Конфузорно-диффузорное сверхзвуковое реактивное сопло турбореактивного двигателя
Конфузорно-диффузорное реактивное сопло турбореактивного двигателя содержит управляемые расходящиеся створки, ведомые расходящиеся створки, вставленные между упомянутыми управляемыми расходящимися створками, и средства, предназначенные для питания охлаждающим воздухом ведомых расходящихся створок. Ведомые расходящиеся створки имеют кессонную конструкцию с внутренней в радиальном направлении стенкой и наружной в радиальном направлении стенкой. Ведомые расходящиеся створки содержат боковые отверстия, предназначенные для подачи охлаждающего воздуха в направлении внутренней поверхности упомянутых управляемых расходящихся створок для их охлаждения. Изобретение позволяет повысить срок службы деталей расходящихся управляемых створок за счет их охлаждения, а также снизить инфракрасную заметность реактивного сопла самолета. 10 з.п. ф-лы, 7 ил.
Предлагаемое изобретение относится к конструкции конфузорно-диффузорного сверхзвукового реактивного сопла турбореактивного двигателя. Сверхзвуковые реактивные сопла такого типа, называемые в дальнейшем конфузорно-диффузорными реактивными соплами, обычно используются для оснащения турбореактивных двигателей сверхзвуковых военных самолетов.
На фиг.1 схематически представлено конфузорно-диффузорное реактивное сопло 1 известного типа. Это реактивное сопло с продольной осью Х содержит первый венец сходящихся створок 2 и второй венец расходящихся створок 4. Среди этих сходящихся створок 2 и расходящихся створок 4 различают управляемые или ведущие створки 2а, 4а и ведомые створки 2b, 4b.
Управляемые створки 2а, 4а этого реактивного сопла связаны с приводным механизмом 5, который обеспечивает возможность их перемещения. Этот приводной механизм обычно представляет собой систему рычагов, тяг, шаровых шарниров или кольцо, ролики или кулачки. Перемещение этих управляемых створок 2а, 4а позволяет изменять поперечное сечение выходного отверстия реактивного сопла 1 в функции условий полета и в этом смысле говорят о реактивном сопле с изменяемым поперечным сечением.
Ведомые створки 2b, 4b вставлены в промежутках между управляемыми створками и опираются, по одну и по другую стороны на уровне их боковых кромок, на внутреннюю в радиальном направлении поверхность управляемых створок 2а, 4а.
Таким образом, эти ведомые створки не связаны непосредственно с приводным механизмом и лишь отслеживают перемещения, осуществляемые управляемыми створками 2а, 4а.
В предлагаемом описании изобретения радиальное направление определяется как направление, перпендикулярное продольной оси Х данного реактивного сопла, и внутренняя поверхность того или иного элемента определяется как поверхность этого элемента, располагающаяся против упомянутой продольной оси X.
В процессе функционирования турбореактивного двигателя через реактивное сопло 1 проходит поток горячих газов, поступающий из форсажной камеры этого двигателя. Приводной механизм 5 управляемых створок 2а, 4а, изменяя поперечное сечение проходного отверстия реактивного сопла, позволяет увеличить или уменьшить скорость выброса газового потока на выходе из этого реактивного сопла.
Температура потока горячих газов, проходящих через конфузорно-диффузорное реактивное сопло, обычно является очень высокой, при этом было разработано множество систем охлаждения, предназначенных для ограничения нагревания внутренних в радиальном направлении поверхностей створок этого реактивного сопла.
В патенте US 5775589 описано конфузорно-диффузорное реактивное сопло, предназначенное для турбореактивных двигателей военных самолетов и содержащее расходящиеся ведомые створки, питаемые охлаждающим воздухом.
Поскольку этот охлаждающий воздух движется внутри упомянутых створок перед тем, как выйти наружу через отверстия, выполненные во внутренней стенке этих створок, в данном случае принято говорить о множественных перфорациях. Таким образом обеспечивается формирование защитной воздушной пленки на поверхности этой стенки, ограничивающей теплообмен между этой стенкой и упомянутым потоком горячих газов.
В соответствии с одним из способов осуществления управляемые расходящиеся створки не запитываются охлаждающим воздухом и не содержат множественной перфорации, причем только лишь средства, предназначенные для подачи воздуха на уровне горловины (то есть на уровне наименьшего поперечного сечения) данного реактивного сопла, предусмотрены для охлаждения этих створок. Однако такие средства оказываются недостаточными для надлежащего охлаждения управляемых расходящихся створок, в частности в зонах этих створок, удаленных от горловины данного реактивного сопла.
