ДРЕНАЖНАЯ МАЧТА ОТСЕКА ВСПОМОГАТЕЛЬНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2017 года по МПК B64D41/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к вспомогательной силовой установке летательного аппарата, а более точно - к дренажной мачте отсека вспомогательной силовой установки летательного аппарата.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Известные дренажные системы вспомогательной силовой установки (ВСУ) летательного аппарата содержат мачту для эвакуации любой жидкости, накопленной в отсеке ВСУ, в атмосферу самотеком.

Одним из эффектов вентиляции отсека ВСУ, типично вызываемых механизмом струйного насоса, сформированным самим ВСУ, является разрежение (меньшее давление в отсеке ВСУ, чем снаружи), вырабатываемое в отсеке ВСУ.

Некоторые из недостатков влияния давления в дренажной системе главным образом имеют отношение к затруднениям подпитки дренажной мачты. То есть пропускная способность слива мачты достаточна, как только она работает полностью заполненная жидкостью, однако если поглощение воздуха в отсек ВСУ начинается до того, как мачта заполнена жидкостью, так как в отсеке ВСУ более низкое давление, чем снаружи, напор, вызванный потоком воздуха, препятствует потоку жидкости, и вполне может случаться, что мачта никогда не станет заполненной или залитой. Скорее, типично воздух, поступающий в отсек ВСУ, почти полностью не допускает никакой выходной поток жидкости до тех пор, пока высота жидкости внутри отсека ВСУ не является достаточной, чтобы уравновесить всасывание в отсеке ВСУ, делая мачту неэффективной. Как только высота достигнута, всего лишь уменьшенное поперечное сечение мачты будет полезным для слива, и в дополнение высота жидкости в отсеке ВСУ будет такой же большой, какая достигалась бы без дренажной мачты.

US 5996938 предлагает дренажную систему, содержащую дренажную трубу, которая находится в сообщении по текучей среде на своем верхнем конце с площадкой сбора жидкости, а на своем нижнем конце - с обратным клапаном, избирательно открываемым и установленным как можно ближе к забортному дренажному отверстию летательного аппарата. Жидкости, собранные площадкой сбора, гравитационно направляются к верхнему концу дренажной трубки. Обратный клапан выполнен с возможностью открываться для слива текучей среды из трубы за дренажное отверстие, когда величина напора текучей среды выше по потоку от обратного клапана превышает давление текучей среды на дренажном отверстии вследствие условий эксплуатации летательного аппарата. Эта дренажная система, поэтому, является зависящей от упомянутого обратного клапана.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить дренажную мачту, способную к сливу из отсека ВСУ летательного аппарата, как когда давление внутри отсека ВСУ является более высоким, чем давление вне отсека ВСУ, так и когда давление вне отсека ВСУ является более высоким, чем давление внутри ВСУ, без какого бы то ни было активного устройства регулирования давления.

В одном из аспектов эта и другая цели достигаются дренажной мачтой с первым концом, присоединенным к отсеку ВСУ, и вторым концом для выпускания жидкостей в атмосферу; дренажная мачта является сконфигурированной по меньшей мере с сектором, имеющим площади поперечного сечения, убывающие по направлению ко второму концу; площадь начального поперечного сечения упомянутого сектора является меньшей, чем площадь любого поперечного сечения дренажной мачты ближе к первому концу.

Упомянутый сектор может быть всей дренажной мачтой, сектором, расположенным во второй половине дренажной мачты, или выпускным сектором на конце дренажной мачты.

В варианте осуществления, в котором упомянутый сектор является выпускным сектором и дренажная мачта скомпонована под острым углом относительно горизонтальной плоскости на первом конце, выпускной сектор содержит внутренний барьер на нижней стенке, который полностью загораживает часть поперечных сечений вдоль выпускного сектора. Производительность и эксплуатационные характеристики дренажной мачты согласно этому варианту осуществления зависят от отношения между площадями конечного и начального поперечного сечения выпускного сектора.

Преимущественно упомянутое отношение заключено между 0,5-0,8.

В варианте осуществления, в котором упомянутый сектор является выпускным сектором и дренажная мачта скомпонована под острым углом относительно горизонтальной плоскости на первом конце, выпускной сектор содержит внутренний барьер, который делит выпускной сектор на верхний выпускной подсектор непосредственно под верхней стенкой и нижний выпускной подсектор непосредственно над нижней стенкой. Производительность и эксплуатационные характеристики дренажной мачты согласно этому варианту осуществления зависят от отношения между площадями конечного и начального поперечного сечения верхнего выпускного подсектора и нижнего выпускного подсектора.

