Патент на изобретение №2182672

(54) ВЫХОДНОЕ ДВУХМЕРНОЕ СОПЛО ДЛЯ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

(57) Реферат:

Выходное двухмерное сопло для воздушно-реактивного двигателя содержит корпус с боковыми стенками и расположенные между ними поворотные вокруг горизонтальных осей верхнюю и нижнюю створки, центральное тело изменяемой геометрии, привод поворота створок и привод изменения геометрии центрального тела. Ось вращения створок смещена от передней к задней части, створки выполнены в виде полых коробчатых панелей с входной и выходной щелями, соединенными между собой сквозными каналами. Выходные щели расположены не ближе критического сечения сопла. В исходном положении щели утоплены относительно внутренней поверхности корпуса сопла. При повороте створок относительно исходного положения входные щели выступают над наружной поверхностью сопла, наружный воздух проходит внутри створок и подмешивается к выходящим газам. Одновременно с поворотом створок механизм синхронизации изменяет геометрию центрального тела, обеспечивая при этом скорость истечения газа из сопла равной или меньшей, чем при исходном положении створок. При повороте створок до контакта задней части каждой створки с наружной поверхностью центрального тела выходящие газы обтекают створки и выходят в образовавшиеся окна под определенным углом навстречу движению самолета, а истечение газа на выходе из сопла практически отсутствует, то есть скорость истечения становится близкой к нулю. Изобретение обеспечивает при пробеге по взлетно-посадочной полосе и на малых скоростях полета снижение уровня шума на режимах шумоглушения и реверсирование тяги, когда это необходимо. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области авиации и, в частности, к соплам воздушно-реактивных двигателей.

Наряду с требованиями малого удельного расхода топлива, высокой удельной тяги и удельной массы, предъявляемых к двигателям всех назначений, от двигателей гражданской авиации требуется также низкий уровень шума.

Известны двигатели, в которых для уменьшения уровня шума используется подмешивание через щели холодного воздуха из окружающей среды в выходящие из сопла газы (см. Патент США 3837579 по кл. МКИ F 02 K 1/12, НКИ FIJ, завл. 09.07.73 г., опубл. 09.07.76 г.). Такого типа устройства малоэффективны, так как забор воздуха из окружающей среды производится из пограничного слоя, то есть практически без использования скоростного напора.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому является выходное двухмерное сопло, описанное в патенте США 4026472 по кл. МКИ В 64 D 33/04, НКИ 239-127.3, заявл. 12.11.68 г., опубл. 31.05.77 г. Это сопло содержит корпус с боковыми стенками и расположенные между ними поворотные вокруг горизонтальных осей верхнюю и нижнюю створки, центральное тело изменяемой геометрии, привод поворота створок и привод изменения геометрии центрального тела.

В известном выходном сопле снижение уровня шума осуществляется также путем подмешивания более холодного воздуха в горячие газы, выходящие из сопла. Однако привод поворота створок и привод изменения геометрии центрального тела не связаны между собой синхронной связью, что значительно уменьшает эффективность снижения уровня шума, так как подмешивание более холодного воздуха в проточную часть двигателя без корректировки критического сечения сопла может привести к перестройке работы двигателя и к увеличению скорости истечения газа из сопла, а следовательно, и к увеличению акустической мощности струи на режимах шумоглушения, так как ее величина пропорциональна скорости истечения в восьмой степени.

Технический результат изобретения заключается в снижении уровня шума и улучшении основных параметров двигателя.

Технический результат достигается тем, что ось вращения створок смещена от передней части к задней, створки выполнены в виде полых с наружной и внутренней стенками коробчатых панелей, на передней и задней частях каждой створки выполнены входные и выходные щели, связанные между собой внутренними сквозными каналами, выходные щели створок расположены не ближе критического сечения сопла по потоку газа, при исходном положении створок их входные щели утоплены относительно внутренней поверхности корпуса сопла и наружная стенка створок служит продолжением внутренней поверхности корпуса при повороте створок относительно исходного положения, верхней створки передней частью вверх, а нижней створки передней частью вниз, входные щели выступают над наружной поверхностью корпуса сопла и внутренняя стенка створок служит продолжением наружной поверхности корпуса сопла, при этом привод поворота створок соединен с приводом изменения геометрии центрального тела сопла синхронной связью, определяемой выражением С_C2С_C1, где С_C1 и С_C2 – соответственно скорости истечения газа из выходною сечения сопла при исходном положении створок и при повороте створок относительно исходного положения, когда их входные щели выступают над наружной поверхностью корпуса сопла.

При повороте створок относительно исходного положения, верхней створки передней частью вверх, а нижней створки передней частью вниз до контакта задней частью каждой створки с наружной поверхностью центрального тела, синхронная связь между приводом поворота створок и приводом изменения геометрии центрального тела сопла определяется выражением С_C0, где С_C – скорость истечения газа из выходного сечения сопла.

