Выходное двухмерное сопло воздушно-реактивного двигателя

 

Выходное двухмерное сопло воздушно-реактивного двигателя содержит корпус с боковыми и горизонтальными стенками. Верхняя и нижняя горизонтальные стенки снабжены сквозными окнами, закрывающимися сверху створками сопла, а изнутри сопла - шторками. Створки сопла выполнены селективно перемещающимися вокруг поперечной оси, а шторки выполнены селективно перемещающимися вдоль продольной оси и вокруг поперечной оси сопла. Центральное тело сопла - плоское симметричное составное, передняя часть центрального тела - изменяемой геометрии, задняя - жесткая. Обе части центрального тела сопла соединены с поперечной перегородкой, которая связана с приводом для поворота вокруг поперечной оси посредством кронштейна пирамидальной формы. Внутри кронштейна размещен привод, предназначенный для изменения формы центрального тела. Изобретение позволяет более эффективно обеспечивать снижение уровня шума для гражданских самолетов на режимах взлета, набора высоты и посадки и улучшить маневренность самолета в полете. 5 ил.

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

К двигателям как военной, так и гражданской авиации предъявляются требования по уровню удельных параметров - удельных расхода топлива, тяги, массы, а также специальные требования по обеспечению возможности взлета и посадки на более короткой взлетно-посадочной полосе, управляемости в полете путем отклонения вектора тяги и дополнительные требования в гражданской авиации - по обеспечению низкого уровня шума на режимах взлета, набора высоты и посадки.

Известны двигатели, в которых для уменьшения уровня шума используется подмешивание через щели воздуха из окружающей среды в выходящие из сопла газы, а укороченные взлет и пробег при посадке самолета осуществляются за счет отклонения вектора тяги и реверса тяги (см. патент США 3837579, МКИ F 02 K 1/12, НКИ FIJ, заявл. 9.07.73 г., опубл. 9.07.76 г.; патент Франции 1479351, МКИ F 02 K, заявл. 15.03.66 г., опубл. 28.03.67 г.). Такого типа устройства малоэффективны для уменьшения уровня шума, так как забор воздуха из окружающей среды производится из пограничного слоя, то есть практически без использования скоростного напора. Получение более короткого взлета или более короткого пробега при посадке, как выполнено в известном сопле, не обеспечивает высокой надежности из-за сложной кинематической схемы, которая требует сложной системы управления и значительного увеличения габаритов и веса сопла.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому относится выходное двухмерное сопло, описанное в патенте США 4241876, МКИ В 64 С 15/06, НКИ 239-265.27, заявл. 22.03.79 г., опубл. 30.12.80 г. Известное двухмерное сопло для воздушно-реактивного двигателя содержит прямоугольный корпус с боковыми вертикальными и верхней и нижней горизонтальными стенками, верхняя и нижняя стенки снабжены сквозными окнами, над которыми размещены створки, селективно перемещающиеся между закрытым и открытым положениями окон, створки шарнирно-рычажными механизмами соединены с приводными валами и с приводом для их перемещения, центральное тело плоское симметричное составное, передняя часть выполнена в виде шарнирно соединенного многозвенника с приводом для изменения его геометрии, задняя хвостовая часть выполнена в виде жесткого аэродинамического профиля, связанного с приводным валом и с приводом для ее поворота вокруг поперечной оси. Однако в известном сопле выполнение функций по перемещению створок и изменению геометрии центрального тела сопла объединены единым исполнительным механизмом, что не позволяет изменять форму центрального тела независимо от положения створок, а следовательно, и не позволяет более эффективно использовать заложенные в конструкцию возможности для улучшения параметров рабочего процесса двигателя и, в частности, для снижения уровня шума на взлетном режиме. Менее эффективным является также и создание вертикальной составляющей вектора тяги задней хвостовой частью центрального тела.

Задачей изобретения является снижение уровня шума на режимах взлета, набора высоты и посадки, обеспечение коротких взлетов и посадки, улучшение управляемости самолета в полете и многофункциональности элементов сопла и в результате уменьшение его массы и габаритов.

