Воздухозаборное устройство для вертолетного газотурбинного двигателя Российский патент 2023 года по МПК B64D33/02 F02C7/52 B64C27/04 

Изобретение относится к области вертолетостроения, конкретно - к воздухозаборным устройствам для вертолетных газотурбинных двигателей (ГТД), выполняющим одновременно с забором воздуха из окружающего пространства функцию очистки воздуха от частиц пыли, песка и других посторонних предметов. Попадание в газовоздушный тракт двигателя указанных частиц приводит к забоинам и эрозионному износу лопаток компрессора двигателя, снижению мощности двигателя и запасов его газодинамической устойчивости (к помпажу), а также к другим опасным и убыточным последствиям, таким как снижению надежности и безопасности полетов, уменьшению межремонтного срока службы двигателей, удорожанию ремонта двигателей, ухудшению топливной экономичности, эксплуатационной технологичности и другое.

Известны устройства, предназначенные для решения данной проблемы, описания их приведены в работах [1, 2, 3], данные устройства нашли широкое применение в вертолетостроении и в эксплуатации отечественных и зарубежных вертолетов.

В отечественном вертолетостроении широко применяется устройство [1] - пылезащитное устройство (ПЗУ) "грибкового" типа, выполненное в виде инерционного сепаратора тяжелых частиц в криволинейном потоке. Данное ПЗУ с 70-х годов прошлого века устанавливается практически на все серийно выпускаемые отечественные вертолеты с ГТД. Оно позволило устранить досрочные съемы двигателей по причине их абразивного износа. Достигнуть этого удалось при эксплуатации вертолетов в основном в климатических условиях России на двигателях, имевших межремонтный срок службы 750-1000 часов. Однако по мере расширения использования отечественных вертолетов в странах с жарким и сухим климатом, наличием песчаных пустынь и высокогорий, а также в связи с увеличением межремонтного ресурса современных ГТД, проблема досрочного съема двигателей по причине их абразивного износа опять приобретает актуальный характер.

К недостаткам "грибкового" ПЗУ следует отнести повышенные потери мощности и экономичности двигателя, сопровождающие эксплуатацию вертолетов, а также необходимость обеспечивать ПЗУ эффективной и энергоемкой противообледенительной системой из-за наличия повышенной площади взаимодействия элементов конструкции ПЗУ с воздушным потоком, содержащем переохлажденные капли воды, в условиях обледенения и одновременного действия интенсивной инерционной сепарации. Последние два недостатка в большой мере относятся и к устройству - аналогу [2], которое является воздухоочистительным модулем, включенным в конструкцию вертолетного газотурбинного двигателя Т-700 (США).

В отличие от вышеуказанных аналагов в устройстве [3] выполненном по мультициклонной схеме (из прямоточных циклонов), воздухоочистительная функция устройства не оказывает вредного воздействия на характеристики двигателя при полете в чистом воздухе и не приводит к ухудшению характеристик вертолета. Достигается это за счет наличия в устройстве [3] открываемого "байпасного" входа, объединенного со сборной камерой циклонов. Однако данные устройства нашли применение в достаточно ограниченном виде - на транспортных и десантно-транспортных вертолетах. Использованию их на боевых вертолетах препятствуют такие факторы, как:

- повышенные габаритно-компоновочные и весовые характеристики;

- низкая боевая живучесть устройства в условиях воздействия поражающих факторов, обусловленная многодетальностью и ажурностью перфорированных оболочек конструкции, способных привнести дополнительные поражающие факторы для двигателя;

- потенциально низкая эксплуатационная технологичность, склонность к засорению пылеотводящих каналов, необходимость их осмотра и очистки;

- риски при обеспечении устройства эффективной и надежной противообледенительной системой в широком диапазоне условий применения вертолетов.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее предложение, является создание воздухозаборного устройства вертолета, обеспечивающего:

