УСТРОЙСТВО ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ЛЬДА С ВОЗДУХОЗАБОРНИКА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2013 года по МПК F02C7/47 B64D15/12 H05B6/80 

Настоящее изобретение относится к области авиационных и промышленных двигателей внутреннего сгорания, и в частности, но не исключительно, к газовым турбинам летательных аппаратов, таких как турбинные двигатели, которыми оснащены вертолеты.

Оно относится, в особенности, к двигателям внутреннего сгорания, таким как газовые турбины, которые содержат воздухозаборник и которые предназначены для эксплуатации в условиях, когда на воздухозаборнике может образоваться лед, в частности на защитной решетке, размещенной в упомянутом воздухозаборнике и предназначенной для того, чтобы помешать посторонним предметам попасть в двигатель.

Хорошо известно, что вследствие определенных метеорологических условий на воздухозаборнике газовой турбины может образоваться лед в таком количестве, которое может привести к частичному перекрыванию воздухозаборника газовой турбины, могущему вызвать полное или частичное повреждение газовой турбины.

В случае вертолетов этот феномен обледенения может появиться, в частности, тогда, когда вертолет перемещается во влажной и холодной атмосфере, например в горах или вблизи водного пространства.

Легко понять, что наличие риска обледенения вынуждает летательный аппарат оставаться на земле для исключения любой возможности потери мощности, а именно остановки двигателя в полете.

Настоящее изобретение относится, таким образом, к устройству для удаления льда с воздухозаборника двигателя внутреннего сгорания, такого как газовая турбина, установленная, например, в турбинном двигателе вертолета.

Среди известных устройств для удаления льда можно отметить те, в которых используется воздух под давлением, отбираемый на выходе компрессорной ступени газовой турбины для того, чтобы растопить лед.

В этих устройствах воздух под давлением подается с выхода компрессорной ступени к воздухозаборнику для нагрева зон двигателя, подверженных обледенению, таких, например, неподвижных деталей, как сопло воздухозаборника двигателя, или же подвижных деталей, таких как лопасти предварительной закрутки потока, обычно снабженные шарнирными соединениями, размещенными непосредственно на входе колеса компрессора. Основным недостатком этих устройств является то, что они являются весьма энергоемкими, так как они отбирают значительное количество энергии, необходимой для термодинамического цикла такого двигателя, как газовая турбина, сильно ухудшая общую отдачу двигателя, а также максимальный уровень резервной мощности двигателя. Этот вид отбора энергии является также малоэффективным, так как операция нагрева приводит к последующему нежелательному охлаждению при расширении воздуха в рассматриваемой зоне.

В случае, когда двигателем является газовая турбина, другим недостатком является то, что удаление льда невозможно, когда газовая турбина работает на малом газе, при этом компрессор не подает достаточное количество воздуха, давление, температура и расход которого позволили бы удалить лед. В этом случае понятно, что операция удаления льда является малоэффективной в подготовительных фазах захода на посадку для приземления и в процессе фазы приземления.

Целью настоящего изобретения является устройство для удаления льда, исключающее указанные выше недостатки, являющееся малоэнергоемким и могущее работать, даже когда турбина работает на малом газе или остановлена.

Цель изобретения достигается тем, что устройство для удаления льда по изобретению содержит, по существу, металлическую оболочку для воздухозаборника двигателя, при этом упомянутая оболочка содержит первое отверстие для входа воздуха в оболочку, причем упомянутое первое отверстие снабжено первой, по существу, металлической решеткой, оболочка содержит, кроме того, второе отверстие, предназначенное для направления воздуха к входу в двигатель, упомянутое устройство содержит, кроме того, средства для генерирования в оболочку электромагнитных волн, частота которых позволяет обеспечить таяние льда.

Предпочтительно, двигатель представляет собой газовую турбину, и вход в двигатель образован входом компрессорной ступени газовой турбины.

В соответствии с изобретением, генерируемые волны направляются в оболочку, чтобы расплавить лед, содержащийся в оболочке или на первой решетке, вызывая колебания молекул воды, которые его образуют, приводящие к повышению температуры льда, и последующее его таяние.

Кроме того, лед, намерзший на первой, по существу, металлической решетке, также нагревается самой, по существу, металлической решеткой, температура которой повышается вследствие взаимодействия электромагнитных волн, по существу, с металлическим материалом первой решетки.

