ПЫЛЕЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО ДВИГАТЕЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2002 года по МПК F02C7/52 

Изобретение относится к области очистки воздуха, поступающего в двигатели летательных аппаратов, в частности, вертолетов и может быть также использовано в воздухоочистителях силовых установок наземных транспортных средств с поршневыми и газотурбинными двигателями, в системах кондиционирования, в стационарных энергетических установках.

Преимущественное использование предлагаемого изобретения - для двигателей вертолетов.

К пылезащитным устройствам (ПЗУ) вертолетов предъявляются высокие требования в части удельных габаритных объемов, потерь давления (гидравлического сопротивления) и эффективности очистки. Так, например, у лучших конструкций ПЗУ гидравлическое сопротивление находится в пределах 100...150 кгс/кв.м, а эффективность очистки - 90...95%.

Известны пылезащитные устройства, предназначенные для очистки воздуха, поступающего в двигатели вертолета. Так, на вертолетах США установлены ПЗУ с прямоточными циклонами фирмы Donaldson. В ФРГ фирма Pall разрабатывает и поставляет вертолетные ПЗУ с прямоточными циклонами с диаметром корпуса до 16 мм [1].

Наиболее широкое применение в качестве базовых элементов в ПЗУ вертолетов получили прямоточные циклоны, конструкция которых известна [2-7]. Они состоят, как правило, из цилиндрического или конического корпуса, лопаточного закручивающего аппарата - завихрителя, трубки отвода очищенного воздуха, установленной по оси корпуса и канала отвода сепарированной пыли.

В целях достижения минимальных габаритов устройства внутренний диаметр циклона выполняется в пределах 15...30 мм при обшей его длине, равной 3...4 диаметрам. Это позволяет обеспечить уменьшенные размеры устройства в направлении по потоку воздуха.

Прототипом циклона предлагаемого ПЗУ является сепаратор по заявке Франции N 2632215, 1989 г. Однако данный сепаратор имеет иную форму корпуса - диффузорная часть его снова переходит в цилиндр, а вместо кольцевого канала отвода пыли имеется специальное окно в корпусе. При малых диаметрах циклона, характерных для вертолетных ПЗУ, это увеличивает вероятность засорения данного окна крупными частицами и снижает этим эффективность очистки. В заявленной конструкции сепаратора не регламентированы соотношения размеров элементов, что, как правило, приводит к повышенному гидравлическому сопротивлению.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение гидравлического сопротивления при сохранении эффективности очистки циклона, а также упрощение конструкции. При этом может быть решена и другая задача - повышение эффективности очистки при сохранении гидравлического сопротивления.

Поставленная задача решается тем, что в известном пылезащитном устройстве вертолета, содержащем прямоточные циклоны, закрепленные между наружной и внутренней трубными досками, образующими полость пылесборника с трактом пылеудаления, цилиндрический корпус каждого циклона, снабженный лопаточным закручивающим аппаратом-завихрителем, в его выходном сечении переходит в конический диффузор, внутри которого соосно корпусу циклона на внутренней трубной доске установлена трубка отвода очищенного воздуха, образуя вместе с корпусом кольцевой канал для отвода сепарированной пыли в пылесборник, а геометрические параметры циклона связаны между собой следующими соотношениями:
d_т/D=0,60-0,75; D_д/D=1,10-1,20;
l_c/D=0,50-1,50; l_o=0,10-0,30;
d_вых/D=0,85...1,00,
где D - внутренний диаметр цилиндрической части корпуса циклона;
d_т и d_вых - входной и выходной диаметры трубки отвода очищенного воздуха;
D_д - выходной диаметр диффузора корпуса;
l_c - расстояние между завихрителем и трубкой очищенного воздуха;
l_o - длина кольцевого канала отвода сепарированной пыли.