Такое выполнение выходного двухмерного сопла воздушно-реактивного двигателя позволяет при повороте створок относительно исходною положения, когда их входные щели выступают над наружной поверхностью корпуса сопла, гарантировано подвести дополнительный более холодный воздух из окружающей среды по сквозным каналам внутрь створок и выбросить его через выходные щели не ближе критического сечения сопла, так как во входные щели поступает воздух не только из пограничного слоя, но и из потока со скоростным напором, то есть полное давление воздуха будет больше атмосферного, в то время как на режимах шумоглушения перепады давлений в сопле небольшие и статическое давление в критическом сечении сопла и далее по потоку близко к атмосферному, а синхронная связь между приводом поворота створок и приводом изменения геометрии центрального тела позволяет уменьшить или сохранить скорость истечения газа из сопла при поступлении дополнительного воздуха в его проточную часть установлением такой площади его критического сечения, при которой при увеличении расхода газа уменьшается или сохраняется скорость истечения газа из сопла.

Кроме того, наличие синхронной связи между поворотом створок и регулированием геометрии центрального тела позволяет при подводе дополнительного воздуха в проточную часть сопла получить такое соотношение скорости истечения и расхода газа на выходе из сопла, при котором тяга двигателя будет увеличиваться за счет увеличения расхода дополнительного воздуха, а не скорости истечения, и в этом случае уменьшение тяги до заданного фиксированного значения осуществляется дросселированием двигателя, что в ряде случаев позволяет увеличить эффект шумоглушения. Исходное положение створок, когда входные щели створок утоплены относительно внутренней поверхности корпуса сопла, позволяет осуществить экранирование внутренними стенками створок проточную часть сопла. Поворот створок на угол, соответствующий контакту задней части каждой створки с наружной поверхностью центрального тела, и наличие синхронной связи между приводом поворота створок и приводом изменения геометрии центрального тела позволяют получить скорость истечения газа из выходного сечения сопла близкой к нулю, повернуть поток выхлопного газа вдоль внутренних стенок створок под определенным углом в направлении движения самолета и осуществить реверсирование тяги двигателя.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена принципиальная схема продольного разреза выходного двухмерного сопла с необходимыми поясняющими вырезами при положении створок сопла в исходном положении, когда их входные щели утоплены относительно внутренней поверхности корпуса сопла, а их наружная стенка служит продолжением внутренней поверхности корпуса.

На фиг.2 представлена принципиальная схема продольного разреза выходного двухмерного сопла с необходимыми поясняющими вырезами при положении створок сопла, когда их входные щели выступают над внешней поверхностью корпуса сопла, а их внутренняя стенка служит продолжением наружной поверхности корпуса.

На фиг.3 представлена принципиальная схема продольного разреза выходного двухмерного сопла с необходимыми поясняющими вырезами при положении створок сопла, когда их задняя часть контактирует с внешней поверхностью центрального тела.

Выходное двухмерное сопло 1 для воздушно-реактивного двигателя содержит корпус 2 с наружной и внутренней поверхностями 3 и 4, боковые стенки 5, поворотную вокруг горизонтальной оси 6 верхнюю створку 7 с входной и выходной щелями 8 и 9, соединенными между собой внутренними сквозными каналами 10, а также наружную и внутреннюю стенки 11 и 12 соответственно; поворотную вокруг горизонтальной оси 13 нижнюю створку 14 с входной и выходной щелями 15 и 16, соединенными между собой внутренними сквозными каналами 17, а также наружнюю и внутреннюю стенки 18 и 19 соответственно; центральное тело 20 изменяемой геометрии в виде двухмерного замкнутого многозвенника, включающего в себя шарниры 21, 22, 23, 24, 25, 26 и звенья 27, 28, 29, 30, 31, 32; привода 33 и 34 поворота верхней и нижней створок с рычажно-шарнирными механизмами 35 и 36; привод 37 изменения геометрии центрального тела с рычажно-шарнирным механизмом 38; механизмы 39, 40 и 41 синхронизации поворота створок и изменения геометрии центрального тела соответственно. На чертеже также показаны окна 42 и 43 между боковыми стенками и створками сопла.

Выходное двухмерное сопло для воздушно-реактивного двигателя работает следующим образом.

При полете самолета на режимах, на которых шумоглушение не требуется, поворотные створки 7, 14 и центральное тело 20 занимают исходное положение, входные щели 8 и 15 створок утоплены относительно внутренней поверхности 4 корпуса 2 и наружные стенки 11 и 18 створок служат продолжением внутренней поверхности 4 корпуса 2 сопла 1. В этом случае газ, поступающий по тракту корпуса 2 сопла 1, омывает боковые стенки 5, внутренние стенки 12 и 19 створок 7 и 14 и по сквозным каналам 10 и 17 проходит внутри створок и выбрасывается через выходные щели 9 и 16 в проточную часть сопла 1 не ближе критического сечения по потоку газа. Внутренние стенки 12 и 19 служат дополнительным экраном.

