Нагнетатель воздуха для системы кондиционирования воздуха летательного аппарата Российский патент 2023 года по МПК B64D13/06 

Изобретение относится к атмосферной авиационной системе кондиционирования воздуха (СКВ) летательных аппаратов (ЛА) и является нагнетателем наружного воздуха для СКВ применительно к ЛА, использующим один или несколько вентиляторных движителей импеллерной схемы (вентилятора в кожухе - мотогондоле), в которых лопасти вентиляторов могут быть изготовлены с проходной внутренней продольной полостью и в котором наружный воздух приобретает напор с высоким давлением вследствие центробежного эффекта в процессе прохождения через полости лопастей вентилятора при его вращении.

Известными источниками наружного воздуха высокого давления для СКВ является:

- классическая система отбора воздуха от компрессоров высокого давления (КВД) газотурбинных двигателей, в том числе ТВРД и вспомогательной силовой установки (ВСУ);

- нагнетание наружного воздуха с помощью специальных центробежных воздушных компрессоров с электрическими приводами электрокомпрессоров (ЭК) и предназначенными для них специальными воздухозаборниками; гибридные системы, использующие отбор воздуха от компрессора низкого давления (КНД) с последующим повышением давления при помощи вспомогательных ЭК [1].

Недостатками указанных систем (аналогов) являются: 1. Для системы отбора воздуха от КВД - это значительный избыток отбираемой от ТВРД мощности, которая выражается в высоком давлении (до 15 атм.) и температуре отбираемого воздуха (до 500°С). Эту мощность приходится рассеивать в процессе приведения параметров отбираемого воздуха к требуемым для выполнения функций СКВ, что определяет

- низкую энергетическую эффективность таких систем;

- усложнение конструкции ТВРД;

- отрицательное влияние на эффективность термодинамического цикла ТВРД;

- наличие компонентов (клапанов, воздуховодов и пр.), находящихся под высоким давлением и имеющих высокую температуру, которые являются потенциальными источниками пожароопасности.

2. Для системы с использованием ЭК и гибридных систем:

- высокая техническая сложность и стоимость систем;

- высокая трудоемкость технического обслуживания;

- избыточная потребляемая мощность, которая связана с электрическими и механическими потерями при преобразовании механической мощности, которая снимается с вала ТВРД, в электрическую, потери в процессе ее передачи, регулирования, обратного преобразования в механическую на ЭК;

- необходимость обеспечения большого запаса установочной мощности электрогенерирующей системы для энергообеспечения ЭК на случай отказа части генераторов или отказа части ТВРД;

- необходимость резервирования или дублирования ЭК. Это является причиной больших массогабаритных характеристик СКВ и увеличения веса и объема системы электроснабжения (СЭС) по сравнению с СЭС ЛА с системой отбора воздуха от КВД.

Из известных систем обеспечения СКВ наружным воздухом высокого давления можно выделить систему на основе центробежных воздушных ЭК [2].

Основные недостатки прототипа сводятся к рассмотренным выше -высокой сложности системы ЭК, большому электропотреблению, значительным потерям энергии, большому весу и объему системы ЭК и компонентов СЭС, обеспечивающих работу ЭК, которые на электрифицированной СКВ самолета Boeing-787 составляют соответственно не менее 300 кг и 3 м³.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание нагнетателя наружного воздуха для СКВ применительно к ЛА, выполненного на базе вентиляторной газодинамической двигательной установки с вентилятором импеллерного типа на основе центробежного движения воздуха во внутренних полостях лопастей вентилятора, отличающегося простотой конструктивного исполнения и, как следствие, упрощением процесса технического обслуживания, при обеспечении высокого уровня энергетической эффективности и надежности функционирования.

Технический результат заявленного изобретения заключается в упрощении конструкции системы обеспечения СКВ воздухом высокого давления при достижении сниженных потребляемой мощности СКВ и ее потерей, а также высокой надежности СКВ.