Причем наружная трубная доска может совпадать с наружной обшивкой корпуса вертолета и повторять контуры его профиля, а диаметр лопаточного закручивающего аппарата связан с выходным диаметром трубки отвода очищенного воздуха следующим соотношением:

где R - радиус поверхности наружной трубной доски;
L - расстояние между трубными досками.

На фиг.1 показан вариант размещения ПЗУ 1 в мотогондоле вертолета 2.

На фиг. 2 и 3 изображена схема конструкции предлагаемого пылезащитного устройства.

Устройство содержит корпус 1 с наружной и внутренней трубными досками 2 и 3. Корпус крепится к капоту вертолета 4. Наружная трубная доска изогнута по профилю капота. В качестве очистительного элемента в устройстве применяются прямоточные циклоны 5, герметично закрепленные в трубных досках 2 и 3. Пространство внутри корпуса 1 образует сборник сепарированной пыли, которая удаляется по каналу 6 с частью воздуха. Очищенный воздух из циклонов 5 попадает в воздухосборник 7.

На фиг.3 изображена конструктивная схема циклона - составной части предлагаемого ПЗУ. Циклон состоит из корпуса 8, в передней части которого расположен завихритель 9, трубки 10 для отвода очищенного воздуха. Сепарированная пыль удаляется из циклона через кольцевой канал 11, образованный корпусом 8 и трубкой 10. Корпус 8 и трубка 10 консольно закреплены в трубных досках 2 и 3 соответственно с обеспечением их соосности и герметичности соединений.

Устройство работает следующим образом.

Под действием разрежения, создаваемого компрессором двигателя, запыленный воздух получает вращательное движение в завихрителе 9 циклона 5. Частицы пыли, взвешенные во вращающемся потоке воздуха, движутся поступательно в направлении потока. В то же время под действием центробежных сил они отбрасываются к внутренней поверхности корпуса 8, в конечном счете попадая преимущественно в кольцевой канал 11 и далее с частью воздуха в канал 6 пылесборника ПЗУ. Очищенный воздух поступает в трубку 10 и далее в воздухосборник 7.

Эффективность очистки и гидравлическое сопротивление циклона определяются рядом факторов, основными из которых являются геометрические размеры и форма элементов, а также соотношение размеров элементов.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что корпус циклона выполняется в виде цилиндра, переходящего в конический диффузор.

Это позволяет увеличить зазор в кольцевом сечении между трубкой и корпусом циклона Δr и этим обеспечить более эффективную сепарацию частиц пыли без изменения гидравлического сопротивления. Наибольший эффект проявляется при изменении формы корпуса с малым внутренним диаметром (15...30 мм), характерным для циклонов, применяемых в ПЗУ двигателей вертолетов.

По данным экспериментов в циклоне с диаметром корпуса 20 мм применение корпуса комбинированной формы взамен цилиндрического приводит к уменьшению пропуска пыли в трассу очищенного воздуха в два раза. При этом зазор Δr в кольцевом сечении увеличивается в два раза и более, что снижает вероятность его засорения.

Известно влияние величины диаметра трубки d_т: чем меньше ее диаметр, т. е. больше зазор Δr, тем меньше пропуск пыли в зону очищенного воздуха и выше эффективность очистки. Но в то же время уменьшение диаметра d_т приводит к заметному увеличению гидравлического сопротивления циклона.

Применение конического диффузора на участке сепарации пыли в циклоне позволяет увеличить зазор Δr, что способствует улучшению сепарации пыли при сохранении диаметра трубки, а следовательно, и величины гидравлического сопротивления.

Увеличение диаметра корпуса за счет применения диффузора предусмотрено в пределах, не превышающих размеры и межцентровые расстояния, необходимые для крепления корпусов и трубок циклонов в трубных досках корпуса ПЗУ, поэтому в целом это не приводит к увеличению габаритов устройства, выполняемого как комплект циклонов, объединенных в батарею.

