Реактивный двигатель с соплом переменного сечения, по меньшей мере, одна створка которого поворачивается вокруг стержня, а также стержни для створок

Реактивный двигатель с соплом переменного сечения, по меньшей мере, одна створка которого поворачивается вокруг стержня, а также стержни для створок

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к реактивному двигателю с соплом переменного сечения.

Реактивный двигатель, такой как, например, раскрытый в публикации GB 1478075, содержит, начиная с входного конца и заканчивая выходным концом в направлении газового потока, одну или более ступеней компрессора, камеру сгорания, одну или более ступеней турбины и выходной тракт, в котором может быть установлено так называемое устройство дожигания, или форсажное устройство.

Выходной тракт содержит корпус и сопло, в котором расширяются продукты сгорания. Обычно принято использовать сопло переменного сечения, по выбору - с форсажным устройством, для регулирования расхода выходящих газов в соответствии с числом оборотов реактивного двигателя. Сопла переменного сечения могут быть разных типов, в частности осесимметричные, двухмерные или поворотные. Изобретение применимо ко всем типам сопел переменного сечения.

Сопла переменного сечения содержат створки. В случае, например, осесимметричных сопел створки расположены кольцом, чтобы получить в общем круговое сечение, и они частично перекрываются. Каждая вторая створка, называемая регулируемой створкой, приводится в действие силовым цилиндром, в то время как между двумя регулируемыми створками имеется исполнительная или следящая створка, приводимая регулируемыми створками.

Каждая регулируемая створка присоединена к неподвижно закрепленной конструкции реактивного двигателя посредством стержня, причем она установлена с возможностью поворота вокруг него. Стержень проходит поперек оси реактивного двигателя, между двумя продольными соединительными растяжками для присоединения к неподвижно закрепленной конструкции, расположенной выше по потоку створки. Он размещен каждым из своих концов в проточке, расположенной в растяжках, и зафиксирован от поступательного перемещения и с возможностью вращения относительно последних. Два крепежных элемента также установлены на стержне у проточки в одном из их концов, причем каждый крепежный элемент расположен вблизи соединительной растяжки. Эти крепежные элементы присоединены к силовому цилиндру регулируемой створки и установлены с возможностью поворота вокруг стержня с трением, тем самым управляя поворотом створки под действием ее силового цилиндра.

Стержень является цилиндрическим, и стенки проточки крепежных элементов и соединительных растяжек, находящиеся в контакте с ним, тоже являются цилиндрическими. Опорные поверхности стержня, находящиеся в контакте с крепежными элементами и соединительными растяжками, покрыты защитным покрытием, обычно карбидом кобальта и хрома.

По причине смещений крепежных элементов, индуцированных аэродинамических нагрузок, вибраций и изменения рабочих температур стержень подвергается изгибу и высоким напряжениям на его опорных поверхностях, что вызывает его износ. Смещения, которым подвергаются крепежные элементы, в основном бывают двух типов: короткие смещения, связанные с небольшими изменениями в сечении сопла около устойчивых положений, являющиеся результатом небольших изменений давления на створки, и протяженные смещения, связанные с изменениями в сечении сопла при работе. Износ опорных поверхностей стержня является следствием одного из этих типов смещений или сочетания обоих.

Следовательно, изгиб стержня уменьшает поверхности контакта между стержнем и крепежными элементами и растяжками, поэтому эти поверхности больше не являются цилиндрическими. Контакт происходит, в частности, по острым кромкам крепежных элементов и вызывает высокие напряжения. В сочетании с повышенными усилиями на стержне из-за усилий крепежных элементов это явление приводит к большим местным избыточным давлениям, которые плохо распределены и вызывают обдирание покрытия стержня. Так как со временем износ увеличивается, опорные поверхности контакта стержня сдвигаются в направлении центра стержня.

Этот износ стержня значительно снижает срок его службы. Поэтому обычно необходимо заменять стержень, срок службы которого теоретически составляет 1000 часов, через 500 часов. В добавление к затратам на техническое обслуживание и замену существует риск заедания сопла, которым нельзя пренебречь. Одно из решений, которое может быть рассмотрено, влечет за собой усиление стержня, например увеличение его диаметра; однако это может увеличить вес реактивного двигателя.

Настоящее изобретение направлено на устранение данных недостатков.

