Патент на изобретение №2386049

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАЧИ ОХЛАЖДАЮЩЕГО ВОЗДУХА К СТВОРКАМ ВЫХОДНОГО СОПЛА, ВЫХОДНОЕ СОПЛО ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ И ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СНАБЖЕННЫЙ ТАКИМ УСТРОЙСТВОМ

(57) Реферат:

Устройство для подачи охлаждающего воздуха к створке выходного сопла турбореактивного двигателя содержит трубу, соединяющую створку с источником охлаждающего воздуха. Труба включает, по меньшей мере, один телескопический участок и, по меньшей мере, одно шаровое шарнирное соединение так, что она способна следовать движениям створки относительно источника охлаждающего воздуха. Другое изобретение группы относится к выходному соплу турбореактивного двигателя, содержащему, по меньшей мере, одну створку и устройство для подачи охлаждающего воздуха к створке, указанное выше. Еще одно изобретение относится к турбореактивному двигателю, содержащему выходное сопло переменного сечения, снабженное устройством для подачи охлаждающего воздуха, указанным выше. Изобретение позволяют упростить подачу охлаждающего воздуха к расширяющимся створкам выходного сопла. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

Настоящее изобретение касается устройства для подачи охлаждающего воздуха к створке выходного сопла в турбореактивном двигателе.

Турбореактивный двигатель в нижней по потоку части своей турбины содержит выходной канал, включающий выходной корпус и выходное сопло. Роль выходного канала состоит в том, чтобы преобразовывать энергию остаточного давления при выходе из турбины в кинетическую энергию посредством расширения газообразных продуктов сгорания.

Часто используют выходные сопла с переменным сечением для того, чтобы приспосабливать сечение к работе двигателя. Выходные сопла с переменным сечением используются в турбореактивных двигателях с промежуточным подогревом или без него. Подогрев или дополнительное сжигание состоит из впрыскивания топлива в выходной канал для того, чтобы вызвать сгорание газа, выходящего из турбины и все еще содержащего кислород, таким образом увеличивая тягу турбореактивного двигателя.

Выходные сопла с переменным сечением могут быть разных типов, в частности, они могут быть осесимметричными, двумерными или поворотными. Изобретение применимо ко всем типам выходных сопел, а более конкретно, к осесимметричным выходным соплам Лаваля, верхняя по потоку часть которых является сужающейся, а нижняя по потоку часть – расширяющейся, для турбореактивного двигателя с дополнительным сжиганием.

Осесимметричные выходные сопла Лаваля используются в сверхзвуковых установках, скорость сверхзвукового газа увеличивается в расширяющемся выходном сопле. Они состоят из множества створок, расположенных по кольцу для получения круглого сечения и частично перекрывающих друг друга. Одна из каждых двух створок, называемая управляемой створкой, приводится в действие подъемным устройством, в то время как между двумя управляемыми створками находится сервостворка, приводимая в действие управляемыми створками.

Во время дополнительного сжигания температура газов может достигать приблизительно 2000°С. Охлаждение створок выходного сопла необходимо, во-первых, для того, чтобы увеличить их срок службы, а во-вторых, для того, чтобы снизить инфракрасную тепловую характеристику, которая должна быть минимальной при применении в военных целях.

В предшествующем уровне техники, в частности в документах US 5255849 и US 5775589, предлагается охлаждающее устройство, осуществляющее охлаждение посредством циркуляции воздуха вдоль внутренней стенки створок, которые являются полыми. Подача воздуха к расширяющимся створкам включает в себя полукруглые трубы, одна выступает наружу от створки сужающейся части выходного сопла, другая выступает наружу от створки расширяющейся части выходного сопла и входит в первую так, что полости соответствующих створок сообщаются. Поэтому охлаждающий воздух, выходящий из вторичного потока турбореактивного двигателя, используется сначала для охлаждения сужающейся створки, а затем для охлаждения расширяющейся створки посредством вышеупомянутых труб. Трубы имеют один и тот же центр и радиус кривизны и поэтому могут перемещаться одна в другой для того, чтобы компенсировать изменения угла между двумя частями выходного сопла, когда приведены в действие подъемные устройства.

