9.1.1. Конструкция нерегулируемых дозвуковых выходных устройств

Нерегулируемые выхлопные устройства устанавливают на дви­гателях без форсажных камер. Конструктивное исполнение основных элементов выходных устройств рассмотрим на примере двигателя ВК – 1А.

Выхлопная труба (рис.9.4) выполняется из листовой нержавеющей стали толщиной 1,2—1,5 мм., с соединением стыка сваркой. Выхлопная труба име­ет два точеных фланца, приваренных к ней роликовой сваркой. Пе­редний фланец служит для крепления трубы к корпусу турбины или к корпусу соплового аппарата II ступени.

Рис.9.4. Выхлопное устройство двигателя ВК - 1А: а - кольцевая полость; 1 - выхлопная труба; 2 - внутренний конус; 3 – стержень; 4 – сопло; 5 – фланец; 6 – кожух; 7 – верхний конец стержня; 8 – втулка; 9 – болт; 10 – заглушка; 11 – нижний конец стержня; 12 – втулка;13 – теплоизоляция выхлопной трубы

Задний фланец служит для крепления реактивного сопла или удлинительной трубы. Фланцы эти на некоторых двига­телях выполнены с вырезами между отверстиями под болты. Вы­резы облегчают фланцы и уменьшают их склонность к короблению и усадке (рис.9. 5).При изготовлении деталей из тонкостенных оболочек необходимо решать вопросы по устойчивости, предупреждения опасных колебаний и местных вибраций.

и

Рис.9.5. Примеры уменьшения

массы фланцев

Одним из основных способов повышения устойчивости является крепление рёбер жёсткости, отбортовок и зиговок.

На Рис.9.6 показаны различные формы элементов жёсткости для деталей цилиндрической и конической формы.

Рис.9.6. Элементы жёсткости: а , в, г, д – штампованные элементы жесткости; б, е – ребра жесткости полученные мех. обработкой

Элементы жёсткости изготавливают из листового материала штамповкой и вальцовкой (рис. 9.6. а, в, д, г,) либо механической обработкой (рис.9.6. б, е) и соединяют с помощью точечной или роликовой сварки или заклёпок. Применение роликовой и сварки плавлением применяется там, где необходимо обеспечить герметичность соединения.

Детали, работающие на сжатие, подкрепляют высокими поясами жёсткости (рис.9.7), а на деталях с криволинейным контуром, нагруженным осевыми усилиями в местах перехода к цилиндрическим поверхностям применяются пояса жёсткости коробчатого профиля (рис.9.8).

Рис.9.7. Подкрепление оболочек

Рис.9.8. Пояса жёсткости коробчатого профиля, работающие на сжатие

В случаях, когда пояса жёсткости образуют замкнутую полость, то её желательно дренировать с помощью небольших отверстий, для исключения выпучивания из-за повышения давления с ростом температуры (рис.9.9).

Рис.9.9. Дренаж замкнутых полостей

Увеличение жёсткости стенок получают выполнением на них радиальных (рис.9.10, а), продольных (рис.9.10, б), кольцевых или фасонных (рис.9.10, в) выштамповок или зигов.

Рис.9.10. Увеличение жёсткости путём применения выштамповок или зигов: а – радиальные; б – продольные; в - фасонные

Края тонкостенных цилиндрических и конических деталей усиливают точеными фланцами или отбортовочными кольцами (рис. 9. 11).

Выхлопные трубы ряда двигателей снабжены теплоизоляцией 13, которая уменьшает потери тепла и предохраняет самолетные де­тали от нагрева (рис.9. 4) . Теплоизолирующими материалами являются ас­бестовая ткань и алюминиевая фольга.

Например, на двигателях ВК-1А и АМ-3 теплоизоляция состоит из слоя асбестовой ткани и 4—5 слоев гофрированной алюминиевой фольги. Между асбесто­вой тканью и фольгой или между листами фольги укладывают сет­ку из спиральной проволоки. Весь теплоизолирующий пакет закрыт кожухом из алюминиевого сплава.

Гофрированная многослойная фольга создает большое количест­во замкнутых воздушных полостей, что делает такую теплоизоля­цию легкой и эффективной.