Под «по существу металлической» в рамках изобретения имеется в виду, что рассматриваемая деталь, в частности оболочка или первая решетка, может быть выполнена из изолирующего материала, такого как композитный материал, содержащий поверхностное покрытие на основе металла.

Детали, то есть оболочка и решетки, могут быть выполнены как угодно, из материала металлической природы или, по существу, металлической.

Такие детали позволяют, предпочтительно, уменьшить массу устройства при повышении эффективности устройства.

Действительно, в зависимости от одного или нескольких материалов, образующих поверхностное покрытие, можно определить на стенках оболочки или, по меньшей мере, на первой решетке отражающие зоны, поглощающие зоны или зоны, частично поглощающие и частично отражающие, в зависимости от эффекта, который желают получить.

Использование абсорбирующего материала позволяет создать теплую стенку благодаря поглощению электромагнитной энергии и, напротив материала, отражающего электромагнитную энергию, такого как золото, позволяет создать холодную стенку.

Можно также выбрать материал, позволяющий осуществить как поглощение волн, так и распространение индуктированного тока. Последнее свойство материала предоставляет особое преимущество повышения температуры стенки, на которой способен образоваться лед, для того, чтобы исключить его формирование.

Отсюда следует, что лед можно растопить благодаря тепловому эффекту, вызванному поглощением электромагнитных волн абсорбирующим материалом и/или возбуждением молекул воды льда благодаря электромагнитным волнам, эти волны отражаются отражающими стенками и/или являются рассеивающимися волнами.

Благодаря настоящему изобретению, предпочтительно, становится возможным не осуществлять нагрев лопастей предварительной закрутки потока, благодаря чему больше нет необходимости в специальном устройстве для удаления льда с этих лопастей; это позволяет упростить конструкцию двигателя.

Предпочтительно, частота волн, по существу, равна частоте резонанса молекул воды.

Электромагнитные волны, предпочтительно, являются микроволнами.

Так как частота микроволн, по существу, равна резонансу молекул воды, молекулы воды, образующие лед, вибрируют, входя в резонанс, так что они поглощают значительное количество энергии, передаваемой микроволнами, вследствие чего их температура повышается, по меньшей мере, до температуры их плавления, растапливая, таким образом, лед.

Благодаря изобретению плавление льда осуществляется без нагрева объема воздуха, поступающего в воздухозаборник.

Предпочтительно, частота генерируемых волн, по существу, равна 2,45 ГГц.

Таким образом, осуществляют значительную экономию энергии по сравнению с устройством из известного уровня техники, в котором воздух под давлением нагревает поток воздуха, входящий в газовую турбину.

Кроме того, по существу, металлическая первая решетка образует, предпочтительно, расплавляющий лед электромагнитный экран, фильтруя воздух, проходящий воздухозаборник.

Таким образом, микроволны, весьма предпочтительно, позволяют растопить лед, который может образоваться на первой, по существу, металлической решетке.

Таким образом, первая, по существу, металлическая решетка, предпочтительно, отражает часть электромагнитных волн, образуя, таким образом, электромагнитное излучение, замкнутое в оболочке.

Другими словами, лед, намерзший на поверхности первой решетки, будет нагрет как с помощью тепла от электрических токов, которые распространяются по поверхности прутьев, образующих ячейки решетки, так и волновой энергией, поглощаемой решеткой в материале решетки, а также волновой энергией излучения каждого прута решетки и также волновой энергией, излучаемой отверстиями решетки.

В этом варианте осуществления пространство, ограниченное между первой решеткой и входом в двигатель, предпочтительно, входом компрессорной ступени газовой турбины, образует замкнутую зону, в которой распространяются микроволны.

Предпочтительно, но не обязательно, средства для генерирования микроволн содержат, кроме того, волновой смеситель. Во всяком случае, можно без него обойтись, при этом функция волнового смесителя будет обеспечиваться подвижными элементами компрессорной ступени газовой турбины, которыми электромагнитные волны равномерно распределяются в оболочке. В соответствии с другим предпочтительным вариантом обходятся без волнового смесителя, чтобы концентрировать электромагнитные волны в одной или нескольких зонах, которые, предпочтительно, нужно освободить ото льда.

Предпочтительно, средства для генерирования микроволн содержат, по меньшей мере, магнетрон, клистрон или любой тип аппарата, позволяющий обеспечить выполнение этой функции, при этом последний связан с оболочкой посредством волновода, который открывается, предпочтительно, в оболочке одним единственным выходом.

