RU2773170C1

RU2773170C1 - Adjustable turbojet nozzle

Info

Publication number: RU2773170C1
Application number: RU2021121512A
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Лефёров; Александр Валерьевич Демченко; Владимир Михайлович Рыжков; Антон Викторович Куликов; Сергей Михайлович Гусенко
Filing date: 2021-07-20
Publication date: 2022-05-31

Abstract

FIELD: aircraft engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of aircraft engine construction, namely to the design of adjustable nozzles of turbojet engines. The adjustable nozzle of a turbojet engine contains sequentially mounted body, subsonic and supersonic flaps pivotally connected to each other, side walls rigidly connected to the body, as well as flap control mechanisms. The nozzle is equipped with two vertical power beams with holes and two horizontal power beams containing eyelets, as well as six traverses fixed to the body. Each subsonic flap is pivotally connected to the side walls. The housing is provided with an outlet flange rigidly connected to the side walls at the ends, while grooves with holes in their walls are made from the outside along each rectilinear section of the outlet flange. The placement of eyelets, vertical power beams and traverse are disclosed, as well as the design of horizontal power beams is disclosed.

EFFECT: reducing losses during the flow of gas inside the flow part and the external flow around the adjustable nozzle by increasing the rigidity of its structural elements and reducing overall dimensions while maintaining the parameters of its regulation.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, а именно к конструкции регулируемых сопел турбореактивных двигателей.The invention relates to the field of aircraft engine building, and in particular to the design of adjustable nozzles of turbojet engines.

В качестве наиболее близкого аналога выбрано регулируемое сопло турбореактивного двигателя, содержащее последовательно установленные корпус, имеющий в выходном сечении прямоугольную форму, дозвуковые створки и сверхзвуковые створки, шарнирно соединенные с дозвуковыми створками, а также боковые стенки, жестко соединенные с корпусом, а также механизмы управления дозвуковыми и сверхзвуковыми створками (патент RU 2674232, 05.12.2018 г.).As the closest analogue, an adjustable nozzle of a turbojet engine was chosen, containing a body installed in series, having a rectangular shape in the outlet section, subsonic doors and supersonic doors hinged to subsonic doors, as well as side walls rigidly connected to the body, as well as control mechanisms for subsonic doors. and supersonic flaps (patent RU 2674232, 12/05/2018).

Недостатками прототипа являются значительные габаритные размеры, особенно в поперечном горизонтальном направлении, и недостаточная жесткость элементов конструкции, деформация которых приводит к дополнительным газодинамическим потерям при внешнем обтекании воздуха и протекании газа внутри проточной части регулируемого сопла, что приводит к ощутимым потерям эффективной тяги газотурбинного двигателя.The disadvantages of the prototype are significant overall dimensions, especially in the transverse horizontal direction, and insufficient rigidity of the structural elements, the deformation of which leads to additional gas-dynamic losses during external air flow and gas flow inside the flow path of the adjustable nozzle, which leads to significant losses in the effective thrust of the gas turbine engine.

Техническим результатом, достигаемым заявленным устройством, является снижение потерь при протекании газа внутри проточной части и внешнем обтекании регулируемого сопла за счет увеличения жесткости элементов его конструкции и снижения габаритных размеров с сохранением параметров его регулирования, что увеличивает его КПД и газотурбинного двигателя в целом.The technical result achieved by the claimed device is to reduce losses during the flow of gas inside the flow part and the external flow around the adjustable nozzle by increasing the rigidity of its structural elements and reducing overall dimensions while maintaining its control parameters, which increases its efficiency and the gas turbine engine as a whole.