С этой целью согласно первому объекту изобретения создан реактивный двигатель, содержащий выхлопное сопло переменного сечения, включающее в себя, по меньшей мере, одну створку, установленную с возможностью поворота вокруг стержня, причем стержень присоединен к неподвижной конструкции реактивного двигателя двумя растяжками, каждая из которых содержит проточку для размещения стержня, при этом створка содержит два крепежных элемента, каждый из которых имеет проточку, через которую проходит стержень, и приводимых в действие силовым цилиндром, на котором они установлены с возможностью вращения, при этом стержень, проточки растяжек и проточки крепежных элементов выполнены таким образом, что контакты стержня со стенками проточек растяжек и стенками проточек крепежных элементов осуществляются по выпуклым поверхностям.

Предпочтительно выпуклые поверхности являются сферическими поверхностями.

Предпочтительно все радиусы кривизны различных выпуклых поверхностей являются идентичными.

Предпочтительно стержень имеет диаметр 15 мм, а выпуклые поверхности имеют радиус кривизны приблизительно 300 мм.

Предпочтительно стержень представляет собой цилиндрическое тело, на каждом конце которого имеется две выпуклые опорные поверхности соответственно, предназначенные для контакта со стенкой проточки растяжки и стенкой проточки крепежного элемента.

Предпочтительно втулка, содержащая выпуклую внутреннюю стенку, неподвижно закреплена в каждой проточке таким образом, чтобы находиться в контакте со стержнем, который имеет цилиндрическую форму.

Согласно второму объекту изобретения создан стержень створки для вышеописанного реактивного двигателя, представляющий собой цилиндрическое тело, на каждом конце которого имеются две выпуклые опорные поверхности.

Предпочтительно в стержне имеется тангенциальная непрерывность между двумя выпуклыми опорными поверхностями на каждом конце.

Предпочтительно все выпуклые опорные поверхности являются сферическими поверхностями и имеют одинаковый радиус кривизны.

Предпочтительно тело имеет диаметр 15 мм, а выпуклые опорные поверхности имеют радиус кривизны приблизительно 300 мм.

Изобретение будет лучше понято из приведенного описания предпочтительного варианта осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - частичный схематичный вид снизу по потоку сопла реактивного двигателя согласно изобретению;

фиг.2 - схематичный профильный вид в разрезе сопла реактивного двигателя согласно изобретению;

фиг.3 - частичный схематичный вид сбоку сопла реактивного двигателя согласно изобретению;

фиг.4 - частичный схематичный вид в разрезе сверху по потоку первого варианта осуществления выходной створки реактивного двигателя согласно изобретению;

фиг.5 - частичный схематичный вид в разрезе снизу по потоку второго варианта осуществления выходной створки реактивного двигателя согласно изобретению.

Как показано на фиг.1, 2 и 3, реактивный двигатель согласно изобретению содержит, от входного конца до выходного конца в направлении газового потока, который в целом следует направлению, образующему ось реактивного двигателя, вентилятор, одну или более ступеней компрессора, камеру сгорания, одну или более ступеней турбины, не показанные на чертежах, выходной тракт 1, в котором установлено так называемое устройство дожигания, или форсажное устройство, через которое топливо подается в выходной тракт для получения дополнительной тяги.

Выходной тракт 1 здесь содержит корпус 2 форсажной камеры, ниже по потоку от которой проходит сопло 3, в котором расширяются продукты сгорания, извлеченные из камеры сгорания. Сопло 3 имеет переменное сечение; здесь оно является суживающимся осесимметричным соплом. Оно содержит множество створок 4, 5, расположенных кольцом на нижней по потоку стороне корпуса 2 форсажной камеры. Каждая створка 4, 5 приводится в действия силовым цилиндром, в то время как между двумя регулируемыми створками 4 имеется исполнительная створка 5, или следящая створка 5, приводимая регулируемыми створками 4.

Как показано на фиг.2, створки 22 расположены вокруг сопла 3. Это створки 22 вторичного воздушного потока реактивного двигателя, в данном случае присоединенные к створкам 4 сопла штырями 23. Однако эти створки 22 не влияют на изобретение, и поэтому они показаны только на фиг.2.

Конкретная регулируемая створка 4 сопла 3 описана ниже, причем все остальные регулируемые створки 4 идентичны ей.

Створка 4 имеет форму, например, прямоугольной пластины. Она установлена своей верхней по потоку стороной с возможностью поворота вокруг стержня 12, который проходит перпендикулярно оси реактивного двигателя и неподвижно присоединен к корпусу 2 форсажной камеры посредством соединительных растяжек 16, 16', как будет описано ниже. Створкой 4 управляет силовой цилиндр 11, установленный на наружной стенке корпуса 2 форсажной камеры. На фиг.1 показан один силовой цилиндр 11, хотя каждая регулируемая створка 4 имеет специализированный силовой цилиндр 11. Силовой цилиндр 11 и створка 4 соединены вместе посредством соединительного звена 7, здесь поперечины 7 с корпусом в общем овальной формы.