- эффективную очистку воздуха от посторонних предметов в широком диапазоне их дисперсного состава на режимах работы вертолета вблизи поверхности земли (руление, взлет, посадка, висение, перемещение над поверхностью), при этом требуемый уровень эффективности очистки воздуха должен обеспечивать эксплуатацию вертолетного двигателя в условиях повышенной запыленности в течение межремонтного срока службы двигателей как старых, так и новых модификаций (с повышенным ресурсом);

- допустимый уровень снижения летно-технических характеристик (ЛТХ) вертолета от воздействия воздухозаборного устройства за счет обеспечения допустимого уровня гидравлического сопротивления устройства при работе вертолета в режиме очистки воздуха у земли, а также за счет минимизации потерь полного давления и скоростного напора воздушного потока при полете вертолета в условиях чистого воздуха;

- возможность использования воздухозаборного устройства в различных условиях эксплуатации, в том числе в условиях отрицательной температуры и условиях обледенения, а также в реальных условиях эксплуатации в соответствии с целевым назначением типа вертолета;

- возможность использования воздухозаборного устройства в условиях габаритно-компоновочных ограничений конструкций силовых установок (СУ) существующих вертолетов.

Сравнительный анализ известных устройств-аналогов [1, 2, 3] в части возможности их использования для решения поставленной задачи показывает, что по разным причинам ни одно из них не в состоянии полностью удовлетворить комплексу требований, предъявляемых к воздухозаборному устройству с очисткой воздуха.

Наиболее полно в части выполнения воздухоочистительной функции предлагаемому в настоящем изобретении воздухозаборному устройству соответствует аналог [1] - отечественное ПЗУ "грибкового" типа, его и будем считать прототипом рассматриваемого воздухозаборного устройства для вертолетного ГТД.

Благодаря решению вышеуказанной задачи при установке на вертолет предлагаемого воздухозаборного устройства в двигатель будет поступать меньшее количество песка и пыли, межремонтный ресурс двигателей, соответственно, возрастает, прекращаются досрочные съемы двигателей из-за эрозионного износа лопаток компрессора, двигатели вырабатывают межремонтный срок службы. Одновременно улучшаются летно-технические характеристики вертолета - по грузоподъемности, дальности полета, топливной эффективности. При этом первоначальные проработки дают основание ожидать, что установка нового воздухозаборного устройства на серийный вертолет не будет приводить к серьезной и дорогостоящей переделке планера и систем. Что касается соответствия нового устройства многим другим требованиям, предъявляемым к воздухозаборным устройствам вертолета, то в первом приближении можно считать рассматриваемое устройство эквивалентным своему устройству-прототипу [1] - ПЗУ "грибкового" типа, в том числе и по боевой живучести и эксплуатационной технологичности.

Сущность предлагаемого воздухозаборного устройства для вертолетного ГТД, выполняющего одновременно с забором воздуха из окружающего пространства функцию очистки воздуха от частиц песка, пыли и других посторонних предметов, заключается в следующем.

В воздухозаборном устройстве выполнены два проточных канала, образованные двумя воздухозаборными тоннелями - центральным и внешним. Центральный воздухозаборный тоннель имеет с передней стороны входное отверстие с коллекторной губой, обращенной навстречу набегающему воздушному потоку при полете вертолета, и хвостовую часть, выполненную в виде цилиндрического тоннеля, оканчивающегося выходным отверстием, обращенным ко входу в двигатель.