Однако в этом охлаждающем устройстве охлаждающий воздух для расширяющихся створок выводится из сужающихся створок и поэтому уже был использован для охлаждения последних. Предпочтительнее подавать охлаждающий воздух непосредственно на расширяющиеся створки для повышения эффективности. Однако невозможно использовать трубы описанного выше типа, одна из которых выступает наружу от расширяющейся створки, а другая – за полость двигателя, в которую подается вторичный поток охлаждающего воздуха, поскольку между расширяющейся створкой и частью двигателя, которая не является сужающейся створкой, движение не является просто вращательным. Кроме того, требуемый объем слишком велик в той части двигателя, которая имеет ограниченное пространство.

Задачей настоящего изобретения является преодоление этих недостатков.

Для решения вышеуказанных задач создано устройство для подачи охлаждающего воздуха к створке выходного сопла турбореактивного двигателя, содержащее трубу, соединяющую створку с источником охлаждающего воздуха, причем труба содержит по меньшей мере один телескопический участок, где труба содержит по меньшей мере одно шаровое шарнирное соединение. Створка является сервоуправляемой расширяющейся створкой выходного сопла Лаваля. Предпочтительно труба содержит два шаровых шарнирных соединения и телескопический участок. При этом телескопический участок расположен между двумя шаровыми шарнирными соединениями. Предпочтительно телескопический участок также работает как насос. Источник охлаждающего воздуха содержит трубу на периферии корпуса выходного канала турбореактивного двигателя, забирая воздух из вторичного потока турбореактивного двигателя.

Также предложен турбореактивный двигатель, содержащий выходное сопло переменного сечения, снабженное вышеуказанным устройством для подачи охлаждающего воздуха. При этом выходное сопло относится к одной из следующих групп выходных сопел: сужающиеся выходные сопла, выходные сопла Лаваля, двумерные выходные сопла, поворотные выходные сопла.

Под вышеуказанным шаровым шарнирным соединением подразумевается механическое соединение, имеющее степени свободы только при вращении. Предпочтительно шаровое шарнирное соединение содержит три степени вращения, но оно может быть сконструировано так, чтобы иметь только одну или две.

При использовании данного изобретения можно достичь простой подачи охлаждающего воздуха к расширяющимся створкам выходного сопла без рабочих механических связей независимо от источника, с которым соединены створки.

Устройство для подачи также приспособлено к любому типу выходного сопла; в частности, как указывалось выше, можно подавать охлаждающий воздух к створкам сужающегося осесимметричного выходного сопла, сужающимся или расширяющимся створкам осесимметричного выходного сопла Лаваля, створкам двумерного выходного сопла или створкам поворотного выходного сопла. Преимуществ много как в отношении монтажа устройства для подачи согласно изобретению, так и его изготовления, последнее может быть стандартизировано для всех типов выходных сопел. В частности, с устройством для подачи согласно изобретению также возможно соединить сужающиеся створки выходного сопла Лаваля с его расширяющимися створками как в предшествующем уровне техники, но более простым способом, поскольку обработка частей требует меньшей точности, чем в том случае, когда центры и радиусы кривизны должны быть строго идентичны для того, чтобы избежать каких-либо напряжений или трения.

Кроме того, труба устройства для подачи согласно изобретению из-за своей конструкции поглощает напряжения от вибраций и расширение, связанные с работой турбореактивного двигателя.

Изобретение будет более понятно с нижеследующим описанием предпочтительного варианта осуществления устройства для подачи согласно изобретению со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

– фиг.1 представляет собой выходное сопло турбореактивного двигателя, оснащенное предпочтительным вариантом осуществления устройства для подачи согласно изобретению, вид спереди;

– фиг.2 представляет собой сечение устройства для подачи на фиг.1 в первом положении, вид сбоку;

– фиг.3 представляет собой сечение устройства для подачи на фиг.2 во втором положении, вид сбоку;

– фиг.4 представляет собой вид в перспективе устройства для подачи на фиг.2, и

– фиг.5 представляет собой вид в перспективе устройства для подачи на фиг.3.