Преимущественно упомянутое отношение заключено между 0,2-0,4.

Преимущественно упомянутый внутренний барьер имеет коническую форму и скомпонован со своим основанием в центральном положении в выходном поперечном сечении выпускного сектора на втором конце.

В варианте осуществления, в котором упомянутый сектор является выпускным сектором, выпускной сектор сконфигурирован обтекаемой формой сопла, так что линии тока жидкости на втором конце очень близко параллельны оси дренажной мачты. Производительность и эксплуатационные характеристики дренажной мачты, сконфигурированной как сопло, согласно этому варианту осуществления зависят от отношений между эффективными диаметрами и площадями конечного и начального поперечного сечения сопла.

Преимущественно упомянутое сопло имеет заканчивающуюся куполом прямоугольную форму или овальную форму на втором конце, и упомянутые отношения заключены соответственно между 0,8-0,90 и 0,6-0,8.

В еще одном аспекте вышеупомянутая цель достигается летательным аппаратом, содержащим дренажную мачту с вышеупомянутыми признаками.

Другие желательные признаки и характеристики изобретения станут очевидными из последующего подробного описания изобретения и прилагаемой формулы изобретения в изложении по прилагаемым чертежам.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - схематический вид сбоку известной дренажной системы отсека ВСУ летательного аппарата.

Фиг.2 - схематический вид сбоку дренажной системы отсека ВСУ летательного аппарата согласно первому варианту осуществления изобретения, а фиг.2a - увеличенный вид спереди выпускного сектора дренажной мачты.

Фиг.3a и 3b - схематические виды сбоку двух ситуаций дренажной системы отсека ВСУ летательного аппарата согласно первому варианту осуществления изобретения, когда атмосферное давление является более высоким, чем давление внутри отсека ВСУ.

Фиг.4 - схематический вид сбоку дренажной системы отсека ВСУ летательного аппарата согласно второму варианту осуществления изобретения, а фиг.4a - увеличенный вид спереди выпускного сектора дренажной мачты.

Фиг.5a и 5b - схематические виды сбоку двух ситуаций дренажной системы отсека ВСУ летательного аппарата согласно второму варианту осуществления изобретения, когда атмосферное давление является более высоким, чем давление внутри отсека ВСУ.

Фиг.6 - вид в перспективе выпускного сектора дренажной мачты отсека ВСУ летательного аппарата, сконфигурированного как сопло. Фиг.7a - вид сзади сопла, а фиг.7b и 7c - виды спереди двух вариантов осуществления сопла.

Фиг.8 и 9 - виды сбоку двух дренажных мачт отсека ВСУ согласно другим вариантам осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг.1 иллюстрирует базовые компоненты известной дренажной системы отсека 11 ВСУ летательного аппарата, где накапливаются жидкости, веществ том числе обозначаемые как горючие: дренажная мачта 13 с первым концом 15, присоединенная к отсеку 11 ВСУ, и со вторым концом 17 для выпускания упомянутых жидкостей в атмосферу. Отсек 11 ВСУ обычно расположен в хвостовом коническом обтекателе летательного аппарата близко к фюзеляжу 8 и принимает жидкости от утечек из ВСУ 10.

В других конфигурациях нижняя стенка отсека ВСУ сама по себе находится в обшивке фюзеляжа.

Как показано на фиг.1, дренажная мачта 13 обычно скомпонована под острым углом α относительно фюзеляжа 9 в направлении потока воздуха (стрелка F).

Длина L дренажной мачты 13 и угол α наклона относительно воображаемой горизонтальной плоскости на первом конце 15 регулируют эффективную высоту Heff жидкости в отсеке 11 ВСУ согласно уравнению

ρg Heff=ρg(Ho+Lsin(α))=Pout-Pin,

Где ρ: плотность жидкости в условиях окружающей среды;

g: ускорение силы тяжести;

Heff: высота жидкости в отсеке 11 ВСУ, измеренная от второго конца 17 дренажной мачты 13;

Pout: давление вне отсека 11 ВСУ (атмосферное давление);

Pin: давление внутри отсека 11 ВСУ.

С другой стороны, Ho - высота жидкости в отсеке 11 ВСУ, измеренная от первого конца 15 дренажной мачты 13.

Основной идеей настоящего изобретения для заливки дренажной мачты 13, когда давление в отсеке 11 ВСУ более низкое, чем снаружи, является конфигурирование сектора дренажной мачты 13 с убывающими площадями поперечного сечения по сравнению с площадями поперечного сечения, заложенными выше по потоку вдоль дренажной мачты 13. Причина этого состоит в том, что скорость потока, поддерживаемая дренажной мачтой 13 выше по потоку от упомянутого сектора, в таком случае будет большей, чем упомянутый сектор может обеспечить, и, как результат, жидкость будет накапливаться вдоль дренажной мачты 13 выше по потоку от упомянутого сектора, таким образом заливая ее.