В данном изобретении предлагается усовершенствование охлаждения управляемых створок конфузорно-диффузорного реактивного сопла, в частности в том случае, когда его расходящиеся управляемые створки сами по себе не запитываются охлаждающим воздухом.
Для решения этой технической задачи предлагается конфузорно-диффузорное реактивное сопло турбореактивного двигателя, содержащее управляемые расходящиеся створки, ведомые расходящиеся створки, вставленные между упомянутыми управляемыми расходящимися створками, и средства, предназначенные для питания охлаждающим воздухом ведомых расходящихся створок, причем эти ведомые расходящиеся створки имеют кессонную конструкцию, обладающую внутренней в радиальном направлении стенкой и наружной в радиальном направлении стенкой. В соответствии с предлагаемым изобретением эти ведомые расходящиеся створки дополнительно содержат боковые отверстия, предназначенные для подачи охлаждающего воздуха в направлении внутренней поверхности управляемых расходящихся створок для их охлаждения.
Таким образом, в соответствии с предлагаемым изобретением часть охлаждающего воздуха, которым запитываются ведомые расходящиеся створки, используется для охлаждения внутренней поверхности управляемых расходящихся створок. Это оказывается особенно полезным в том случае, когда управляемые расходящиеся створки сами по себе не запитываются охлаждающим воздухом.
Охлаждение расходящихся управляемых створок, позволяет, с одной стороны, увеличить срок службы деталей этих створок, а с другой стороны, в случае военных операций, снизить инфракрасную заметность реактивного сопла самолета.
В соответствии с одним из способов осуществления предлагаемого изобретения наружная и внутренняя стенки створок реактивного сопла вставлены одна в другую на уровне их боковых поверхностей при сохранении возможности скольжения между ними.
Таким образом, в процессе функционирования турбореактивного двигателя механические напряжения, возникающие в толще створок, ослабляются, поскольку упомянутые стенки имеют возможность скользить друг относительно друга. Такие механические напряжения могут быть следствием, например, различия степени теплового расширения между внутренней и наружной стенками, возникающего в результате воздействия на стенки различных температур.
Кроме того, для оптимизации эксплуатационных характеристик конфузорно-диффузорного реактивного сопла желательно минимизировать утечки горячих газов между управляемыми расходящимися створками и ведомыми расходящимися створками. Для выполнения этого требования каждая ведомая створка должна иметь определенную гибкость на кручение, позволяющую боковым кромкам этой ведомой створки оставаться в механическом контакте с внутренней поверхностью двух окружающих ее управляемых створок даже в том случае, когда имеет место небольшое смещение между двумя этими створками, что становится достаточно частым состоянием по мере износа приводных систем этих створок. Эта гибкость на кручение улучшается благодаря возможности взаимного скольжения наружной и внутренней стенок относительно друг друга.
Кроме того, для улучшения механических контактов между боковыми кромками расходящихся ведомых створок и внутренней поверхностью управляемых расходящихся створок боковые концы наружных и внутренних стенок являются искривленными.
В соответствии с одним из способов осуществления предлагаемого изобретения каждая наружная и внутренняя стенка реактивного сопла имеет отверстия вдоль боковых концов. При этом отверстия, выполненные в одной из стенок, располагаются против отверстий, выполненных в другой стенке, в том случае, когда эти стенки вставлены одна в другую и формируют, таким образом, упомянутые боковые отверстия.
Предпочтительно, чтобы отверстия в одной из стенок имели поперечное сечение, превышающее поперечное сечение отверстий в другой стенке и чтобы отверстия наименьшего поперечного сечения всегда выходили внутрь отверстий наибольшего поперечного сечения при любом взаимном положении внутренней и наружной стенок. Это обстоятельство гарантирует наличие боковых отверстий в том случае, когда внутренняя и наружная стенки скользят относительно друг друга за счет теплового расширения или кручения створки.
В соответствии с одним из способов осуществления предлагаемого изобретения каждая внутренняя и наружная стенки ведомых расходящихся створок имеет, по меньшей мере, один вырез, выполненный в ее боковой периферийной части и открывающийся внутрь одного из упомянутых отверстий.
Такой вырез позволяет уменьшить механические напряжения в толще створки, связанные с тепловым расширением ее стенок или с кручением данной створки. В то же время, поскольку каждый вырез выходит внутрь одного из упомянутых отверстий, появление трещин на конце выреза исключается.