В передней части выхлопной трубы на некоторых двигателях (ВК-1А) имеется кольцевая полость (а), служащая для подогрева воздуха, идущего на обогрев кабины летчика.

Внутренний конус 2 изготавливается из листов жаростойкой стали с соединением стыков сваркой (рис.7.4.). Для предотвращения обгорания задней кромки конуса к ней приваривают точеный наконечник.

Внутренний конус является обтекателем ротора турбины. Вме­сте с наружным конусом он обеспечивает нужный профиль проточной части выхлопного устройства.

Рис.9.11. Усиление краёв цилиндрических и конических оболочек.

Иногда как, например, на двигателе ВК-1А, к основанию внут­реннего конуса приваривают фланец, к которому крепится днище, выполненное из двух листов жаростойкой стали, между листами проложен теплоизолирующий слой асбестовой ткани 13. Днище служит для уменьшения подогрева задней части диска турбины от на­гретых частей внутреннего конуса. К фланцу основания конуса крепится экран диска турбины. Экран направляет охлаждающий воздух на заднюю сторону диска второй ступени турбины и в значительной степени изоли­рует диск турбины от теплового потока, идущего со стороны сопла. Внутри конуса с днищем, если он изолирован, при нагреве бу­дет повышаться давление, что приведет к короблению стенок кону­са. Во избежание этого в конусе выполняют отверстия, сообщаю­щие его внутреннюю полость с проточной частью двигателя. Соединение наружного и внутреннего конусов производится с помощью стоек, стержней или штанг. Стойки одновременно вы­полняют задачу выпрямления потока газов, выходящего из турби­ны. Профиль стойки может быть симметричным, плоско-выпуклым или изогнутым. Послед­ний вид профиля применяется при очень большой закрутке газа.

Существует несколько видов соединения выхлопных труб с на­ружным конусом:

При помощи силовых стержней или штанг. Такой способ крепления применен на двигателе ВК-1А, где внутренний конус крепится в наружном с помощью взаимно-перпендикулярных силовых стержней 3, которые закрыты обтекателями 16, обеспечива­ющими нужное спрямление потока (рис.7.4). Стойки обтекатели (рис. 9.12) выполнены из листовой жаропрочной стали.

а б

Рис.9.12. Конструкция стойки обтекателя: а - обтекатель стержней;

б – крепление стержня к выхлопной трубе

Внутри каждой из них выполнены три полки жёсткости и направляющие втулки для стержней. Свобода температурных удлинений стержня в этой конструк­ции (Рис.9.4) обеспечивается тем, что один конец 7 его закреплен во втул­ке 8 болтом 9 (узел А), другой конец 11 имеет возможность свобод­но перемещаться во втулке 12 (узел Б). Заглушки 10 предотвра­щают прорыв газов. Между стойками и стенками наружного и внут­реннего конуса устанавливается зазор (при холодном состоянии двигателя), так как стойки (обтекатели) при нагреве во время ра­боты двигателя удлиняются;

Жесткое крепление с одним из конусов. Применено в выхлоп­ном устройстве двигателя АМ-3 (рис.9.13), в котором стойки 2 приварены к стенке внутреннего конуса 1.

Рис.9.13. Схема выхлопного устройства дви­гателя АМ-3; 1—конус; 2—стойка; 3—бобышка; 4—передний винт; 5-бобышка наружного конуса; 6—задний винт.

С наружной стенкой каждый обтекатель соединен двумя радиальными винтами 4 и 6, расположенными по образующей стенки. Винт 4 (передний) резьбовой частью ввернут в бобышку 5 наружного конуса, а цилиндри­ческой частью он входит в бобышку 3, приваренную к обтекателю. Развороту стоек препятствует задний болт 6. Он также может перемещаться в осевом направлении в бобышке 3. Такая конструкция обеспечивает возможность радиального расширения внутреннего конуса и стоек, а также расширение наружной трубы в осевом на­правлении относительно стоек.

Жёсткое или свободное крепление стоек к внутреннему обтекателю и телескопическое свободное или жёсткое в манжеты наружного кожуха (рис.9. 14).

