Глава 9 - Выходные устройства ГТД

Пример конструкции ВУ двигателя GE90-94B (фирмы General Electric Company)с раздельным истечением из контуров приведен на Рис. 9.2.2_3.

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 πñ*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 πñ*max >> 2,5 – и выходного сечений сопла, а также формы его каналаз 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 πñ* до 20 и более. Чем больше πñ* 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. 9.3.1_1.

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. 9.3.1_2), 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 (Кэж = 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. 9.3.1_3). 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 осесимметричных створчатых конструкций РС стало создание

545

Глава 9 - Выходные устройства ГТД

Рисунок 9.3.1_1 – РС створчатого типа [9.12.4] (Печатается с разрешения Rolls-Royce plc)

а) – створка сопла в положении «закрыто»; б) створка сопла в положении «открыто»

всережимных сопел Лаваля (см. Рис. 9.3.1_4). 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 9.3.1_2 – РС двигателя М88 (Фотография любезно предоставлена Snecma Moteurs)

546

Глава 9 - Выходные устройства ГТД

Рисунок 9.3.1_3 – РС (с частично снятыми внешними створками) двигателя Д30-Ф6 (ТМКБ «Союз», ОАО «Авиадвигатель»)

а) «бесфорсажные» режимы; б) форсажные режимы

Рисунок 9.3.1_4 – РС (со снятыми внешними створками) двигателя F100 (Pratt&Whitney)

547

Глава 9 - Выходные устройства ГТД

компрессора, но не имела своего регулятора. Первым отечественным РС типа сопла Лаваля с раздельным регулированием площадей критического и выходного сечений стало сопло двигателя РД-33 (ТМКБ «Союз»).

Казалось бы «эволюция», о которой так долго говорили конструкторы, завершилась…». (Перефразированы слова В.И.Ленина : «…революция, о которой так долго говорили большевики, свершилась…».) Однако… Если посмотреть характеристики самолетов, на которые установлены двигатели с РС типа сопла Лаваля, то обнаружится, что все они имеют максимальную скорость полета не более Ì = 2,3. Разумеется, это не случайно и становится понятным, как только попытаешься практически реализовать схему сопла Лаваля для большего диапазона скоростей полета. Дело в том, что при определенных ограничениях на углы раскрытия сверхзвуковой части и наружных обводов, обеспечивающих безотрывное течение как внутри сопла, так и снаружи, длина створок вырастает настолько, что масса работоспособной конструкции становится неприемлемой.

Таким образом, для двигателей многорежимных самолетов с максимальной скоростью полета Ì>2,3 схема РС двигателя Д30-Ф6 оказывается оптимальной и сегодня, спустя несколько десятилетий после создания. В связи с изложенным, представляется целесообразным рассмотреть конструкцию РС более подробно именно на примере сопла двигателя Д30-Ф6.

9.3.1.1 - Регулируемое сопло двигателя Д30-Ф6

РС двигателя Д30-Ф6, устанавливаемого на самолет МИГ-31 с максимальной скоростью полета, соответствующей ÌÏ = 2.83, выполнено по схеме с разрывом сверхзвукового контура и аэродинамическим регулированием выходного сечения – с флюгерными самоустанавливающимися под действием перепада давления от газовых сил и давления на наружной поверхности створками. Выбор схемы сопла обусловлен высоким числом ÌÏ и диапазоном регулирования проходных площадей. На Рис. 9.3.1_3 приведен общий вид, а на Рис. 9.3.1.1_1

Рисунок 9.3.1.1_1 – Схема положения элементов сопла на различных режимах 1 – гидроцилиндр (ГЦ); 2 - шток

ГЦ; 3 – качалка; 4 - тяги привода; 5 - шарнир створок первого ряда; 6 - фланец сопла; 7 - створка первого ряда; 8 - створка второго ряда; 9 - телескопи- ческий демпфер; 10 - форсажная камера; 11 - створка третьего ряда; 12 - створка четвертого ряда; 13 - балка флюгерной части

548

Глава 9 - Выходные устройства ГТД

Рисунок 9.3.1.1_2 – Ферма РС 1 – фланец сопла; 2 – кольцо си-

ловое; 3 – кронштейн створок и тяг фермы; 4 – кронштейн крепления тяг и качалок; 5 – тяги фермы; 6 – кронштейн

крепления ГЦ; 7 – кронштейн крепления балок

Рисунок 9.3.1.1_3 – Звено створок с тягами привода 1 – шарнир створки; 2 – створка первого ряда; 3 – створка второго ряда; 4 – фиксатор; 5,