Указанный технический результат достигается тем, что выходное двухмерное сопло воздушно-реактивного двигателя, содержащее прямоугольный корпус с боковыми вертикальными и верхней и нижней горизонтальными стенками, верхняя и нижняя стенки снабжены сквозными окнами, над которыми размещены створки, селективно перемещающиеся между закрытым и открытым положениями окон, створки шарнирно-рычажными механизмами соединены с приводными валами и с приводом для их перемещения, центральное тело плоское симметричное составное, передняя часть выполнена в виде шарнирно соединенного многозвенника с приводом для изменения его геометрии, задняя хвостовая часть выполнена в виде жесткого аэродинамического профиля, связанного с приводным валом и с приводом для ее поворота вокруг поперечной оси, в углах, образованных пересечением боковых и верхней и нижней стенок, закреплены направляющие, в которые установлены ролики с возможностью их перемещения вдоль продольной оси сопла, с внутренней стороны верхней и нижней стенок в плоскости размещения осей роликов установлены шторки, перекрывающие сквозные окна и передним концом соединенные с роликами с возможностью поворота шторок относительно осей роликов к центру сопла, на внутренней стороне каждой шторки ближе к задней ее части расположены параллельно друг другу, разнесенные по ширине шторки, две проушины с кулачковым пазом в каждой, в каждый паз входит палец, посредством рычага шарнирно соединенный с осью приводного вала перемещения створок, между передней и задней частями центрального тела перпендикулярно его продольной оси установлена поперечная перегородка, жестко связанная с задней частью и посредством шарниров соединенная с передней частью, поперечная перегородка имеет гнезда для шарнирного сопряжения с опорами на боковых вертикальных стенках, во внутренней полости передней части центрального тела размещен пустотелый пирамидальной формы кронштейн, который своим основанием жестко связан с поперечной перегородкой, а вершиной через сквозные щели в передних стенках шарнирного многозвенника выступает из него и своим выступающим концом посредством шарнирно-рычажного механизма соединен с приводным валом привода поворота центрального тела вокруг поперечной оси сопла, при этом привод изменения геометрии центрального тела размещен и закреплен во внутренней полости пирамидального кронштейна.

Такое выполнение выходного двухмерного сопла воздушно-реактивного двигателя позволяет в зоне полета самолета, где установлены нормы уровня шума, а именно на режимах взлета, набора высоты и посадки, открыть створки относительно исходного положения так, чтобы они выступали над наружной поверхностью корпуса сопла, при этом наличие шторок, перекрывающих сквозные окна, и наличие шарнирно-рычажной связи их с приводными валами перемещения створок позволяет одновременно с открытием створок отжать шторки от сквозных окон и, не перемещая их к выходному срезу сопла, отклонить к центру, и гарантировано подвести дополнительный воздух из окружающей среды, отобранный не только из пограничного слоя, но и из потока со скоростным напором, и выбросить его через образовавшиеся щели внутрь сопла, подмешав его к выхлопным газам, что увеличивает массу газа и позволяет тем самым уменьшить скорость истечения газа из сопла при заданной тяге и, кроме того, ускоряет процесс смешения, укорачивая тем самым зону генерирования шума, что позволяет уменьшить излучаемую акустическую энергию и шум струи в целом. Одновременно с подводом воздуха из окружающей среды центральное тело изменяет свою форму в сторону уменьшения его поперечного сечения от исходного значения, что позволяет уменьшить скорость истечения газа из сопла при поступлении дополнительного воздуха из окружающей среды через сквозные окна, а следовательно, и уменьшить акустическую мощность струи на режимах шумоглушения, так как ее величина пропорциональна скорости истечения в восьмой степени. Кроме того, поворот центрального тела вокруг поперечной оси сопла позволяет создать вертикальную составляющую вектора тяги при взлете самолета и, следовательно, сократить длину разбега самолета. При посадке самолета на взлетно-посадочную полосу происходит полное открытие створок и выступание их над поверхностью корпуса на расчетный угол с одновременным выдвижением шторок и их полным поворотом к центру до касания поверхности центрального тела, что позволяет обеспечить тем самым реверсирование тяги, а, следовательно, и существенно сократить длину пробега самолета по взлетно-посадочной полосе.

Поворот центрального тела вверх или вниз вокруг поперечной оси сопла при задвинутых шторках и убранных створках позволяет создавать вертикальную составляющую вектора тяги и тем самым использовать ее в полете при изменении угла атаки для улучшения управляемости самолета.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена принципиальная схема продольного разреза выходного двухмерного сопла с необходимыми поясняющими вырезами при положении конструктивных элементов сопла в исходном положении, характерном для всех режимов работы двигателя, кроме запуска, взлета, набора высоты, посадки и реверса тяги.