Наиболее рациональные соотношения геометрических параметров циклона предлагаемого ПЗУ находятся в следующих пределах:
d_т/D=0,60...0,75; D_д/D=1,10...1,20;
l_с/D=0,50...1,50; l_o/D=0,10...0,30;
d_вых/D=0,85...1,00.

При использовании циклона в ПЗУ, имеющих цилиндрическую форму корпуса - по форме поверхности капота мотогондолы (фиг.1 и 2), предлагается с целью снижения гидравлического сопротивления диаметр завихрителя выполнять увеличенным относительно размеров циклона на выходе. Это допустимо за счет большего межцентрового расстояния между циклонами на наружной трубной доске 3 корпуса ПЗУ (фиг.3) как поверхности с большим радиусом. При этом диаметр D завихрителя находится с выходным диаметром трубки отвода очищенного воздуха dвых в соотношении

где R - радиус поверхности наружной трубной доски ПЗУ;
L - расстояние между трубными досками.

Перечень использованных источников информации
1. Проспект фирмы Pall, ФРГ.

2. Заявка N 0344748, кл. В 04 С-3/00, 1989, ЕПВ (ЕР).

3. Заявка N 0344749, кл. В 04 С-3/00, 1989, ЕПВ (ЕР).

4. Заявка N 0344750, кл. В 04 С-3/00, 1989, ЕПВ (ЕР).

5. Заявка N 2632214, кл. В 04 С-3/06, 1989, Франция.

6. Заявка N 263216, кл. В 04 С-3/06, 1989, Франция.

7. Заявка N 2632215, кл. В 04 С-3/06, 1989, Франция (прототип).

Изоберетение предназначено для двигателя летательного аппарата. Устройство содержит прямоточные циклоны, закрепленные между наружной и внутренней трубными досками, образующими полость пылесборника с трактом пылеудаления. Цилиндрический корпус каждого циклона, снабженный лопаточным закручивающим аппаратом-завихрителем, в его выходном сечении снабжен коническим диффузором. Внутри диффузора соосно корпусу циклона, на внутренней трубной доске установлена трубка отвода очищенного воздуха, образуя кольцевой канал для отвода сепарированной пыли в пылесборник. Далее идут соотношения, связывающие геометрические параметры циклона. Такое выполнение устройства позволит снизить гидравлическое сопротивление при сохранении эффективности очистки циклона, а также упростить конструкцию. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Пылезащитное устройство двигателя летательного аппарата, например, вертолета, содержащее прямоточные циклоны, закрепленные между наружной и внутренней трубными досками, образующими полость пылесборника с трактом пылеудаления, отличающееся тем, что цилиндрический корпус каждого циклона, снабженный лопаточным закручивающим аппаратом-завихрителем, в его выходном сечении снабжен коническим диффузором, внутри которого соосно корпусу циклона, на внутренней трубной доске установлена трубка отвода очищенного воздуха, образуя кольцевой канал для отвода сепарированной пыли в пылесборник, а геометрические параметры циклона связаны между собой следующими соотношениями:
d_т/D= 0,60-0,75; D_д/D= 1,10-1,20;
l_с/D= 0,50-1,50; l_о/D= 0,10-0,30;
d_вых/D= 0,85-1,00,
где D - внутренний диаметр цилиндрической части корпуса циклона;
d_т и d_вых - входной и выходной диаметры трубки отвода очищенного воздуха;
D_д - выходной диаметр диффузора;
l_с - расстояние между завихрителем и трубкой очищенного воздуха;
l_о - длина кольцевого канала отвода пыли. 2. Пылезащитное устройство двигателя летательного аппарата по п. 1, отличающееся тем, что наружная трубная доска выполнена по профилю поверхности корпуса летательного аппарата, например, по радиусу. 3. Пылезащитное устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что диаметр лопаточного закручивающего аппарата связан с выходным диаметром трубки отвода очищенного воздуха следующим соотношением:

где R - радиус поверхности наружной трубной доски пылезащитного устройства;
L - расстояние между трубными досками.