Обращаясь к фиг.1, устройство для подачи согласно изобретению в предпочтительном варианте осуществления размещено на осесимметричном выходном сопле 1 Лаваля турбореактивного двигателя с дополнительным сжиганием. Выходное сопло 1 установлено на нижней по потоку части корпуса 2 выходного канала турбореактивного двигателя. Выходное сопло 1 содержит сужающиеся створки, или управляемые 10 или сервоуправляемые 11, и расширяющиеся створки, или управляемые 20 или сервоуправляемые 21.

Сужающиеся створки 10, 11 присоединены, вверху по потоку, к корпусу 2 посредством шарниров 10′, 11′ соответственно, вокруг которых они могут поворачиваться, при этом каждый шарнир 10′, 11′ проходит вдоль оси, перпендикулярной оси выходного сопла 1. Внизу по потоку они присоединены посредством шарниров 10”, 11” соответственно к расширяющимся створкам 20, 21. Каждый нижний по потоку шарнир 10”, 11” в плоскости створки 10, 11, к которой он относится, является параллельным соответствующему верхнему по потоку шарниру 10′, 11′.

Сужающиеся створки 10, 11 расположены по кольцу вокруг оси выходного сопла 1 так, чтобы образовать круглое сечение, управляемые створки 10 и сервостворки 11 размещены с чередованием по окружности кольца. Каждая управляемая створка 10 управляется тягой 12, приводимой в действие для того, чтобы заставить створку 10 вращаться вокруг оси ее верхнего по потоку шарнира 10′. Когда тяги 12 приведены в действие, управляемые створки 10 вращаются и приводят в действие с возможностью вращения сервоуправляемые створки 11, каждая сервоуправляемая створка 11 окружена двумя управляемыми створками 10.

Расширяющиеся створки 20, 21 также расположены по кольцу вокруг оси турбины и присоединены на своей верхней по потоку стороне шарнирами 10”, 11” к сужающимся створкам 10, 11. Каждая управляемая расширяющаяся створка 20 присоединена к управляемой сужающейся створке 10, а каждая сервоуправляемая расширяющаяся створка 21 присоединена к сервоуправляемой сужающейся створке 11. Так же, как кольцо сужающихся створок, кольцо расширяющихся створок состоит из чередующихся управляемых створок 20 и сервостворок 21.

Управляемые расширяющиеся створки 20 управляются тягами 22 способом, хорошо известным специалистам в данной области. Каждая сервоуправляемая расширяющаяся створка 21 расположена между двумя управляемыми расширяющимися створками 20, она следует движениям, накладываемым управляемыми створками 20. Движения расширяющихся створок 20, 21 являются не простыми поворотами, а комбинацией поворотов вокруг шарниров 10”, 11” и вращательных движений вокруг шарниров 10′, 11′.

В варианте осуществления изобретения, показанном на чертежах, сервоуправляемые расширяющиеся створки 21 являются полыми, тогда как управляемые расширяющиеся створки 20 являются сплошными. Упомянутая конструкция выбрана, поскольку управляемые расширяющиеся створки 20, в зависимости от желательного сечения выходного сопла 1, частично или полностью перекрывают сервоуправляемые расширяющиеся створки 21, и вследствие этого определяющим является охлаждение последних. Однако, если здесь изобретение применяется для трубы, используемой для охлаждения сервоуправляемых расширяющихся створок, оно, очевидно, применимо также к любому типу створок, управляемых расширяющихся, сужающихся или иных, независимо от вида выходного сопла или типа управления створками. В рассматриваемом случае в соответствии с данным вариантом осуществления изобретения управляемые расширяющиеся створки 20 являются полыми, и охлаждающий воздух подается посредством тяг 12, управляющих управляемыми сужающимися створками 10, каждая тяга выполнена полой, соединена в своей верхней по потоку части с источником охлаждения и прикреплена в своей нижней по потоку части к управляемой сужающейся створке 10 для приведения ее в действие, а также входит в верхнюю по потоку часть управляемой расширяющейся створки 20 для подачи в нее охлаждающего воздуха.

