Конструкция нерегулируемых дозвуковых выхлопных устройств

Нерегулируемые выхлопные устройства устанавливают на дви­гателях без форсажных камер. Конструктивное исполнение основных элементов выходных устройств рассмотрим на примере двигателя ВК – 1А.

Рис.4. Выхлопное устройство двигателя ВК-1А.

а - кольцевая полость; 1 - выхлопная труба; 2 - внутренний конус;3 – стержень;

4 – сопло; 5 – фланец; 6 – кожух; 7 – верхний конец стержня;8 – втулка; 9 – болт;

10 – заглушка; 11 – нижний конец стержня; 12 – втулка;13 – теплоизоляция

выхлопной трубы; 14 - наконечник конуса; 15 - теплоизоляция конуса обтекателя; 16 – конус стойки обтекателя.

Выхлопная труба (рис.4)выполняется с помощью сварки из листовой нержавеющей стали толщиной 1,2—1,5 мм. Выхлопная труба име­ет два точеных фланца, приваренных к ней роликовой сваркой. Пе­редний фланец служит для крепления трубы к корпусу турбины или к корпусу соплового аппарата II ступени. Задний фланец служит для крепления реактивного сопла или удлинительной трубы. Фланцы эти на некоторых двига­телях выполнены с вырезами между отверстиями под болты. Вы­резы облегчают фланцы и уменьшают их склонность к короблению и усадке (рис. 5).

Рис.5. Примеры уменьшения веса фланцев.

При изготовлении деталей из тонкостенных оболочек необходимо решать вопросы по устойчивости, предупреждения опасных колебаний и местных вибраций.

Одним из основных способов повышения устойчивости является крепление рёбер жёсткости, отбортовок и зиговок.

На (Рис.6) показаны различные формы элементов жёсткости для деталей цилиндрической и конической формы.

Рис.6. Элементы жёсткости.

Элементы жёсткости изготавливают из листового материала штамповкой и вальцовкой (рис. 6. а, в, д, г, ж) либо механической обработкой (рис.6. б, е) и соединяют с помощью точечной или роликовой сварки или заклёпок. Применение роликовой и сварки плавлением применяется там где необходимо обеспечить герметичность соединения.

Детали работающие на сжатие, подкрепляют высокими поясами жёсткости (рис.7) ,а на деталях с криволинейным контуром нагруженным осевыми усилиями в местах перехода к цилиндрическим поверхностям применяются пояса жёсткости коробчатого профиля (рис.8).

В случаях когда пояса жёсткости образуют замкнутую полость, то её желательно дремировать с помощью небольших отверстий, для исключения выпучивания из-за повышения давления с ростом температуры (рис.9).

Рис.7. Подкрепление оболочек Рис.8. Пояса жёсткости работающих на сжатие. коробчатого профиля.

Рис.9. Дренаж замкнутых полостей.

Увеличение жёсткости стенок получают выполнением на них радиальных (рис.10 а), продольных (рис.10 б), кольцевых или фасонных (рис.10 в) выштамповок или зигов.

Рис.10. Увеличение жёсткости путём применения выштамповок или зигов.

Края тонкостенных цилиндрических и конических деталей усиливают фланцами точечными или отбортовочными кольцами (рис. 11).

Выхлопные трубы ряда двигателей снабжены теплоизоляцией 13, которая уменьшает потери тепла и предохраняет самолетные де­тали от нагрева (рис. 4) . Теплоизолирующими материалами являются ас­бестовая ткань и алюминиевая фольга.

Рис.11. Усиление краёв цилиндрических и конических оболочек.

Например, на двигателях ВК-1А и АМ-3 теплоизоляция состоит из слоя асбестовой ткани и 4—5 слоев гофрированной алюминиевой фольги. Между асбесто­вой тканью и фольгой или между листами фольги укладывают сет­ку из спиральной проволоки. Весь теплоизолирующий пакет закрыт кожухом из алюминиевого сплава.

