Воздухозаборное устройство для вертолетного газотурбинного двигателя, удаляющее из воздуха частицы песка и пыли Российский патент 2021 года по МПК F02C7/52 

Изобретение относится к области авиастроения, конкретно к воздухозаборным устройствам вертолетных газотурбинных двигателей (ГТД), выполняющим одновременно с забором воздуха из окружающего пространства функцию очистки воздуха от содержащихся в нем частиц песка и пыли. Попадание в газовоздушный тракт двигателя указанных частиц приводит к эрозионному износу лопаток компрессора двигателя, снижению мощности двигателя и запасов его газодинамической устойчивости (к помпажу), а также к снижению ресурса двигателей, удорожанию ремонта двигателей, ухудшению эксплуатационной технологичности и двигателя, и вертолета, к снижению безопасности полетов, ухудшению топливной экономичности и т.п.

Известны способы и устройства, предназначенные для решения данной проблемы, описание их приведено в патентах [1, 2, 3], а также в работе [4]. Последнее из вышеуказанных устройств-аналогов, пылезащитное устройство (ПЗУ) нашло широкое применение в отечественном вертолетостроении и в эксплуатации.

Предлагаемое изобретение практически полностью базируется на упомянутом пылезащитном устройстве - ПЗУ, которое и принято в качестве прототипа.

У названного устройства-прототипа по мере расширения районов применения вертолетов выявился существенный недостаток - низкая эффективность очистки воздух в режиме горизонтального полета вертолета вне зоны влияния поверхности земли, но в запыленном воздухе. Данное обстоятельство приводит ко всем вышеописанным последствиям, главное из которых - сокращение срока службы двигателя. Причинами низкой очистки воздуха в ПЗУ в режиме полета вертолета являются:

- в конструкции ПЗУ не предусмотрено выполнение функции очистки воздуха в режиме полета вертолета, соответственно, направление притекания воздуха, а также скорости движения частиц песка и пыли не обеспечивают их сепарации в ПЗУ;

- в полете вертолета фракции крупных частиц пыли, содержащихся в воздушном потоке, обтекающем обтекатель, сепарируются из потока на поверхность обтекателя ПЗУ с последующим проходом в воздухозаборное отверстие устройства и в двигатель;

- существенное снижение дисперсного состава пыли на высотах полета также не способствует улучшению качества очистки.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является получение воздухозаборного устройства, способного выполнять функцию очистки воздуха в режиме полета вертолета.

Решение поставленной задачи обеспечивает:

- улучшение эффективности очистки воздуха в режиме горизонтального полета вертолета от посторонних частиц, входящих в диапазон крупнодисперсных фракций, наиболее абразивоопасных для лопаток компрессора;

- повышение ресурса двигателей при работе их в запыленном воздухе в широких условиях эксплуатационных режимов, улучшение характеристик вертолета, по возможности использование его в местах с повышенной запыленностью воздушного пространства.

Успешному решению задачи способствуют следующие факторы:

- наличие искривленного участка внешнего потока воздуха при подходе его к входному отверстию воздухозаборника;

- возможность использования явления концентрации крупных пылевых частиц у поверхности центрального обтекателя при полетном режиме работы вертолета;

- наличие вокруг воздушного потока, направляющегося в воздухозаборное устройство, внешнего воздушного потока, движущегося со скоростью, близкой к скорости первого потока;

- возможность использовать существующую конструкцию вертолетного ПЗУ путем его доработки для улучшения очистки воздуха в полетном режиме на вертолетах там, где это необходимо по условиям эксплуатации;

- экономическая целесообразность использования изобретения, поскольку затраты на его внедрение малы по сравнению с возможным экономическим эффектом.

Сущность предлагаемого воздухозаборного устройства для вертолетного ГТД, удаляющего из воздуха частицы песка и пыли на режимах работы вертолета в полете, заключается в следующем.

По своей конструкции предлагаемое устройство в основном повторяет исходную конструкцию прототипа-ПЗУ [4], включает в свой состав входной тоннель, выполненный в виде осесимметричной обечайки, имеющей с передней стороны воздухоприемное отверстие с коллекторной губой. Также в состав устройства входит центральный обтекатель, представляющий собой тело вращения, имеющее с передней стороны расширяюще-сужающийся участок с наибольшим диаметром поперечного сечения (миделем) близким по размеру с диаметром передней кромки входной коллекторной губы тоннеля и заднюю хвостовую часть меньшего диаметра. Указанный центральный обтекатель установлен соосно с тоннелем, со стороны входной губы тоннеля и крепится к губе с осевым зазором, формируя входное кольцевое отверстие между поверхностями обтекателя и губы, а также кольцевой канал, между обечайкой тоннеля и хвостовиком обтекателя. В пространстве указанного кольцевого канала располагается инерционный сепаратор, который предназначен для очистки воздуха на режимах работы вертолета у земли (с небольшими скоростями перемещения).

Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что на периферии лобовой части центрального обтекателя со стороны набегающего потока воздуха выполнен участок конусной поверхности, образующая которой составляет с осевым направлением угол, равный 70°±10°, переход от конусной поверхности обтекателя к его миделевой зоне выполнен с изломом контура обтекателя в зоне перехода.

Благодаря вышеописанному исполнению геометрии обтекателя в воздухозаборном устройстве формируется дополнительная ступень очистки воздуха, действующая при полете вертолета в условиях запыленного воздушного пространства. Действие дополнительной ступени основано на использовании возможности инерционной сепарации крупнодисперсных фракций пылевых частиц из воздушного потока, обтекающего миделевую зону центрального обтекателя и выполняющего поворот на угол ~90°. При взаимодействии с конусной поверхностью по периферии обтекателя пылевые частицы, движущиеся в его пристеночном слое, приобретают вектор скорости, направленный в сторону обтекающего потока, благодаря чему траектории их движения в потоке проходят поду углами к линиям тока воздуха и крупные частица пыли успевают пересечь поток, выйти из него до подхода ко входному отверстию воздухозаборного устройства и удалиться из зоны входного отверстия с внешним воздушным потоком.

Сущность заявленного воздухозаборного устройства поясняется на схемах - Фиг. 1, 2:

- на схеме Фиг. 1 показан продольный разрез воздухозаборного устройства-прототипа ПЗУ [4], его основные элементы, линии тока воздуха на входе в устройство на режимах висения и горизонтального полета, а также показаны траектории движения частиц песка и пыли;

- на схеме Фиг. 2 показано устройство (фрагмент) центрального обтекателя, выполненного в соответствии с предлагаемым изобретением, также показаны линии тока воздуха и траектории движения пылевых частиц в условиях полета вертолета для двух вариантов исполнения геометрии обтекателя.

Ранее отмечалось, что предлагаемое воздухозаборное устройство в основном повторяет конструкцию своего прототипа ПЗУ [4]. Устройство Фиг. 1 включает в себя тоннель 1, центральный обтекатель 4 и сепаратор 8. Тоннель состоит из обечайки 2, примыкающей ко входу ГТД 9', и входной коллекторной губы 3. Центральный обтекатель 4 со стороны набегающего воздушного потока имеет переднюю крышку 4', а с задней стороны обтекателя расположен хвостовик 5. Обтекатель 4 соосно установлен внутри тоннеля 1 и образует с ним входное кольцевое отверстие 6, внутренний канал 9, имеющий искривленный участок 6' со стороны входа и прямолинейный участок, в котором расположен хвостовик 5 и сепаратор 8. Сепаратор 8 образует совместно с хвостовиком 5 кольцевое отверстие 7 для прохода в него части воздуха, обогащенного частицами песка и пыли, отсепарированными в искривленном участке 6', а с обечайкой 2 - образует отверстие Т для прохода очищенного воздуха ко входу к ГТД. Внутри хвостовика 5 расположен канал 5', служащий для отвода отсепарированных в сепараторе частиц и вывода их за пределы устройства.

Сепаратор 8 представляет собой конусообразную жалюзийную решетку, состоящую из набора последовательно расположенных отражающих кольцевых элементов 8', между которыми выполнены перепускные щелевые протоки 8'', сообщающие внутреннюю полость сепаратора с пространством канала 9.

В предлагаемом воздухозаборном устройстве выполнена дополнительная ступень очистки воздуха, предназначенная для его очистки от грубодисперсных фракций пыли в режиме полета вертолета в запыленной атмосфере. С этой целью с внешней стороны обтекателя 4 Фиг. 2 сформирован сепарационный участок, расположенный перед входным отверстием 6. Вход в указанный сепарационный участок выполнен в месте перехода периферии лобовой части обтекателя к его миделевой зоне М'-М'', расположенной спереди и сзади по потоку от миделевого сечения обтекателя в точке М. В указанном месте в контуре обтекателя выполнено местное смещение исходной линии контура во внешнюю сторону с одновременным изломом контура в точке 10. Периферийная зона лобовой части контура обтекателя 4 перед точкой излома выполнена в виде конусной поверхности 4'', опоясывающей поверхность обтекателя по всему круговому периметру, образующая линия конусной поверхности составляет с осевым направлением угол, равный 70°±10°. Внешний диаметр конуса в точке 10 с точностью до ±5% выполнен равным диаметру миделевого сечения обтекателя в точке М.