Соединительное звено 7 содержит верхнюю по потоку вилку, расположенную по центру и выступающую из его овального корпуса, которая содержит два выступа 9, 9', продольно проходящих выше по потоку и присоединенных к стержню 10, выполненному за одно целое с силовым цилиндром 11 и размещенным в подвижной головке силового цилиндра 11. Оно также содержит радиально выступающую радиальную вилку, которая содержит два крепежных элемента 6, 6' в общем треугольной формы, неподвижно прикрепленных к регулируемой створке 4. Одна сторона треугольника, образованного каждым крепежным элементом 6, 6', проходит продольно вдоль створки 4, на которой она неподвижно закреплена, от его верхнего по потоку края; а две другие стороны проходят радиально между овальным корпусом соединительного звена 7 и створкой 4. Верхняя по потоку вилка и радиальная вилка вместе образуют угловую передачу между силовым цилиндром 11 и створкой 4. Каждый боковой конец овального корпуса соединительного звена 7 присоединен к боковому концу соединительного звена 7 следующей регулируемой створки соединительной серьгой 8.

Створка 4 шарнирно соединена со стержнем 12 посредством верхнего по потоку конца крепежных элементов 6, 6', через которые стержень 12 проходит посредством проточек 13, 13' соответственно, предназначенных для этой цели. Втулка 14, выполненная за одно целое с крепежными элементами 6, 6', окружает стержень 12 между двумя проточками 13, 13' крепежных элементов 6, 6', не контактируя со стержнем 12 за пределами проточек 13, 13'. Также два выступа 15, 15' присоединяют втулку 14 к стержню 10, присоединенному в виде единого целого к силовому цилиндру 11.

Крепежные элементы 6, 6' установлены своими проточками 13, 13' с возможностью поворота вокруг стержня 12. Следовательно, силовой цилиндр 11 может приводить в действие регулируемую створку 4 и управлять ей с возможностью поворота вокруг этого стержня 12 посредством крепежных элементов 6, 6', образующих рычаги. Объединенная сборочная единица, образованная соединительным звеном 7, крепежными элементами 6, 6' и втулкой 14, образует рычаг.

В верхнем по потоку продолжении регулируемых створок 4 корпус 2 форсажной камеры, на его наружной стенке, содержит два фланца, здесь продольные фланцы 16, 16', называемые растяжками 16, 16'. Эти растяжки 16, 16' проходят с другой стороны силового цилиндра 11, который неподвижно прикреплен к ним, и их нижние по потоку концы выступают снаружи корпуса 2 форсажной камеры к створке 4. Конец каждой растяжки 16, 16' содержит проточку 17, 17' соответственно, вмещающую концы стержня 12, с возможностью поворота вокруг которого установлены крепежные элементы 6, 6'. Растяжки 16, 16' используют для неподвижного закрепления стержня 12 относительно неподвижной конструкции реактивного двигателя. Стержень 12 на одном из своих концов содержит D-образную головку 18, которая зафиксирована во вращении в гнезде 19 соответствующей растяжки 16, в то время как другой конец зафиксирован в поступательном перемещении болтом 20, привинченном к другой растяжке 16'.

Под «опорными поверхностями» подразумеваются поверхности стержня 12, предназначенные для контакта со стенками 13, 13' проточек крепежных элементов 6, 6' и стенками 17, 17' проточек растяжек 16, 16'. Изобретение заключается в расположении стержня 12 и этих различных проточек 13, 13', 17, 17' так, что контакт между ними осуществляется по выпуклым поверхностям, т.е. изогнутым поверхностям в направлении стержня 12, другими словами, поверхностям с вращательной симметрией, полученных из изогнутых образующих линий.

Согласно первому варианту осуществления, показанному на фиг.4, стержень 12 представляет собой цилиндрическое тело с двумя выпуклыми опорными поверхностями (12а, 12b), (12а', 12b' ) на каждом из его концов, следующими друг за другом на стержне 12. Следует отметить, что фиг.4 изображена не в масштабе для облегчения понимания. Опорные поверхности 12а, 12а', расположенные ближе всего к центру стержня 12, предназначены для контакта со стенками проточек 13, 13' крепежных элементов 6, 6'; опорные поверхности 12b, 12b', самые дальние от центра стержня 12, а именно те, которые расположены вблизи D-образной головки 18 и болта 20 соответственно, предназначены для контакта со стенками проточек 17', 17' растяжек 16, 16'. Проточки 13, 13' крепежных элементов 6, 6' и проточки 17, 17' растяжек 16, 16' являются цилиндрическими.