На фиг.2 представлена принципиальная схема продольного разреза выходного двухмерного сопла с необходимыми поясняющими вырезами при положении конструктивных элементов сопла, характерном в зоне полета самолета, где установлены нормы уровня шума, а именно на режимах взлета, набора высоты и посадки.

На фиг.3 представлена принципиальная схема продольного разреза выходного двухмерного сопла с необходимыми поясняющими вырезами при положении конструктивных элементов сопла, характерном при пробеге самолета по взлетно-посадочной полосе с реверсированием тяги.

На фиг.4 представлена принципиальная схема продольного разреза выходного двухмерного сопла с необходимыми поясняющими вырезами при положении конструктивных элементов сопла, характерном при взлете самолета с отклонением центрального тела хвостовой частью вверх, а передней частью - вниз, и созданием вертикальной составляющей вектора тяги для отрыва переднего колеса в необходимый момент при разбеге по взлетно-посадочной полосе.

На фиг.5 представлена принципиальная схема продольного разреза выходного двухмерного сопла с необходимыми поясняющими вырезами при положении конструктивных элементов сопла, характерном при улучшении маневренности самолета в полете, например отклонением центрального тела хвостовой частью вниз, а передней частью - вверх, и созданием вертикальной составляющей вектора тяги, направленной вверх.

Выходное двухмерное сопло 1 воздушно-реактивного двигателя содержит прямоугольный корпус 2 с боковыми вертикальными стенками 3, 4 и верхней и нижней стенками 5, 6 со сквозными окнами 7, 8, створками 9, 10, селективно перемещающиеся между закрытым и открытым положениями окон 7, 8 шарнино-рычажные механизмы 11, 12, 13, 14, приводные валы 15, 16, 17 привода 18, 19, 20, центральное тело 21, плоское симметричное составное с передней частью 22 с шарнирами 23, 24, 25, 26, 27 и звеньями 28, 29, 30, 31 и хвостовой частью 32, направляющие 33 и 34 с роликами 35 и 36 в верхних углах сопла, направляющие 37 и 38 с роликами 39 и 40 в нижних углах сопла, верхнюю шторку 41 с проушинами 42 и 43, кулачковыми пазами 44 и 45, пальцами 46 и 47 и рычагами 48 и 49, нижнюю шторку 50 с проушинами 51 и 52, кулачковыми пазами 53 и 54, пальцами 55 и 56 и рычагами 57 и 58, поперечную перегородку 59, шарнирные опоры 60 и 61, пирамидальный кронштейн 62 с шарниром 63, соединенный шарнирно-рычажными механизмами 64 и 65 с приводом, поршни приводов 66, 67 и 68.

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

При полете самолета на режимах, на которых шумоглушение не требуется, створки 9 и 10, шторки 41 и 50 находятся в исходном положении - закрыты, центральное тело 21 расположено вдоль продольной оси сопла 1, при этом его передняя часть 22 благодаря наличию шарниров 23, 24, 25, 26, 27 и звеньев 28, 29, 30, 31, связанных через шарнир 25 с приводом 18, в который поступают команды с регулятора управления двигателем (не показан), изменяет свою геометрию и обеспечивает критическое сечение сопла 1 для каждого режима полета самолета. В этом случае газ, поступающий из двигателя, омывает стенки 3, 4, 5 и 6 корпуса 2 сопла 1, центральное тело 21 и выбрасывается в окружающую среду. Для улучшения управляемости самолета в привод 20 поворота центрального тела 21 поступает команда с регулятора управления положением самолета (не показан) и в зависимости от перемещения поршня 67 влево от исходного положения или вправо шарнирно-рычажные механизмы 64 и 65 через приводной вал 17, через шарнир 63, пирамидальный кронштейн 62 воздействуют на поперечную перегородку 59, которая поворачивается в шарнирных опорах 60 и 61 и отклоняет центральное тело 21 вниз или вверх от исходного положения, при обтекании газами которого создается вертикальная составляющая тяги, действующая вверх или вниз соответственно, что облегчает управление самолетом при выравнивании по тангажу.