Выходные устройства ТВД являются наиболее простыми по конструкции, так как почти весь теплоперепад сработан в турбине и выходное устройство служит в основном для отвода газов от двигателя. Выходное устройство ТВД (рис.9.14) состоит из наружного 10 и внутреннего 3 кожухов соединенных между собой жёстко пустотелыми стойками 4,5. Обтекаемые стойки 5 приварены к манжете 6 и свободно телескопически входят в манжеты 7 и 8 приваренные к внутреннему кожуху 3, чем обеспечивается свобода температурных перемещений. К наружному кожуху 10 приварен передний фланец 1 для крепления к корпусу турбины, и фланец 2 для крепления газоотводящей трубы самолёта. К пустотелым стойка 5 привариваются коробки 12 для подвода и отвода масла на опоры, охлаждающего воздуха и др.

Рис.9. 14. Выходное устройство ТВД: 1,2 – фланцы; 3- кожух; 4– стойка; 5 - стойка; 6, 7 ,8 – усилительные манжеты; 7 – внутренний кожух; 9 – штуцер; 10 – кожух наружный; 11 – кольцо; 12 - коробка

К обечайке сопла двигателя ВК-1А приварен точеный фланец 5, с помощью которого производится крепление сопла к выхлопной или удлинительной трубе (Рис.9. 4.).

На некоторых самолетах двигатель устанавливается таким об­разом, что длина выхлопной трубы оказывается недостаточной. В этих случаях для вывода горячих газов используют удлинительные трубы.

Удлинительная труба имеет форму цилиндра, устанавливается она между выхлопной трубой и реактивным соплом (Рис.9.2). По конструк­ции труба ничем не отличается от наружного конуса выхлопной трубы. При очень большой длине труба выполняется из нескольких секций. Длина трубы зависит от места установки двигателя на само­лете — в фюзеляже или гондоле двигателя.

Установка удлинительной трубы в значительной степени увеличи­вает длину газового тракта, вследствие чего возрастают гидравли­ческие потери, уменьшающие тягу. Наличие удлинительной трубы ухудшает также запуск и приемистость двигателя.

Для облегчения запуска удлинительные трубы иногда снабжа­ют перепускными клапанами. В начале запуска этот клапан откры­вается и перепускает газы в атмосферу, чем снижается давление за турбиной, возрастает ее мощность и облегчается запуск.

Крепление удлинительной трубы к фюзе­ляжу осуществляется независимо от двигателя — труба подвеши­вается шарнирно или опирается через ролики на специальные на­правляющие элементы. Таким образом, труба имеет возможность расширяться в радиальном и осевом направлениях.

Соединение удлинительной трубы с выхлопной трубой выпол­няется телескопическим с применением сферических фланцев или колец (рис.9.15).

Рис.9.15. Крепёжные фланцы: а – со сферическим кольцом; б – со сферическим фланцем; 1 – кожух двигателя; 2 – сферический фланец; 3 – соединительная планка; 4 – сферическое кольцо

Охлаждение сопла про­изводится воздухом, который благодаря эжектирующей способно­сти струи газов, выходящей из двигателя, проходит по кольцевой щели между соплом 4 и кожухом 6. На ряде двигателей движение воздуха «происходит за счет скоростного напора.

На (Рис.9.16) представлено сопло ВК-1 в разобранном виде. Некоторые двигатели имеют легкосъемные крепления сопла с помощью разъемного кольца.

Рис.9.16. Выходное сопло двигателя ВК – 1 в разобранном виде: 1- внешний корпус; 2 – внутренний корпус; 3 – фланцы; 4 – кольца; 5 – дефлектор; 6 – конус обтекатель; 7 – стойка; 8 – сопло; 9 стержни силовые

Нерегулируемые выхлопные устройства могут быть также и сверхзвуковыми. Они применяются на однорежимных сверхзвуко­вых двигателях без форсажа. Отличаются они от рассмотренных выше выхлопных устройств конструкцией реактивного сопла (на­садки), имеющего расширяющийся участок (рис.9.17).

