Конструкция и параметры выходного устройства ТРДДФ-1
«МАТИ» - РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им.
К. Э. ЦИОЛКОВСКОГО
Кафедра «Двигатели летательных аппаратов теплотехника»
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ПО ТЕМЕ
«конструкция и параметры выходного устройства ТРДДФ-1»
Выполнил студент группы 22АДУ4ВС-237
МОСКВА 2011
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучение принципа действия, назначения и конструкцииосновных узлов сверхзвукового регулируемого сопла современного ТРДЦФ. Построение кинематической схемы и характеристики
сопла. Расчет и построение зависимости эффективной тяги
силовой установки от числа М полета самолета.
КОНСТРУКЦИЯ ВЫХОДНОГО УСТРОЙСТВА (ВУ)
В конструкцию выходного устройства входит (рис. 1а и 1б):
- Три ряда створок и проставок: первый ряд 14 (дозвуковая сужающаяся часть ВУ), второй ряд 12 (сверхзвуковая расширяющаяся часть ВУ), третий ряд 4 (внешняя часть ВУ); Гидроцилиндр 20 с ложементом 19; Качалки 5,7; Механический упор 6, тяги 8, 13; Пневмоцилиндр 10 (крепится на створку 4); Силовое кольцо 1с закрепленными на нем упругими элементами в форме пластин 3, в которое при помощи вильчатых тяг 2 соединяется с ложементом 19 в узле 21; Задняя часть корпуса форсажной камеры (выполняет роль корпуса ВУ
Рис.1а. Кинематическая схема ВУ
Рис 1б. Кинематическая схема выходного устройства
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОРОСЫ:
Каково назначение выходного устройства ГТД? Как изменяются параметры газа вдоль проточной части сопла? Как осуществляется управление площадью критического течения сопла FКР? Как осуществляется управление площадью выходного сеченая сопла FС? Как и о какой целью осуществляется оптимизация площади выходного сечения сопла? Какие материалы используется для изготовления деталей выходного устройства? Как осуществляется одновременное изменение площадей FКР и FС? Как передаются нагрузки на створки дозвукового к сверхзвукового участков сопла? Из каких элементов конструкции состоит дозвуковая часть сопла? Из каких элементов конструкции состоит сверхзвуковая часть сопла? Каково назначение и принцип работы гидроцилиндров, входящих в конструкцию выходного устройства? Какого назначение пневмоцилиндров, входящих в конструкцию выходного устройства? Как осуществляется синхронизация управления створками дозвуковой и сверхзвуковой частей сопла? Как осуществляется ограничение
? Каково назначение упругих элементов внешних обводов выходного устройства? Какие потери в сопле учитывает коэффициент RC? Какие потери учитывает коэффициент 
ВН? Чем объясняется рост 
ВН при трансзвуковых скоростях полета? Ответы на вопросы:
). Площадь 
в таком случае является одним из управляющих факторов системы управления двигателя. Изучаемое выходное устройство устанавливается на одном из современных ТРДДФ и представляет собой осесимметричное, регулируемое, всережимное, сверхзвуковое сопло створчатой конструкции, которое крепится к задней части корпуса форсажной камеры. Общее управление критическим сечением и сечением среза осуществляется с помощью 16 гидроцилиндров, рабочим телом в которых является топливо. Регулировка предельной площади среза сопла осуществляется с помощью кольца ограничителей (см. рис. 11) и рассмотрена в пункте "внешняя створка". Регулировка максимальной и минимальной площадей среза сопла осуществляется (рис. 14) с помощью, втулки телескопического упора путем ее вращения с последующей контровкой гайкой. Оптимизация выходного сечения сопла осуществляется автоматически под действием газовых сил, действующих на расширяющуюся часть сопла изнутри, и сил создаваемых 16-тью пневмоцилиндрами, расположенными в виде «браслета» вокруг створок и проставок сверхзвуковой части сопла и сжимающих их снаружи. При этом учитываются аэродинамические силы, действующие на внешние створки выходного устройства. Пневмоцилиндры одностороннего действия, постоянно работающие на уменьшение площади среза сверхзвуковой части сопла. Воздух в пневмоцилиндрах поступает из-за компрессора высокого давления через воздушный редуктор. Для иготовления деталей выходного устройства применяют следующие материалы: а) сопловые лопатки выполняются из литых жаропрочных сплавов на основе никеля; б) рабочие лопатки ТВД - литые из современного жаропрочного сплава ЖС-32 с наилучшими характеристиками прочности и жаростойкости (сопротивление окислению), либо с применением технологии монокристаллического литья из жаропрочных сплавов(ММПП «САЛЮТ»); в) детали горячей части газового тракта – защитные эмалевые покрытия (на основе NiCrAl); г) горячие диски – порошковые материалы гранульной технологии (ЭП 741 НП); д) диски компрессоров – высокопрочный свариваемый титановый сплав. При управлении площадью критического сечения сопла, когда, например, от усилия штоков гидроцилиндров, синхронно, относительно своих осей вращения, перемещаются по часовой стрелке качалки и, через тяги, створки, одновременно и синхронно по часовой стрелке перемещаются оси качалок и относительно своих осей вращения поворачиваются внешние и внутренние створки, уменьшая при этом площадь среза сопла. Нагрузки, действующие на створки 14, передается на силовой фланец IV и через тягу 13, качалку 5 на шток гидроцилиндра 20. Нагрузки со створки 12 передается через шарнир 9 на створку 14 и через ролики II на створку 4, а на некоторых режимах работы ВУ и на упоры пневмоцилиндров 10 (например, режим "ПО"). Нагрузки со створки 4 передается:
а) в случае крайних положений механического упора 6 (шток упора 6 максимально вдвинут в цилиндр или выдвинут из цилиндра).