Следовательно, контакт между опорными поверхностями 12а, 12а', 12b, 12b' стержня 12 со стенками 13, 13' проточек крепежных элементов 6, 6' и стенками 17, 17' проточек растяжек 16, 16' осуществляется по выпуклым поверхностям. Выпуклые поверхности предпочтительно являются сферическими, т.е. каждая получена из образующей в виде дуги окружности. Здесь стержень 12 имеет диаметр 15 мм, снаружи его выпуклых опорных поверхностей, и все радиусы кривизны опорных поверхностей (12а, 12b), (12а', 12b') идентичны и равны приблизительно 300 мм.

Здесь имеет место тангенциальная непрерывность между двумя выпуклыми опорными поверхностями (12а, 12b), (12а', 12b'), следующими друг за другом у каждого конца стержня 12; форма стержня между выпуклыми опорными поверхностями цилиндрическая, с закругленными соединительными участками, имеющими обратный радиус кривизны в отношении радиуса кривизны выпуклых участков (12а, 12b), (12а', 12b').

Согласно второму варианту осуществления, очень схематично проиллюстрированному на фиг.5, стержень 12 цилиндрической формы и втулки (21а, 21а'), (21b, 21b') с внутренней выпуклой поверхностью установлены в проточках 13, 13' крепежных элементов 6, 6' и проточках 17, 17' растяжек 16, 16' соответственно. Здесь проточки 13, 13' крепежных элементов 6, 6' являются цилиндрическими и выровненными по одной линии с внутренней стенкой втулки 14, соединяющей вместе крепежные элементы 6, 6', и, следовательно, образуют с этой стенкой непрерывный канал постоянного диаметра, причем втулки 21а, 21а' неподвижно прикреплены к стенкам проточек 13, 13' и обеспечивают контакт со стержнем 12 посредством их внутренней выпуклой поверхности. Проточки 17, 17' растяжек 16, 16' также являются цилиндрическими, и втулки 21b, 21b' прикреплены к их стенкам для обеспечения контакта со стержнем 12 посредством их внутренней выпуклой поверхности.

Внутренние выпуклые поверхности втулок 21а, 21b, 21a', 21b' предпочтительно являются сферическими, т.е. каждая получена из образующей линии в виде дуги окружности, и все их радиусы кривизны здесь идентичны и равны приблизительно 300 мм, причем диаметр стержня 12 составляет 15 мм. Следует отметить, что фиг.5 изображена не в масштабе для облегчения понимания.

Функционирование реактивного двигателя согласно изобретению теперь будет описано более подробно. Оно сопоставимо для двух вышеописанных вариантов осуществления изобретения.

Изменение в сечении сопла 3 достигается поворотом регулируемых створок 4 вокруг их стержня 12, причем регулируемые створки 4 своим поворотом вызывают поворот исполнительных створок 5. Каждая исполнительная створка 5 также поворачивается вокруг стержня, не показанного на чертежах, но их конструкция отличается от конструкции регулируемых створок. Однако изобретение может быть применено к стержням исполнительных створок и к принимающим их проточкам. Поворот регулируемой створки 4 достигается его силовым цилиндром 11, который управляет соединительным звеном 7 посредством его соединенных как одно целое выступов 9, 9', чтобы вызвать поворот крепежных элементов 6, 6' и, следовательно, поворот регулируемой створки 4 вокруг стержня 12.

Аэродинамические нагрузки, передаваемые крепежными элементами 6, 6' стержню 12, могут вызвать его изгиб. Согласно изобретению этот изгиб происходит, но он сопровождается контактом с выпуклыми поверхностями между опорными поверхностями стержня 12 со стенками проточек крепежных элементов 6, 6' и растяжек 16, 16', причем этот контакт здесь обеспечивается непосредственно выпуклыми опорными поверхностями стержня 12 или посредством втулок с внутренней выпуклой стенкой, неподвижно закрепленных в проточках. Другими словами, контакт следует за образующей линией выпуклой контактной поверхности. Следует отметить, что стенки проточек крепежных элементов 6, 6' и растяжек 16, 16' содержат стенки втулок 21а, 21b, 21а', 21b'.