6 – пазы фиксатора; 7 – гн¸зда-направляющие; 8 – упоры; 9 – винт; 10 – втулка; 11– гайка; 12 – экран; 13 – сферический подшипник; 14 – ось; 15 – тяги привода; 16 – демпфер

549

Глава 9 - Выходные устройства ГТД

Рисунок 9.3.1.1_4 – Телескопическая тяга-демпфер 1 – шток; 2 – гильза; 3 - кольцо

– схемы РС на различных режимах.	шарнирах 5, установленных на фланце 6, створки
Проточная часть сопла образована четырьмя	7 первого и присоединенные к ним шарнирно
рядами створок и установленных между ними	створки 8 второго рядов. Створки 7 и 8 соединены
проставок. В каждом ряду по 18 створок и 18 про-	между собой телескопическими тягами («демпфе-
ставок. Площадь критического сечения сопла ус-	рами») 9, благодаря которым на закрытие они дви-
танавливается в зависимости от режима работы	жутся вместе, как одно целое, преодолевая усилие
двигателя поворотом створок первого и второго	от давления газовых сил. В определенный момент
рядов с помощью 18 гидроцилиндров. Рабочей жид-	створки 8 проходят положение параллельное оси
костью является топливо, подаваемое под давлени-	сопла (образуют цилиндр) и критическое сечение
åì äî 220 êãñ/ñì2. Каждый гидроцилиндр развива-	со створок 7 первого ряда переходит на конец сво-
ет усилие до 4000 кгс.	рок 8 второго (см. Рис. 9.3.1.1_1а). Дозвуковая
Площадь выходного сечения устанавливает-	часть сопла принимает форму биконического ка-
ся под действием перепада давлений со стороны	нала. В таком положении сопло остается до мак-
газового потока на створки и проставки 3 и 4 ря-	симального бесфорсажного режима.
дов и внешнего потока на наружные створки.	При включении форсажной камеры (ФК) 10
При запуске двигателя сопло находится в рас-	давление в поршневой полости гидроцилиндров
крытом положении, близком к показанному на	уменьшается и створки под давлением газовых сил
Рис. 9.3.1.1_1в. После выхода двигателя на режим	поворачиваются, увеличивая критическое сечение
«Малый газ» в поршневые полости гидроцилинд-	сопла. Двигаясь дальше, створки 8 опираются на
ров 1 подается топливо под давлением от насоса	створки 11 третьего ряда. Телескопическая тяга 9
сопла. Штоки 2 ГЦ выдвигаются и вращают качал-	раздвигается. Под давлением газовых сил створки 11
ки 3, которые с помощью тяг 4 поворачивают на	и 12, установленные на балках 13, поворачиваются,

550

Глава 9 - Выходные устройства ГТД

Рисунок 9.3.1.1_5 – Крепление звена проставок 1 - звено створок; 2, 3 – коромысло; 4 - звено проставок; 5 - экран створки

увеличивая выходное сечение сопла. На крейсерском форсированном режиме (см. Рис. 9.3.1.1_1б) 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 регу-

лируемой 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. 9.3.1_3, составляет ферма (см. Рис. 9.3.1.1_2), 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. 9.3.1.1_11) флюгерной части (см. Рис. 9.3.1.1_12). На кронштейны 4 устанавливаются также качалки 5 (см. Рис. 9.3.1.1_7) привода.

На кронштейны 3 фермы (см. Рис. 9.3.1.1_2)

551

Глава 9 - Выходные устройства ГТД

Рисунок 9.3.1.1_6 – Звено проставок 1 – проставка первого ряда; 2 – проставка второго ряда; 3 – ось; 4, 5 – коромысла; 6 – эк-