В зоне полета самолета, где установлены нормы уровня шума, а именно на режимах взлета, набора высоты и посадки, в привод 19 поступает команда на перемещение поршня 68 влево от исходного положения. Поршень 68, перемещаясь, воздействует через шарнирно-рычажные механизмы 13 и 14 на приводные валы 15 и 16, которые через рычаги 48, 49 и 57, 58 воздействуют на пальцы 46, 47 и 56, 57, которые перемещаются по кулачковым пазам 44, 45 и 53, 54 в пределах их длины и за проушины 42, 43 и 51, 52 отжимают шторки 41 и 50 от сквозных окон 7 и 8, отклоняя верхнюю шторку 41 вниз, а нижнюю шторку 50 - вверх к центру сопла 1. Одновременно приводные валы 15 и 16 через шарнирно-рычажные механизмы 11 и 12 воздействуют на створки 9 и 10 и отклоняют верхнюю створку 9 вверх, а нижнюю створку 10 - вниз на определенный заданный передаточным отношением механизма угол от центра сопла 1. После чего привод 19 прекращает движение поршня 68 и фиксирует его в этом положении и, соответственно, створок 9, 10, шторок 41, 50 в том положении, на которое они были отклонены. В образовавшиеся щели между стенкой 5 и створкой 9 и стенкой 6 и створкой 10 поступает наружный воздух из окружающей среды, проходит через сквозные окна 7 и 8, далее проходит через щели, образованные отклонившимися к центру сопла шторками 41 и 50 от стенок 5 и 6 соответственно, подмешивается к выходящим газам и выбрасывается вместе с ними в атмосферу. Одновременно с приведением в действие приводных валов 15 и 16, а при запуске в первую очередь по команде с регулятора управления двигателем на привод 18 поступает сигнал, под действием которого поршень 66 начинает перемещаться влево от исходного положения, воздействует через шарнир 25 на переднюю часть 22 центрального тела 21 с шарнирами 23, 24, 26, 27 и звеньями 28, 29, 30, 31, изменяет геометрию центрального тела 21 в сторону уменьшения его поперечного сечения и на увеличение площади критического сечения сопла 1 на заданное программой значение. После чего привод 18 прекращает движение поршня 66 и фиксирует его в этом положении. Величины открытия створок 9 и 10, шторок 41 и 50 и величина уменьшения поперечного сечения центрального тела 21 определяются расчетным или экспериментальным путем. Подмешивание струй воздуха из окружающей среды к выходящим газам из сопла с одновременным уменьшением скорости его истечения при заданном значении тяги существенно снижает уровень шума в зоне полета самолета, где установлены нормы уровня шума, а именно на режимах взлета, набора высоты и посадки.

После выхода самолета из зоны контроля уровня шума на привод 19 поступает сигнал на перемещение поршня 68 вправо в исходное положение. Поршень 68 перемещаясь вправо воздействует через шарнирно-рычажные механизмы 13 и 14 на приводные валы 15 и 16, которые через рычаги 48, 49 и 57, 58 воздействуют на пальцы 46, 47 и 56, 57, которые смещают верхнюю шторку 41 с роликами 35 и 36 по направляющим 33 и 34, нижнюю шторку 50 с роликами 39 и 40 по направляющим 37 и 38 влево от исходного положения, одновременно отклоняя верхнюю шторку 41 вверх, а нижнюю шторку 50 - вниз от центра сопла 1, и далее под воздействием приложенных сил пальцы 46, 47 и 56, 57 перемещаются по кулачковым пазам 44, 45 и 53, 54 и за проушины 42, 43 и 51, 52 прижимают шторки 41 и 50 к сквозным окнам 7 и 8, перекрывая их с внутренних сторон сопла. Одновременно приводные валы 15 и 16 через шарнирно-рычажные механизмы 11 и 12 воздействуют на створки 9 и 10 и отклоняют верхнюю створку 9 вниз, а нижнюю створку 10 - вверх от центра сопла 1 до касания и перекрытия сквозных окон 7 и 8 с наружных сторон сопла. Одновременно с приведением в действие приводных валов 15 и 16 на привод 18 поступает сигнал, под действием которого поршень 66 начинает перемещаться вправо от исходного положения, воздействует через шарнир 25 на переднюю часть 22 центрального тела 21 с шарнирами 23, 24, 26, 27 и звеньями 28, 29, 30, 31, изменяет геометрию центрального тела 21 в сторону увеличения его поперечного сечения и на установление критического сечения сопла 1, необходимого для данного режима полета самолета.