Гофрированная многослойная фольга создает большое количест­во замкнутых воздушных полостей, что делает такую теплоизоля­цию легкой и эффективной.

В передней части выхлопной трубы на некоторых двигателях (ВК-1А) имеется кольцевая полость (А), служащая для подогрева воздуха, идущего на обогрев кабины летчика.

Внутренний конус 2 сваривается излистов жаростойкой стали. Для предотвращения обгорания задней кромки конуса к ней приваривают точеный наконечник.

Внутренний конус является обтекателем ротора турбины. Вме­сте с наружным конусом он обеспечивает нужный профиль проточной части выхлопного устройства.

Иногда, как например на двигателе ВК-1А, к основанию внут­реннего конуса приваривают фланец, к которому крепится днище, выполненное из двух листов жаростойкой стали, между листами проложен теплоизолирующий слой асбестовой ткани 15. Днище служит для уменьшения подогрева задней части диска турбины от на­гретых частей внутреннего конуса. К фланцу основания конуса крепится экран диска турбины. Экран направляет охлаждающий воздух на заднюю сторону диска второй ступени турбины и в значительной степени изоли­рует диск турбины от теплового потока, идущего со стороны сопла. Внутри конуса с днищем, если он изолирован, при нагреве бу­дет повышаться давление, что приведет к короблению стенок кону­са. Во избежание этого в конусе выполняют отверстия, сообщаю­щие его внутреннюю полость с проточной частью двигателя. Соединение наружного и внутреннего конусов производится с помощью стоек, стержней или штанг. Стойки одновременно вы­полняют задачу выпрямления потока газов, выходящего из турби­ны. Профиль стойки может быть симметричным, плоско-выпуклым или изогнутым. Послед­ний вид профиля применяется при очень большой закрутке газа.

Существует несколько видов соединения выхлопных труб с на­ружным конусом:

1) При помощи силовых стержней или штанг. Такой способ крепления применен на двигателе ВК-1А, где внутренний конус крепится в наружном с помощью взаимно- перпендикулярных силовых стержней 3 которые закрыты обтекателями 16, обеспечива­ющими нужное спрямление потока (рис .4). Стойки обтекатели (рис.12) выполнены из листовой жаропрочной стали.

Рис.12. Обтекатель стержней. Крепления стержня к выхлопной трубе.

Внутри каждой из них выполнены три полки жёсткости и направляющие втулки для стержней. Свобода температурных удлинений стержня в этой конструк­ции (Рис.4) обеспечивается тем, что один конец 7 его закреплен во втул­ке 8 болтом 9 (узел А), другой конец 11 имеет возможность свобод­но перемещаться во втулке 12 (узел Б). Заглушки 10 предотвра­щают прорыв газов. Между стойками и стенками наружного и внут­реннего конуса устанавливается зазор (при холодном состоянии двигателя), так как стойки (обтекатели) при нагреве во время ра­боты двигателя удлиняются;

2) Жесткое крепление с одним из конусов. Применено в выхлоп­ном устройстве двигателя АМ-3 (рис 13), в котором стойки 2приварены к стенке внутреннего конуса 1.

Рис.13. Схема выхлопного устройства дви­гателя АМ-3 1—конус; 2—стойка; 3—бобышка; 4—передний винт; 5-бобышка наружного конуса; 6—задний винт.

С наружной стенкой каждый обтекатель соединен двумя радиальными винтами 4и 6, расположенными по образующей стенки. Винт 4(передний) резьбовой частью ввернут в бобышку 5наружного конуса, а цилиндри­ческой частью он входит в бобышку 3, приваренную к обтекателю. Развороту стоек препятствует задний болт 6. Он также может перемещаться в осевом направлении в бобышке 3.Такая конструкция обеспечивает возможность радиального расширения внутреннего конуса и стоек, а также расширение наружной трубы в осевом на­правлении относительно стоек.