Указанный технический результат достигается тем, что известное регулируемое сопло, содержащее последовательно установленные корпус, имеющий в выходном сечении прямоугольную форму, дозвуковые створки и сверхзвуковые створки, шарнирно соединенные с друг с другом, боковые стенки, жестко соединенные с корпусом, а также механизмы управления дозвуковыми и сверхзвуковыми створками, согласно настоящему изобретению оно дополнительно снабжено двумя вертикальными силовыми балками с отверстиями и двумя горизонтальными силовыми балками, содержащими проушины, а также шестью траверсами, закрепленными на корпусе, вдоль него по три в верхней и нижней его части, при этом каждая дозвуковая створка шарнирно соединена с боковыми стенками, кроме того, механизмы управления створками поровну расположены в верхней и нижней части регулируемого сопла и шарнирно закреплены на траверсах, при этом корпус снабжен выходным фланцем, жестко соединенным с боковыми стенками по торцам, кроме того, с внешней стороны вдоль каждого прямолинейного участка выходного фланца выполнены пазы с ответными отверстиями в их стенках, причем проушины каждой горизонтальной силовой балки размещены в соответствующих пазах между ответными отверстиями в стенках пазов и связаны посредством подвижных соединений с выходным фланцем, а вертикальные силовые балки частично размещены в соответствующих пазах так, что их отверстия расположены между ответными отверстиями стенок пазов и связаны с выходным фланцем посредством подвижных соединений, при этом каждая траверса в области выходного фланца жестко закреплена на соответствующей горизонтальной силовой балке, кроме того, в горизонтальных силовых балках выполнены отверстия под элементы механизмов управления дозвуковыми и сверхзвуковыми створками, установленные в них с зазором.The specified technical result is achieved by the fact that a well-known adjustable nozzle containing a body installed in series, having a rectangular shape in the outlet section, subsonic doors and supersonic doors hinged to each other, side walls rigidly connected to the body, as well as control mechanisms for subsonic and supersonic wings, according to the present invention, it is additionally equipped with two vertical power beams with holes and two horizontal power beams containing lugs, as well as six traverses fixed on the body, along it, three in its upper and lower parts, while each subsonic door is hinged is connected to the side walls, in addition, the flap control mechanisms are equally located in the upper and lower parts of the adjustable nozzle and are hinged on the traverses, while the body is equipped with an outlet flange rigidly connected to the side walls at the ends, in addition, from the outside along each rectilinear section of the outlet flange has grooves with reciprocal holes in their walls, and the lugs of each horizontal force beam are placed in the corresponding grooves between the reciprocal holes in the walls of the grooves and are connected by means of movable joints with the outlet flange, and the vertical force beams are partially placed in the corresponding grooves so that that their holes are located between the reciprocal holes of the walls of the grooves and are connected to the outlet flange by means of movable joints, while each crosshead in the area of the outlet flange is rigidly fixed to the corresponding horizontal power beam, in addition, holes are made in the horizontal power beams for the elements of subsonic and supersonic control mechanisms shutters installed in them with a gap.

Общеизвестно, что под действием эксплуатационных нагрузок происходит деформирование элементов регулируемых сопел, в большей степени сопел с плоскими участками, ограничивающими проточную часть. Наиболее значимыми в плане деформаций являются изгибные деформации элементов конструкции, вызванные повышенной температурой и давлением газа внутри проточной части. Накопленная деформация элементов конструкции может составлять десятки миллиметров и приводить к значительному изменению условий внешнего обтекания регулируемого сопла, протекания газа в проточной части и истекания из нее. Минимизация данной деформации элементов сопел является одной из приоритетных задач.It is well known that under the action of operational loads, the elements of adjustable nozzles are deformed, to a greater extent, nozzles with flat sections that limit the flow path. The most significant in terms of deformations are bending deformations of structural elements caused by increased temperature and gas pressure inside the flow path. The accumulated deformation of structural elements can be tens of millimeters and lead to a significant change in the conditions of the external flow around the adjustable nozzle, gas flow in the flow path and outflow from it. Minimization of this deformation of the nozzle elements is one of the priority tasks.

