, при этом в зазорах между теплозащитными экранами, установленными в корпусе и на дозвуковых створках, установлены уплотнительные проставки, каждая из которых жестко соединена с близлежащим уплотнительным элементом посредством направляющих элементов, расположенных с зазором друг относительно друга и установленных между уплотнительными элементами и соответствующими им уплотнительными проставками в тракте охлаждения.

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. При этом сопла с теплозащитными экранами и трактом охлаждения имеют потери охлаждающего воздуха, утекаемого в зазоры между сопрягаемыми деталями, ограничивающими их. Особенно в зазоры между деталями, где хотя бы одна из деталей подвижная. Потери охлаждающего воздуха приводят к более высокой рабочей температуре деталей сопла в работе, что снижает их жесткость и увеличивает их деформацию. 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.

Снабжение сопла теплозащитными экранами позволяет организовать тракт охлаждения между последними и деталями, на которых они установлены, что снижает рабочую температуру деталей сопла, что увеличивает их жесткость и, как следствие, снижает сопротивление внешнему обтеканию и лучше сохраняет требуемую форму проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.

Снабжение сопла уплотнительными элементами позволяет уменьшить потери потока в проточной части и тракте охлаждения, что увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.

Снабжение корпуса выходным фланцем, жестко соединенным с боковыми стенками по торцам, увеличивает изгибную жесткость выходной части корпуса, снижая деформации элементов регулируемого сопла от эксплуатационных нагрузок. Это снижает сопротивление внешнему обтеканию и лучше сохраняет требуемую форму проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.

Шарнирное соединение каждой из дозвуковых створок с боковыми стенками позволяет обеспечить установку уплотнительных элементов непосредственно с входного торца каждой дозвуковой створки, что обеспечивает подвижность дозвуковых створок и снижает потери потока в проточной части и тракте охлаждения, что увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.

Установка теплозащитных экранов со стороны проточной части в корпусе, а также на боковых стенках и дозвуковых створках и жесткая фиксация их на корпусе, боковых стенках и дозвуковых створках соответственно позволяет образовать тракт охлаждения между теплозащитными экранами и упомянутыми конструктивными элементами, что снижает рабочую температуру и увеличивает жесткость последних, снижает сопротивление внешнему обтеканию и лучше сохраняет требуемую форму проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.

Сообщение наружного контура двигателя с входом тракта охлаждения позволяет заполнить последний более холодным воздухом под большим давлением, чем в проточной части, что снижает рабочую температуру деталей сопла, что увеличивает их жесткость и, как следствие, снижает сопротивление внешнему обтеканию и лучше сохраняет требуемую форму проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.

Установка уплотнительных элементов между верхним торцом выходного фланца и близлежащим торцом верхней дозвуковой створки и между нижним торцом выходного фланца и близлежащим торцом нижней дозвуковой створки с жестким соединением уплотнительных элементов с выходным фланцем, а также установка в зазорах между теплозащитными экранами корпуса и дозвуковых створок уплотнительных проставок позволяет снизить утечки газа как из тракта охлаждения, так и из проточной части, что уменьшает потери потока в проточной части и тракте охлаждения, а также увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.

Жесткое соединение уплотнительных проставок с близлежащими уплотнительными элементами посредством направляющих элементов, расположенных с зазором друг относительно друга и установленных между уплотнительными элементами и соответствующими им уплотнительными проставками в тракте охлаждения позволяет организовать тракт охлаждения между уплотнительными элементами и соответствующими проставками для транзита охлаждающего воздуха из неподвижной части тракта охлаждения внутри корпуса к подвижной части тракта охлаждения на дозвуковых створках и минимизировать утечки газа из тракта охлаждения и проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.

Снабжение регулируемого сопла двумя уплотнительными элементами таким образом, что они жестко соединены с выходным фланцем и установлены между верхним торцом выходного фланца и близлежащим торцом верхней дозвуковой створки, а также между нижним торцом выходного фланца и близлежащим торцом нижней дозвуковой створки, позволяет увеличить изгибную жесткость выходного фланца и уплотнить пространство между выходным фланцем и дозвуковыми створками. Это снижает сопротивление внешнему обтеканию, лучше сохраняет требуемую форму проточной части и снижает утечки газа из проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.

Преимущественно поверхности уплотнительных элементов, близлежащие к соответствующим им дозвуковым створкам, выполнить с возможностью контакта с упомянутыми дозвуковыми створками.

Выполнение поверхностей уплотнительных элементов, близлежащих к соответствующим им дозвуковым створкам, с возможностью контакта с последними позволяет обеспечить минимизацию утечек газа из тракта охлаждения и проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.