Заявленный технический результат достигается за счет нагнетателя воздуха для СКВ летательного аппарата, выполненного на базе вентиляторной газодинамической двигательной установки, приводящегося в движение от приводного вала вентилятора, выполненного по схеме импеллера, с приемным устройством наружного воздуха, представленного в виде, по крайней мере, одного отверстия в обтекателе вентилятора, характеризующегося тем, что внутри цилиндрической ступицы вентилятора сформированы внутренние поверхности, образующие продольные каналы для прохождения воздуха, поступающего от приемного устройства, а к ее наружной стороне прикреплены лопасти под углом к оси вентилятора, изготовленные с проходной продольной полостью, с образованием отверстий, обеспечивающих сообщение между полостью каждой лопасти и указанными каналами в цилиндрической ступице вентилятора.

В предпочтительном варианте исполнения заявленного нагнетателя, на концевые части лопастей вентилятора устанавливается кольцевой бандаж с лабиринтным уплотнением гребнеобразной формы для сокращения утечки воздуха при его подаче в блок забора воздуха в составе системы кондиционирования воздуха.

Таким образом, заявленный нагнетатель воздуха для СКВ летательного аппарата обеспечивает подачу воздуха высокого давления из внешней среды за счет известного центробежного эффекта в массе воздуха, находящегося в радиальных воздушных каналах лопаточного колеса, образующего вентилятор импеллерного типа, приводимого во вращение от приводного вала вентилятора, при этом в качестве радиальных каналов лопаточного колеса используются проходные продольные полости лопастей вентилятора [3], работающие в качестве воздушных каналов закрытого лопаточного колеса.

Устроенный таким образом нагнетатель воздуха позволит отказаться от классической системы отбора воздуха от компрессора газодинамической двигательной установки (ДУ) в качестве источника воздуха высокого давления для СКВ, которая снижает топливную эффективность и газодинамическую устойчивость ДУ, а также от альтернативного технически сложного комплекса специальных центробежных воздушных компрессоров с отдельными воздухозаборниками и электрическими приводами. Это упростит СКВ, снизит ее вес и стоимость, повысит надежность, снизит трудоемкость и стоимость технического обслуживания и эксплуатации СКВ.

На фиг. 1 представлена схема нагнетателя наружного воздуха для СКВ летательного аппарата на базе ТВРД, где 1 - приемное устройство наружного атмосферного воздуха, 2 - обтекатель вентилятора, 3 - вентилятор импеллерного типа, 4 - внутренние поверхности, образующие воздушные продольные каналы, 5 - цилиндрическая ступица вентилятора, 6 - вал вентилятора, 7, 8 - отверстия для прохода воздуха, выполненные в местах крепежа лопастей вентилятора, 9 - крепежные концевики, 10 - лопасть вентилятора, 11 - внутренняя продольная полость лопасти вентилятора, 12 - выходные отверстия на концевых частях лопастей вентилятора, 13 - отверстия в кольцевом бандаже с лабиринтным уплотнением, 14 - кольцевой бандаж с лабиринтным уплотнением, 15 - воздушный зазор между концевой частью лопасти вентилятора и внутренней кольцевой стенкой кожуха мотогондолы, 16 - прорезь для передачи воздуха, поступающего от внутренней продольной полости лопасти в кольцевой воздуховодный диффузор, 17 - внутренняя кольцевая стенка кожуха мотогондолы, 18 - кожух мотогондолы, 19 - кольцевой воздуховодный диффузор, 20 - безлопаточная часть кольцевого воздуховодного диффузора, 21 - лопаточная часть кольцевого воздуховодного диффузора, 22 - кольцевая улитка, 23 - воздуховод, 24 -фильтр, 25 - блок контроля и регулирования расхода и давления подаваемого воздуха, 26, 27 - лабиринтное уплотнение, 28 - глушитель.