Также одной из приоритетных задач является обеспечение возможности регулирования критического и выходного сечений сопла, а также отклонения вектора тяги, при минимизации увеличения внешних габаритов регулируемого сопла. Тем более этот вопрос становится актуальным в случае наличия в выходной части регулируемого сопла значительных плоских участков, так как его элементы, ограничивающие эти участки, испытывают значительное воздействие от давления газа внутри них и значительные температурные нагрузки, что требует более значительных усилий со стороны системы управления для их отклонения и удержания в требуемом положении. Это требует создания специальных механизмов вокруг данных элементов и размещения их определенным образом вокруг проточной части.Also, one of the priority tasks is to ensure the possibility of regulating the critical and outlet sections of the nozzle, as well as deflection of the thrust vector, while minimizing the increase in the external dimensions of the adjustable nozzle. Moreover, this issue becomes relevant if there are significant flat areas in the outlet part of the adjustable nozzle, since its elements limiting these areas are significantly affected by the gas pressure inside them and significant temperature loads, which requires more significant efforts on the part of the control system to their deflection and retention in the required position. This requires the creation of special mechanisms around these elements and their placement in a certain way around the flow part.

Снабжение регулируемого сопла двумя вертикальными силовыми балками с отверстиями и двумя горизонтальными силовыми балками, содержащими проушины, а также шестью траверсами, закрепленными на корпусе, вдоль него по три в верхней и нижней его части, позволяет увеличить изгибную жесткость корпуса за счет установки на нем траверс и выходного фланца корпуса за счет установки на нем горизонтальных и вертикальных силовых балок, снижая деформации элементов регулируемого сопла от эксплуатационных нагрузок. Также это позволяет разместить силовые элементы системы управления и механизмы управления на корпусе в верхней и нижней его части, что снижает поперечный горизонтальный габаритный размер сопла с сохранением параметров его регулирования. Это снижает сопротивление внешнему обтеканию и лучше сохраняет требуемую форму проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.The supply of an adjustable nozzle with two vertical power beams with holes and two horizontal power beams containing lugs, as well as six traverses fixed on the body, along it, three in the upper and lower parts, makes it possible to increase the flexural rigidity of the body by installing traverses and outlet flange of the body due to the installation of horizontal and vertical power beams on it, reducing the deformation of the elements of the adjustable nozzle from operational loads. It also makes it possible to place power elements of the control system and control mechanisms on the housing in its upper and lower parts, which reduces the transverse horizontal overall dimension of the nozzle while maintaining its control parameters. This reduces the resistance to external flow and better retains the required shape of the flow path, which increases the efficiency of the adjustable nozzle and the gas turbine engine as a whole.

Шарнирное соединение каждой из дозвуковых створок с боковыми стенками позволяет обеспечить возможность размещения механизмов управления в верхней и нижней части корпуса, что снижает поперечный горизонтальный габаритный размер сопла с сохранением параметров его регулирования и лучше сохраняет требуемую форму проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.The swivel connection of each of the subsonic flaps with the side walls makes it possible to place control mechanisms in the upper and lower parts of the housing, which reduces the transverse horizontal overall size of the nozzle while maintaining its control parameters and better maintains the required shape of the flow path, which increases the efficiency of the adjustable nozzle and gas turbine engine generally.

Размещение механизмов управления створками поровну в верхней и нижней части регулируемого сопла с шарнирным закреплением их на траверсах позволяет снизить поперечный горизонтальный габаритный размер сопла с сохранением параметров его регулирования и лучше сохраняет требуемую форму проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.Placing the flap control mechanisms equally in the upper and lower parts of the adjustable nozzle with their hinged fastening on the traverses makes it possible to reduce the transverse horizontal overall dimension of the nozzle while maintaining its control parameters and better maintains the required shape of the flow path, which increases the efficiency of the adjustable nozzle and the gas turbine engine as a whole.

Снабжение корпуса выходным фланцем прямоугольной формы, жестко соединенным с боковыми стенками по торцам, позволяет увеличить жесткость элементов сопла и снижает изменение формы проточной части в работе, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.Providing the body with a rectangular outlet flange, rigidly connected to the side walls at the ends, makes it possible to increase the rigidity of the nozzle elements and reduce the change in the shape of the flow path in operation, which increases the efficiency of the adjustable nozzle and the gas turbine engine as a whole.