Внешний воздухозаборный тоннель также имеет в передней части входное отверстие с коллекторной губой и среднюю часть в виде бочкообразной оболочки круглого сечения, оканчивающуюся выходным отверстием, примыкающим ко входному отверстию двигателя. Диаметральные и осевые размеры внешнего воздухозаборного тоннеля выполнены исходя из условия обеспечения возможности размещения в его внутренней полости хвостовой части центрального тоннеля и элементов воздухоочистительной системы устройства. В описываемом устройстве центральный и внешний воздухозаборные тоннели располагаются соосно и таким образом, что центральный тоннель своей хвостовой частью входит через входное отверстие внешнего тоннеля во внутреннюю его полость, формируя в свободном пространстве между стенками тоннелей кольцевой криволинейный канал воздухоочистительной системы устройства. Указанная воздухоочистительная система включает в себя входное кольцевое отверстие с радиальным направлением входящего воздушного потока, образованное осевым пространством между задней стенкой коллекторной губы центрального тоннеля и губой внешнего тоннеля. Далее вдоль воздухоочистительного канала располагается сепарационный участок с поворотом входящего воздушного потока на угол α ~120°±20°. За ним следует участок расположения концентратора отсепарированных частиц, выполненного в виде конусной жалюзийной решетки из нескольких кольцевых элементов, обеспечивающих поворот очищенного воздуха по направлению скорости движения основного потока. В конце решетки установлен кольцевой сборник отсепарированных и сконцентрированных в небольшой части воздуха посторонних частиц (пылевой концентрат), сообщающийся с расположенной в этой же зоне канала системой отвода и удаления концентрата из устройства с помощью вентилятора отсоса с электроприводом. В состав воздухозаборного устройства входит перекрывной затвор, устанавливаемый в зоне входного отверстия центрального тоннеля, закрывающий и открывающий проход воздуха к двигателю через центральный тоннель устройства. Также перед входных кольцевым отверстием в воздухоочистительный канал установлена металлическая сетка, предотвращающая проход в устройство и в двигатель опасных крупных частиц и посторонних предметов.

При работе воздухозаборного устройства в режиме воздухоочистки поворотные створки затвора устанавливаются в положение, при котором они закрывают прямой проход воздуху к двигателю через центральный воздухозаборный тоннель, и воздух поступает через воздухоочистительный канал устройства, где он очищается от загрязняющих частиц, после чего поступает во вход к двигателю, а отсепарированные предметы выбрасываются в окружающее пространство в виде пылевого концентрата.

При работе вертолета в чистом воздушном пространстве перекрывной затвор открывает проход воздуха через центральный воздухозаборный тоннель и воздушный поток без потери давления поступает прямо к двигателю.

Сущность заявляемого изобретения "Воздухозаборное устройство для вертолетного ГТД" поясняется схемой Фиг. 1, на которой показан продольный разрез устройства. Воздухозаборное устройство включает в себя центральный воздухозаборный тоннель-1, состоящий из входной коллекторной губы-2 (передняя стенка губы) и хвостовой части-7 тоннеля, выполненной в виде цилиндрической оболочки с входным отверстием-1' и выходным-15, обращенным в сторону входного отверстия двигателя-17.

Также в состав устройства входит внешний воздухозаборный тоннель - 8, имеющий входное отверстие-5 с коллекторной губой-5', бочкообразную форму оболочки в средней части и выходное отверстие-16, примыкающее к входному отверстию, двигателя-17.

В описываемом воздухозаборном устройстве центральный воздухозаборный тоннель-1 и внешний тоннель-8 располагаются соосно и таким образом, что центральный тоннель своей хвостовой частью - 7 входит через входное отверстие-5 внешнего тоннеля-8 во внутреннюю его бочкообразную полость, формируя в свободном пространстве между стенками тоннелей кольцевой канал - 9 воздухоочистительной системы устройства. Указанная воздухоочистительная система устройства включает в себя входное кольцевое отверстие-3, образованное осевым пространством между задней стенкой 2' (входной коллекторной губы 2) и коллекторной губой -5' внешнего тоннеля-8. После входного отверстия следует сепарационный участок-4, в котором выполнен поворот кольцевого канал на угол α ~120°±20°.

Далее после поворота в канале-9 располагается концентратор отсепарированных частиц, выполненный в виде набора нескольких кольцевых элементов-10 конусной жалюзийной решетки, при этом геометрия указанных элементов решетки выполнена обеспечивающей движение очищенного от засоряющих частиц воздуха в направлении основного потока чистого воздуха. На выходе из решетки установлен кольцевой сборник-11, образованный листовой стенкой оболочки-11' и концевой частью центрального тоннеля-7. Внутренняя полость сборника-11 с помощью нескольких полых стоек-12 сообщается со сборной камерой-13, образованной оболочкой внешнего тоннеля-8 и стенками-13'. Система отвода концентрата из устройства включает в себя вентилятор-21 с электроприводом, который установлен на сборной камере-13 (или рядом с ней).