Поэтому, когда Pout>Pin, дренажная мачта 13 будет становиться залитой, когда Heff достаточно высока, чтобы компенсировать перепад давлений.

Далее опишем несколько вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на чертежи, показывающие фюзеляж летательного аппарата в качестве нижней стенки отсека 11 ВСУ, но изобретение также содержит варианты осуществления с отдельным отсеком 11 ВСУ, таким как на фиг.1. Обратимся к дренажной мачте 13, сконфигурированной в качестве трубы.

Фиг.2, 2a, 3a, 3b показывают вариант осуществления изобретения, где сектор дренажной мачты 13 с убывающими площадями поперечного сечения по сравнению с площадями поперечного сечения, обнаруживаемыми выше по потоку вдоль дренажной мачты 13, является выпускным сектором 21 и где упомянутые убывающие площади реализованы посредством необтекаемого внутреннего препятствия 31 на нижней стенке 21 выпускного сектора 21, полностью загораживающей часть проходного сечения у поперечных сечений непосредственно над нижней стенкой 20. Если Pout>Pin, поток воздуха, поступающий в дренажную мачту 13 по направлению к отсеку 11 ВСУ (стрелка F1), разделяется за препятствием 31, таким образом, образуется рециркуляционный жидкостный пузырь 32. Как результат, жидкость, падающая вдоль нижней стенки 16 дренажной мачты 13, становится удерживаемой там. Эта жидкость, в свою очередь, делает эффективную длину препятствия более протяженной, поэтому длина рециркуляции также возрастает, и так далее. Результат состоит в том, что эффективное сечение дренажной мачты 13, имеющееся в распоряжении для подсоса воздуха, имеет порядок неперегороженного выходного поперечного сечения, оставленного препятствием 31.

Как только этот канал для потока воздуха установлен при работе, жидкость будет заполнять оставшуюся часть поперечного сечения дренажной мачты (смотрите фиг.3a). Heff в таком случае достигает достаточно высокого уровня, чтобы преодолеть препятствие 31, и начинает слив из отсека 11 ВСУ, если не было подсоса воздуха. Однако силы давления, обусловленные подсосом воздуха, по-прежнему препятствуют переливанию жидкости через препятствие 31. Это является ростом Heff, который неизбежно дает уровень, достаточный для преодоления этих сил давления и, в заключение, предотвращает подсос воздуха. В этот момент заливка дренажной мачты 13 является полной, и дренажная система начинает работать на своей полной пропускной способности (смотрите фиг.3b), выпуская жидкость в атмосферу через полное, имеющееся в распоряжении проходное сечение (стрелка F2) второго конца 17 (выходное поперечное сечение). Ясно, что высота Heff жидкости, достигаемая, когда система начинает слив, является более низкой, чем у дренажной мачты 13 без препятствия 31, так как в первом случае Heff включает в себя эквивалентную высоту дренажной мачты 13, Lsin(α), таким образом, уменьшая высоту Ho внутри отсека 11 ВСУ.

Когда Pout>Pin, уменьшенная площадь выпускного сектора 21 влечет за собой снижение эффективности слива.

Фиг.4, 4a, 5a, 5b показывают вариант осуществления изобретения, где дренажная мачта 13 содержит внутреннее препятствие 33 в своем выходном секторе 21, делящее ее на верхний выпускной подсектор 41 и нижний выпускной подсектор 43. При этой конфигурации достигаются два эффекта. С одной стороны, состояние истечения жидкости получается гораздо раньше, чем дренажная мачта 13 становится залитой. Это так, потому что как только нижняя часть дренажной мачты 13 становится заполненной жидкостью, она вытекает через нижний выпускной подсектор 43 (стрелка F2), который теперь открыт (смотрите фиг.5a) в противоположность предыдущему варианту осуществления. С другой стороны, увеличенное свободное проходное сечение предоставляет возможность лучшей производительности во время выпуска без всасывания, поэтому приводя к меньшим гидравлическим диаметрам дренажной мачты 13 для одной и той же пропускной способности слива.

Динамика дренажной мачты 13 согласно этому варианту осуществления является отчасти более сложной, чем у предыдущего варианта осуществления и у пустой дренажной мачты. Сложность возрастает вследствие возможности двух режимов работы, а именно частично залитого режима и полностью залитого режима.