Выполнение с внешней стороны вдоль каждого прямолинейного участка выходного фланца пазов с ответными отверстиями в их стенках таким образом, что, проушины каждой горизонтальной силовой балки размещены в соответствующих пазах между ответными отверстиями в стенках пазов и связаны посредством подвижных соединений с выходным фланцем, а вертикальные силовые балки частично размещены в соответствующих пазах так, что их отверстия расположены между ответными отверстиями стенок пазов и связаны с выходным фланцем посредством подвижных соединений, позволяет увеличить поперечную жесткость выходного фланца. Это позволяет снизить перемещения элементов сопла от эксплуатационных нагрузок, что лучше сохраняет требуемую форму проточной части и элементов внешних обводов, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.Execution from the outside along each straight section of the output flange of the grooves with reciprocal holes in their walls in such a way that the lugs of each horizontal power beam are placed in the corresponding grooves between the reciprocal holes in the walls of the grooves and are connected by means of movable connections with the output flange, and the vertical power beams partially placed in the corresponding grooves so that their holes are located between the reciprocal holes of the walls of the grooves and are connected to the outlet flange by means of movable joints, which makes it possible to increase the transverse rigidity of the outlet flange. This makes it possible to reduce the movement of the nozzle elements due to operational loads, which better preserves the required shape of the flow path and the elements of the outer contours, which increases the efficiency of the adjustable nozzle and the gas turbine engine as a whole.

Жесткое закрепление каждой траверсы в области выходного фланца на соответствующей горизонтальной силовой балке позволяет увеличить жесткость каждой системы корпус - выходной фланец - горизонтальная силовая балка - траверса, что лучше сохраняет требуемую форму проточной части и увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.Rigid fastening of each traverse in the area of the outlet flange on the corresponding horizontal power beam makes it possible to increase the rigidity of each system housing - outlet flange - horizontal power beam - traverse, which better preserves the required shape of the flow path and increases the efficiency of the adjustable nozzle and the gas turbine engine as a whole.

Выполнение в горизонтальных силовых балках отверстий под элементы механизмов управления дозвуковыми и сверхзвуковыми створками, установленные в них с зазором, позволяет обеспечить возможность размещения механизмов управления в верхней и нижней части корпуса, что снижает поперечный горизонтальный габаритный размер сопла с сохранением параметров его регулирования и лучше сохраняет требуемую форму проточной части, что увеличивает КПД регулируемого сопла и газотурбинного двигателя в целом.Making holes in the horizontal power beams for the elements of the control mechanisms of subsonic and supersonic flaps installed in them with a gap makes it possible to place control mechanisms in the upper and lower parts of the body, which reduces the transverse horizontal overall size of the nozzle while maintaining its control parameters and better maintains the required the shape of the flow path, which increases the efficiency of the adjustable nozzle and the gas turbine engine as a whole.

Сущность настоящего изобретения поясняется фигурами чертежей.The essence of the present invention is illustrated by the figures of the drawings.

На фигуре 1 изображен продольный разрез вертикальной плоскостью нижней части регулируемого сопла турбореактивного двигателя.The figure 1 shows a longitudinal section of the vertical plane of the lower part of the adjustable nozzle of a turbojet engine.

На фигуре 2 подробнее показан выходной фланец корпуса в месте соединения с ним горизонтальных и вертикальных силовых балок, а также место соединения горизонтальной силовой балки с траверсой.Figure 2 shows in more detail the outlet flange of the housing at the junction of horizontal and vertical power beams with it, as well as the junction of the horizontal power beam with the traverse.

