Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для поворота реактивного сопла турбореактивного двигателя

Изобретение относится к авиационному двигателестроению, а именно к устройствам поворота реактивных сопел турбореактивных двигателей.

Известно поворотное осесимметричное сопло, содержащее сферическую законцовку корпуса и кронштейн, на которых с помощью осей закреплен поворотный насадок. Кронштейн выполнен Г-образной формы и установлен своим фланцем крепления со стороны наружной поверхности сферической законцовки, при этом расстояние от фланца крепления кронштейна до оси вращения насадка L=0,08-0,12D, где D - диаметр сферы сферической законцовки по ее наружной поверхности (патент РФ №2162955, МПК F02K 1/56, опубл. 10.02.2001 г.).

При работе турбореактивного двигателя сферическая законцовка корпуса поворотного осесимметричного сопла находится под воздействием высокотемпературного газового потока в реактивном сопле и имеет высокую рабочую температуру. Кронштейны Г-образной формы, установленные своими фланцами крепления со стороны наружной поверхности сферической законцовки, обдуваются и охлаждаются воздушным потоком в мотогондоле летательного аппарата, и имеют существенно более низкую рабочую температуру по сравнению с рабочей температурой сферической законцовки корпуса поворотного осесимметричного сопла.

Недостаток известного устройства состоит в том, что оно не обладает достаточным уровнем надежности из-за высоких термических напряжений вследствие существенной разницы рабочих температур и соответствующих им линейных температурных расширений сферической законцовки корпуса и кронштейнов Г-образной формы.

Наиболее близким предлагаемому техническому решению является устройство для поворота реактивного сопла турбореактивного двигателя, содержащее неподвижный корпус с двумя дополнительными опорами Г-образной формы со стороны его наружной поверхности, подвижный корпус, расположенный между ними и шарнирно соединенный с неподвижным корпусом в двух диаметрально противоположных местах шкворнями, установленными в радиальных отверстиях неподвижного корпуса и дополнительной опоры, причем каждый шкворень своей цилиндрической поверхностью контактирует с цилиндрической втулкой, установленной в соответствующее отверстие поворотного корпуса, а между поворотным корпусом и внутренним корпусом с одной стороны, и дополнительной опорой с другой стороны установлены опорные шайбы (патент РФ №2310767, МПК F02K 1/80, опубл. 20.11.2007 г.).

Недостаток известного устройства состоит в том, что оно не обладает достаточным уровнем надежности вследствие ограниченной работоспособности шарнирных соединений шкворень-втулка в условиях неравномерного нагружения контактных цилиндрических поверхностей втулок поворотного корпуса вследствие перекоса их осей при работе турбореактивного двигателя из-за существенной разницы рабочих температур и соответствующих им линейных температурных расширений неподвижного корпуса и кронштейнов Г-образной формы дополнительной опоры.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение надежности устройства поворота реактивного сопла турбореактивного двигателя путем минимизации перекоса осей цилиндрических поверхностей его шарнирных соединений шкворень-втулка.

При создании данного изобретения решается задача расширения арсенала технических средств - надежных устройств для поворота реактивного сопла турбореактивного двигателя.

Сущность технического решения заключается в том, что в устройстве для поворота реактивного сопла турбореактивного двигателя, содержащем неподвижный корпус с двумя дополнительными опорами в виде кронштейнов Г-образной формы, закрепленных на нем со стороны его наружной поверхности, подвижный корпус, расположенный между ними и шарнирно соединенный с неподвижным корпусом в двух диаметрально противоположных местах шкворнями, установленными в радиальных отверстиях неподвижного корпуса и кронштейнов Г-образной формы дополнительных опор, причем каждый шкворень своей цилиндрической поверхностью контактирует с втулкой, установленной в соответствующее отверстие поворотного корпуса, кронштейны Г-образной формы дополнительных опор выполнены из материала с коэффициентом линейного температурного расширения при рабочей температуре, выбранным из диапазона, рассчитанного по формуле:

α_крон=(0,9…1,0)×α_корп×t_корп/t_крон,

где α_крон - коэффициент линейного температурного расширения материала кронштейна Г-образной формы дополнительной опоры при рабочей температуре;

α_корп - коэффициент линейного температурного расширения материала неподвижного корпуса при рабочей температуре;

t_корп - рабочая температура неподвижного корпуса;

t_крон - рабочая температура кронштейна Г-образной формы дополнительной опоры.

Это позволяет, при наличии существенного различия уровня рабочих температур неподвижного корпуса и кронштейнов Г-образной формы дополнительных опор устройства для поворота реактивного сопла турбореактивного двигателя, минимизировать перекос осей цилиндрических поверхностей его шарнирных соединений шкворень-втулка путем уменьшения разницы линейных температурных расширений неподвижного корпуса и Г-образных кронштейнов дополнительных опор, закрепленных на опорных площадках неподвижного корпуса со стороны его наружной поверхности.

На чертежах показаны:

на фиг. 1 - общий вид устройства для поворота реактивного сопла турбореактивного двигателя;

на фиг. 2 - сечение устройства для поворота реактивного сопла турбореактивного двигателя по оси цилиндрических поверхностей его шарнирных соединений шкворень-втулка.

