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

вается постоянным, что обеспечивает стабильную работу системы управления соплом.

Давление керосина в штоковой полости всегда выше, чем в поршневой. За счет силы от перепада давлений в полостях, поршень втягивается в гильзу, преодолевая усилие от газовых сил, действующих на створки, перемещает их и уменьшает площадь сопла. При уменьшении перепада давлений, когда усилие на поршне становится меньше усилия от газовых сил на створках, поршень выдвигается, и площадь сопла увеличивается. Минимальная длина гидроцилиндра, а, следовательно, и минимальная площадь сопла, достигается при полностью втянутом поршне. Максимальная длина гидроцилиндра и максимальная площадь сопла достигаются при выдвинутом поршне.

Рассмотренные выше составляющие элементы: ферма (см. Рис. 9.22), звенья створок (см. Рис. 9.23) с демпферами (см. Рис. 9.24), звенья проставок (см. Рис. 9.26), детали привода (см. Рис. 9.27) с гидроуправлением (см. Рис. 9.28, à) – собранные вместе, составляют регулируемую часть сопла (см. Рис. 9.30).

На силовом кольце фермы монтируется также и флюгерная, аэродинамически управляемая, часть сопла, определяющая его выходное сечение. Основу ее составляют установленные на кронштейнах 1 (см. Рис. 9.31) балки 2, синхронное перемещение которых обеспечивается шарнирами 3 и 4, соединенными между собой телескопически через сферы 5.

К проушине 6 и через подвеску к проушине 7 (см. Рис. 9.31) крепятся створки 1 (см. Рис. 9.32) третьего ряда. К кронштейнам 2, установленным

с внешней стороны балок, и подвескам 3 крепятся наружные створки 4, образующие внешний обтекатель сопла и являющиеся продолжением мотогондолы самолета. Створки выполнены в виде одного узла с внутренними створками 5 четвертого ряда. Такая подвеска створок компенсирует разницу в тепловых расширениях деталей. Как между наружными створками, так и между створками третьего и четвертого рядов установлены уплотнительные проставки 6 и 7, соответственно.

Регулируемая часть сопла в отличие от флюгерной является модулем, который может использоваться для стендовых испытаний двигателя. Без второго ряда створок такое сопло применяется на стендовых установках, в частности для снятия характеристик компрессоров. Флюгерная же часть в виде, показанном на Рис. 9.32, отдельно не собирается и не используется. Общий вид РС в закрытом и открытом положениях показан на Рис. 9.19.

Регулируемое сопло является теплонапряженным узлом: его детали работают при температуре порядка 10000С. Для обеспечения их работоспособности используются жаропрочные материалы на никелевой основе. Большинство деталей изготавливается методом литья по выплавляемым моделям, что позволяет получать крупногабаритные отливки с толщиной стенок до 0,8 мм с последующей механической обработкой только присоединительных мест и, соответственно, РС с достаточно низкой удельной массой. На подвижные детали для повышения износостойкости наносится методом плазменного напыления твердое покрытие на основе карбидов вольфрама и твердая смазка на ос-

нове графита. Детали проточной части: створки, проставки первого, второго и третьего рядов проходят при изготовлении операцию термофиксации, что уменьшает коробления в работе при высокой температуре и способствует сохранению герметич- ности.

9.3.2 - Плоские сопла

Примерно в середине семидесятых годов прошлого века авиационные конструкторы в стремлении повысить боевую эффективность самолетов сформулировали основные принципы ее осуществления: 1

– повышение маневренности как на дозвуковых, так и сверхзвуковых скоростях и 2 – снижение радиолокационной и инфракрасной заметности. Реализация

второй части этих принципов для самолетов в США проходила в рамках программы «Stealth». В значи- тельной степени и тот и другой принципы, как показали исследования, достаточно просто могли быть реализованы в конструкции ВУ: повышение маневренности – управлением вектора тяги (УВТ), включая применение реверсивного устройства (РУ), а снижение заметности – заменой круглого выходного сечения прямоугольным с соотношением высоты к ширине 1:2…1:3 и более, исключением прямой видимости наиболее нагретых частей двигателя (лопаток турбины) и снижением температуры выхлопа. Такие ВУ получили название «плоских сопел». Появилось множество схем, одна из которых приведена на Рис. 9.33.

Кроме того, обеспечение необходимой проч- ности и жесткости конструкции плоского сопла неизбежно сопровождается увеличением массы ВУ. Так двигатель F100 (P&W) с плоским соплом имеет массу на 180 кг больше, чем с осесимметрич- ным. Эта проблема частично может быть решена применением композитных материалов типа «углерод – углерод», но проблема пререходного участка от круглого сечения за турбиной (никто еще не сделал квадратной турбины!) к прямоугольному на входе в сопло остается… Так при испытании сопла НПО «Мотор» потери тяги в плоском сопле за счет трансформации потока достигли 14…17% …[9.12.9]. Остается управление вектором тяги (УВТ). Но и это достоинство плоских сопел «перехвачено» и реализовано с осесимметричными соплами (и иногда даже с большей эффективностью).