В соответствии с предпочтительным вариантом волновод имеет кольцевую форму для распространения по окружности микроволн в оболочке, имеющей кольцевую форму.

Предпочтительно, один из концов волновода содержит, кроме того, пластину, предпочтительно, немагнитную, проницаемую для микроволн, предназначенную для того, чтобы посторонние предметы не попадали в волновод к магнетрону и не нарушали его функционирования.

В соответствии с особо предпочтительным вариантом второе отверстие снабжено второй, по существу, металлической решеткой, которая, предпочтительно, обеспечивает электромагнитное экранирование компрессорной ступени двигателя, осуществляя вторую фильтрацию воздуха, входящего в двигатель.

В этом варианте пространство, ограниченное между первой и второй, по существу, металлическими решетками, образует, предпочтительно, замкнутую зону, в которой могут распространяться микроволны.

Предпочтительно, но не исключительно, вторая решетка имеет форму, которая позволяет ей кольцеобразно располагаться вокруг оси компрессорной ступени двигателя.

Предпочтительно, оболочка образует камеру избыточного давления.

В рамках изобретения под камерой избыточного давления следует понимать кожух, внешние стенки которого имеют U-образную форму, при этом кожух имеет радиальный воздухозаборник, предназначенный для кольцевого размещения вокруг вала компрессорной ступени.

Это является особенно интересным в том случае, когда воздухозаборник двигателя является кольцевым, при этом камера избыточного давления позволяет, таким образом, управлять потоком воздуха, аксиально входящего в компрессорную ступень.

В этом варианте камера избыточного давления образует часть зоны замкнутого пространства для микроволн.

В соответствии с другим предпочтительным вследствие малой энергоемкости вариантом, оболочка образована первой и второй решетками, которые соединены одна с другой их соответствующими краями, при этом оболочка ограничена упомянутыми решетками, примыкающими их соответствующими краями.

Настоящее изобретение относится также к турбинному двигателю вертолета, содержащего воздухозаборник, включающий устройство для удаления льда по изобретению.

Предпочтительно, устройство для удаления льда по изобретению размещено на входе в компрессорную ступень турбинного двигателя.

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на чертеж, изображающий в разрезе турбинный двигатель вертолета, воздухозаборник которого снабжен устройством для удаления льда по настоящему изобретению.

Как было упомянуто выше, настоящее изобретение может быть использовано в любом типе двигателей внутреннего сгорания, в частности газовых турбинах, которыми оснащаются турбинные двигатели летательных аппаратов и промышленные двигатели.

На фиг.1 изображен в частичном разрезе двигатель внутреннего сгорания, образованный турбинным двигателем 10 вертолета, содержащим газогенератор 12 и свободную турбину 14.

Газогенератор 12 содержит вал 16, на котором установлено колесо 18 центробежного компрессора, размещенное в компрессорной ступени 20, при этом упомянутый вал 16 содержит также турбинное колесо 22.

Впрочем, известно, что турбинный двигатель содержит воздухозаборник 24, по которому свежий входящий поток воздуха направляется к компрессорной ступени 20. Сжатый воздух затем направляется к камере 26 сгорания.

Воздухозаборник 24 турбинного двигателя содержит несколько воздуховодов 28, по каждому из которых входящий поток свежего воздуха подходит радиально к аксиальному входу в компрессорную ступень.

Турбинный двигатель 10, представленный на этом чертеже, снабжен устройством 50 для удаления льда по настоящему изобретению, которое позволяет удалить лед с воздухозаборника 24 турбинного двигателя.

В соответствии с изобретением устройство 50 для удаления льда содержит, по существу, металлическую оболочку 52 воздухозаборника для подачи воздуха во входные воздуховоды 28 турбинного двигателя 10.

Предпочтительно, оболочка неподвижно закреплена на картере 30 вертолета.

В данном случае оболочка образует камеру 52 избыточного давления, ось которой, по существу, совпадает с осью вала 16 газогенератора 12, и высота которой, по меньшей мере, равна аксиальной длине воздуховодов 28.

Камера 52 избыточного давления содержит радиально вытянутую часть, конец которой образует первое радиальное отверстие 54, открывающееся наружу турбинного двигателя 10, и по которому свежий воздух входит в устройство 50 для удаления льда.

Как видно из чертежа, первое отверстие 54 предпочтительно снабжено первой, по существу, металлической решеткой 56, позволяющей, в частности, фильтровать воздух, поступающий в оболочку 52.