а б

Рис.9.17. Формы сверхзвуковых сопел: а – круговое; б - кольцевое

9.2.РЕГУЛИРУЕМЫЕ ДОЗВУКОВЫЕ ВЫХЛОПНЫЕ УСТРОЙСТВА

Регулируемые сопла дают возможность регулировать работу двигателя. Так при увеличении площади проходного сечения вы­ходного сопла давление газов за турбиной уменьшается, вследст­вие чего перепад давления у тур­бины возрастает. При уменьше­нии же площади проходного се­чения давление газов за турби­ной увеличивается, вследствие чего перепад давления у турбины уменьшается. При неизменном расходе топлива в первом случае происходит увеличение мощности турбины, а следовательно, и обо­ротов двигателя, а во - втором случае — их уменьшение.

Одновременным регулирова­нием площади проходного сече­ния выходного сопла и подачи топлива могут быть улучшена характеристики ТРД, облегчен запуск и улучшена приемистость двигателя. Однако у ТРД, пред­назначенных для сравнительно узкого диапазона скоростей по­лета, регулирование за счет вы­ходного сопла оказывается мало­эффективным. Поэтому в целях упрощения конструкции выход­ные сопла у ТРД часто применяют нерегулируемые. Регулируемые сопла широко применяют на ТРД с форсажными камерами, у которых на нефорсированных и форси­рованных режимах работы за счет изменения проходного сечения сопла параметры газов перед турбиной сохраняются неизменными. Рассмотрим основание схемы регулируемых дозвуковых выходных устройств.

Рис.9.18. Регулируемое сопло с подвижной цент­ральной иглой

Сопло с подвижной центральной иглой (рис.9.18). При вы­движении центральной иглы в двигателе меняется площадь выход­ного сечения сопла (при выдвижении уменьшается, при вдвижении — увеличивается). Управление иглой производится механиче­ским путем или с помощью гидравлического сервомотора. Применение данного доста­точно простого способа изменения выходного сечения соп­ла ограничено, так как связано с решением трудной проблемы охлаждения самой иглы и механизма управления. Кроме того, для получения значи­тельного изменения площади сечения сопла в такой конструкции требуется большое пере­мещение иглы, что влечет за собой увеличение размеров и утяже­ление сопла. Конструктивное решение выполнения регулируемого сопла с подвижной иглой на двигателе РД-10 приведено на (рис.9.19).

Рис.9.19. Выходное сопло двигателя РД – 10: 1 –подвижная игла; 2, 4 – направляющая; 3 – конус обтекатель; 5 – валик приводной; 6 – патрубок; 7 – пружина; 8 - рейка

Двухстворчатое сопло может иметь различные формы ство­рок в прикрытом положении (рис.9.20): плоские, овальные или круг­лые. Преимуществом таких устройств является простота самого сопла и управляющего механизма, а недостат­ком — несколько повышенные гид­равлические потери, определяемые формой поперечного сечения сопла, и неравномерный нагрев, вызываю­щий коробление створок и затрудня­ющий их уплотнение, что ведет к бес­полезной утечке газа.

Рис.9. 20. Регулируемое двухстворчатое сопло.

Многостворчатое сопло (Рис.9.21) создает форму по­перечного сечения струи, близкую к кругу во всех положениях. Малые размеры створок позволяют сделать их достаточно жесткими, что предохраняет от коробления. Силы, действующие на каждую створ­ку, меньше, чем при двухстворчатом сопле. Упрощается конструкция шарниров крепления. Нагрузки от створок более равномерно распре­деляются по периметру заднего фланца. Недостатком такого сопла является необходимость большого числа створок, что увеличивает число стыков и ведет к усложнению механизма управления.

Рис.9. 21. Многостворчатое сопло

I II

Рис.9. 22. Регулируемое реактивное сопло: /-створки открыты; //-створки закрыты; 1-кожух выпускной трубы; 2-гидроцилиндр; 3-кольцо управления створками; 4 –створки

Створки 4 (Рис.7.22) шарнирно закреплены на фланце выпускной трубы и под действием перепада давлений прижаты к кольцу 3 управления створками.