При полете самолета на режимах шумоглушения система управления соплом выдает команду приводам 33 и 34, которые, получив команду, через рычажно-шарнирные механизмы 35 и 36 поворачивают верхнюю створку 7 входной щелью 8 вверх, а нижнюю створку 14 входной щелью 15 вниз, входные щели 8 и 15 выступают над наружной поверхностью 3 и внутренние стенки 12 и 19 служат продолжением наружной поверхности 3 корпуса 2 сопла 1. Наружный воздух поступает во входные щели 8 и 15, проходит по сквозным каналам 10 и 17, выбрасывается через выходные щели 9 и 16 в проточную часть сопла 1 и подмешивается к выходящим газам. Одновременно с началом поворота створок 7 и 14 механизмы 39 и 40 синхронизации выдают команду на механизм 41 синхронизации изменения геометрии центрального тела 20. Механизм 41 синхронизации выдает команду на привод 37, который через шарнирно-рычажный механизм 38, шарниры 21, 22, 23, 24, 25, 26 и звенья 27, 28, 29, 30, 31, 32 изменяет геометрию центрального тела 20 на увеличение площади критического сечения сопла при увеличении величины выступания щелей 8 и 15 до крайнего положения над наружной поверхностью корпуса сопла и, наоборот, при уменьшении величины выступания щелей до исходного положения, обеспечивая при этом скорость истечения газа из сопла равной или меньшей, чем при исходном положении поворотных створок 7 и 14. Величина изменения площади критического сечения сопла в зависимости от величины выступания входных щелей над наружной поверхностью корпуса сопла определяется экспериментальным или расчетным путем. При определенном законе регулирования изменением площади критического сечения сопла тяга двигателя будет увеличиваться не за счет скорости истечения из сопла, а за счет увеличения расхода дополнительного воздуха, поступающего по каналам 10 и 17, и тогда уменьшение тяги до фиксированного значения производят дросселированием подачи топлива, в результате чего уменьшаются частоты вращения роторов двигателя, что увеличивает эффект шумоглушения.

При поступлении команды приводам 33 и 34, которые через рычажно-щарнирные механизмы 35 и 36 поворачивают верхнюю створку 7 входной щелью 8 вверх, а нижнюю створку 14 входной щелью 15 вниз до контакта задней части каждой створки с наружной поверхностью центрального тела 20, выходящие газы в сопле 1 обтекают створки 7 и 14 и выходят в образовавшиеся окна 42 и 43 между боковыми стенками 5 и створками 7 и 14 навстречу движению самолета. Одновременно с началом поворота створок 7 и 14 как от исходного положения до предельного угла поворота (до касания задней частью створок внешней поверхности центрального тела 20), так и обратно – до исходного положения механизмы 39 и 40 синхронизации выдают команду на механизм 41 синхронизации изменения геометрии центрального тела 20. Механизм 41 синхронизации выдает команду на привод 37, который через шарнирно-рычажный механизм 38, шарниры 21, 22, 23, 24, 25, 26 и звенья 27, 28, 29, 30, 31, 32 изменяет геометрию центрального тела 20. При предельном угле поворота створок 7 и 14 геометрия центрального тела 20 соответствует положению, когда истечение газа на выходе из сопла 1 практически отсутствует, то есть скорость истечения становится близкой к нулю.

Выходное двухмерное сопло для воздушно-реактивного двигателя при пробеге по взлетно-посадочной полосе и на малых скоростях полета позволяет обеспечить снижение уровня шума на режимах шумоглушения и реверсирование тяги, когда это необходимо.

Формула изобретения

1. Выходное двухмерное сопло для воздушно-реактивного двигателя, содержащее корпус с боковыми стенками и расположенные между ними поворотные вокруг горизонтальных осей верхнюю и нижнюю створки, центральное тело изменяемой геометрии, привод поворота створок и привод изменения геометрии центрального тела, отличающееся тем, что ось вращения створок смещена от передней части к задней, створки выполнены в виде полых с наружной и внутренней стенками коробчатых панелей, на передней и задней частях каждой створки выполнены входные и выходные щели, связанные между собой внутренними сквозными каналами, выходные щели створок расположены не ближе критического сечения сопла по потоку газа, при исходном положении створок их входные щели утоплены относительно внутренней поверхности корпуса сопла и наружная стенка створок служит продолжением внутренней поверхности корпуса при повороте створок относительно исходного положения верхней створки передней частью вверх, а нижней створки передней частью вниз, входные щели выступают над наружной поверхностью корпуса сопла и внутренняя стенка створок служит продолжением наружной поверхности корпуса сопла, при этом привод поворота створок соединен с приводом изменения геометрии центрального тела синхронной связью, определяемой выражением
С_С2С_С1,
где С_С1 и С_С2 – соответственно скорость истечения газа из выходного сечения сопла при исходном положении створок и при повороте створок относительно исходного положения, когда их входные щели выступают над наружной поверхностью корпуса сопла.

2. Выходное двухмерное сопло для воздушно-реактивного двигателя по п. 1, отличающееся тем, что при повороте створок относительно исходного положения верхней створки передней частью вверх, а нижней створки передней частью вниз до контакта задней части каждой створки с наружной поверхностью центрального тела синхронная связь между приводом поворота створок и приводом изменения геометрии центрального тела определяется выражением
С_С0,
где С_С – скорость истечения газа из выходного сечения сопла.

РИСУНКИ