Последний является режимом, в котором полное сечение дренажной мачты 13 является сливающим жидкость (смотрите фиг.5b). Этот режим обеспечивает максимальную пропускную способность слива мачты для данной эффективной высоты Heff жидкости в отсеке 11 ВСУ.

В частично залитом режиме только нижний выпускной подсектор 43 является выпускающим жидкость (смотрите фиг.5a). Воздух (стрелка F1) не предохраняется от поступления в отсек 11 ВСУ, но он в общих чертах течет только через верхнюю полусекцию дренажной мачты 13, нижняя полусекция заполняется потоком жидкости (стрелка F2) из отсека 11 ВСУ.

Общее развитие, когда Pout>Pin, является следующим. Вначале, когда жидкость отсутствует в дренажной мачте 13, поток воздуха поступает как через верхнюю выпускную подсекцию 41, так и через нижнюю выпускную подсекцию 43. Когда начинается утечка жидкости внутри отсека, высота жидкости в отсеке 11 ВСУ начинает расти, так как нет вытекания жидкости через дренажную мачту 13.

Однако когда высота Ho жидкости в отсеке 11 ВСУ достигает нескольких сантиметров выше первого конца 15 дренажной мачты 13, воздух предохраняется от течения выше по потоку дренажной мачты 13 через нижний выпускной подсектор 43, поэтому устанавливается канал жидкости, который непрерывно изливает жидкость, хотя дренажная мачта еще не полностью залита, то есть еще есть всасывание воздуха. Этот выходной поток низок вследствие как пониженной высоты, так и уменьшенной площади выходного поперечного сечения нижнего выпускного подсектора 43. Однако он эффективен в поддержании низкого уровня Ho жидкости в отсеке 11 ВСУ для низких скоростей утечки, несмотря на всасывание воздуха. Для больших скоростей потока утечки уровень жидкости в отсеке 11 ВСУ продолжает рост, хотя с более медленной скоростью, чем при запуске системы. Когда высота Ho жидкости достигает уровня, необходимого для уравновешивания всасывания Pout-Pin, дренажная мачта 13 становится полностью залитой. Затем скорость потока слива из отсека 11 ВСУ через дренажную мачту 13 значительно увеличивается. Теперь возникают две возможности согласно тому, является ли скорость потока слива в полностью залитом режиме большей или меньшей, чем скорость потока утечки жидкости. Если скорость потока утечки является большей, чем скорость потока слива в полностью залитом режиме, высота Ho жидкости будет продолжать расти. Поскольку скорость потока слива пропорциональна высоте, уровень Ho жидкости будет возрастать до тех пор, пока скорость потока слива не уравновешивает утечку, окончательно достигая установившегося состояния без всасывания воздуха. С другой стороны, если скорость потока слива в полностью залитом режиме является большей, чем скорость потока утечки, то, как только мачта становится полностью залитой, уровень Ho жидкости начнет снижаться до тех пор, пока всасывание воздуха F1 не устанавливается вновь через верхний выпускной подсектор 41. Дренажная мачта 13 в таком случае снова возвращается к работе в частично залитом режиме, то есть с только нижним выпускным подсектором 43, выливающим жидкость. Скорость потока слива снижается, значит, если новая скорость потока слива является большей, чем скорость потока утечки, уровень Ho жидкости начинает возрастать еще раз до тех пор, пока мачта не успевает стать полностью залитой, и цикл повторяется снова и снова.

Фиг.6 показывает вариант осуществления, где выпускной сектор 21 дренажной мачты 13 сконфигурирован в качестве обтекаемого сопла с площадью поперечного сечения, постепенно убывающей от его начала круглой формы к его концу уплощенной формы.

Фиг.7b и 7c показывают два примера конечного поперечного сечения сопла, имеющего соответственно заканчивающуюся куполом прямоугольную форму и овальную форму. Начальное поперечное сечение в обоих случаях было бы круглым сечением, показанным на фиг.7a.

В одном из вариантов осуществления эффективный диаметр De конечного поперечного сечения сопла (De=(4xA/π)^1/2, A является площадью конечного поперечного сечения) заключен между 80-90% диаметра D начального круглого сечения и площадь конечного поперечного сечения заключена между 60-80% площади начального поперечного сечения.

Этот вариант осуществления дает лучшее время выпуска, чем вышеупомянутые варианты осуществления, для данной площади выходного сечения в выпускном секторе 21.

Фиг.8 показывает вариант осуществления дренажной мачты 13, сконфигурированной коленчатой формы, где сектор с убывающими площадями поперечного сечения является концевым патрубком 51.