Нагрузка со створки 4 передается череп шарнир 18 на ложемент 19 и через тягу 3 на качалку. С качалки часть нагрузки через шток упора 6 передается на узел 16 ложемента 19. Другая часть нагрузки с качалки V передается на качалку 5. При этом на качалке 5 возникает момент относительно ее оси вращения 15, который уравновешивается усилием со стороны штока гидроцилиндра 20, Узел соединения 15 дополнительно нагружается силой реакции со стороны качалки V;
б) в случае промежуточного положения поршня упора 6 нагрузки со створки 4 передаются на шарнир 18 и пневмоцилиндр 10.Створка 12 дополнительно нагружает створку 4.
Сужающаяся (дозвуковая) часть ВУ состоит из 16-ти створок и проставок, механизма их синхронизации и управления. Створка (рис. 2) отлита в форме равнобедренной трапеции, имеет на внешней поверхности два высоких продольных 7 и ряд мелких поперечных ребер жесткости 6. Для крайних силовых продольных ребра 7 переходят в проушины 4 на передней и 9 задней кромках створки. На силовых ребрах створки выполнены литые бобышки 8 с отверстиями под болты.На передней кромке створки с помощью заклепок 3 крепится пластина 2. Тепловой экран II крепится к створке заклепками 5. Тепловой экран защищает створки от высокой температуры газа в критическом сечении сопла. Охлаждающий воздух в пространство между тепловым экраном и створкой поступает из-под теплового экрана форсажной каморы через специальные вкладыши.
Задняя крышка гидроцилиндра сварена из двух деталей' 5 и 7 и крепится к корпусу гидроцилиндра 3 гайкой 6. К детали 7, с внутренней стороны с помощью штифта 15 крепится втулка 16, которая выполняет роль направляющей для штока. Снаружи на детали нарезана резьба и выполнена канавка. Резьба служит для установки в нужное положение регулировочной втулки 9 и контровочной, гайки 14. Во внутрь штока ввернут хвостовик 10 с наконечником 11. Фиксация хвостовика осуществляется гайкой 13 и контровкой 12.
За одно целое с цилиндром выполнена проушина 24. Внутрь проушины вмонтировал сферический подшипник, на поверхность которого наносится смазка ПФМС-1С (ТУ-6-02-9П-74).
При работе двигателя через гидроцилиндр постоянно циркулирует топливо, охлаждая его детали. Путь циркуляции топлива показан на рисунке5 стрелками, Расход охлаждающего топлива зависит от перепада давленая топлива на поршне (при
105 ПА, расход равен0.029м3/мин, 
105 расход-0,0915 м3/мин). Частичное наружное охлаждение корпуса цилиндра осуществляется топливом, которое поступает внутрь цилиндра через штуцер с ресивером 4 и отверстия 18. Внутреннее охлаждение блока организовано с помощью распределительной втулки 19, сетчатых жиклеров постоянного сечения 22, уплотнительного кольца с центральным отверстием 20. Регулировочные кольца I и стопорное кольцо 23 определяют фиксированное положение всех деталей внутри штока.
Рис. 5. Гидроцилиндр
Кольцо пневмоцилиндров (рис. 15) предназначено для регулировки оптимальной площади среза сопла и состоит из 16-ти пневмоцилиндров, попарно соединенных (крышка 6 с крышкой 6, наконечник штока 4 с наконечником 4). Кольцо пневмоцилиндров шарнирно (см. А-А) крепится с внутренней стороны внешних створок на кронштейнах I. Корпус пневмоцилиндра состоит из корпуса цилиндра 2 и крышки 6. Внутри цилиндра расположен шток с поршнем 5. В шток ввернут на резьбе наконечник 4, положение которого фиксируется гайкой 8 и контровочной пластиной 7 (см. I и вид Б). К штоку крепится металлический кожух 3 для защиты атака от нагрева, влаги, пыли и т. д. Кожух 3 (вид В) имеет прорезь для прохода штуцера 9 (вид А) подвода воздуха в полость поршня пневмоцилиндра 2. Крышка 6 к корпусу крепится на резьбу и фиксируется контровкой (вид А). На поршне и на направляющей штока выполнены канавки лабиринтного уплотнения подсети пневмоцилиндра с целью уменьшения утечек воздуха, которые при работе двигателя регламентируются.
