Метрология / Том 2. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок / 9-3-Regulirujemyje_sopla

Пример конструкции ВУ двигателя GE90-94B (фирмы General Electric Company)с раздельным истечением из контуров приведен на Рис. 9.16.

ВУ состоит из сопла 1 наружного контура, сопла 2 внутреннего контура и затурбинного конуса 3. Наружное сопло 1 крепится к наружному корпусу двигателя, внутреннее сопло 2 и затурбинный конус 3 крепятся к задней опоре 5 турбины.

Внутреннее сопло 2 и затурбинный конус 3 выполняются из теплостойкой нержавеющей стали или жаропрочного сплава (в зависимости от рабочей температуры). Наружное сопло 1, работающее при относительно низких температурах, выполняется из титановых, алюминиевых сплавов или из полимерно-композиционных материалов.

Сопла и затурбинный конус могут быть выполнены с использованием звукопоглощающих конструкций.

9.3 - Регулируемые сопла

При степени понижения давления газа π ñ*max > 2,5 потери в «жестком» сопле на нерасчетных режимах могут стать неприемлемыми. В этом случае, а также в случае использования на двигателе форсажной камеры (ТРДФ, ТРДДФ) возникает необходимость изменения площадей критичес-

êîãî, à ïðè π ñ*max >> 2,5 – и выходного сечений сопла, а также формы его канала в процессе изме-

нения режима работы двигателя, изменения режима полета. Форма канала может трансформироваться из сужающейся в сужающе-расширяющуюся и обратно. Такие сопла называются регулируемыми (РС). Они позволяют получить максимальный выходной импульс в широком диапазоне высот и скоростей полета, при изменении π ñ* до 20 и более. Чем больше π ñ* и чем шире диапазон высот и скоростей полета, тем больше влияние сопла на эффективность двигателя и характеристики самолета.

Кроме выполнения своей основной задачи – обеспечения максимального выходного импульса, РС позволяют улучшить некоторые характеристики двигателя, в частности:

-характеристики запуска (увеличение площади критического сечения – раскрытие сопла – уменьшает сопротивление за турбиной, облегчая раскрутку ротора на запуске, и снижает потребную мощность стартера);

-скоростную характеристику (раскрытие сопла с увеличением скорости полета дает возможность увеличить частоту вращения ротора и тягу двигателя);

-повысить запас устойчивости компрессора.

9.3.1 - Осесимметричные регулируемые сопла

Первые РС, как и нерегулируемые, были круглыми в сечении или, точнее, осесимметричными. Их развитие шло от конструкций с регулированием площади только критического сечения по двум схемам:

1.С центральным телом. Возможно, первое регулируемое сопло такого типа было на ТРД Jumo 004, установленном на Ме262 в 1942 году. (В российском обозначении РД10 Jumo 004 устанавливался на ЯК15). Из-за сложности охлаждения центрального тела в ТРДФ РС с центральным телом развития не получили.

2.С помощью шарнирно установленных на фланце форсажной камеры силовых элементов – створок и расположенных между ними уплотнительных элементов - проставок. Типичная конструкция РС такого типа приведена на Рис. 9.17.

Регулирование площади критического сечения производилось поворотом (закрытием) створок, шарнирно закрепленных на фланце форсажной камеры, перемещаемыми в осевом направлении по направляющим роликами, установленными на корпусе. Сверхзвуковая часть сопла и выходное сечение формировались «жидкими стенками» эжектора. Наружная часть сопла образовывалась «жестким» насадком.

Эжекторный контур требовал значительного расхода вторичного воздуха, что увеличивало габариты и массу самолета.

Стремление к уменьшению коэффициента эжекции привело к замене наружного насадка створчатой конструкцией (см. Рис. 9.18), в принципе аналогичной дозвуковой части сопла, но устанавливаемой либо под действием аэродинами- ческих сил (так называемая «флюгерная» часть или «флюгерные» створки), либо за счет кинематической связи с дозвуковым соплом.

Дальнейшее совершенствование РС шло по пути постепенного отказа от эжекторного контура (Êэж = 0) и замены «жидких стенок» створчатой конструкцией. «Наступление» на жидкий контур шло с двух сторон: вначале со стороны выходного сечения появились так называемые «подстворки»,

àзатем и со стороны дозвуковой части - второй ряд створок («надстворок») (см. Рис. 9.19). Таким образом, на большинстве форсажных режимов разрыв сверхзвукового контура исчез и РС стало на этих режимах «автомодельным». «Жидкие стенки» сохранились только на бесфорсажных режимах. Логическим завершением развития осесимметрич- ных створчатых конструкций РС стало создание все-

режимных сопел Лаваля (см. Рис. 9.20). Такие РС часто называют «автомодельными», что не совсем корректно, поскольку и в соплах с разрывом сверхзвукового контура возможны автомодельные режимы. В то же время не автомодельное течение может возникнуть на нерасчетных режимах и в сопле Лаваля.