В состав воздухозаборного устройства входит перекрывной затвор, предназначенный для открытия-закрытия прохода воздуха через центральный воздухозаборный тоннель-1. В рассматриваемой конструкции устройства описан затвор с двумя поворотными синхронно работающими створками-23,-25, имеющими двухпозиционное рабочее положение и управляемыми с помощью гидроцилиндра-19, тяг -22 и рычагов-22'. При этом непосредственно во входном отверстии-1' тоннеля-1 установлены створки-23, -25, остальные элементы завтора устанавливаются вне рабочей полости устройства. На Фиг. 1 створки показаны в разных положениях: на верхней половине схемы створка - 23 показана в открытом положении, на нижней - створка-25 перекрывает центральный проточный канал-24.

В рассматриваемом воздухозаборном устройстве с целью более надежной защиты вертолетного ГТД от попадания в его газовоздушный тракт крупных посторонних предметов перед входным отверстием-3 в воздухоочистительный канал-9 установлена металлическая сетка-6.

При работе вертолета в загрязненной атмосфере воздухозаборное устройство устанавливается в режим очистки воздуха. При этом поворотные створки-23 и -25 перекрывного затвора с помощью гидроцилиндра-19, тяг-22 и рычагов 22' устанавливаются в положение "Закрыто" и перекрывают входное отверстие-1' в центральный воздухозаборный тоннель-1 (на Фиг. 1 в закрытом положении показана нижняя створка-25).

Под действием разрежения, создаваемого работающим двигателем, воздух с посторонними частицами поступает в кольцевое входное отверстие-3 воздухоочистительной системы устройства, при этом, проходя через сетку-6 воздух очищается от посторонних предметов с размерами, превышающими проходной размер сеточной ячейки. Далее воздух с частицами поступает в направлении стрелки-29 в поворотный участок-4, в котором производится поворот воздушного потока от входного направления по стрелке-26 на угол а-позиция-27 к направлению потока по стрелке-28. В результате инерционной сепарации при повороте потока тяжелые частицы смещают свои траектории движения в сторону внешней стенки поворотного канала, концентрируются в кольцевой зоне у поверхности задней стенки 2' (губы-2) и цилиндра-7. Основная часть воздуха, прошедшего через сепарационный участок, очистившаяся от посторонних частиц, поступает в кольцевое входное отверстие-31 канала-33. Меньшая часть воздуха с отсепарированными частицами поступает во входное отверстие-30 канала-32, являющегося внутренним каналом конусной жалюзийной решетки концентратора-10.

Проходя по межкольцевым протокам элементов-10, воздух с посторонними частицами подвергается очистке, очищенный воздух поступает также в канал-33 и движется по стрелкам-34 к выходному отверстию-14 из канала-9, и далее по стрелке-20 к выходному отверстию-16 устройства на вход к двигателю. Небольшая часть воздуха (несколько процентов) вместе с уловленными в сепараторе и концентраторе посторонними частицами поступает по стрелкам-35 в кольцевой сборник-11, из которого по нескольким радиальным полым стойка-12 проходит в сборную камеру-13, из которой концентрат удаляется из устройства с помощью вентилятора-36.

При работе вертолета в чистом воздушном пространстве (полет по маршруту на крейсерской скорости), общее время которого кратно превосходит время работы в загрязненном воздухе вблизи земной поверхности, перекрывной воздушный затвор устройства открывает прямой проход воздуху через центральный воздушный тоннель-1. Поворотные створки-23,-25 устанавливаются в положение "Открыто", на Фиг. 1 этому режиму соответствует положение створки-23. Чистый воздух беспрепятственно проходит во входное отверстие-Г тоннеля по направлению набегающего потока-24', проходит внутреннее пространство-24 тоннеля и по направлению стрелки-18 выходит из устройства в двигатель, при этом к основному воздушному потоку возможен подсос некоторого количества воздуха из внешнего воздухоочистительного канала-9.