9.3.3 - Осесимметричные сопла с управляемым вектором тяги

Управление вектором тяги может производиться разными способами:

-пневматическим способом, с использованием эффекта Коанда;

-при помощи дефлекторов, установленных

âрайоне выходного сечения сопла;

-механическим способом, когда отклоняется непосредственно сопло или его часть.

В настоящее время наибольшее распространение получил механический способ отклонения вектора тяги. Отклонение вектора тяги осуществляется либо с помощью поворота всего осесимметричного сопла на шарнирной подвеске или только его сверхзвуковой части.

К системам УВТ предъявляются следующие основные требования:

-система УВТ должна функционировать на всех режимах работы двигателя;

-площадь критического сечения сопла регулируется независимо от системы УВТ и не должна меняться при изменении вектора тяги;

-частота отклонения вектора тяги может составлять до 50 движений в минуту при маневрах самолета в вертикальной и до 25 – при маневрах

âгоризонтальной плоскостях;

-скорость изменения углов – до 30 град/с, погрешность установки угла ~ ± 0,1°;

-давление газа за турбиной и расход газа че- рез сопло на режиме УВТ должны быть такими же,

как при прямом выходе потока и с той же степенью понижения давления в сопле π ñ*;

-при отказе системы УВТ сопло должно автоматически устанавливаться в положение прямой тяги.

9.3.3.1 - Осесимметричное сопло с поворотным узлом

Наиболее понятной с точки зрения конструкции системы УВТ является схема изменения вектора тяги с помощью поворотного узла, размещенного между форсажной камерой и соплом. При этом поворот потока осуществляется в его дозвуковой части сопла. Такая конструкция позволяет модернизировать существующие конструкции РС введением поворотного узла. Примером такого сопла является ВУ двигателя АЛ-31ФП (НПО «Сатурн»).

Осесимметричное сопло с поворотным узлом позволяет обеспечить отклонение вектора тяги в одной плоскости (см. Рис. 9.37). Оно состоит из двух модулей: поворотного узла и реактивного сопла. Поворотный узел позволяет изменить направление вектора тяги на различных режимах работы двигателя. Поворот осуществляется на угол ±15 градусов в одной плоскости. Реактивное сопло – осесимметричное, сверхзвуковое, всережимное, с непрерывным контуром. Схема осесимметричного сопла с поворотным узлом представлена на Рис. 9.38.

Поворотный узел состоит из неподвижного 1

èподвижного 2 корпусов с экранами. Неподвижный корпус шарнирно связан в горизонтальной плоскости с подвижным корпусом при помощи двух осей 3, закрепленных в неподвижном корпусе. На подвижном корпусе закреплено сферическое кольцо 4, по которому осуществляется стыковка с мотогондолой.

Êпереднему фланцу подвижного корпуса крепится уплотнительное кольцо 5 с подвижными в радиальном направлении графитовыми вкладышами. Уплотнительное кольцо герметизирует тракт охлаждения поворотного узла. К заднему фланцу подвижного корпуса крепится корпус 6 РС. Гидроцилиндры 7 управления вектором тяги шарнирно закреплены на неподвижном корпусе, а штоки гидроцилиндров – на кронштейнах подвижного корпуса. Верхние и нижние гидроцилиндры работают в противофазе и управляются агрегатом управления вектором тяги.

Осесимметричное сопло состоит из корпуса

èпривода створок. На корпусе 6 шарнирно закреплены дозвуковые створки 8. Сверхзвуковые створки 9 шарнирно закреплены на концах дозву-

ковых створок. Наружные створки 10 шарнирно закреплены на кронштейнах корпуса сопла, а их концы через ролики подвижно закреплены в направляющих 11 сверхзвуковых створок на выходе сопла. Механизм коррекции площади выходного сечения выполнен в виде «браслета» из пневмоцилиндров 12.

Дозвуковые створки и проставки образуют критическое сечение сопла. Управление створками осуществляется гидроцилиндрами 13. Изменение площади критического сечения происходит за счет возвратно-поступательного движения штоков гидроцилиндров, обеспечивающих поворот створок через систему рычагов и тяг относительно заднего фланца корпуса сопла.

9.3.3.2 - Осесимметричные сопла

ñуправляемым вектором тяги

âсверхзвуковой части

Отклонение вектора тяги также может быть осуществлено поворотом потока в сверхзвуковой части сопла за критическим сечением.

Для этого в осесимметричном сопле (см. Рис. 9.39) поворотный узел размещается между венцами створок первого и второго рядов. Управление поворотом сверхзвуковой части сопла позволяет обеспечить меньшее усилие управляющей системы, чем при отклонении потока в дозвуковой части (осесимметричное сопло с поворотным узлом).

Однако, потери тяги, связанные с поворотом потока, могут значительно возрасти по сравнению с потерями отклоненного осесимметричного сопла.