Преимущественно теплозащитные экраны, установленные со стороны проточной части в корпусе и/или на боковых стенках, и/или на дозвуковых створках, выполнить перфорированными.

Выполнение теплозащитных экранов, установленных со стороны проточной части в корпусе и/или на боковых стенках, и/или на дозвуковых створках перфорированными позволяет осуществлять выдув охлаждающего воздуха из тракта охлаждения в проточную часть в требуемых местах для обеспечения эффекта пленочного охлаждения для исключения локального перегрева теплозащитных экранов, что обеспечивает снижение рабочей температуры деталей сопла, что увеличивает их жесткость и, как следствие, снижает сопротивление внешнему обтеканию и лучше сохраняет требуемую форму проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и турбореактивного двигателя в целом.

Сущность настоящего изобретения поясняется фигурами чертежей.

На фигуре 1 изображен продольный разрез регулируемого сопла турбореактивного двигателя при минимальных площадях критического и выходного сечений.

На фигуре 2 изображен уплотнительный элемент с уплотнительной проставкой под ним и направляющими элементами между ними, образующие единую деталь.

На фигуре 3 представлен вид на экраны поворотного сопла из проточной части.

Регулируемое реактивное сопло турбореактивного двигателя, содержит последовательно установленные корпус 1, содержащий выходной фланец 2 прямоугольной формы, жестко закрепленные на вертикальных участках фланца 2 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 6, дозвуковые створки 4 в свою очередь попарно соединены с сверхзвуковыми створками 5 посредством шарнирных соединений 7. Дозвуковые створки 4 и сверхзвуковые створки 5 соединены с механизмами управления и могут проворачиваться под их действием, регулируя тем самым площадь критического и выходного сечений. Регулируемое сопло турбореактивного двигателя также содержит по меньшей мере два уплотнительных элемента 8, жестко закрепленных на горизонтальных участках выходного фланца 2 и расположенных между последним и соответствующими дозвуковыми створками 4. На корпусе 1 установлены теплозащитные экраны 9, на боковых стенках 3 установлены теплозащитные экраны 10, на дозвуковых створках 4 установлены теплозащитные экраны 11 (фиг. 3). Между теплозащитными экранами 9, 10, 11 и деталями регулируемого сопла, на которых они зафиксированы, образован тракт охлаждения 12, вход в который сообщается с наружным контуром турбореактивного двигателя. Также внутренние поверхности теплозащитных экранов 9, 10, 11 формируют проточную часть 13, а последние выполнены из отдельных перфорированных сегментов, установленных с перехлестами на соответствующих им деталях сопла (корпусе, боковых стенках и дозвуковых створках) для минимизации зазоров между ними. Каждый уплотнительный элемент 8 жестко соединен с соответствующей близлежащей уплотнительной проставкой 14 посредством направляющих элементов 15, установленных с зазором между друг другом, образуя единую деталь. В частном случае реализации упомянутых единых деталей, включающих уплотнительный элемент 8 с уплотнительной проставкой 14 под ним и направляющими элементов 15 между ними, установлено по три сверху и снизу регулируемого сопла вдоль горизонтальных участков выходного фланца 2 (на фигурах не показано). При этом каждая такая единая деталь формирует часть тракта охлаждения 12 и обеспечивает транзит охлаждающего воздуха из неподвижной части тракта охлаждения 12, относящейся к корпусу 1, в подвижную часть тракта охлаждения 12 дозвуковых створок 4, и минимизирует утечки газа из тракта охлаждения 12 и проточной части 13. При этом каждая уплотнительная проставка 14 установлена в пространстве между теплозащитными экранами 9 и 10 вдоль всей длины горизонтальных участков фланца 2. Теплозащитные экраны 9, 10, 11 могут быть выполнены перфорированными, в частном случае на фигуре 3 наглядно видна перфорация теплозащитных экранов 10 боковых стенок 3.

Устройство работает следующим образом.

В процессе работы турбореактивного двигателя изменяются площади критического и выходного сечений сопла за счет поворота дозвуковых и сверхзвуковых створок 4 и 5 совместно с теплозащитными экранами под действием механизмов управления. При этом происходит относительное перемещение смежных поверхностей, а именно, передних торцов дозвуковых створок 4 относительно неподвижных уплотнительных элементов 8 и передних торцов теплозащитных экранов 11 относительно соответствующих проставок 14. Выполнение данных поверхностей с возможностью контактировать снижает утечки газа через зазоры между ними. Также в работе происходит разогрев элементов регулируемого сопла, в результате чего снижается их жесткость и увеличиваются деформации, которые минимизируются за счет наличия тракта охлаждения 12 и продувки через него более холодного воздуха из наружного контура турбореактивного двигателя.