Оболочка 52 содержит, кроме того, второе отверстие 58, предназначенное для направления свежего воздуха в компрессионную ступень 20 по воздуховодам 28, при этом второе отверстие 58 выполнено кольцеобразно в пространстве вокруг оси вала 16 газогенератора 12.

В предпочтительном варианте, изображенном на фиг. 1, второе отверстие 58 снабжено второй, по существу, металлической решеткой 60, которая также является кольцеобразной.

Как будет объяснено ниже, устройство 50 для удаления льда по изобретению может работать при отсутствии второй решетки 60.

Для улучшения, кроме того, безопасности турбинного двигателя 10 можно предусмотреть также, чтобы решетки 56 и 60 в плоскости аксиального среза имели форму шляпки гриба, благодаря которой воздух может поступать через аксиальные края каждой из решеток, несмотря на обледенение их краев в случае неисправности генератора волн.

В соответствии с изобретением устройство 50 для удаления льда содержит, кроме того, средства 62 для генерирования микроволн в, по существу, металлической оболочке 52 и, в особенности, в пространстве А между первой и второй, по существу, металлическими оболочками.

Упомянутые средства содержат, в основном, магнетрон 62, соединенный с волноводом 64.

В соответствии с изобретением частота генерируемых микроволн, по существу, равна частоте резонанса молекулы воды, то есть примерно 2,45 ГГц.

Таким образом, это пространство А образует зону, закрытую для микроволн, то есть они могут отражаться от границ пространства А.

Когда турбинный двигатель попадает в условия обледенения, лед имеет тенденцию образовываться в зоне А. Выявлено, что в большей степени лед образуется на первой решетке 56, и в меньшей степени - на второй решетке 60.

В соответствии с настоящим изобретением микроволны, генерируемые в пространство А, возбуждают молекулы воды, образующие лед, которые входят в резонанс, следствием чего является их нагрев до температуры, превышающей температуру плавления, вследствие чего лед растапливается.

Кроме того, так как первая и вторая решетки 56, 60 являются, по существу, металлическими, микроволны вызывают различные взаимодействия электромагнитных волн в ячейках решеток, в частности излучение, которое перенаправляет волны на лед. Кроме того, взаимодействия электромагнитных волн в ячейках решеток и/или в материале, из которого изготовлены упомянутые решетки, такие как поглощение электромагнитной энергии и/или появление наведенных токов, циркулирующих в ячейках решеток 56, 60, повышают температуру ячеек и, следовательно, существенно препятствуют образованию льда на первой и второй решетках 56, 60 или заставляют расплавиться лед на этих ячейках. Основным в изобретении является то, что нет необходимости нагревать весь объем воздуха, который поступает в пространство А, ни даже всю поверхность, с которой соприкасается этот объем воздуха, что требовало бы значительно большей энергии, чем энергия, которую излучает магнетрон 62 в настоящем изобретении.

Действительно, магнетрон является источником энергии с малым уровнем энтропии, сравнимым с использованием сжатого воздуха, с выхода компрессорной ступени.

Другим преимуществом настоящего изобретения является возможность использования решеток, ячейки которых выполнены более мелкими, чем ячейки традиционно используемых решеток, что позволяет улучшить фильтрацию входящего воздуха. Действительно, ранее было невозможно использовать ячейки малых размеров по причине повышенного риска разрыва решетки льдом, причем этот разрыв происходил бы тем быстрее, чем меньше размеры ячеек.

Таким образом, благодаря настоящему изобретению возможно удалить лед с воздухозаборника 24 турбинного двигателя 12 даже, когда последний остановлен или работает на малом газе, хотя в устройствах из известного уровня техники удаление льда при установке осуществлялось вручную.

Дополнительно предпочтительно использовать разрядную антенну (не представленную на чертеже) для защиты компрессорных ступеней от возможного появления плазмы в случае нарушения в работе устройства для удаления льда. Действительно в некоторых случаях компрессорная лопатка может вести себя как антенна, между основанием и вершиной которой может возникнуть электрическое поле, вызывающее ионизацию воздуха и появление плазмы, способной привести в негодность краевую часть лопатки.

В соответствии с предпочтительным вариантом работа разрядной антенны обеспечивается датчиком температуры, который служит для измерения температуры объема входящего воздуха.

В соответствии с предпочтительным вариантом устройство 50 для удаления льда содержит, кроме того, систему регулирования магнетрона 62, которая обеспечивает его электропотребление в зависимости от необходимости удаления льда.

