3 Выходные и реверсивные устройства

3.1 Нерегулируемые выходные устройства

Часть теплоперепада рабочих газов у ТРД срабатывается в тур­бине, а часть в выходном устройстве. Выходные устройства служат для выхода из двигателяотра­ботавших в турбине рабочих газов и создания при этом реактив­ной тяги.

Выходное устройство ТРД представляет собой выхлопную трубу 1 и сопловой насадок 2 (рис.1), которые в сборе называют выходным (реактивным) соплом.

Выхлопную трубу крепят к корпусу турбины. Внутри нее с по­мощью радиальных стоек 3 укрепляют конус-обтекатель 4 диска турбины, который обеспечивает плавный переход газового потока от кольцевого сечения на выходе из турбины к круговому сечению выхлопной трубы. Выхлопную трубу выполняют в виде усечен­ного конуса, образуя для газов канал с постоянными или с не­сколько расширяющимися проходными сечениями.

Рис. 1. Выходное сопло.

Для вывода газов за пределы самолета выхлопную трубу ча­сто наращивают за счет установки дополнительной, так называе­мой удлинительной трубы (рис. 2). Подводить газ к сопловому насадку необходимо с минимальными потерями. Возможно две схемы выполнения выхлопной трубы:

Схема 1. – Выхлопная труба образована прямолинейными коническими поверхностями 1 и 4 при этом площадь несколько уменьшается, а скорость увеличивается. Однако из-за технологической простоты 4/5 всех двигателей выполняется по этой схеме.

Схема 2 – площадь и скорость постоянны до реактивного насадка что требует специального профилирования внешней поверхности 1 и конуса обтекания 4.

В выходном устройстве двухконтурного двигателя (ТРДД) со смешением потоков включаются также смеситель 7 и камера смешения 9 (рис.3), устанавливаемые непосредственно за турбиной

Рис. 2 . Схема выхлопного устрой­ства.

1 – выхлопная труба, 2 – внутренний конус, 3 – стойка,

4 – удлинительная труба, 5 – реактивное сопло.

.

Рис.3. ТРДД со смешением потоков:

1 – КНД; 2 – второй контур; 3 – КВД; 4 – камера сгорания; 5 – турбина ВД;

6 – турбина НД; 7 – смеситель; 8 – реверсор; 9 – камера смешения; 10 – выходное сопло.

Смесительное устройство обеспечит смешение воздуха второго контура и газов первого контура на небольшой длине и с минимальными потерями. Нерегулируемые выходные устройства с сужающимися сопловыми насадками применяются при дозвуковых и относительно небольших скоростях полёта из-за конструкторской простоты.

При М=1,5…1,7 потери тяги в простом сужающемся сопловом насадке составляют (20…30)%, а при М=3 потери тяги составляют уже 70%, поэтому применение таких выходных устройств ограничено М<1,5.

3.2 Конструкция нерегулируемых дозвуковых выхлопных устройств

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

Рис.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; 14 - наконечник конуса; 15 - теплоизоляция конуса обтекателя; 16 – конус стойки обтекателя.

Выхлопная труба (рис.4) выполняется с помощью сварки из листовой нержавеющей стали толщиной 1,2—1,5 мм. 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. 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. 5).

Рис.5. Примеры уменьшения веса фланцев.

При изготовлении деталей из тонкостенных оболочек необходимо решать вопросы по устойчивости, предупреждения опасных колебаний и местных вибраций.

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

На (Рис.6) показаны различные формы элементов жёсткости для деталей цилиндрической и конической формы.

Рис.6. Элементы жёсткости.

Элементы жёсткости изготавливают из листового материала штамповкой и вальцовкой (рис. 6. а, в, д, г, ж) либо механической обработкой (рис.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.7) ,а на деталях с криволинейным контуром нагруженным осевыми усилиями в местах перехода к цилиндрическим поверхностям применяются пояса жёсткости коробчатого профиля (рис.8).

В случаях когда пояса жёсткости образуют замкнутую полость, то её желательно дремировать с помощью небольших отверстий, для исключения выпучивания из-за повышения давления с ростом температуры (рис.9).

Рис.7. Подкрепление оболочек Рис.8. Пояса жёсткости работающих на сжатие. коробчатого профиля.

Рис.9. Дренаж замкнутых полостей.

Увеличение жёсткости стенок получают выполнением на них радиальных (рис.10 а), продольных (рис.10 б), кольцевых или фасонных (рис.10 в) выштамповок или зигов.

Рис.10. Увеличение жёсткости путём применения выштамповок или зигов.

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

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

Рис.11. Усиление краёв цилиндрических и конических оболочек.

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 сваривается из листов жаростойкой стали. 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.

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 15. 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:

1) 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 .4). Стойки обтекатели (рис.12) выполнены из листовой жаропрочной стали.

Рис.12. Обтекатель стержней. Крепления 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.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;

2) Жесткое крепление с одним из конусов. Применено в выхлоп­ном устройстве двигателя АМ-3 (рис 13), в котором стойки 2 приварены к стенке внутреннего конуса 1.

Рис.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.