Следовательно, стержень 12, когда он изгибается, следует за этими выпуклыми поверхностями контакта. Следовательно, распределение поверхностей контакта остается по существу постоянным, независимо от изогнутого состояния стержня 12. Заявитель установил, что нет необходимости обеспечивать разные радиусы кривизны между выпуклыми поверхностями контакта, расположенными ближе всего к центру стержня 12, и выпуклыми поверхностями контакта, расположенными дальше всего от центра стержня, в частности, из-за размера этих радиусов в отношении диаметра стержня 12. Однако, очевидно, это может быть так, например, для дальнейшей подстройки распределения напряжений.

Следовательно, посредством изобретения стало возможным устранить дополнительные напряжения, связанные с изменениями в поверхностях контакта, и, в частности, с началом поверхностей контакта на острых кромках стенок проточек, что вызывает напряжения граничного эффекта, как было в случае со створками согласно предшествующему уровню техники. Следовательно, напряжения, которым подвергается стержень 12, непрерывны во времени и происходят только от аэродинамических напряжений и уже не от изменений в распределении поверхностей контакта.

Посредством изобретения значительно повышен срок службы стержней 12 и уменьшен риск заклинивания сопла. Снижены затраты на техническое обслуживание и замену, а также затраты на изготовление, так как больше нет необходимости обеспечивать покрытие на опорных поверхностях стержня 12.

Стержень 12 в данном случае выполнен из сплава на основе никеля, например из зарегистрированного под товарными знаками Waspalloy или Inco 718, но очевидно, что может быть выбран и другой материал. Также согласно изобретению выпуклыми поверхностями контакта являются выпуклые опорные поверхности, выполненные непосредственно на стержне 12, или внутренние поверхности втулок, неподвижно закрепленных в проточках крепежных элементов 6, 6' и растяжек 16, 16', но очевидно, что возможны другие конфигурации; при этом можно предложить, например, чтобы стенки проточек крепежных элементов 6, 6' и растяжек 16, 16' были подвергнуты механической обработке с тем, чтобы быть выпуклыми и взаимодействовать с цилиндрическими опорными поверхностями стержня, или можно предложить выпуклые поверхности как на стержне 12, так и на стенках проточек или внутренних стенках втулок, неподвижно закрепленных в них, причем контакт будет осуществляться между двумя выпуклыми поверхностями; или дополнительные различные сочетания этих конфигураций. Также на выпуклые поверхности контакта или поверхности, с которыми они находятся в контакте, может быть нанесен лак для усиления их стойкости.

1. Реактивный двигатель, содержащий выхлопное сопло переменного сечения, включающее в себя, по меньшей мере, одну створку, установленную с возможностью поворота вокруг стержня, причем стержень присоединен к неподвижной конструкции реактивного двигателя двумя растяжками, каждая из которых содержит проточку для размещения стержня, при этом створка содержит два крепежных элемента, каждый из которых имеет проточку, через которую проходит стержень, и приводимых в действие силовым цилиндром, на котором они установлены с возможностью вращения, отличающийся тем, что стержень, проточки растяжек и проточки крепежных элементов выполнены таким образом, что контакты стержня со стенками проточек растяжек и стенками проточек крепежных элементов осуществляются по выпуклым поверхностям.

2. Реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что выпуклые поверхности являются сферическими поверхностями.

3. Реактивный двигатель по п.2, отличающийся тем, что все радиусы кривизны различных выпуклых поверхностей являются идентичными.

4. Реактивный двигатель по п.3, отличающийся тем, что стержень имеет диаметр 15 мм, а выпуклые поверхности имеют радиус кривизны приблизительно 300 мм.

5. Реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что стержень представляет собой цилиндрическое тело, на каждом конце которого имеется две выпуклые опорные поверхности, соответственно предназначенные для контакта со стенкой проточки растяжки и стенкой проточки крепежного элемента.

6. Реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что втулка, содержащая выпуклую внутреннюю стенку, неподвижно закреплена в каждой проточке таким образом, чтобы находиться в контакте со стержнем, который имеет цилиндрическую форму.

7. Стержень створки для реактивного двигателя по п.5, представляющий собой цилиндрическое тело, на каждом конце которого имеются две выпуклые опорные поверхности.

8. Стержень по п.7, в котором имеется тангенциальная непрерывность между двумя выпуклыми опорными поверхностями на каждом конце.

9. Стержень по п.7, в котором все выпуклые опорные поверхности являются сферическими поверхностями и имеют одинаковый радиус кривизны.

10. Стержень по п.9, в котором тело имеет диаметр 15 мм, а выпуклые опорные поверхности имеют радиус кривизны приблизительно 300 мм.