Рис. 15. Кольцо пневмоцилиндров.
Механизм синхронизации створок и проставок внешней и сверхзвуковой частей ВУ (рис. 14) состоит из: системы качалок 10; тяг 11; механических упоров 5; кольца из пневмоцилиндров 12; направляющих элементов 13; предназначен для равномерного и синхронного поворота створок и проставок, как внешней, так и внутренней сверхзвуковой частей ВУ под действием сил со стороны внешнего потока воздуха; рапа, проходящего через сопло двигателя и пневмоцилиндров с целью обеспечения полного расширения газа на срезе сопла.
Каждая качалка 10 с помощью шарнирного соединения 17 крепится к качалке 6, а через две тяги II соединена с двумя внешними створками 9 и через подвижный механический упор 5 с ложементом 3. Литая проушина 2 створки 9. также шарнирно крепится к ложементу 3. Створка 14 сверхзвуковой части ВУ шарнирно в узле 15 крепится к створке дозвуковой части ВУ 18 и подвижно с помощью направляющего элемента 13 соединена с внешней створкой 9.
Качалка 6 шарнирно (узел 19) .крепится к ложементу 3, соединяется со штоком гидроцилиндра I и через тягу 16 со створкой 18. Створка 18 с помощью проушины 20, осей 21 крепится я детали 22. Деталь 22 с помощью болтового соединения 26 крепится к фланцу форсажной камеры 24, фиксируя при этом вкладыш 23 относительно положения теплового экрана форсажной камеры 25.
Таким образом, при неподвижной качалке 6 (а значит и штока гидроцилиндра 1 и створки дозвуковой части ВУ 18) внешние створки 9 могут синхронно вращаться на своих литых проушинах 2 относительно ложемента 3. Синхронность вращения внешних створок обеспечивается через тяги II и качалки 10. Неподвижность створок 18 дозвуковой части ВУ определяет строгое положение осей вращения 15 створок сверхзвуковой части ВУ. В этом случае положение створок 14 (а значит и проставок) будет определяться Положением внешних створок 9 за счет их взаимной связи через направляющий элемент 13. Кольцо пневмоцилиндров также связывает и определяет положение всех внешних створок между собой через упругую связь - давление воздуха в пневмоцилиндрах.
На режимах от "максимала" и ниже усилия пневмоцилиндров больше усилия со стороны газа и воздуха на створках сверхзвуковой и внешней частей сопла, поэтому площадь среза сопла минимальная. При этом она ограничивается максимальной длиной штока 4 телескопического регулируемого упора 5 (шток 4 максимально выдвинут из цилиндра упора 5).
На “полком форсаже” и на числах Маха больше 1.5 усилия ее стороны газа и воздуха больше усилия со стороны пневмоцилиндров и внешние створки образует максимальную площадь среза сопла, которая в данном случае ограничивается упором торцевой поверхности штока 4 в дно цилиндра 5.
На режимах частичного форсирования двигателя поршень штока 4 находится между крайними упорами в гильзе цилиндра.
При управлении площадью критического сечения сопла, когда, например, от усилия штоков гидроцилиндров 1, синхронно, относительно своих осей вращения 19, перемещаются по часовой стрелке качалки 6 и, через тяги 16, створки 18, одновременно и синхронно по часовой стрелке перемещаются оси 17 качалок 10 и относительно своих осей вращения поворачиваются внешние 9 и внутренние 14 створки, уменьшая при этом площадь среза сопла.
Механизм синхронизации и управления створками и проставками дозвуковой части сопла предназначен для одновременного и синхронного поворота всех створок, приставок дозвуковой сужающейся части сопла при перемещении хвостовиков штоков 4 гидроцилиндров 3 (на рис. 6 показано одно звено механизма синхронизации). Механизм синхронизации и управления состоит из 'качалок 6, тяг 9, 15, створок 10, 13 и гидроцилиндров 3. Гидроцилиндр 3 через шарнир 2 крепится к жесткому ложементу. Ложемент I крепится в двух поясах к корпусу форсажной камеры. Первый пояс крепления состоит из двух узлов 22, соединенных с корпусом форсажной камеры заклепками 23. Второй пояс крепления представляет собой фланцевое соединение. Фланец ложемента 21 соединяется с фланцем форсажной камеры 20 болтами. Крепление ложемента к силовым поясам форсажной камеры обеспечивает свободу температурных деформаций.