Регулируемое реактивное сопло турбореактивного двигателя содержит последовательно установленные корпус 1, содержащий выходной фланец 2 прямоугольной формы, жестко закрепленные на вертикальных участках фланца 2 по торцам две боковые стенки 3, две дозвуковые створки 4 и две сверхзвуковые створки 5, причем каждая из дозвуковых створок 4 соединена с боковыми стенками 3 посредством шарнирных соединений, дозвуковые створки 4 в свою очередь попарно соединены со сверхзвуковыми створками 5 посредством шарнирных соединений. Дозвуковые створки 4 и сверхзвуковые створки 5 соединены с механизмами управления 6 и могут проворачиваться под их действием (фиг. 1), регулируя тем самым площадь критического и выходного сечений, а также отклонение вектора тяги. Во фланце 2, на его прямолинейных участках с внешней стороны, выполнены пазы 7 с ответными отверстиями 8, выполненными в стенках пазов 7. Регулируемое сопло также снабжено двумя горизонтальными силовыми балками 9, каждая из которых содержит прямолинейный участок с проушинами 10. Причем каждая проушина 10 размещена в соответствующем пазу 7 между ответных отверстий 8, и в данном месте реализовано подвижное соединение посредством, например, оси. В частном случае реализации, каждая горизонтальная силовая балка 9 снабжена тремя проушинами 10. Также сопло содержит две вертикальные силовые балки 11 с отверстиями, которые размещены в соответствующих пазах 7 между ответных отверстий 8. Между стенок пазов 7 и вертикальными силовыми балками 11 реализованы подвижные соединения. Последние необходимы для частичной компенсации температурных расширений смежных элементов регулируемого сопла и снижения возникающих нагрузок в местах их соединений, в том числе и температурных за счет образования зазоров между ними и меньшей теплопередачи, но обеспечивая при этом связи в требуемых направлениях для увеличения совместной изгибной жесткости данных элементов. В частности, каждое подвижное соединение выполнено в виде цилиндрического шарнира. При этом в горизонтальных силовых балках 9 выполнены отверстия 12, в которых с зазором установлены элементы механизмов управления 6 (фиг. 2). Кроме того, регулируемое сопло содержит шесть траверс 13, расположенных вдоль корпуса 1, закрепленных передней частью на последнем, а задней частью закрепленных на соответствующих горизонтальных силовых балках 9. На траверсах 13 установлены механизмы управления 6. Причем и траверсы 13 и механизмы управления 6 поровну расположены в верхней и нижней части регулируемого сопла.The adjustable jet nozzle of a turbojet engine contains a body 1 installed in series, containing a rectangular outlet flange 2, two side walls 3, two subsonic flaps 4 and two supersonic flaps 5 are rigidly fixed on the vertical sections of the flange 2 at the ends, each of the subsonic flaps 4 is connected to side walls 3 through swivel joints, subsonic flaps 4, in turn, are connected in pairs with supersonic flaps 5 through swivel joints. Subsonic flaps 4 and supersonic flaps 5 are connected to control mechanisms 6 and can be rotated under their action (Fig. 1), thereby regulating the area of the critical and outlet sections, as well as the deviation of the thrust vector. In the flange 2, on its straight sections on the outside, grooves 7 are made with reciprocal holes 8 made in the walls of the grooves 7. The adjustable nozzle is also equipped with two horizontal power beams 9, each of which contains a straight section with lugs 10. Moreover, each lug 10 is placed in the corresponding groove 7 between the reciprocal holes 8, and in this place a movable connection is implemented by means of, for example, an axis. In a particular case of implementation, each horizontal power beam 9 is equipped with three lugs 10. The nozzle also contains two vertical power beams 11 with holes, which are placed in the corresponding grooves 7 between the reciprocal holes 8. Between the walls of the grooves 7 and the vertical power beams 11, movable connections are implemented. The latter are necessary to partially compensate for the thermal expansion of adjacent elements of the adjustable nozzle and reduce the resulting loads at their joints, including temperature ones due to the formation of gaps between them and less heat transfer, but providing connections in the required directions to increase the joint bending stiffness of these elements . In particular, each movable joint is made in the form of a cylindrical hinge. At the same time, holes 12 are made in horizontal power beams 9, in which elements of control mechanisms 6 are installed with a gap (Fig. 2). In addition, the adjustable nozzle contains six traverses 13 located along the body 1, fixed with the front part on the latter, and with the rear part fixed on the corresponding horizontal power beams 9. Control mechanisms 6 are installed on the traverses 13. Moreover, both the traverses 13 and the control mechanisms 6 are equally spaced at the top and bottom of the adjustable nozzle.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