Устройство для поворота реактивного сопла турбореактивного двигателя содержит неподвижный корпус 1 с двумя дополнительными опорами 2 в виде кронштейнов Г-образной формы длиной L, закрепленных на неподвижном корпусе 1 со стороны его наружной поверхности. Подвижный корпус 3 расположен между ними и шарнирно соединен с неподвижным корпусом 1 в двух диаметрально противоположных местах шкворнями 4, установленными в радиальных отверстиях неподвижного корпуса 1 и кронштейнов Г-образной формы дополнительной опоры 2. Каждый шкворень своей цилиндрической поверхностью контактирует с соответствующей цилиндрической поверхностью втулки 5 на длине В, установленной в соответствующее отверстие поворотного корпуса 3. Между поворотным корпусом 3 и неподвижным корпусом 1 с одной стороны, и кронштейнами Г-образной формы дополнительных опор 2 с другой стороны, установлены опорные шайбы 6. Кронштейны Г-образной формы дополнительных опор 2 закреплены на опорных площадках 7 неподвижного корпуса 1 со стороны его наружной поверхности. Управляющие цилиндры 8, которые обеспечивают поворот подвижного корпуса 3 на угол β относительно неподвижного корпуса 1, расположены между неподвижным корпусом 1 и подвижным корпусом 3.

Устройство для поворота реактивного сопла турбореактивного двигателя работает следующим образом.

При работе турбореактивного двигателя истекающие из его газогенератора газы нагревают неподвижный корпус 1 поворотного устройства до рабочей температуры t_корп≈500°С. Кронштейны Г-образной формы дополнительных опор 2 интенсивно обдуваются и охлаждаются воздушным потоком в мотогондоле летательного аппарата и уровень их рабочей температуры t_крон составляет ≈ 250°C.

При использовании для неподвижного корпуса 1 поворотного устройства и кронштейнов Г-образной формы дополнительных опор 2 в качестве материала титанового сплава ВТ20 при указанных выше рабочих температурах коэффициенты линейного температурного расширения (Авиационные материалы, Том 5, Магниевые и титановые сплавы, Москва, ВИАМ, ОНТИ-1973 г.) α_корп=9,3×10^-6 °С^-1 и α_крон=8,95×10^-6 °С^-1, а разница температурного линейного расширения Δ при длине кронштейна Г-образной формы L≈180 мм для пары "неподвижный корпус 1 - кронштейн Г-образной формы дополнительной опоры 2" составит:

Δ=L×[(α_корп×(t_корп-20)-α_крон×(t_крон-20)]=180×[9,3×10^-6×(500-20)-8,95×10^-6(250-20)]=0,433 (мм.),

что при длине цилиндрической поверхности втулки, равной В≈50 мм. приводит к значительному (~30') недопустимому угловому перекосу осей цилиндрических поверхностей шарнирных соединений шкворень-втулка.

Для выбора материала Г-образного кронштейна определим необходимый уровень значения его коэффициента линейного температурного расширения при рабочей температуре по заявляемой формуле:

α_крон=(0,9…1,0)×α_корп×t_корп/t_крон=(0,9…1,0)×9,3×10^-6×500/250=16,74×10^-6…18,6×10^-6 (°C^-1).

Анализ физических свойств выборки материалов (Авиационные материалы, Том 2, Коррозионные и жаростойкие стали и сплавы, Москва, ВИАМ, ОНТИ - 1975 г.) показывает, что значение коэффициента линейного температурного расширения α при рабочей температуре Г-образного кронштейна для сталей и сплавов может варьироваться в широком диапазоне значений:

и только для двух материалов (12Х18Н10Т и 2Х18Н2С4ТЮ), из перечисленных выше, находится в расчетном диапазоне.

Расчетная разница температурного линейного расширения для пары "неподвижный корпус 1 (ВТ20) - кронштейн Г-образной формы дополнительной опоры 2 (сталь 12Х18Н10Т)" составит:

Δ=L×[(α_корп×(t_корп-20)-α_крон×(t_крон-20)]=180×[9,3×10^-6×(500-20)-17,2×10^-6(250-20)]=0.086 (мм.),

что практически в 5 раз меньше по сравнению с парой "неподвижный корпус 1 - кронштейн Г-образной формы дополнительной опоры 2", выполненных из одинакового материала - титанового сплава ВТ20, и хорошо коррелируется с расчетно-экспериментальными допустимыми значениями для кронштейнов Г-образной формы дополнительной опоры.

Для поворота реактивного сопла управляющие цилиндры 8 поворачивают на угол β подвижный корпус 3, соединенный шарнирно с неподвижным корпусом 1 в двух диаметрально противоположных местах шкворнями 4, установленными в радиальных отверстиях неподвижного корпуса 1 и кронштейнов Г-образной формы дополнительной опоры 2, закрепленных на опорных площадках 7 наружного корпуса 1 со стороны его наружной поверхности. При этом каждый шкворень 4 своей цилиндрической поверхностью контактирует с втулкой 5 установленной в соответствующее отверстие поворотного корпуса 3. Между поворотным корпусом 3 и неподвижным корпусом 1 с одной стороны, и кронштейнами Г-образной формы дополнительных опор 2 с другой стороны, установлены опорные шайбы 6. Разница температурного линейного расширения для пары: неподвижный корпус 1 - кронштейн Г-образной формы дополнительной опоры 2 и соответствующий ей угловой перекос осей цилиндрических поверхностей шарнирных соединений шкворень-втулка устройства поворота реактивного сопла турбореактивного двигателя минимизированы, что способствует повышению его надежности.

Таким образом, выбор материала кронштейна Г-образной формы дополнительной опоры со значением его коэффициента температурного линейного расширения при рабочей температуре из расчетного диапазона по заявляемой формуле, позволяет значительно уменьшить перекос осей цилиндрических поверхностей его шарнирных соединений шкворень-втулка и тем самым повысить надежность устройства поворота реактивного сопла турбореактивного двигателя.