В соответствии с одним из способов осуществления предлагаемого изобретения каждая ведомая расходящаяся створка дополнительно содержит поперечину, располагающуюся между ее внутренней стенкой и ее наружной стенкой в плоскости симметрии этой створки. Эта поперечина подкрепляет конструкцию створки и позволяет ей сохранять свою форму даже в случае воздействия значительного давления на ее внутреннюю стенку со стороны потока горячих газов, проходящих через данное реактивное сопло.
Предлагаемое реактивное сопло отличается тем, что каждая ведомая расходящаяся створка дополнительно содержит направляющую, жестко связанную с наружной стенкой упомянутой створки, причем поперечное сечение упомянутой поперечины имеет по существу I-образную форму или форму двутавровой балки, а основание этой поперечины закреплено на внутренней стенке этой створки и ее верхняя часть имеет возможность скользить в упомянутой направляющей.
Такая конструкция обеспечивает возможность движения внутренней стенки данной створки по отношению к ее наружной стенке. Таким образом достигается подкрепление конструкции створки при сохранении ее гибкости.
В соответствии с одним из способов осуществления предлагаемого изобретения внутренняя в радиальном направлении стенка ведомых расходящихся створок дополнительно содержит отверстия, сквозь которые может проходить охлаждающий воздух. Это позволяет создать защитную воздушную пленку на поверхности створки.
В соответствии с другим способом осуществления предлагаемого изобретения упомянутые управляемые расходящиеся створки не запитываются охлаждающим воздухом и их охлаждение обеспечивается, таким образом, только путем использования боковых отверстий, выполненных на ведомых створках.
Данный способ осуществления существенно упрощает конструкцию конфузорно-диффузорного реактивного сопла, поскольку он позволяет реализовать управляемые расходящиеся створки, не имеющие полой конструкции в виде кессона, необходимой для прохождения охлаждающего воздуха. Напротив, можно реализовать створки, имеющие так называемую конструкцию простой обшивки, то есть конструкцию с единственной стенкой. При этом можно легко связать управляемые створки этого типа с приводными органами, которые обеспечивают управление этими створками.
Другие характеристики и преимущества предлагаемого изобретения приводятся ниже в рамках описания предпочтительного способа его осуществления со ссылками на приведенные в приложении фигуры, в числе которых
Фиг.1 представляет собой схематический вид в изометрии конфузорно-диффузорного реактивного сопла, выполненного в соответствии с существующим уровнем техники;
Фиг.2 представляет собой схематический вид в поперечном разрезе ведомой расходящейся створки реактивного сопла в соответствии с предлагаемым изобретением;
Фиг.3 и 4 представляют собой детальные схематические виды боковых отверстий створки, показанной на фиг.2;
Фиг.5 представляет собой схематический вид в изометрии изнутри реактивного сопла части системы расходящихся створок этого реактивного сопла в соответствии с предлагаемым изобретением;
Фиг.6 представляет собой схематический вид в изометрии конфузорно-диффузорного реактивного сопла в соответствии с предлагаемым изобретением;
Фиг.7 представляет собой схематический вид в половинном осевом разрезе конфузорно-диффузорного реактивного сопла в соответствии с предлагаемым изобретением.
Конструкция реактивного сопла в соответствии с предлагаемым изобретением в целом подобна конструкции реактивного сопла, схематически представленного на фиг.1 и описанного выше.
Реактивное сопло 1 содержит сходящиеся створки 2 и расходящиеся створки 4, причем в данном случае различают управляемые расходящиеся створки 4а и ведомые расходящиеся створки 4b. Каждая ведомая расходящаяся створка 4b опирается на две смежные с ней управляемые расходящиеся створки в зоне, располагающейся на уровне ее боковых кромок.
Управляемые расходящиеся створки 4а шарнирно закреплены своими передними по потоку концами на задних по потоку концах сходящихся управляемых створок 2а, и расходящиеся ведомые створки 4b также шарнирно закреплены своими передними по потоку концами на задних по потоку концах сходящихся ведомых створок 2b.
Каждая ведомая расходящаяся створка 4b представляет собой конструкцию кессонного типа и имеет, по существу, трапециевидное поперечное сечение, показанное на фиг.2, и содержит внутреннюю в радиальном направлении стенку 6 и наружную в радиальном направлении стенку 8.