В процессе работы турбореактивного двигателя изменяются площади критического и выходного сечений сопла, а также направление вектора тяги, за счет поворота дозвуковых створок 4 относительно боковых стенок 3 и изменения положения сверхзвуковых створок 5 под действием механизмов управления 6. При этом нагрузки от давления в проточной части от створок 4, 5 передаются на механизмы управления 6, а далее на корпус 1 посредством траверс 13, которые более равномерно их распределяют по корпусу 1, способствуя тем самым снижению его деформации, в том числе и выходного фланца 2, излишние деформации которого ограничивают горизонтальные силовые балки 9 и вертикальные силовые балки 11. Деформациям подвергаются не только описанные выше, но и остальные элементы регулируемого сопла, в том числе как образующие проточную часть, так и элементы внешнего обвода. Конструктивно данные деформации минимизируются.During the operation of the turbojet engine, the areas of the critical and outlet sections of the nozzle, as well as the direction of the thrust vector, change due to the rotation of the subsonic flaps 4 relative to the side walls 3 and the change in the position of the supersonic flaps 5 under the action of the control mechanisms 6. In this case, the pressure load in the flow part from flaps 4, 5 are transmitted to the control mechanisms 6, and then to the body 1 by means of traverses 13, which more evenly distribute them over the body 1, thereby helping to reduce its deformation, including the output flange 2, the excessive deformation of which limits the horizontal power beams 9 and vertical power beams 11. Deformations are subjected not only to those described above, but also to other elements of the adjustable nozzle, including both those forming the flow part and the elements of the outer bypass. Structurally, these deformations are minimized.

Такое выполнение конструкции позволяет уменьшить ее габариты и увеличить жесткость за счет оригинальности расположения и соединения ее элементов, снизить потери при внешнем обтекании и внутри проточной части с сохранением параметров регулирования сопла, что увеличивает его КПД и газотурбинного двигателя в целом.This implementation of the design makes it possible to reduce its dimensions and increase rigidity due to the original location and connection of its elements, to reduce losses in the external flow around and inside the flow path while maintaining the control parameters of the nozzle, which increases its efficiency and the gas turbine engine as a whole.

Claims

Adjustable nozzle of a turbojet engine, containing a housing installed in series, having a rectangular shape in the outlet section, subsonic flaps and supersonic flaps hinged to each other, side walls rigidly connected to the housing, as well as control mechanisms for subsonic and supersonic flaps, characterized in that equipped with two vertical power beams with holes and two horizontal power beams containing lugs, as well as six traverses fixed on the body, along it, three in the upper and lower parts, while each subsonic flap is pivotally connected to the side walls, in addition, flap control mechanisms are equally located in the upper and lower parts of the adjustable nozzle and are hinged on the traverses, while the body is equipped with an outlet flange rigidly connected to the side walls at the ends, in addition, grooves are made on the outer side along each straight section of the outlet flange with reciprocal holes in their walls, and the lugs of each horizontal power beam are placed in the corresponding grooves between the reciprocal holes in the walls of the grooves and are connected by means of movable connections with the output flange, and the vertical power beams are partially placed in the corresponding grooves so that their holes are located between the reciprocal holes of the walls grooves and are connected to the outlet flange by means of movable joints, with each traverse in the area of the outlet flange being rigidly fixed to the corresponding horizontal power beam, in addition, holes are made in the horizontal power beams for the elements of the subsonic and supersonic doors control mechanisms installed in them with a gap.