На фиг. 2 приведена схема узла для перехода воздуха высокого полного давления из проходной полости лопасти вентилятора в блок забора воздуха в составе системы кондиционирования воздуха, где 29, 30 - кольцевые полосы на внутренней кольцевой стенке кожуха мотогондолы, 31,32 - группа гребней лабиринтного уплотнения.

Предлагаемое техническое решение по эффективности выполняемых на его основе функций в наибольшей степени соответствует применению на двухконтурных газотурбинных авиационных двигателях с высоким коэффициентом двухконтурности - турбовентиляторных реактивных двигателях (ТВРД) [4]. На их примере далее проводится разъяснение принципов действия предлагаемого нагнетателя и конструкции, реализующей эти принципы.

Нагнетатель воздуха для СКВ летательного аппарата (фиг. 1, фиг. 2) содержит в своем составе приемное устройство наружного атмосферного воздуха (1), представленного в виде, по крайней мере, одного приемного отверстия в обтекателе вентилятора (2).

Вентилятор (3) в составе предлагаемого нагнетателя воздуха выполнен по схеме импеллера, реализация которой заключается в размещении вентилятора в кожухе - мотогондоле. В цилиндрической ступице (5) вентилятора (3) сформированы внутренние поверхности (4), образующие продольные каналы для прохождения воздуха, поступающего от приемного устройства (1).

Лопасти вентилятора (10) закрепляются под углом к оси вентилятора на внешней поверхности цилиндрической ступицы (5) вала вентилятора (6), при это в данном узле соединения изготавливаются отверстия (7) для прохода воздуха во входные отверстия (8) в крепежных концевиках (9), закрепленных на ступице лопастей (10) вентилятора, при этом входные отверстия (8) выполнены сообщающимися с продольными внутренними профилированными полостями (11), изготовленными внутри лопастей вентилятора (10).

В предпочтительном варианте исполнения предлагаемого нагнетателя воздуха, на концевые части лопастей вентилятора устанавливается кольцевой бандаж (14) с лабиринтным уплотнением (26, 27) гребнеобразной формы (31, 32) с целью сокращения утечки воздуха из зазора между концевыми частями лопастей вентилятора и внутренней кольцевой стенкой кожуха мотогондолы (17) при его подаче в блок забора воздуха в составе системы кондиционирования воздуха в процессе функционирования указанного нагнетателя.

На концевых частях лопастей вентилятора выполнены выходные отверстия (12), сообщающиеся с отверстиями (13), сделанными в кольцевом бандаже (14) для перехода воздуха из внутренней продольной полости лопасти через кольцевой бандаж (14) в блок забора воздуха.

С целью предоставления более полной и исчерпывающей информации, необходимой для понимания сущности предлагаемого изобретения для эксперта в данной области техники, в том числе особенностей его функционирования в составе СКВ, в описании излагаются принципы подачи воздуха от предлагаемого нагнетателя в блок забора воздуха и предпочтительное конструктивное исполнение узла данного перехода, при этом блок забора воздуха, по своей сути, не входит в область правовой охраны в рамках данной заявки.

Блок забора воздуха в составе СКВ, в предпочтительном варианте, размещается в кожухе мотогондолы (18) и исполняется следующим образом.

На внутренней кольцевой стенке кожуха мотогондолы (17) выполняется прорезь (16) для передачи воздуха, поступающего от внутренней продольной полости лопасти через отверстие (13) в кольцевой воздуховодный диффузор (19).

Прорезь (16) закрыта от утечки воздуха кольцевым бандажом (14). Кольцевые полосы (29, 30) размещены на внутренней кольцевой стенке кожуха мотогондолы (17) и выполнены из истираемого материала вследствие взаимодействия при вращении лопастей вентилятора с передней (31) и задней (32) группами гребней лабиринтных уплотнений кольцевого бандажа (14), имеющих более высокую прочность и твердость, чем истираемый материал, что обеспечивает минимально возможную утечку подаваемого воздуха высокого давления.