Сепарационный участок, находящийся перед входным отверстием 6 устройства, представляет в продольном сечении искривленный канал с внутренним контуром в виде поверхности обтекателя 4 и внешним контуром в виде внешней линии контура 13' воздушного потока, следующего во входное отверстие устройства. Угол поворота потока в сепарационном участке составляет величину ~90°.

Воздухозаборное устройство работает следующим образом: при работе вертолета на режимах малых скоростей перемещения (руления, взлет-посадки, висения и т.п.) картина линий тока воздуха, притекающего ко входному отверстию 6 - Фиг. 1, показана штриховыми линиями 15, 16, 17. На криволинейном участке 6' кольцевого канала 9 осуществляется инерционная сепарация пылевых частиц, которые движутся вдоль поверхности обтекателя 4 и поступают во входное отверстие 7 сепаратора 8. Траектории движения частиц песка и пыли показаны пунктирными линиями. В сепараторе продолжается дальнейшая концентрация загрязняющего материала в воздухе, пылевой концентрат поступает в канал 5' и выводится из устройства в окружающее пространство по направлению стрелок 5''. Воздух, очищенный от частиц песка и пыли на криволинейном участке 6', поступает через отверстие 7' в канал 9 и следует ко входу двигателя 9', в этот же канал 9 поступает очищенный воздух из сепаратора 8 по перепускном протокам 8'' сепаратора. Описанным образом работает пылезащитное устройство-прототип и рассматриваемое воздухозаборное устройство.

При работе вертолета на режимах полетных скоростей на эшелонах в условиях запыленного воздуха картина линий тока воздуха, притекающего ко входному отверстию, показана на Фиг. 1, 2 штриховыми линиями 11', 12', 13', 14'. Данные линии соотносятся с габаритами устройства - соответственно:

11 - внешний габарит устройства (по входной губе);

12 - габарит обтекателя (мидель);

13 - диаметр тоннеля;

14 - осевая линия устройства.

Все пространство 11-14 является источником возможного попадания частиц пыли в воздухозаборное устройства. Наибольшая доля частиц попадает из центральной зоны 12-14, при этом практически основная масса крупно дисперсных частиц, находящихся в воздухе, приходит в контактное взаимодействие с поверхностью обтекателя 4 - траектории движения пылевых частиц показаны пунктирными линиями. После соударения с поверхностью частицы следуют вдоль нее, концентрируются в пристеночном слое и находятся практически в непрерывном или прерывистом контакте с поверхностью. При исходной геометрии обтекателя благодаря плавным обводам контура обтекателя в зоне его наибольших диаметральных размеров частицы пыли не имеют сколь-либо значимых запасов энергии для пересечения воздушного потока, ограниченного линией тока 13', и выхода во внешний поток 12'-13'. В итоге они проходят с потоком во входное отверстие 6, следуя по траекториям, показанным на Фиг. 1, далее частицы движутся по периферии канала 9, не попадают во вход 7 сепаратора 8, а проходят через отверстие 7' прямо во вход в ГТД. Описанная картина движения пылевых частиц является одной из возможных причин низкой очистки воздуха в прототипе-ПЗУ при работе вертолета в режиме полета.

При работе воздухозаборного устройства, оборудованного центральным обтекателем, выполненным в соответствии с предлагаемым изобретением, картина движения пылевых частиц в режиме полета вертолета изменяется.

Воздушный поток, следующий во входное отверстие 6 Фиг. 2 устройства, располагающийся между линиями тока 13'-14', огибает обтекатель 4, при этом пылевые частицы из потока сепарируются на лобовую поверхность обтекателя, концентрируются на ней, и движутся вдоль нее в пристеночном слое, приобретая радиальную составляющую скорости. Благодаря выполнению на входе в сепарационный участок перед точкой излома 10 конусного участка 4'' на обтекателе 4 основная масса крупных пылевых частиц входит в сепарационный участок (в миделевой зоне М'-М'') с начальными условиями, имеющими значительную по величине радиальную составляющую скорости, и следуют под углом к линиям тока воздуха. Таким образом достигается эффективная сепарация основной массы крупнодисперсных фракций пыли при входе в сепарационный участок из самой неблагоприятной зоны ввода - у внутренней границы поворота потока.