Такое выполнение позволяет за счет увеличения жесткости элементов конструкции и ее оригинальности снизить потери при внешнем обтекании и внутри проточной части, в том числе и в тракте охлаждения, с сохранением параметров регулирования сопла, что увеличивает его КПД и турбореактивного двигателя в целом.

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, а именно к конструкции регулируемых сопел турбореактивных двигателей. Регулируемое сопло турбореактивного двигателя, содержащее последовательно установленные корпус, имеющий в выходном сечении прямоугольную форму, верхние и нижние дозвуковые створки и верхние и нижние сверхзвуковые створки, шарнирно соединенные с соответствующими дозвуковыми створками, а также боковые стенки, жестко соединенные с корпусом, согласно настоящему изобретению снабжено теплозащитными экранами и уплотнительными элементами. Корпус снабжен выходным фланцем, жестко соединенным с боковыми стенками по торцам, причем каждая из дозвуковых створок шарнирно соединена с боковыми стенками. Теплозащитные экраны установлены со стороны проточной части в корпусе, а также на боковых стенках и дозвуковых створках и жестко зафиксированы на корпусе, боковых стенках и дозвуковых створках соответственно с образованием тракта охлаждения между теплозащитными экранами и упомянутыми конструктивными элементами, вход в который сообщен с наружным контуром двигателя. Каждый из уплотнительных элементов установлен между верхним торцом выходного фланца и близлежащим торцом верхней дозвуковой створки, а также между нижним торцом выходного фланца и близлежащим торцом нижней дозвуковой створки и жестко соединен с выходным фланцем. В зазорах между теплозащитными экранами, установленными в корпусе и на дозвуковых створках, установлены уплотнительные проставки, каждая из которых жестко соединена с близлежащим уплотнительным элементом посредством направляющих элементов, расположенных с зазором друг относительно друга и установленных между уплотнительными элементами и соответствующими им уплотнительными проставками в тракте охлаждения. Достигается снижение потерь при протекании газа внутри проточной части, в том числе и в тракте охлаждения и внешнем обтекании регулируемого сопла за счет увеличения жесткости элементов его конструкции и уменьшения утечек из проточной части и тракта охлаждения с сохранением параметров его регулирования, что увеличивает его КПД и турбореактивного двигателя в целом. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Регулируемое сопло турбореактивного двигателя, содержащее последовательно установленные корпус, имеющий в выходном сечении прямоугольную форму, верхние и нижние дозвуковые створки и верхние и нижние сверхзвуковые створки, шарнирно соединенные с соответствующими дозвуковыми створками, а также боковые стенки, жестко соединенные с корпусом, отличающееся тем, что регулируемое сопло снабжено теплозащитными экранами и уплотнительными элементами, а корпус снабжен выходным фланцем, жестко соединенным с боковыми стенками по торцам, причем каждая из дозвуковых створок шарнирно соединена с боковыми стенками, при этом теплозащитные экраны установлены со стороны проточной части в корпусе, а также на боковых стенках и дозвуковых створках и жестко зафиксированы на корпусе, боковых стенках и дозвуковых створках соответственно с образованием тракта охлаждения между теплозащитными экранами и упомянутыми конструктивными элементами, вход в который сообщен с наружным контуром двигателя, а каждый из уплотнительных элементов установлен между верхним торцом выходного фланца и близлежащим торцом верхней дозвуковой створки, а также между нижним торцом выходного фланца и близлежащим торцом нижней дозвуковой створки и жестко соединен с выходным фланцем, при этом в зазорах между теплозащитными экранами, установленными в корпусе и на дозвуковых створках, установлены уплотнительные проставки, каждая из которых жестко соединена с близлежащим уплотнительным элементом посредством направляющих элементов, расположенных с зазором друг относительно друга и установленных между уплотнительными элементами и соответствующими им уплотнительными проставками в тракте охлаждения.

2. Регулируемое сопло турбореактивного двигателя по п. 1, отличающееся тем, что поверхности уплотнительных элементов, близлежащие к соответствующим им дозвуковым створкам, выполнены с возможностью контакта с упомянутыми дозвуковыми створками.

3. Регулируемое сопло турбореактивного двигателя по п. 1, отличающееся тем, что теплозащитные экраны, установленные со стороны проточной части в корпусе, и/или на боковых стенках, и/или на дозвуковых створках, выполнены перфорированными.