К обратной стороне прорези (16) прикреплен кольцевой воздуховодный диффузор (19) с безлопаточной (20) и лопаточной (21) частями, состоящий из двух кольцевых плоских стенок, каждая из которых внутренним краем прикреплена к соответствующему краю прорези (16), а наружным прикреплена к соответствующему краю прорези кольцевой улитки (22), расположенной внутри кожуха мотогондолы (18) и составляющими диффузорный вход в кольцевую улитку (22), к выходу которой присоединен воздуховод (23) для подачи в систему подготовки воздуха СКВ.

На входном участке воздуховода (23) расположен сменный воздушный фильтр (24) и далее блок (25), где производится контроль и регулирование расхода и давления подаваемого воздуха высокого давления, а также контроль и устранение срывных явлений на выходе воздуха из полостей лопастей, а также глушитель (28).

Устройство блока регулирования (25) в данном предложении не рассматривается, так как его функции относится к системе подготовки воздуха СКВ и реализуются по классическим принципам, конструктивному исполнению и законам регулирования для систем управления параметрами в воздушном контуре авиационных СКВ и систем контроля и устранения срывных явлений в классических центробежных нагнетателях, за исключением того, что для этого в данном предложении не может использоваться регулирование частоты вращения вентилятора. Однако срывные явления могут устраняться регулированием расхода воздуха и давления воздуха, в том числе его частичным стравливанием.

Предлагаемый нагнетатель воздуха для СКВ ЛА функционирует следующим образом.

В процессе полета ЛА, наружный воздух подсасывается через приемное устройство (1) на обтекателе вентилятора (2) за счет скоростного напора и вращения вентилятора предлагаемого нагнетателя, в воздушные каналы (4) и после прохода по ним, воздух через отверстия (7) в ступице (5) вала вентилятора (6), а затем через сопряженные с ними отверстия (8) в крепежных хвостовиках лопастей вентилятора (9), поступает во внутренние продольные профилированные полости (11) лопастей вентилятора и движется под действием центробежной силы с возрастанием полного давления к внешним торцевым концам полостей лопастей.

После этого, воздух выходит через выходные отверстия (12) на концах лопастей и сопряженные с ними отверстия (13) в кольцевом бандаже (14) лопастей вентилятора, прикрывающего воздушный зазор (15), откуда воздух проходит в прорезь (16) на внутренней кольцевой стенке (17) кожуха мотогондолы (18) в кольцевой воздуховодный диффузор (19) с безлопаточной (20) и лопаточной (21) частями.

В диффузоре (19) снижается скорость воздуха с повышением статического давления и направление его движения меняется от радиального на аксиальное, после чего воздух входит в прикрепленную к диффузору своей прорезью кольцевую улитку (22), охватывающую внутреннюю кольцевую стенку кожуха мотогондолы, и движется в ней с накоплением массы воздуха при практически постоянном статическом давлении к прикрепленному к ее выходу воздуховоду (23) подачи воздуха высокого давления в систему подготовки воздуха СКВ, проходя на начальном участке воздуховода сменный фильтр (24), следующий за ним блок (25), где производится контроль и регулирование давления и расхода воздуха, а также контроль и устранение срывных явлений (помпажа) и глушитель (28).

ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗУЕМОСТЬ заявленного нагнетателя СКВ обеспечена тем, что технология изготовления и применения его ключевых компонентов конструктивно и технологически проработана, проверена эксплуатацией в авиационной и других промышленных приложениях.

В частности, лопасти вентилятора ТВРД с внутренней замкнутой полостью, предназначенной для снижения их веса, широко используется в авиамоторостроении [3]. В применении к предлагаемому нагнетателю требуется сделать эти полости проходными, а также профилированными во всем объеме или в выделенной для прохода воздуха части, что в общем случае - не обязательно, а также проработать крепежный узел лопатки для обеспечения требуемой прочности при наличии в нем отверстия.

Кольцевой бандаж на концах лопастей вентилятора ТВРД с прирабатываемым уплотнением для исключения перетекания воздуха через концы лопастей используется на практике и, в частности, приведен в [5].