Одновременно с совершенствованием газодинамических схем РС развивались и системы управления ими. Это относится в первую очередь к управлению площадью выходного сечения, поскольку управление критическим сечением и определяет этот класс ВУ. Развитие шло от саморегулирования Fâûõ в эжекторе с жестким насадком к саморегулированию с флюгерными створками и частич- ному управлению от механизма регулирования критического сечения. Возможно одним из последних РС, где уже была реализована схема сопла Лаваля, но Fâûõ «саморегулировалась», было сопло двигателя АЛ-31Ф (ММЗ «Сатурн»). В этом РС сверхзвуковая часть по сути уже имела привод в виде «гирлянды», расположенной по окружности цепочки пневмоцилиндров с подачей воздуха из-за

Рисунок 9.18 – РС двигателя М88 (Фотография любезно предоставлена Snecma Moteurs)

ком форсированном режиме (см. Рис. 9.21, á) сопло принимает форму сопла Лаваля.

При увеличении расхода топлива в ФК регулятор сопла устанавливает давление в гидроцилиндрах, уравновешивающее усилие газовых сил на большей площади критического сечения. При максимальной площади критического сечения сопла площадь выходного сечения также максимальна.

Это упрощенная схема работы. В действительности все несколько сложнее. Так и на бесфорсажных режимах сопло находится «под регуляторм», позволяющим компенсировать деформации (раскрытие критического сечения) от действия газовых сил; раскрывать сопло по скорости полета; более сложно управление на форсированных режимах для обеспечения устойчивости компрессора (опережающие раскрытия), предотвращения срыва в ФК и аэродинамической устойчивости самого РС. Более сложно и взаимодействие между регулируемой и флюгерной частями.

При увеличении расхода топлива в ФК регулятор сопла устанавливает давление в гидроцилиндрах, уравновешивающее усилие газовых сил на большей площади критического сечения. При максимальной площади критического сечения сопла площадь выходного сечения также максимальна .

Рассмотрим конструкцию сопла и его основных элементов.

Основу сопла, показанного на Рис. 9.19, составляет ферма (см. Рис. 9.22), образованная фланцем 1 сопла и кольцом силовым 2, соединенных между собой через кронштейны 3 створок и кронштейны 4 тягами 5. На фланце установлены кронштейны 6 крепления ГЦ, а на кольце кронштейны 7 крепления балок 2 (см. Рис. 9.31) флюгерной ча- сти (см. Рис. 9.32). На кронштейны 4 устанавливаются также качалки 5 (см. Рис. 9.27) привода.

На кронштейны 3 фермы (см. Рис. 9.22) устанавливаются с помощью кронштейнов 1 (см. Рис. 9.23) звенья створок, состоящие из шарнирно

Перемещение створок и удержание их в определенном положении осуществляется приводом сопла. В конструкции сопла двигателя Д30-Ф6 использован гидравлический привод.

Он состоит из восемнадцати гидроцилиндров 1 (см. Рис. 9.27), объединенных приваренными трубопроводами 2 в гидроуправление (см. Рис. 9.28, à). Трубопроводы имеют компенсаторы, обеспечивающие допустимый уровень напряжений при перемещении гидроцилиндров в радиальной плоскости.

Гидроцилиндры 1 (см. Рис. 9.27) хвостовиками 3 штоков 4 поршней крепятся к качалкам 5 (см. Рис. 9.27), установленным на кронштейнах

4 (см. Рис. 9.22) кольца 2 силового фермы, а проушинами 6 (см. Рис. 9.27) крышек 7 – к кронштейнам 8, установленным на фланце 9 сопла. К каждой качалке 5 подсоединены две тяги 10 от соседних звеньев створок 11. Такое построение привода обеспечивает синхронное перемещение всех элементов регулируемой части сопла, его осесимметричность и, соответственно, стабильность вектора тяги.

Синхронному перемещению поршней ГЦ способствует одновременный подвод рабочей жидкости под высоким давлением в полости со стороны штоков всех ГЦ и такой же слив из полостей со стороны поршней.