В соответствии с другим вариантом осуществления устройство для удаления льда не содержит второй, по существу, металлической решетки.

В этом случае замкнутая зона для микроволн ограничена между первой, по существу, металлической решеткой 56 и турбинным колесом 18, или любым другим элементом, расположенным в компрессорной ступени 20, способным играть роль электромагнитного контура.

Впрочем, турбинный двигатель 10 содержит, кроме того, известные лопасти 70, 72 предварительной закрутки потока, размещенные на входе компрессорного колеса 18 у выходного конца воздуховодов 28.

Известным образом эти лопасти предварительной закрутки потока позволяют ориентировать поток воздуха, входящий в компрессорное колесо 18.

В соответствии с предпочтительным аспектом изобретения лопасти предварительной закрутки потока и их шарнирные соединения выполнены из материала, в основном проницаемого для электромагнитных волн, для того, чтобы повысить объем и поверхности, подвергаемые воздействию микроволн.

В изобретении под «в основном проницаемого» понимают, что упомянутая деталь, в частности лопасти предварительной закрутки потока и их шарнирное соединение, могут быть выполнены из материала, проницаемого для микроволн, такого как композит, включающий отражающую металлическую часть в виде покрытия на основе металла.

Преимуществом настоящего изобретения является возможность удалять лед с лопастей предварительной закрутки потока без использования специального устройства для размораживания посредством внутренней вентиляции, подобного тем, что обычно используют в некоторых турбинных двигателях.

Благодаря настоящему изобретению можно, предпочтительно, упростить конструкцию компрессорной ступени турбинного двигателя и предупредить образование льда.

Группа изобретений относится к вспомогательным элементам двигательных установок. Устройство (50) для удаления льда с воздухозаборника (24) газовой турбины (10) содержит металлическую оболочку (52) для воздухозаборника (24) газовой турбины. Оболочка содержит первое отверстие (54) для входа воздуха в оболочку (24), которое снабжено первой металлической решеткой (56). Оболочка содержит второе отверстие (58), предназначенное для направления воздуха в компрессорную ступень (20) газовой турбины. Устройство содержит средства (62, 64) для генерирования в оболочку электромагнитных волн, имеющих частоту, позволяющую растопить лед. Турбинный двигатель вертолета характеризуется использованием устройства для удаления льда с воздухозаборника. Группа изобретений направлена на уменьшение энергоемкости удаления льда. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство (50) для удаления льда с воздухозаборника двигателя внутреннего сгорания, такого как газовая турбина, которой оснащен турбинный двигатель вертолета, отличающееся тем, что оно содержит, по существу, металлическую оболочку воздухозаборника двигателя, содержащую первое отверстие для входа воздуха в оболочку, при этом первое отверстие снабжено первой, по существу, металлической решеткой, причем оболочка дополнительно содержит второе отверстие, предназначенное для направления воздуха к входу в двигатель, причем устройство дополнительно содержит средства для генерирования в оболочке электромагнитных волн с частотой, позволяющей обеспечить таяние льда, причем второе отверстие снабжено второй, по существу, металлической решеткой, а первая и вторая решетки образуют электромагнитный экран для удаления льда.

2. Устройство для удаления льда по п.1, отличающееся тем, что частота волн, по существу, равна частоте резонанса молекулы воды.

3. Устройство для удаления льда по п.1 или 2, отличающееся тем, что средства для генерирования волн содержат магнетрон.

4. Устройство для удаления льда по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что упомянутые средства дополнительно содержат волновод, связывающий средства для генерирования волн в оболочке.

5. Устройство для удаления льда по п.1, отличающееся тем, что оболочка, первая решетка и/или вторая решетка выполнены из материала, покрытого слоем, по существу, металлического материала.

6. Устройство для удаления льда по п.1, отличающееся тем, что оболочка образует камеру избыточного давления.

7. Устройство для удаления льда по п.1, отличающееся тем, что оболочка образует замкнутую зону для электромагнитных волн.

8. Устройство для удаления льда по п.1, отличающееся тем, что оно содержит, по меньшей мере, одну разрядную антенну.

9. Турбинный двигатель вертолета, оборудованный воздухозаборником, отличающийся тем, что он содержит устройство для удаления льда по одному из пп.1-8.

10. Турбинный двигатель вертолета по п.9, отличающийся тем, что он дополнительно содержит лопасти предварительной закрутки потока, расположенные на входе компрессорного колеса, причем лопасти выполнены из материала, по существу, проницаемого для электромагнитных волн.