Обращаясь к фиг.2, труба 30 выходит в каждую сервоуправляемую расширяющуюся створку 21. Эта труба используется для подачи охлаждающего воздуха в полость 23 в толще створки 21. Этот воздух посредством трубы 30 согласно изобретению может быть взят из различных верхних по потоку частей двигателя, например из компрессора. Трубы 31 на периферии турбореактивного двигателя делают возможным направление охлаждающего воздуха из места, где он взят, вплоть до краев выходного сопла 1, образуя источник охлаждающего воздуха для этого сопла. Эти источники охлаждающего воздуха труб 31 вводят в окрестности выходного сопла 1, а именно в этом случае под прямыми углами к сервоуправляемым сужающимся створкам 11. Трубы 31 воздуха расположены во взаимосвязи с внутренними полостями 23 сервоуправляемых расширяющихся створок 21 посредством труб 30, которые способны следовать всем движениям створок по отношению к трубам 31, закрепленным по отношению к корпусу 2 выходного сопла 1. Эти движения являются комбинацией различных элементарных движений и поэтому являются сложными.

Трубы 31 вблизи сужающихся створок 10, 11 содержат разделительное сопло, делающее возможным направить часть охлаждающего воздуха к сужающимся створкам 10, 11, их охлаждение обеспечивается просто отверстием вблизи этих створок 10, 11, через которое может войти воздух для того, чтобы охладить внутреннюю поверхность этих створок 10, 11, а другая часть воздуха направляется к трубам 30, ведущим в сервоуправляемые расширяющиеся створки 21.

В соответствии с конкретным вариантом осуществления изобретения, в котором к управляемым расширяющимся створкам 20 охлаждающий воздух подается посредством тяг 12, приводящих в действие управляемые сужающиеся створки 10, эти тяги 12 также ведут вверх по потоку в источник 31 охлаждающего воздуха, охлаждающий воздух направляется, во-первых, к тягам 12, а во-вторых, к управляемым сужающимся створкам 10 тем же способом, как описанный ранее.

Так, чтобы они могли следовать любому движению, каждая труба 30 содержит телескопический участок 32 и два шаровых шарнирных соединения 33, 34, одно из них 33, соединяющее трубу 30 с трубами 31, а другое – соединяющее трубу 30 с внутренней полостью 23 сервоуправляемой расширяющейся створки 21 посредством участка 35 трубы, выступающего за плоскость створки 21. Телескопический участок 32 расположен между двумя шаровыми шарнирными соединениями 33, 34.

Телескопический участок 32 образован из двух частей 32А, 32В, способных перемещаться внутри друг друга на одном конце. На другом конце каждая часть трубы 32А, 32В содержит головку, имеющую участок со сферической внешней поверхностью 32А’, 32В’. Головка 32А’ вставлена в трубу 31. Эта труба 31 содержит концевой участок со сферической внутренней поверхностью 31′, в которую помещается головка 32А’. Вместе участок 31′ и сферическая головка 32А’ образуют шаровой шарнир 33. Труба зафиксирована по оси, но может вращаться по отношению к элементу 31. Головка 32В’ вставлена в трубчатый элемент 35. Этот элемент 35 содержит концевой участок со сферической внутренней поверхностью 35′, в которую помещена головка 32В’. Вместе участок 35′ и сферическая головка 32В’ образуют шаровое шарнирное соединение 34. Труба зафиксирована по оси, но способна вращаться по отношению к элементу 35.

На фиг.3 труба 30 находится в другом положении, следующим за приведением в действие тягами 12, 22, и, следовательно, за изменением положения створок 10, 11, 20, 21. Для поддержания сообщения между источником охлаждающего воздуха труб 31 и участком трубчатого элемента 35, выступающим за створку 21, труба 30 приспосабливается к новому положению створки 21 по отношению к трубам 31 и следует движению посредством вращения вокруг шариковых шарниров 33, 34 и в этом случае удлиняется на телескопическом участке 32.

