Способ отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя

Изобретение относится к авиадвигателестроению, в частности к регулируемым соплам воздушно-реактивных двигателей, выполненных с возможностью отклонения вектора тяги. Способ отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя заключается в том, что обеспечивают поступление газа во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла, состоящей из створок, а расход газа, поступающего во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла, выбирают в зависимости от необходимого угла β отклонения струи на выходе из сопла. Изменяют давление во внутренней полости сверхзвуковой части сопла путем изменения угла раскрытия створок сверхзвуковой части сопла, выполненных с возможностью перемещения и с окнами, по меньшей мере, на части из них. Устанавливают величину суммарного угла раскрытия в соответствии с соотношением, защищаемым настоящим изобретением. Обеспечивают подвод атмосферного воздуха во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла путем открытия окон, при этом количество и расположение открытых окон сверхзвуковой части сопла выбирают в зависимости от необходимого угла β отклонения струи на выходе из сопла. Изобретение позволяет повысить эффективность и надежность отклонения газового потока за счет упрощения конструкции, снижения затрат мощности на управление и повышения динамических характеристик устройства, а также повысить ресурс работы и снизить массу устройства и двигателя в целом. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 ил.

 

Изобретение относится к авиадвигателестроению, в частности к регулируемым соплам воздушно-реактивных двигателей, выполненных с возможностью отклонения вектора тяги.

Известен способ отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя (см. Попов Н.К., Соколов В.Д., Хвостов Н.И. «Сопла воздушно-реактивных двигателей с отклоняемым вектором тяги». - М.: Машиностроение, 1979. - стр.121-122), в котором отклонение струи на выходе из сопла осуществляют за счет механического поворота сверхзвуковой части сопла.

Недостатком данного технического решения является снижение надежности и эффективности управления струей газа из-за относительно низкого быстродействия, значительных шарнирных моментов, возникающих вследствие больших инерционных нагрузок и трения в подшипниковых узлах, уплотнениях и на подвижных створках сопла.

Известен также способ отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя (Попов Н.К., Соколов В.Д., Хвостов Н.И. «Сопла воздушно-реактивных двигателей с отклоняемым вектором тяги» - М.: Машиностроение, 1979. - стр.128-129) - прототип, в котором отклонение струи на выходе из сопла обеспечивают поступлением газа во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла, состоящего из створок, а количество газа, поступающего во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла, выбирают в зависимости от необходимого угла отклонения струи на выходе из сопла. В данном способе отклонение струи осуществляется за счет подачи газа из форсажной камеры во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла.

Недостатком этого способа является то, что вдуваемый газ, поступающий из форсажной камеры двигателя и расход которого зависит от необходимого угла отклонения струи и может достигать 20% от основного расхода газа газогенератора (при угле отклонения струи 15°), отрицательно влияет на газодинамические характеристики двигателя и может привести к отказу работы всего двигателя.

Технический результат заявленного способа - повышение эффективности и надежности отклонения газового потока за счет упрощения конструкции, снижения затрат мощности на управление и повышения динамических характеристик устройства, а также повышение ресурса работы и снижение массы устройства и двигателя в целом.

Для получения заявленного технического результата в предлагаемом способе отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя, включающем обеспечение поступления газа во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла, состоящего из створок, а расход газа, поступающего во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла выбирают в зависимости от необходимого угла β отклонения струи на выходе из сопла, изменяют давление во внутренней полости сверхзвуковой части сопла путем изменения угла раскрытия створок сверхзвуковой части сопла, выполненных с возможностью поворота и с окнами, по меньшей мере, на части из них, устанавливают величину суммарного угла раскрытия α21 створок сверхзвуковой части сопла, где α1 - угол раскрытия створок сверхзвуковой части сопла при осевом истечении струи на выходе из сопла и при равенстве давлений газа на срезе сопла и воздуха окружающей атмосферы, δ - дополнительный угол раскрытия створок сверхзвуковой части сопла, обеспечивают подвод атмосферного воздуха во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла путем открытия окон, при этом количество и расположение открытых окон сверхзвуковой части сопла выбирают в зависимости от необходимого угла β отклонения струи на выходе из сопла.

При этом суммарный угол раскрытия α2 створок сверхзвуковой части сопла составляет 5°-50°.