Прирабатываемое пневматическое лабиринтное уплотнении широко используется в авиамоторостроении, например на основе истираемых элементов из дискретных металлических волокон [6].

Применительно к предлагаемому нагнетателю эффективность лабиринтного уплотнения (фиг. 2) может допускать утечку воздуха из зазора между кольцевым бандажом лопастей вентилятора и внутренней кольцевой стенкой кожуха мотогондолы в той степени, которая делает топливную эффективность нагнетателя не ниже топливной эффективности прототипа [2] при тех же расходе и напоре воздуха на выходе из нагнетателя. Оцененная экспертно допустимая утечка может составлять до 30% воздуха, проходящего через приемное устройство нагнетателя. Это снижает требования к лабиринтному уплотнению и позволяет упростить его конструкцию. Энергия воздуха утечки не является потерянной с точки зрения энергетики ТВРД, поскольку этот воздух попадает в общий поток воздуха, создающего тягу вентилятора и, благодаря своему повышенному давлению, в некоторой степени увеличивает тягу, что компенсирует часть аэродинамического сопротивления приемного устройства нагнетателя.

Технология проходных лопастей с пропусканием через них охлаждающего воздуха используется в высоконапряженных охлаждаемых турбинных лопастях турбин ТВРД и других газотурбинных двигателей [7], обеспечивающих возможность их работы в потоке соплового газа с температурой, превышающей температуру плавления материала лопастей.

РАБОТОСПОСОБНОСТЬ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ нагнетателя по значению создаваемого коэффициента напора (π_цввн), как отношения полного давления воздуха на входе к полному давлению на выходе оценивалась на основе математической модели сжатия воздуха в полости лопасти. Расчеты показывают, что для типичных габаритов вентиляторов магистральных самолетов (R=1-1,3 м) и частоты вращения на (Ω=2000-4500 об/мин) достижимое значение π_цвн лежит в диапазоне 2,5-4,5. Это обеспечивает возможность поддержания типичного давления в гермокабине, эквивалентного геометрической высоте 2400 м (567 мм. рт. ст.) на крейсерской высоте полета магистральных самолетов 10000-12000 м., если в системе подготовки воздуха СКВ используются парокомпрессионные холодильные машины [8], имеющие низкое гидравлическое сопротивление в воздушном контуре.

Расход воздуха является проектировочной величиной для лопастей вентилятора ТВРД, дополнительно используемого в качестве нагнетателя воздуха. Величина расхода воздуха для СКВ сред немагистрального самолета составляет ориентировочно 1,5 кг/с. При характерном давлении на входе в систему подготовки воздуха на основе парокомпрессионных машин такого самолета, равном 1,2 атм. и вентиляторе ТВРД с 24 лопатками расход через полость лопасти одного из двух двигателей (типичный состав двигательной установки среднемагистрального самолета) составляет 0,025 кг/с. Например, при площади сечения выходного отверстия полости лопасти 0,001 м² (выходная щель размером 10×1 см). Скорость на выходе компрессоров газодинамической ДУ составляет более 150 м/с, а скорость протекания воздуха достигает 30 м/с. Такая скорость вполне реализуема в габаритах лопастей с шириной в концевой части 20-30 см.

Источники

1. Д.И. Смагин, К.И. Старостин, Р.С. Савельев, А.А. Сатин, А.Р. Невешкина, Д.С. Суздальцева, Анализ конкурирующих вариантов систем кондиционирования воздуха без отбора воздуха от двигателей на этапе концептуального проектирования комплекса бортовых систем пассажирских самолетов, Сотр. nanotechnol., 2019, выпуск 3, 86-91.

2. 787 NO-BLEED SYSTEM: SAVING FUEL AND ENHAANCING OPERATIONAL EFFICIENCIES. BOEING. AERO QTR_4.07 URL: https://www.boeing.com/commercial/aeromagazine/articles/qtr_4_07/article_02_1.html. DATA последнего посещения 21.12.2021 г.