ран; 7 – отверстие; 8 – клапан

устанавливаются с помощью кронштейнов 1 (см.	для подвода охлаждающего воздуха из межствор-
Рис. 9.3.1.1_3) звенья створок, состоящие из шар-	чатого пространства на форсированных режимах.
нирно соединенных между собой створок 2 перво-	На створках 2 со стороны проточной части с помо-
го и створок 3 второго рядов.	щью винтов 9, втулок 10 и гаек 11 установлены
Взаимное положение створок между собой оп-	экраны 12 для охлаждения створок первого и вто-
ределяется установленной между ними телескопи-	рого рядов. К створкам 2 первого ряда с помощью
ческой тягой («демпфером») 16 (см. Рис. 9.3.1.1_3):	сферических подшипников 13 и осей 14 крепятся
при минимальной длине тяги (на упоре) угол меж-	тяги 15 привода, каждая из которых другим кон-
ду створками минимальный. Угол увеличивается при	цом также через сферические подшипники крепит-
выдвижении штока 1 (см. Рис. 9.3.1.1_4) из гильзы	ся к своей качалке 5 (см. Рис. 9.3.1.1_7).
2. На штоке установлены упругие кольца 3, создаю-	Звенья проставок аналогично звеньям створок
щие сухое трение, демпфирующее колебания ство-	состоят из проставок 1 (см. Рис. 9.3.1.1_6) и 2, со-
рок второго ряда на режимах аэродинамической не-	ответственно первого и второго рядов, соединенных
устойчивости (приложение 1). Между звеньями	между собой шарнирно осью 3 с возможностью вза-
створок 1 (см. Рис. 9.3.1.1_5) с помощью коромы-	имного продольного перемещения, но зафиксиро-
сел 2 и 3 устанавливаются звенья проставок 4.	ванных в продольном направлении относительно
Взаимному смещению створок в шарнире пре-	соответствующих створок коромыслами 4 и 5.
пятствует фиксатор 4, установленный в пазы 5 и 6	На проставках 1 (см. Рис. 9.3.1.1_6) первого
створок 2 и 3 соответственно. На створках выпол-	ряда аналогично створкам установлены экраны 6,
нены гнезда-направляющие 7 для коромысел 2 и 3	обеспечивающие необходимое охлаждение. На
(см. Рис. 9.3.1.1_5) звеньев проставок. На концах	проставках 2 второго ряда выполнены отверстия
створок 3 выполнены упоры 8, обеспечивающие	7, закрывающиеся со стороны проточной части
зазор между створками второго и третьего рядов	шарнирно закрепленными клапанами 8. Отверстия

552

Глава 9 - Выходные устройства ГТД

Рисунок 9.3.1.1_7 – Гидравлический привод РС (кронштейны качалок, кольцо силовое, тяги фермы, звенья проставок, теплозащита ГЦ и трубопроводов, а также креп¸жные элементы – условно не показаны)

1 – гидроцилиндр; 2 – трубопроводы; 3 – хвостовик; 4 - шток гидроцилиндра; 5 – качалка; 6 - проушина гидроцилиндра; 7 - крышка гидроцилиндра; 8 - кронштейн гидроцилиндра; 9 - фланец сопла; 10 - тяги привода; 11 - звенья створок

с клапанами обеспечивают аэродинамическое демпфирование на нерасчетных режимах (см. приложение 1).

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. 9.3.1.1_7), объединенных приваренными трубопроводами 2 в гидроуправление (см. Рис. 9.3.1.1_8а). Трубопроводы имеют компенсаторы, обеспечивающие допустимый уровень напряжений при перемещении гидроцилиндров в радиальной плоскости.

Гидроцилиндры 1 (см. Рис. 9.3.1.1_7) хвостовиками 3 штоков 4 поршней крепятся к качалкам 5 (см. Рис. 9.3.1.1_7), установленным на кронштейнах 4 (см. Рис. 9.3.1.1_2) кольца 2 силового фермы, а проушинами 6 (см. Рис. 9.3.1.1_7) 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 жидко-

553

Глава 9 - Выходные устройства ГТД

Рисунок 9.3.1.1_8 – Гидроуправление а) - гидроуправление в сборе; б) – ГЦ; в) – регулятор расхода

1 – гильза; 2 – втулка; 3 – гайка; 4 – крышка; 5 – поршень; 6 – хвостовик; 7 – гайки регулировочные; 8 – теплоизоляция; 9 – экран; 10 – регулятор расхода; 11 – кожух; 12 – штуцер 13 – проточки регулятора; 14 – демпфер