Окна на створках сверхзвуковой части сопла открывают при помощи управляемых заслонок.

Повышение надежности и эффективности отклонения газового потока в заявленном способе достигается за счет снижения затрат мощности на управление благодаря уменьшению потерь расходуемого газа из газогенератора двигателя, улучшения динамических характеристик устройства благодаря повышенному быстродействию, отсутствию значительных шарнирных моментов, возникающих вследствие больших инерционных нагрузок и трения в подвижных узлах, уплотнениях.

Предложенное изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-6, на которых изображены:

на фиг.1 - сопло до изменения угла установки створок сверхзвуковой части;

на фиг.2 - сопло после изменения угла установки створок сверхзвуковой части;

на фиг.3 - вариант выполнения сопла с несколькими окнами на створках сверхзвуковой части;

на фиг.4 показаны вид А и направление втекания атмосферного воздуха через открытые окна сверхзвуковой части сопла;

на фиг.5 - вариант выполнения сопла с одним окном на створках сверхзвуковой части;

на фиг.6 показаны вид Б и направление втекания атмосферного воздуха через открытые окна сверхзвуковой части сопла.

Принцип заявленного способа отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя основан на перераспределении давления по внутренней поверхности сверхзвуковой части сопла в результате взаимодействия основного газового потока со вторичной струей воздуха, поступающего из атмосферы. Образованное вторичной струей воздуха препятствие вносит возмущение в набегающий основной газовый поток и перестраивает характер его течения. Вследствие несимметричности этого течения относительно оси сопла появляется нормальная к оси сопла несбалансированная сила, которая и является, в конечном итоге, управляющим усилием.

Для реализации предложенного способа может быть использовано устройство отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя, которое включает сопло двигателя, выполненное с дозвуковой 1 и сверхзвуковой 2 частями. Сверхзвуковая часть 2 сопла содержит створки 3. Для обеспечения подвода атмосферного воздуха во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла, по меньшей мере, часть створок 3 сверхзвуковой части 2 сопла имеет окна 4 (на чертежах показаны схематично), выполненные с возможностью их закрытия и открытия. Створки 3 сверхзвуковой части, которые имеют окна 4, содержат управляемые заслонки 5, имеющие собственные приводы 6.

Сопло может дополнительно содержать наружные створки 7, часть из которых имеет окна 8 (на чертежах показаны схематично), выполненные с возможностью их закрытия и открытия. Наружные створки 7 сопла, которые имеют окна 8, содержат управляемые с помощью приводов (на чертежах не показаны) заслонки 9.

При этом створка 3 сверхзвуковой части сопла может быть выполнена с одним окном 4 (см. фиг.5) или с несколькими окнами 4 (см. фиг.3) на ней. Наружная створка 7 сопла также может быть выполнена с одним окном 8 (см. фиг.3) или с несколькими окнами 8 (см. фиг.3) на ней.

Комбинация створок 3 сверхзвуковой части сопла, на которых могут быть выполнены окна 4, может быть различной, например окно или окна могут быть выполнены на каждой из створок, через одну створку, через две створки. Таким же образом могут быть выполнены окна 8 на наружных створках 7.

Использование данного устройства отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя позволяет повысить надежность и эффективность отклонения газового потока благодаря упрощению конструкции, повышению динамических характеристик устройства и ресурса его работы, а также снизить массу устройства и двигателя в целом за счет отсутствия в нем дополнительных клапанов, газоводов, наличие которых в других известных устройствах необходимо для обеспечения функционирования устройства по управлению газовым потоком.

Способ отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя осуществляется следующим образом.

Сначала изменяют угол раскрытия створок 3 сверхзвуковой части сопла до величины α21 (см. фиг.2), где α1 - угол раскрытия створок 3 сверхзвуковой части сопла при осевом истечении струи на выходе из сопла, δ - дополнительный угол раскрытия створок 3 сверхзвуковой части сопла. Дополнительный угол δ раскрытия створок сверхзвуковой части сопла равен сумме углов δ12. Угол раскрытия α1 створок сверхзвуковой части сопла при осевом истечении струи на выходе из сопла и при равенстве давлений газа на срезе сопла и воздуха окружающей атмосферы может составлять 4°-30°. При этом суммарный угол раскрытия створок сверхзвуковой части сопла α2 может составлять 5°-50°. В результате изменения угла раскрытия створок 3 сверхзвуковой части сопла происходит понижение давления pвн.бок, действующего на боковую поверхность (во внутренней полости) сверхзвуковой части сопла в зоне, расположенной между критическим сечением и выходным сечением сопла, которое становится ниже давления окружающей среды - атмосферного давления рн, действующего на внешнюю боковую поверхность сверхзвуковой части сопла в той же зоне. На этом режиме работы струя неустойчива, происходят «отрыв» струи от одной части боковой поверхности во внутренней полости сопла и «прилипание» струи к противоположной части боковой поверхности.