3. Абузин Ю.А., Каблов Е.Н., Каримбаев Т.Д., Кочетов В.Н., Луппов А.А., Скибин В.А., Шавнев А.А. Широкохордные лопатки вентиляторов для ТРДД 5-6 поколений. Изд. Конверсия в машиностроении, №5, 2006, Электронный ресурс. URL: https://viam.ru/public/files/2005/2005-204474.pdf Дата последнего посещения 08.12.2021 г.

4. Р.И. Гусева. Учебное пособие: Особенности конструкции, организации работы авиационных двигателей. https://knastu.ru/media/files/page_files/page_421/posobiya_2015/_Osobennosti_konstruktsii%2C_organizatsiya_raboty _aviatsionnykh_dvigateley.pdf

5. Зайнулин И. Патент №2334900 «Рабочее колесо ступени осевого компрессора лопаточной машины», 05.03.2007 г.

6. Фарафонов Д.П., Мигунов В.П., Деговец М.Л., Алёшина Р.Ш. Перспективы развития и применения истираемых уплотнительных материалов из металлических волокон в проточном тракте турбины авиационных двигателей Ресурс: cyberleninka.ru. Электронный ресурс. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/perspektivy-razvitiya-i-primeneniya-istiraemyh-uplotnitelnyh-materialov-iz-metallicheskih-volokon-v-protochnom-trakte-turbiny Дата последнего посещения 08.12.2021 г.

7. Охлаждаемые лопатки. Энциклопедия по машиностроению XXL.

8. Тищенко И.В. Куденко Д.А. Исследование систем кондиционирования воздуха легких самолетов и вертолетов.

Изобретение относится к атмосферной авиационной системе кондиционирования воздуха (СКВ) летательных аппаратов (ЛА) и касается нагнетателя наружного воздуха для СКВ ЛА. Нагнетатель воздуха выполнен на базе вентиляторной газодинамической двигательной установки, приводящийся в движение от приводного вала вентилятора, выполненного по схеме импеллера, с приемным устройством наружного воздуха в виде отверстия в обтекателе вентилятора. Причем внутри цилиндрической ступицы вентилятора сформированы внутренние поверхности, образующие продольные каналы для прохождения воздуха, поступающего от приемного устройства. При этом к наружной стороне ступицы прикреплены лопасти под углом к оси вентилятора, изготовленные с проходной продольной полостью, с образованием отверстий, обеспечивающих сообщение между полостью каждой лопасти и каналами в цилиндрической ступице вентилятора. Достигается упрощение конструкции системы обеспечения СКВ воздухом высокого давления при достижении сниженных потребляемой мощности СКВ и ее потерей, повышение надежности СКВ. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Нагнетатель воздуха для системы кондиционирования воздуха летательного аппарата, выполненный на базе вентиляторной газодинамической двигательной установки, приводящийся в движение от приводного вала вентилятора, выполненного по схеме импеллера, с приемным устройством наружного воздуха, представленного в виде, по крайней мере, одного отверстия в обтекателе вентилятора, характеризующийся тем, что внутри цилиндрической ступицы вентилятора сформированы внутренние поверхности, образующие продольные каналы для прохождения воздуха, поступающего от приемного устройства, а к ее наружной стороне прикреплены лопасти под углом к оси вентилятора, изготовленные с проходной продольной полостью, с образованием отверстий, обеспечивающих сообщение между полостью каждой лопасти и указанными каналами в цилиндрической ступице вентилятора.

2. Нагнетатель воздуха для системы кондиционирования воздуха летательного аппарата по п. 1, характеризующийся тем, что на концевые части лопастей вентилятора устанавливается кольцевой бандаж с лабиринтным уплотнением гребнеобразной формы для сокращения утечки воздуха при его подаче в блок забора воздуха в составе системы кондиционирования воздуха.