При подлете самолета к аэродрому в зоне ограничения шума створки 9 и 10, шторки 41 и 50, передняя часть 22 центрального тела 21 посредством приводов 19 и 18 снова займут положения, соответствующие снижению уровня шума, как это было описано ранее.

После приземления самолета на взлетно-посадочную полосу в привод 19 поступает команда на продолжение перемещения поршня 68 влево от того положения, в котором он был зафиксирован при частичном открытии створок 9, 10 и шторок 41, 50. Перемещаясь влево, поршень 68 воздействует через шарнирно-рычажные механизмы 13 и 14 на приводные валы 15 и 16, которые через рычаги 48, 49 и 57, 58, пальцы 46, 47 и 56, 57 и проушины 42, 43 и 51, 52 смещают шторки 41 и 50 к центру сопла 1 до контакта с внешней поверхностью центрального тела 21. Одновременно приводные валы 15 и 16 через шарнирно-рычажные механизмы 11 и 12 воздействуют на створки 9 и 10 и отклоняют верхнюю створку 9 вверх, а нижнюю створку 10 - вниз на максимальный угол от центра сопла 1. После чего привод 19 прекращает движение поршня 68 и фиксирует его в этом положении и, соответственно, створки 9, 10, шторки 41, 50 в том положении, на которое они были отклонены. В этом положении выходящие газы обтекают шторки 41 и 50, проходят через сквозные окна 7 и 8, обтекают створки 9 и 10 и выбрасываются навстречу движения самолета, обеспечивая тем самым реверсирование тяги и сокращение пробега по взлетно-посадочной полосе.

Выходное двухмерное сопло воздушно-реактивного двигателя улучшает параметры рабочего процесса двигателя и обеспечивает более эффективное снижение уровня шума на режимах взлета, набора высоты и посадки, а также улучшение управляемости самолета в полете, сокращение длины пробега при взлете и посадке и улучшение условий для запуска двигателя.

Формула изобретения

Выходное двухмерное сопло воздушно-реактивного двигателя, содержащее прямоугольный корпус с боковыми вертикальными и верхней и нижней горизонтальными стенками, верхняя и нижняя стенки снабжены сквозными окнами, над которыми размещены створки, селективно перемещающиеся между закрытым и открытым положениями окон, створки шарнирно-рычажными механизмами соединены с приводными валами и с приводом для их перемещения, центральное тело - плоское симметричное составное, передняя часть выполнена в виде шарнирно соединенного многозвенника с приводом для изменения его геометрии, задняя хвостовая часть выполнена в виде жесткого аэродинамического профиля, связанного с приводным валом и с приводом для ее поворота вокруг поперечной оси, отличающееся тем, что в углах, образованных пересечением боковых и верхней и нижней стенок, закреплены направляющие, в которых установлены ролики с возможностью их перемещения вдоль продольной оси сопла, с внутренней стороны верхней и нижней стенок в плоскости размещения осей роликов установлены шторки, перекрывающие сквозные окна и передним концом соединенные с роликами с возможностью поворота шторок относительно осей роликов к центру сопла, на внутренней стороне каждой шторки ближе к задней ее части расположены параллельно друг другу, разнесенные по ширине шторки две проушины с кулачковым пазом в каждой, в каждый паз входит палец, посредством рычага шарнирно соединенный с осью приводного вала перемещения створок, между передней и задней частями центрального тела перпендикулярно к его продольной оси установлена поперечная перегородка, жестко связанная с задней частью и посредством шарниров соединенная с передней частью, поперечная перегородка имеет гнезда для шарнирного сопряжения с опорами на боковых вертикальных стенках, во внутренней полости передней части центрального тела размещен пустотелый пирамидальной формы кронштейн, который своим основанием жестко связан с поперечной перегородкой, а вершиной через сквозные щели в передних стенках шарнирного многозвенника выступает из него и своим выступающим концом посредством шарнирно-рычажного механизма соединен с приводным валом привода поворота центрального тела вокруг поперечной оси сопла, при этом привод изменения геометрии центрального тела размещен и закреплен во внутренней полости пирамидального кронштейна.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5