В другом варианте осуществления изобретения верхняя по потоку головка 32А’ принимает участие тем же способом, как и прежде, в образовании шарового шарнира с тремя степенями свободы и вставляется в концевой участок со сферической внутренней поверхностью 31′ трубы 31, верхней по потоку стороной, за счет чего фиксируясь по оси по отношению к ней. Нижняя по потоку головка 32В’ выполнена взаимосвязанной с участком 35′ со сферической внутренней поверхностью трубчатого элемента 35 или трубы 35, объединенной с расширяющейся створкой 21, посредством штифта, поперечного оси турбореактивного двигателя, проходящего через нижнюю по потоку головку 32В’ и трубчатый элемент 35. Следовательно, нижняя по потоку головка 32В’ зафиксирована по оси этим штифтом и может вращаться вокруг него; в этом случае шаровое шарнирное соединение 34 имеет только одну степень свободы.

Труба 30 имеет такие размеры, что диапазон длин, на которые может удлиняться ее телескопический участок 32, и диапазон углов, которые могут принимать шаровые шарнирные соединения 33, 34, достаточны для того, чтобы следовать всем положениям, которые могут принимать створки.

На фиг.2 и 3 стрелки показывают маршрут охлаждающего воздуха от источников 31 воздуха к створкам 21.

Удаление охлаждающего воздуха может быть произведено различными способами: например, воздух может быть удален через задний край створок 21 или через отверстия в горячей или внутренней поверхности этих створок так, чтобы быть непосредственно впрыснутым в газовый поток. Удаление не показано на чертежах.

Телескопический участок 32 может быть выполнен так, чтобы работать в качестве насоса, например, через зазор между телескопическими трубами он может втягивать воздух так, чтобы часть воздуха снаружи трубы 30 могла быть перемещена и смешана с охлаждающим воздухом, циркулирующим в трубе 30.

На фиг.4 и 5 показан вид двух положений на фиг.2 и 3 в перспективе. Они более ясно показывают причины, по которым в предпочтительном варианте осуществления изобретения только сервоуправляемые расширяющиеся створки снабжены трубами 30; во-первых, из-за того, что управляемые створки 20 перекрывают сервоуправляемые створки 21, последние образуют экран между управляемыми створками и потоком горячего газа, а во-вторых, по причинам свободного пространства проще разместить трубы 30 над сужающимися створками 11, которые не управляются тягами 12.

Следует напомнить, однако, что трубы 30 согласно изобретению могут быть применены ко всем типам створок выходных сопел.

Формула изобретения

1. Устройство для подачи охлаждающего воздуха к створке (21) выходного сопла (1) турбореактивного двигателя, содержащее трубу (30), соединяющую створку (21) с источником охлаждающего воздуха (31), причем труба (30) содержит по меньшей мере один телескопический участок (32), отличающееся тем, что труба (30) содержит по меньшей мере одно шаровое шарнирное соединение (33, 34), так что она способна следовать движениям створки (21) относительно источника охлаждающего воздуха (31).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что створка (21) является сервоуправляемой расширяющейся створкой (21) выходного сопла Лаваля.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что труба (30) содержит два шаровых шарнирных соединения (33, 34) и телескопический участок (32).

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что телескопический участок (32) расположен между двумя шаровыми шарнирными соединениями (33, 34).

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что телескопический участок (32) также работает как насос.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник охлаждающего воздуха содержит трубу (31) на периферии корпуса (2) выходного канала турбореактивного двигателя, забирая воздух из вторичного потока турбореактивного двигателя.

7. Выходное сопло турбореактивного двигателя, содержащее по меньшей мере одну створку (21) и устройство для подачи охлаждающего воздуха (30) к створке (21) по п.1.

8. Турбореактивный двигатель, содержащий выходное сопло (1) переменного сечения, снабженное устройством для подачи охлаждающего воздуха по п.1.

9. Турбореактивный двигатель по п.8, в котором выходное сопло относится к одной из следующих групп выходных сопел: сужающиеся выходные сопла, выходные сопла Лаваля, двумерные выходные сопла, поворотные выходные сопла.

РИСУНКИ