Источники информации

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

2. Патент US №4527387 09.07.1985 F02G 3/00.

3. Патент US №3421296 14.01.1969 В64с 21/00, B01d 45/12.

Изобретение относится к вертолетным газотурбинным двигателям. Воздухозаборное устройство для вертолетного газотурбинного двигателя содержит внешний воздухозаборный тоннель (8), имеющий в передней части входное отверстие (5) с коллекторной губой (5') и бочкообразную оболочку с круглым поперечным сечением, оканчивающуюся в задней части тоннеля выходным отверстием (17), примыкающим ко входному отверстию двигателя (17). Центральный (1) и внешний (8) воздухозаборные тоннели расположены соосно и таким образом, что центральный тоннель своей хвостовой частью (7) входит через входное отверстие (5) внешнего тоннеля (8) во внутреннюю его полость, формируя в свободном пространстве между стенками тоннелей кольцевой криволинейный канал (9) воздухоочистительной системы устройства. По длине воздухоочистительного канала располагается криволинейный участок инерционного сепаратора. После участка сепаратора в воздухоочистительном канале установлен концентратор отсепарированных частиц. Достигается повышение эффективности воздухозаборного устройства. 1 ил.

Воздухозаборное устройство для вертолетного газотурбинного двигателя, включающее в свой состав центральный воздухозаборный тоннель, имеющий с передней стороны входное отверстие с коллекторной губой, обращенное навстречу набегающему воздушному потоку при полете вертолета, и хвостовую часть тоннеля, оканчивающуюся выходным отверстием, обращенным ко входному отверстию двигателя, также в состав устройства входит воздухоочистительная система, выполненная в виде инерционного сепаратора тяжелых частиц в криволинейном воздушном потоке, отличающееся тем, что в состав воздухозаборного устройства входит внешний воздухозаборный тоннель, имеющий в передней части входное отверстие с коллекторной губой и бочкообразную оболочку с круглым поперечным сечением, оканчивающуюся в задней части тоннеля выходным отверстием, примыкающим ко входному отверстию двигателя, при этом размеры внешнего воздухозаборного тоннеля выполнены исходя из условия обеспечения возможности размещения в его внутренней полости хвостовой части центрального тоннеля и элементов воздухоочистительной системы, в собранном состоянии центральный и внешний воздухозаборные тоннели расположены соосно и таким образом, что центральный тоннель своей хвостовой частью входит через входное отверстие внешнего тоннеля во внутреннюю его полость, формируя в свободном пространстве между стенками тоннелей кольцевой криволинейный канал воздухоочистительной системы устройства, включающей в себя входное кольцевое отверстие, образованное осевым пространством между задней стенкой коллекторной губы центрального тоннеля и входной губой внешнего тоннеля, далее по длине воздухоочистительного канала располагается криволинейный участок инерционного сепаратора, представляющий собой пространственный поворот кольцевого воздухоочистительного канала на угол α ~120°±20°, выполненный с возможностью инерционной сепарации основной массы посторонних частиц к поверхности задней стенки коллекторной губы центрального тоннеля и к цилиндрической поверхности хвостовой части центрального тоннеля, после участка сепаратора в воздухоочистительном канале установлен концентратор отсепарированных частиц, выполненный в виде конусной жалюзийной решетки, набранной из нескольких кольцевых элементов и кольцевого сборника, внутренняя полость которого выполнена сообщающейся с помощью нескольких полых радиальных стоек с системой отвода и удаления пылевого концентрата, включающей в себя сборную камеру и вентилятор отсоса с электроприводом, также в состав воздухозаборного устройства входит перекрывной затвор, устанавливаемый в зоне входного отверстия центрального тоннеля, закрывающий и открывающий проход воздуха к двигателю через центральный тоннель устройства, кроме того перед входным кольцевым отверстием в воздухоочистительный канал устройства установлена металлическая сетка, выполненная с возможностью предотвращения прохода в устройство и в двигатель опасных крупных частиц и посторонних предметов.