Фиг.9 показывает вариант осуществления, где вся дренажная мачта 13 сконфигурирована с убывающими площадями поперечного сечения от первого конца 15 до второго конца 17.

Хотя настоящее изобретение было описано в связи с различными вариантами осуществления, из описания изобретения будет понятно, что различные комбинации элементов, варианты или усовершенствования в нем могут быть осуществлены и находятся в пределах объема изобретения.

Изобретение относится к вспомогательной силовой установке (ВСУ) летательного аппарата. Дренажная мачта (13) для слива жидкостей из отсека (11) ВСУ летательного аппарата имеет первый конец (15), присоединенный к отсеку (11) ВСУ, и второй конец (17) для выпускания жидкостей в атмосферу. Дренажная мачта (13) сконфигурирована по меньшей мере с выпускным сектором (21) на конце дренажной мачты (13), имеющим площади поперечного сечения, убывающие по направлению ко второму концу (17). Площадь начального поперечного сечения упомянутого выпускного сектора (21) является меньшей, чем площадь любого поперечного сечения дренажной мачты (13), более близкого к первому концу (15). Изобретение повышает способность к сливу из отсека ВСУ как при высоком, так и при низком давлении внутри отсека. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Дренажная мачта (13) для слива жидкостей из отсека (11) ВСУ летательного аппарата с первым концом (15), присоединенным к отсеку (11) ВСУ, и вторым концом (17) для выпускания упомянутых жидкостей в атмосферу, отличающаяся тем, что дренажная мачта (13) сконфигурирована по меньшей мере с выпускным сектором (21) на конце дренажной мачты (13), имеющим площади поперечного сечения, убывающие по направлению ко второму концу (17), и тем, что площадь начального поперечного сечения упомянутого выпускного сектора (21) является меньшей, чем площадь любого поперечного сечения дренажной мачты (13), более близкого к первому концу (15).

2. Дренажная мачта (13) по п.1, при этом вся дренажная мачта (13) имеет площадь поперечного сечения, убывающую по направлению ко второму концу (17).

3. Дренажная мачта (13) по п.1, при этом дренажная мачта (13) сконфигурирована коленчатой формы в направлении потока воздуха, и при этом упомянутый сектор является концевым патрубком (51).

4. Дренажная мачта (13) по п.1, при этом дренажная мачта (13) скомпонована под острым углом (α) относительно горизонтальной плоскости на упомянутом первом конце (15) в направлении потока воздуха.

5. Дренажная мачта (13) по п.4, в которой упомянутый выпускной сектор (21) содержит внутренний барьер (31, 33).

6. Дренажная мачта (13) по п.5, в которой внутренний барьер (31) полностью преграждает часть поперечных сечений вдоль нижней стенки (20) выпускного сектора (21).

7. Дренажная мачта (13) по п.6, в которой отношение между площадями конечного и начального поперечного сечения выпускного сектора (21) заключено между 0,5-0,8.

8. Дренажная мачта (13) по п.5, в которой внутренний барьер (33) делит выпускной сектор (21) на верхний выпускной подсектор (41) непосредственно под верхней стенкой и нижний выпускной подсектор (43) непосредственно над нижней стенкой.

9. Дренажная мачта (13) по п.8, в которой отношение между площадями конечного и начального поперечного сечения верхнего выпускного подсектора (41) и нижнего выпускного подсектора (43) заключено между 0,2-0,4.

10. Дренажная мачта (13) по п.9, в которой упомянутый внутренний барьер (33) имеет коническую форму и размещен своим основанием в центральном положении выпускного сектора (21) на втором конце (17).

11. Дренажная мачта (13) по п.1, в которой выпускной сектор (21) сконфигурирован с обтекаемой формой сопла, так что линии тока жидкости на втором конце (17) очень близко параллельны оси дренажной мачты (13).

12. Дренажная мачта (13) по п.11, в которой выпускной сектор (21) имеет заканчивающуюся куполом прямоугольную форму на втором конце (17) или овальную форму на втором конце (17).

13. Дренажная мачта (13) по п.12, в которой отношение между эффективным диаметром De конечного поперечного сечения и диаметром D начального поперечного сечения выпускного сектора (21) заключено между 0,8-0,9 и/или при этом отношение между площадями конечного и начального поперечного сечения выпускного сектора (21) заключено между 0,6-0,8.

14. Отсек вспомогательной силовой установки (ВСУ), содержащий дренажную мачту по любому из пп.1-13.

15. Летательный аппарат, содержащий дренажную мачту (13) по любому из пп.1-13.