Затем при помощи управляемых заслонок 5 с приводами 6 открывают окна 4 на створках 3 сверхзвуковой части сопла для обеспечения подвода атмосферного воздуха во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла. При этом количество и расположение открытых окон 4 на сверхзвуковой части сопла могут быть различны и зависят от необходимого угла β отклонения струи на выходе из сопла, который может составлять до 25°. Например, открывают окна на створках, расположенных последовательно друг за другом, составляющих половину от общего числа створок 3 сверхзвуковой части сопла. В результате открытия окон атмосферный воздух поступает во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла. На боковую поверхность во внутренней полости сверхзвуковой части сопла, противоположную открытым окнам, действует пониженное давление рвн.бок, величина которого ниже атмосферного давления и составляет примерно 0,05...0,07 МПа (0,5...0,7 кг/см2). Разность давлений Δр=рнвн.бок, действующая на площадь Sбок боковой поверхности сверхзвуковой части сопла, создает боковую силу Рбок, действующую на двигатель и летательный аппарат. Сила Рбок является составляющей от общей тяги двигателя и может быть определена следующим образом:

Рбок=Δр·Sбок

или

Рбок=P·sinβ,

где Р - тяга двигателя, Рбок - боковая составляющая тяги, β - угол отклонения струи и вектора тяги.

Таким образом, поступающий во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла поток атмосферного воздуха воздействует на основную струю газа из двигателя и отклоняет ее на угол β.

Указанный диапазон суммарного угла раскрытия створок 3 сверхзвуковой части сопла α2, равный 5°-50°, является оптимальным диапазоном для эффективного управления летательным аппаратом за счет прилипания струи к боковой поверхности во внутренней полости сопла (эффект Коанда).

При α2<5° боковая составляющая тяги Рбок в этом случае составит всего 2% от тяги двигателя, а этого недостаточно для общего управления тягой летательного аппарата.

При α2>50° может возникнуть отрыв газового потока от боковой поверхности во внутренней полости сопла, что не позволит достичь газодинамического эффекта отклонения струи.

В таблице 1 приведены примеры величин углов α2, в зависимости от необходимого угла β отклонения струи на выходе из сопла.

Табл.1
Суммарный угол раскрытия створок сверхзвуковой части сопла α2Угол β отклонения струи на выходе из соплаPбок/P
5%
10°9%
30°15°26%
40°20°34%
49°24,5°41%

При наличии в устройстве наружных створок 7 сопла, имеющих окна 8, для обеспечения подвода атмосферного воздуха во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла, одновременно с открытием окон 4, открывают окна 8 при помощи управляемых заслонок 9.

При этом количество и расположение открытых окон 8 на наружных створках 7 могут быть различны и зависят от необходимого угла β отклонения струи на выходе из сопла. Например, открывают окна на створках, расположенных последовательно друг за другом, составляющих половину от общего числа створок 7 сопла.

Пример.

Была поставлена задача отклонить вектор тяги воздушно-реактивного двигателя на угол β=15° при следующих исходных данных для двигателя:

- расход газа через сопло двигателя G=190 кг/с;

- давление газа на входе в сопло рГ*=4,2 кг/см2;

- температура газа на входе в сопло ТГ*=2100К;

- площадь критического сечения сопла FКР=0,57 м2.

В результате проведенных расчетов, выполненных численными методами, было установлено, что для отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя на угол β=15° при угле раскрытия α1 створок сверхзвуковой части сопла, равном 4°, величина суммарного угла раскрытия α2 створок сверхзвуковой части сопла должна составлять 15°. При этом для подвода атмосферного воздуха во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла необходимо открыть окна на створках, расположенных друг за другом и составляющих половину от общей боковой поверхности сверхзвуковой части сопла. Давление рвн.бок, действующее на боковую поверхность, противоположную открытым окнам, во внутренней полости сверхзвуковой части сопла, составило 0,5 кг/см2. Угол β отклонения струи на выходе из сопла и соответственно вектора тяги воздушно-реактивного двигателя составил 15°.