сти под высоким давлением в полости со стороны	теля (керосин). Для уменьшения его подогрева
штоков всех ГЦ и такой же слив из полостей со сто-	и обеспечения надежной работы уплотнений 1 (см.
роны поршней.	Рис. 9.3.1.1_9) гильза ГЦ закрыта теплоизоляцией
Силовой ГЦ (см. Рис. 9.3.1.1_8) состоит из	8 (см. Рис. 9.3.1.1_8) и экраном 9, а шток поршня
гильзы 1 с втулкой 2, закрепленной гайкой 3, при-	с регулятором расхода 10 – кожухом 11. Также теп-
варенной к гильзе крышки 4, поршня 5 с хвосто-	лоизоляцией закрыты трубопроводы.
виком 6. На хвостовике расположены гайки 7 для	Керосин под давлением подается в штуцер 12
регулировки длины гидроцилиндра и перемещения	гильзы затем, омывая втулку 2 (см. Рис. 9.3.1.1_9),
(хода) поршня.	попадает в штоковую полость 3 и далее, через от-
В качестве рабочего тела для силовых гидро-	верстия 4 – в канал между внутренней проточкой
цилиндров применяется основное топливо двига-	штока и трубой 5 регулятора непосредственно в п-

554

Глава 9 - Выходные устройства ГТД

Рисунок 9.3.1.1_9 – Схема охлаждения топливом элементов ГЦ 1 – уплотнения; 2 – втулка; 3 – полость штоковая; 4 – отверстия; 5 – труба

роточки 13 (см. Рис. 9.3.1.1_8в) регулятора расхо-	К проушине 6 и через подвеску к проушине 7
да и через демпфер 14 – в поршневую полость ГЦ.	(см. Рис. 9.3.1.1_11) крепятся створки 1 (см.
Расход топлива через гидроуправление поддержи-	Рис. 9.3.1.1_12) третьего ряда. К кронштейнам 2,
вается постоянным, что обеспечивает стабильную	установленным с внешней стороны балок, и под-
работу системы управления соплом.	вескам 3 крепятся наружные створки 4, образую-
Давление керосина в штоковой полости все-	щие внешний обтекатель сопла и являющиеся про-
гда выше, чем в поршневой. За счет силы от пере-	должением мотогондолы самолета. Створки
пада давлений в полостях, поршень втягивается	выполнены в виде одного узла с внутренними
в гильзу, преодолевая усилие от газовых сил, дей-	створками 5 четвертого ряда. Такая подвеска ство-
ствующих на створки, перемещает их и уменьша-	рок компенсирует разницу в тепловых расширени-
ет площадь сопла. При уменьшении перепада дав-	ях деталей. Как между наружными створками, так
лений, когда усилие на поршне становится меньше	и между створками третьего и четвертого рядов
усилия от газовых сил на створках, поршень выд-	установлены уплотнительные проставки 6 и 7, со-
вигается, и площадь сопла увеличивается. Мини-	ответственно.
мальная длина гидроцилиндра, а, следовательно,	Регулируемая часть сопла в отличие от флю-
и минимальная площадь сопла, достигается при	герной является модулем, который может исполь-
полностью втянутом поршне. Максимальная дли-	зоваться для стендовых испытаний двигателя. Без
на гидроцилиндра и максимальная площадь сопла	второго ряда створок такое сопло применяется
достигаются при выдвинутом поршне.	на стендовых установках, в частности для сня-
Рассмотренные выше составляющие элемен-	тия характеристик компрессоров. Флюгерная же
ты: ферма (см. Рис. 9.3.1.1_2), звенья створок (см.	часть в виде, показанном на Рис. 9.3.1.1_12, от-
Рис. 9.3.1.1_3) с демпферами (см. Рис. 9.3.1.1_4),	дельно не собирается и не используется. Общий
звенья проставок (см. Рис. 9.3.1.1_6), детали при-	вид РС в закрытом и открытом положениях пока-
вода (см. Рис. 9.3.1.1_7) с гидроуправлением (см.	çàí íà Ðèñ. 9.3.1_3.
Рис. 9.3.1.1_8а) – собранные вместе, составляют ре-	Регулируемое сопло является теплонапряжен-
гулируемую часть сопла (см. Рис. 9.3.1.1_10).	ным узлом: его детали работают при температуре
На силовом кольце фермы монтируется так-	порядка 1000?С. Для обеспечения их работоспо-
же и флюгерная, аэродинамически управляемая,	собности используются жаропрочные материалы
часть сопла, определяющая его выходное сечение.	на никелевой основе. Большинство деталей изго-
Основу ее составляют установленные на кронш-	тавливается методом литья по выплавляемым мо-
тейнах 1 (см. Рис. 9.3.1.1_11) балки 2, синхронное	делям, что позволяет получать крупногабаритные
перемещение которых обеспечивается шарнирами	отливки с толщиной стенок до 0,8 мм с последую-
3 и 4, соединенными между собой телескопичес-	щей механической обработкой только присоедини-
ки через сферы 5.	тельных мест и, соответственно, РС с достаточно

555