Боковые концы 8 а наружной стенки 8 и боковые концы 6а внутренней стенки 6 выполнены изогнутыми, и кривизна этих боковых концов 6а и 8а выбирается таким образом, чтобы внутренняя и наружная стенки 6 и 8 могли быть вставлены одна в другую, причем концы внутренней стенки 6а перекрывают или охватывают концы наружной стенки 8.
В то же время боковые концы 6а внутренней стенки 6 образуют направляющую для боковых концов 8а наружной стенки 8, за счет чего стенки имеют возможность скользить относительно друг друга в осевом направлении.
Боковые кромки створки 46 сформированы, таким образом, взаимным перекрытием боковых концов ее внутренней 6 и наружной 8 стенок.
Ведомая створка 4b снабжена также несколькими поперечинами 20, равномерно распределенными вдоль этой створки и располагающимися между внутренней стенкой 6 и наружной стенкой 8 в плоскости симметрии этой створки.
Поперечина 20 образована прямолинейной стенкой, соединенной с основанием и с верхней частью, располагающимися перпендикулярно к этой стенке, причем поперечное сечение этой поперечины имеет в целом I-образную форму или форму двутавровой балки. Основание поперечины закреплено, при помощи сварки, пайки или с использованием любого другого подходящего в данном случае средства крепления, на внутренней стенке 6 данной створки. Верхняя часть поперечины 20 состоит из двух ветвей 20а, которые отходят с каждой стороны от стенки поперечины 20 в направлении, перпендикулярном к этой стенке.
На наружной стенке 8 створки закреплена осевая направляющая 22, в которой выполнена щель 24, проходящая вдоль плоскости симметрии данной створки. Ширина этой щели 24 превышает толщину стенки поперечины 20, и эта поперечина 20, таким образом, имеет возможность скользить в направляющей 22 вдоль упомянутой щели. Ветви 20а поперечины 20 проходят между направляющей 22 и наружной стенкой 8 и способны входить в упор в той или иной из этих элементов для ограничения сближения или отдаления друг от друга внутренней стенки 6 и наружной стенки 8 данной створки, вследствие чего повышается устойчивость формы данной створки.
Как показано на фиг.3 и 4, внутренняя и наружная стенки 6, 8 створки содержат, каждая, отверстия 12, 14, располагающиеся вдоль их боковых концов 6а, 8а на одинаковых расстояниях друг от друга.
В том случае, когда стенки 6 и 8 вставлены одна в другую, отверстия 14 наружной стенки 8 располагаются против отверстий 12 внутренней стенки 6 и формируют таким образом сквозные боковые отверстия в конструкции ведомой створки 4b.
Отверстия 12 наружной стенки 8 имеют удлиненную форму, и их поперечное сечение превышает поперечное сечение круглых отверстий 14 внутренней стенки 6. Размеры и форма удлиненных отверстий 12 выбирают таким образом, чтобы круглые отверстия 14 никогда не оказывались перекрытыми, даже в том случае, когда наружная стенка 8 и внутренняя стенка 6 расширяются под действием температуры различным образом и/или в том случае, когда ведомая створка 4b подвергается кручению, вызывающему взаимное перемещение двух этих стенок 6 и 8 относительно друг друга.
В то же время внутренняя и наружная стенки 6, 8 снабжены соответственно вырезами 16 и 18, располагающимися через равномерные интервалы вдоль их боковых концов 6а и 8а. Эти вырезы 16 и 18 начинаются на кромке боковых концов 6а, 8а, проходят перпендикулярно к этой кромке и выходят на уровне отверстий 12 и 14, выполненных в каждой из стенок 6 и 8.
Как показано на фиг.2 и 5, внутренняя стенка 6 ведомых створок 4b содержит многочисленные отверстия 26, выполненные в ее центральной части. При этом говорят о мультиперфорации этой стенки.
Как следует из фиг.5, 6 и 7, в том случае, когда управляемые створки 4а сами по себе не запитываются охлаждающим воздухом и когда только ведомые створки запитываются этим охлаждающим воздухом, охлаждение расходящихся створок описанного выше реактивного сопла осуществляется следующим образом.