Достигнув внешней границы сепарационного участка - линии тока 13', пылевые частицы попадают во внешний поток 13'-12', с которым отводятся из зоны воздухозабора. С целью обеспечения условий достижения и пересечения внешней границы - линии 13' в устройстве предусмотрена большая протяженность этой линии при повороте сепарационного участка на угол ~90°. Выход из сепарационного участка, выполняется на некотором расстоянии от входного отверстия 6 и от критической точки О линии тока 13' на губе 3 тоннеля с неустойчивой вихревой зоной перед критической точкой.

На Фиг. 2 пунктирными линиями показан пучок траекторий, исходящих из точки излома 10, для частиц с диаметральными размерами 5, 10, 20 и 40 ммк. По расчетам, выполненным по разным методикам, эффективной очистки воздуха в устройстве можно ожидать для частиц кварцевой пыли с размером более 10 ммк. Для сравнения показан пучок траекторий для частиц аналогичного размера при движении их в воздушном потоке с исходной геометрией обтекателя ПЗУ без конического участка на поверхности контура обтекателя.

Источники информации

1. Патент US №4881367, 1989 F02C 3/32.

2. Патент US №3513691, 1970 F02C 3/32.

3. Патент US №4493185, 1985 F04D 29/70.

4. В.А. Дмитриев, В.М. Занько, Н.П. Калинин, А.И. Кривко. Вертолет Ми-8 МТВ, Москва, Транспорт 1995 г. (стр. 164, Пылезащитное устройство).

Воздухозаборное устройство для вертолетного газотурбинного двигателя, удаляющее из воздуха частицы песка и пыли, на различных режимах работы вертолета - на висении у земли, на режимах малых скоростей перемещения у земли, а также на режимах полета вертолета в условиях запыленного воздуха. Особенностью предлагаемого устройства является отсутствие у него системы отсоса и удаления пылевого концентрата, а также возможность его использования путем выполнения доработки существующего пылезащитного устройства (ПЗУ) «грибкового» типа. В результате использования предлагаемого устройства обеспечивается снижение количества пыли, поступающей к ГТД, увеличивается срок службы вертолетных ГТД при эксплуатации их в запыленных условиях, а также расширяются возможности использования вертолетов в районах с повышенной запыленностью воздушного пространства. 2 ил.

Воздухозаборное устройство для вертолетного газотурбинного двигателя, удаляющее из воздуха частицы песка и пыли, включающее в свой состав входной тоннель, выполненный в виде осесимметричной обечайки, имеющей с передней стороны воздухоприемное отверстие с входной коллекторной губой, центральный обтекатель, представляющий собой тело вращения, имеющее с передней стороны расширяюще-сужающийся участок с наибольшим диаметром поперечного сечения, близким по размеру диаметру передней кромки входной коллекторной губы тоннеля, и заднюю хвостовую часть меньшего диаметрального размера, указанный центральный обтекатель установлен соосно с тоннелем со стороны его входной губы и крепится к ней с осевым зазором, формируя входное кольцевое отверстие между поверхностями обтекателя и губы, а также кольцевой канал между обечайкой тоннеля и хвостовой частью обтекателя, в котором установлен сепаратор, отличающееся тем, что в воздухозаборном устройстве выполнена дополнительная ступень очистки воздуха, предназначенная для его очистки от грубодисперсных фракций пыли в режиме полета вертолета в запыленной атмосфере, использующая для своей работы скорость набегающего воздушного потока, в указанной дополнительной ступени, работающей на принципе инерционной сепарации частиц пыли в искривленном потоке, выполнен сепарационный участок, располагающийся с внешней стороны воздухозаборного устройства, представляющий собой часть поверхности контура центрального обтекателя в районе расположения его миделевой зоны, вход в указанный сепарационный участок выполнен в месте перехода периферии лобовой части обтекателя к его миделевой зоне с малыми радиусами обвода, в указанном месте в контуре обтекателя выполнен излом линии контура с одновременным местным смещением линии контура во внешнюю сторону, периферийная зона лобовой части контура обтекателя перед точкой излома выполнена в виде конусной поверхности, опоясывающей обтекатель по всем круговому периметру, при этом образующая линия конуса составляет с осевым направлением устройства угол 70°±10°, а внешний диаметр конуса с точностью до 5% равен диаметру миделевого сечения обтекателя, сепарационный участок, простирающийся от входа до выхода, находящегося перед входным отверстием устройства, представляет в продольном сечении искривленный канал с внутренним контуром в виде поверхности обтекателя и внешним контуром в виде внешней линии тока потока воздуха, следующего во входное отверстие устройства, при этом угол поворота сепарационного участка составляет величину 90°±15°.