При перемещении кольца назад выходное сечение сопла увеличивается, при обратном его движении уменьшается.

Основная трудность при создании многостворчатого сопла заклю­чается в обеспечении надежного газового уплотнения стыков между створками. Уплотнение можно осуществить заполнением мест стыков стеклянной ватой, заключенной в эластичный кожух, который при­варен к соседним створкам сопла.

Более простым способом уплотнения стыков является такой, при котором полка одной створки входит в продольный паз другой. Надеж­ность уплотнения зависит от величины максимального А_х и минимального А₂ перекрытий сечения сопла. Увеличение А_х и А₂ при заданной толщине материала уменьшает жесткость полок, что способствует лучшему уплотнению стыка, но с увеличением перекрытия ухудшается теплоотвод от створок и вследствие их деформации могут возникнуть щели в местах стыка створок. Обычно створкам придают коробчатое сечение, что обеспечивает надежное охлаждение створок эжектируемым воздухом и достаточную их жесткость.

Рис.9.23. Створчатое кольцо с эжектором: а – в положении максимального прикрытия; б – в положении максимального открытия; в – вид сверху без эжекторных створок; 1 – силовое кольцо; 2 , 5 – створки сопла; 3 – створки эжектора; 4 – кольцо; 6 – проушины; 7 – полки

На рис.9.23 приведена схема и конструктивное выполнение створок такого сопла.

Перемещение кольца управления створками осуществляется при помощи двух или трех силовых гидроцилиндров, поршни которых пе­редвигаются под воздействием гидравлической жидкости. Гидравли­ческая жидкость подается кранами управления через штуцер 5 (Рис.9.24) в одну из полостей стакана 8, образованных поршнем 7, при этом один из штуцеров служит для слива смеси из уменьшающейся полости ци­линдра.

Рис.9. 24. Силовой гидроцилиндр управления створками:1- передняя вилка; 2, 10 — контровочные гайки; 3 — гайка; 4— заглушка; 5— шту­цера; 6—резиновые сальники поршня и заглушки; 7—поршень со штоком; 8 — ста­кан; 9 — резиновый сальник штока; 11 — задняя вилка; 12—резиновые сальники передней вилки

К задней вилке 11 крепится кольцо управления створками. Работа гидроцилиндров должна быть тщательно синхронизирована во избежание перекосов кольца управления. Рассмотренный гидроци­линдр обеспечивает только максимальное или минимальное открытие сопла, такие сопла называются двухпозиционными.

В настоящее время вместо двухпозиционных сопел применяют соп­ла с несколькими фиксированными положениями и с непрерывным регулированием выходного сечения. В гидроцилиндре для трехпози­ционного сопла, кроме основного поршня 1 (рис.9. 25), установлен пор­шень-упор 2.

Для максимального открытия сопла нужно подать гидравлическую жидкость по каналам 3 и 4 в полость В, а по каналам 5 и 6 слить ее из полостей А и Б. Минимальное прикрытие сопла достигается подачей гидравлической жидкости по каналу 6 в полость Б и сливом ее из по­лостей А и В.

Промежуточное положение створок обеспечивается подачей жидкос­ти в полости А и Б по каналам 5 и 6. Полость В в этом случае сообщает­ся со сливом. У поршня 2 диаметр штока меньше, чем у поршня 1 . Вследствие разности эффективных площадей поршень 2 удерживается в крайнем правом положении при постановке на упор поршня 1. Диа­метр раскрытия сопла для этих трех положений

регулируют узлами 7, 8 и 9 ( соответственно для максимального, промежуточного и мини­мального сечений ).

Рис.9.25. Силовой гидроцилиндр для трехпозиционного сопла: 1- основной поршень; 2 – поршень упор; 3, 4 – подводящие каналы; 5,6 – сливные каналы; 7,8,9 – гайки

Cопло с аэродинамическим регулированием. В кольцевую полость А на срезе сопла из одной ступени компрессора подводится сжатый воздух, который на срезе сопла направляется перпендикулярно по­току газов, обжимая последний и уменьшая его живое сечение (рис. 9.26).

Рис.9.26. Схема сопла с аэродинамическим регулированием