Качалка 5 соединяется с ложементом I и с хвостовиком штока 4 с помощью шарниров 5 и 19, соответственно. К качалке 6, с одной стороны, с помощью шарнирных узлов 7,8, тяга 9, крепится створка 10. С другой стороны, к качалке с помощью аналогичных узлов 14,16 и тяги 15 крепится створка 13. Таким образом, образуется единый кольцевой контур синхронизации всех створок и гидроцилиндров между собой. При выходе штока 4 из цилиндра 3 (в процессе управления ВУ) усилие со штока передается на качалку 6, узлы 7,16. тяги 9,15 па створки 10,13, заставляя их вращаться вокруг своих осей, закрепленных на фланце 20. При этом изменяется площадь критического сечения сопла (при выходе штока уменьшается, а при втягивании - увеличивается). Синхронность перемещения проставки; II обеспечивается за счет ее связи со створками 10 и 13 через коромысло 12, и штифт 2 (см. рис.4).
На качалке 6 с помощью шарнирных узлов,16 крепится качалка внешней створки IV, которая через телескопический упор 18 соединяется с: ложементом I.
Рис 6. Механизм синхронизации створок и проставок дозвуковой части сопла.
Первый ряд створок 14 шарнирно крепится к заднему фланцу форсажной камеры IV и через тягу 13, качалку 5 соединяется ее штоком гидроцилиндра 20. Гидроцилиндр шарнирно крепится к ложементу 19 в узле 21. Створка 12 шарнирно (узел соединения 9) крепится к створке 14 и опирается на ролики II, которое закреплены на створке 4.
Рис. 14. Механизм синхронизации внешних и сверхзвуковых створок.
Створка I крепится к ложементу 19 c помощью шарнирного узла 18 и только относительно этого уpль она может поворачиваться при изменении как площади критического течения, так и площади среза сопла, Кроме этого, створка 4 соединяется с ложементом через тягу 8, качалку V, механический упор 6 и шарнирный узел 16. Одновременно створка 4 через тягу 8, качалки 7,5, тягу 13 соединятся с створкой дозвуковой части ВУ 14 и через ролики II со створкой сверхзвуковой части ВУ 12.
Механический упор 6 ограничивает изменение площади среза сопла как на режиме "полный форсаж" (шток механического упора максимально, вдвинут в цилиндр), так и на режиме "максимал" (шток упора максимально выдвинут).
Такая схема кинематики ВУ позволяет реализовать следующие принципы его работы:
а) 0птимизировать площадь среза сопла из условия полного расширения газа в нем при неподвижном штоке гидроцилиндра. При этом кинематически связанные с ним качалка 5, тяга 13' и створки сужавшейся части ВУ 14 также неподвижны.
Оптимизация площади среза сопла осуществляется за, счет изменения положения створок 4 и 12 под действием сил со стороны внешнего потока воздуха, газа на выходе из ВУ и пневмоцилиндров 10, как это показано на рисунке 3 штриховой линией применительно к положению элементов ВУ на режиме "ПФ".
б) Изменять одновременно площади критического сечения и сечения среза сопла при перемещении штока гидроцилиндра 20.
В этом случае, усилие со штока 20 передается качалке 5, которая поворачиваясь относительно оси 15, через тягу 13 поворачивает створку 14,
С изменением положения створки 14 изменяется площадь критического сечения ВУ. Одновременно с поворотом качалки 5 изменяется положение качалки 7, тяги 8, створок 4 и узла II. Поворот створки 14 через узел 9 изменяет положение створки 12.
С изменением положения створки 12 изменяется площадь среза сопла.
Силовая ферма с упругими элементами (рис. 16) предназначена для обеспечения плавного перехода фюзеляжа самолета к внешним створкам сопла с проставками. При повороте внешних створок упругие элементы постоянно деформируется. Упругие элементы 6 состоят из штампованных пластин, попарно, со смещением сваренных между собой. С помощью винтов они крепятся к резьбовым втулкам 4, закрепленным на силовом кольце 3. Правая часть упругих элементов опирается на внешние створки 8, левая часть связана с фюзеляжем самолета. К силовому кольцу 3 приварены кронштейны 2, к которым шарнирно крепятся вильчатые рычаги I (см. вид В к Б-Б). Вильчатые рычаги центрируют силовое кольцо относительно корпуса форсажной камеры в сечении расположения узлов 7. Узел 7 является общим для крепления гидроцилиндров. и кольца с упругими элементами. На рисунке позицией 9 обозначено соединение створки 8 с проставкой створки.
Рис.16. Силовая фурма с упругими элементами.
Коэффициент
учитывает потери тяги сопла при полном расширении газа.