Применение предложенного способа отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя позволяет повысить эффективность и надежность управления газовым потоком за счет упрощения конструкции, снижения затрат мощности на управление и повышения динамических характеристик устройства, а также повысить ресурс работы и снизить массу устройства и двигателя в целом.

1. Способ отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя, включающий обеспечение поступления газа во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла, состоящей из створок, а расход газа, поступающего во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла, выбирают в зависимости от необходимого угла β отклонения струи на выходе из сопла, отличающийся тем, что изменяют давление во внутренней полости сверхзвуковой части сопла путем изменения угла раскрытия створок сверхзвуковой части сопла, выполненных с возможностью перемещения и с окнами, по меньшей мере, на части из них, устанавливают величину суммарного угла раскрытия α21 створок сверхзвуковой части сопла, где α1 - угол раскрытия створок сверхзвуковой части сопла при осевом истечении струи на выходе из сопла и при равенстве давлений газа на срезе сопла и воздуха окружающей атмосферы, δ - дополнительный угол раскрытия створок сверхзвуковой части сопла, и обеспечивают подвод атмосферного воздуха во внутреннюю полость сверхзвуковой части сопла путем открытия окон, при этом количество и расположение открытых окон сверхзвуковой части сопла выбирают в зависимости от необходимого угла β отклонения струи на выходе из сопла.

2. Способ отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя по п.1, отличающийся тем, что суммарный угол раскрытия α2 створок сверхзвуковой части сопла составляет 5-50°.

3. Способ отклонения вектора тяги воздушно-реактивного двигателя по п.1, отличающийся тем, что окна на створках сверхзвуковой части сопла открывают при помощи управляемых заслонок.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к отклоняющей системе для газового потока в реактивном сопле летательного аппарата, например беспилотного летательного аппарата

Изобретение относится к авиационно-ракетной технике, в частности к устройствам для управления вектором тяги (УВТ) двигателя летательного аппарата (ЛА)

При создании силы тяги в реактивном двигателе в камере сгорания получают рабочее тело высокой температуры и давления и увеличивают его скорость в сужающейся дозвуковой части сопла до получения критической скорости с дальнейшим увеличением скорости потока рабочего тела в расширяющейся сверхзвуковой части сопла. В качестве стенок дозвуковой части сопла используют одну или несколько импульсных или стационарных струйных завес, вдуваемых в основной поток из камеры сгорания таким образом, что поток из камеры сгорания принимает в дозвуковой части сопла форму, идентичную той, что и в случае твердой стенки. Сопло полностью располагают внутри камеры сгорания таким образом, что выходные сечения камеры сгорания и сопла совпадают, а получившееся замкнутое пространство вокруг сверхзвуковой части сопла вакуумируют. Устройство создания силы тяги реактивного двигателя содержит камеру сгорания, насосы и форсунки для подачи окислителя и горючего, свечи для поджига топливной смеси, дозвуковую, звуковую и сверхзвуковую части реактивного сопла, пилоны для крепления сверхзвуковой части сопла к камере сгорания и вакуумный насос для создания разрежения в пространстве вокруг сверхзвуковой части сопла. Сопло полностью расположено внутри камеры сгорания, а дозвуковая часть сопла выполнена в виде струйной завесы, образуемой щелевыми соплами. Группа изобретений позволяет повысить величину осевой тяги реактивного двигателя. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к авиационной технике. Система подачи сжиженных азота, двуокиси углерода либо инертных газов к двигателям самолета или вертолета состоит из размещенных в корпусе самолета или вертолета емкостей со сжиженным азотом, двуокисью углерода либо инертным газом. От емкостей проложены трубопроводы, часть которых выходит к воздухозаборникам двигателей. Часть указанных трубопроводов проходит также к соплам двигателей самолета или вертолета. Система также содержит источник пассивных помех с ложными тепловыми целями. Изобретение повышает безопасность летательных аппаратов. 2 н.п. ф-лы.
Наверх