Охлаждающий воздух поступает в ведомые расходящиеся створки 4b из коллектора, не показанного на приведенных в приложении фигурах и установленного перед данным реактивным соплом по отношению к направлению течения потока горячих газов, проходящих через это сопло. Отобранный из коллектора воздух направляется к ведомым расходящимся створкам 4b, как показано на фиг.7, проходя при этом под защитной тепловой рубашкой 30 турбореактивного двигателя, располагающейся по потоку перед реактивным соплом, и через систему трубопроводов 32. Затем этот охлаждающий воздух движется внутри конструкции расходящихся створок 4b кессонного типа и выходит наружу через отверстия 26 и боковые отверстия 12, 14 этих створок 4b.
Холодный воздух, выходящий через отверстия 26 в направлении, показанном на приведенных в приложении фигурах стрелками F, позволяет ограничить нагревание внутренней стенки 6 ведомых расходящихся створок 4b, создавая пленку охлаждающего воздуха на внутренней поверхности этой стенки.
Холодный воздух, выходящий через боковые отверстия 12, 14 в направлениях, показанных на приведенных в приложении фигурах стрелками F', направляется по окружности к внутренней поверхности управляемых расходящихся створок 4а и позволяет прежде всего охладить эту поверхность в результате соударения. Затем этот охлаждающий воздух создает защитную пленку на внутренней поверхности управляемых расходящихся створок 4а, что позволяет уменьшить теплообмен между горячими газами, проходящими через данное реактивное сопло, и этими створками 4а, вследствие чего ограничивается нагревание этих створок.
1. Конфузорно-диффузорное реактивное сопло турбореактивного двигателя, содержащее управляемые расходящиеся створки (4а), ведомые расходящиеся створки (4b), вставленные между упомянутыми управляемыми расходящимися створками, и средства (32), предназначенные для питания охлаждающим воздухом ведомых расходящихся створок (4b), причем эти ведомые расходящиеся створки (4b) имеют кессонную конструкцию с внутренней в радиальном направлении стенкой (6) и наружной в радиальном направлении стенкой (8), отличающееся тем, что эти ведомые расходящиеся створки содержат боковые отверстия, предназначенные для подачи охлаждающего воздуха в направлении внутренней поверхности упомянутых управляемых расходящихся створок (4а) для их охлаждения.
2. Реактивное сопло по п.1, отличающееся тем, что наружная (8) и внутренняя (6) стенки створки вставлены одна в другую на уровне их боковых концов при сохранении возможности их скольжения относительно друг друга.
3. Реактивное сопло по п.2, отличающееся тем, что упомянутые боковые концы наружных (8) и внутренних (6) стенок являются искривленными.
4. Реактивное сопло по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что наружная (8) и внутренняя (6) стенки снабжены отверстиями (12, 14), располагающимися вдоль их боковых концов, причем отверстия (12) одной из стенок (8) располагаются против отверстий (14) в другой стенке (6) в том случае, когда эти стенки вставлены одна в другую и формируют таким образом упомянутые боковые отверстия.
5. Реактивное сопло по п.4, отличающееся тем, что отверстия (12) в одной из стенок (8) имеют поперечное сечение, превышающее поперечное сечение отверстий (14) в другой стенке (6).
6. Реактивное сопло по п.4, отличающееся тем, что отверстия (12) в одной из стенок (8) имеют удлиненную форму, тогда как отверстия (14) в другой стенке (6) имеют круглую форму.
7. Реактивное сопло по п.4, отличающееся тем, что каждая наружная (8) и внутренняя (6) стенки имеет, по меньшей мере, один вырез (16, 18), выполненный на ее боковой периферийной части и выходящий внутрь одного из упомянутых отверстий (12, 14).
8. Реактивное сопло по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что каждая ведомая расходящаяся створка (4b) дополнительно содержит поперечину (20), располагающуюся между ее внутренней стенкой (6) и ее наружной стенкой (8) в плоскости симметрии этой створки.
9. Реактивное сопло по п.8, отличающееся тем, что каждая ведомая расходящаяся створка (4b) дополнительно содержит направляющую (22), жестко связанную с наружной стенкой (8) упомянутой створки, причем поперечное сечение упомянутой поперечины (20) имеет, по существу, I-образную форму или форму двутавровой балки, а основание этой поперечины закреплено на внутренней стенке (6) этой створки и ее верхняя часть выполнена с возможностью скольжения в упомянутой направляющей (22).
10. Реактивное сопло по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что внутренняя в радиальном направлении стенка (6) ведомых расходящихся створок (4b) дополнительно содержит отверстия (26), сквозь которые может проходить охлаждающий воздух.
11. Реактивное сопло по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что упомянутые управляемые расходящиеся створки (4а) не запитываются охлаждающим воздухом.