3) Жёсткое или свободное крепление стоек к внутреннему обтекателю и телескопическое свободное или жёсткое в манжеты наружного кожуха (рис. 14).

Рис. 14. Выходное устройство ТВД :

1 – стенка внутреннего кожуха; 2 – стойка; 3,6,8 – фланцы; 4 – горловина; 5 – усилительная манжета;

7 – внутренний кожух; 9 – наружный кожух; 10 – штуцер для термопары.

К обечайке сопла двигателя ВК-1А приварен точеный фланец 5, с помощью которого производится крепление сопла к выхлопной или удлинительной трубе ( Рис. 4.).

На некоторых самолетах двигатель устанавливается таким об­разом, что длина выхлопной трубы оказывается недостаточной. В этих случаях для вывода горячих газов используют удлинительные трубы.

Удлинительная труба имеет формуцилиндра, устанавливается она между выхлопной трубой и реактивным соплом (Рис.2). По конструк­ции труба ничем не отличается от наружного конуса выхлопной трубы. При очень большой длине труба выполняется из нескольких секций. Длина трубы зависит от места установки двигателя на само­лете — в фюзеляже или гондоле двигателя.

Установка удлинительной трубы в значительной степени увеличи­вает длину газового тракта, вследствие чего возрастают гидравли­ческие потери, уменьшающие тягу. Наличие удлинительной трубы ухудшает также запуск и приемистость двигателя.

Для облегчения запуска удлинительные трубы иногда снабжа­ют перепускными клапанами. В начале запуска этот клапан откры­вается и перепускает газы в атмосферу, чем снижается давление за турбиной, возрастает ее мощность и облегчается запуск.

Соединение удлинительной трубы с выхлопной трубой выпол­няется телескопическим,

с применением сферических фланцев или колец (рис.15).

Рис.15. Крепёжные фланцы.

а – со сферическим кольцом; б – со сферическим фланцем;

1 – кожух двигателя; 2 – сферический фланец; 3 – соединительная планка; 4 – сферическое кольцо.

Крепление удлинительной трубы к фюзе­ляжу осуществляется независимо от двигателя — труба подвеши­вается шарнирно или опирается через ролики на специальные на­правляющие элементы. Таким образом, труба имеет возможность расширяться в радиальном и осевом направлениях.

Охлаждение сопла про­изводится воздухом, который благодаря эжектирующей способно­сти струи газов, выходящей из двигателя, проходит по кольцевой щели между соплом 4и кожухом 6. На ряде двигателей движение воздуха «происходит за счет скоростного напора.

На (Рис.16) представлено сопло ВК-1 в разобранном виде. Некоторые двигатели имеют легкосъемные крепления сопла с помощью разъемного кольца.

Рис.16. Выходное сопло двигателя ВК – 1 в разобранном виде.

Нерегулируемые выхлопные устройства могут быть также и сверхзвуковыми. Они применяются на однорежимных сверхзвуко­вых двигателях без форсажа. Отличаются они от рассмотренных выше выхлопных устройств конструкцией реактивного сопла (на­садки), имеющего расширяющийся участок (рис.17).

Рис.17. Формы сверхзвуковых сопел.

Выходные устройства ТВД являются наиболее простыми по конструкции, так как почти весь теплоперепад сработан в турбине и выходное устройство служит в основном для отвода газов от двигателя. Выходное устройство ТВД (рис.14) состоит из наружного 9 и внутреннего 7 кожухов соедененных между собой жёстко пустотелыми стойками 2. Обтекаемые стойки 2 приварены к кожуху 7 и свободно телескопически входят в манжету 5 приваренную к наружному кожуху 9, чем обеспечивается свобода температурных перемещений. К наружному кожуху 9 приварен передний фланец 3 для крепления к корпусу турбины, и фланец 6 для крепления газоотводящей трубы самолёта. К фланцу 8 крепится кожух стекателя имеющий отверстие на вершине для суфлирования полости кожуха с атмосферой.