СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ЛЬДА С ЛОПАСТЕЙ ВЕНТИЛЯТОРА ДВИГАТЕЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА В ПОЛЕТЕ Российский патент 2024 года по МПК B64D15/00 

Изобретение относится к способам удаления льда с лопастей вентилятора двигателя летательного аппарата в полете и может быть использован в транспортных летательных средствах, таких как самолеты, вертолеты, экранопланы и т.п.

Обледенение поверхностей летательных аппаратов в первой половине прошлого века стало одним из основных препятствий для развития полетов на большие расстояния, с высокой скоростью и полетов, проходящих в зонах активного изменения погоды.

Обледенение может принимать несколько форм.

Иней - это конденсирующиеся и замерзающие на переохлаждённой поверхности водяные пары. Как правило, это единственный вид обледенения, допускаемый в авиации. Допускается тонкий слой инея (до 3 мм толщиной) на нижней поверхности крыла в районе топливных баков.

Переохлажденный дождь - его капли имеют отрицательную температуру, но ещё не замерзают в воздухе. При попадании таких капель на поверхность они сразу замерзают, образуя ледяную корку.

При перепадах температур и влажности образуется наледь. Этот лед с точки зрения его удаления наиболее «неудобен», так как он, как правило, хорошо удерживается на поверхности за счёт примерзания и сравнительно устойчив к механическим воздействиям, нежели остальные виды обледенения.

При попадании летательного аппарата в зону переохлаждённого дождя лопасти вентиляторов газотурбинных двигателей часто покрываются слоем льда, препятствующим нормальной работе двигателя, при этом снижается тяга, возрастает риск разрушения лопаток компрессора, повышается вибрация роторов «компрессор-турбина».

Такое состояние двигателя резко повышает опасность катастрофы. Обстановка требует немедленного удаления льда с лопастей непосредственно во время полета. Эту проблему невозможно решить нагревом всего массива льда в условиях высокой скорости и низких температур, однако местное разрушение контакта в соединении «лед-поверхность лопасти» при значимой центробежной силе позволит удалить лед с поверхности лопастей вентилятора.

Известен способ защиты от обледенения наружной поверхности корпуса авиационного двигателя с использованием специальных жидкостей (RU2319023, опубл. 10.03.2008 ), а также электроимпульсный метод удаления льда с листовых поверхностей, например, с обшивок крыльев самолета (RU 2534102, опубл. 27.11.2014). Оба указанных способа не позволяют бороться с обледенением вращающихся лопастей вентиляторов.

Известен способ предотвращения обледенения крыла летательного аппарата с использованием лазерной противообледенительной системы (RU2671069 опубл. 29.10.2018), при котором вдоль поверхности крыла генерируется направленный пучок лазерных лучей.

Однако все перечисленные способы не предназначены для защиты от обледенения вращающихся лопастей вентиляторов летательных аппаратов, т.е. во время полета.

Технический результат - обеспечение безопасности полета в случае обледенением лопастей вентилятора двигателя летательного аппарата во время полета за счет импульсного нагрева лазерными лучами обледеневших лопастей с образованием трещин в слое льда и удаления льда при создании импульсных вибраций.

Технический результат достигается тем, что в способе удаления льда с лопастей вентилятора двигателя летательного аппарата в полете с использованием лазерной противообледенительной системы ,подключенной к бортовой сети и содержащей источник энергии, оптический квантовый генератор (ОКГ), регулятор ОКГ и коллиматор, осуществляют генерирование в импульсном режиме не менее двух пучков лазерных лучей, направленных на средние участки обледеневшей поверхности диаметрально-противоположных лопастей вентилятора с заданной периодичностью пуска импульса пучка лазерных лучей, рассчитанной по формуле:

где : Т - период пуска импульса пучка лазерных лучей, сек,

ν - частота вращения вентилятора двигателя, об/мин,

n - количество лопастей вентилятора двигателя, шт.,

образование начальных точек теплового нарушения контакта слоя льда с поверхностью лопастей с образованием трещин и создание импульсной вибрации для удаления льда с лопастей.

Кроме того, дополнительно перед полетом на поверхность лопастей наносят защитное покрытие, что обеспечивает безопасную работу вентилятора.

Генерировании в импульсном режиме двух и более пучков лазерных лучей, направленных на средние участки обледеневшей поверхности лопастей вентилятора, позволяет создать область из множества точек нарушенного контакта «лед-поверхность лопасти» под воздействием нагрева и запустить процессобразования трещин в слое льда. Количество пучков лазерных лучей выбирают исходя из условий, при которых сброс льда не спровоцировал бы возникновение серьезных дисбалансов и не принес вреда двигателю.

Направление лазерных лучей на среднюю часть лопасти обеспечивает воздействие центробежной силы на слой льда как значимого фактора, а направление импульсных лучей на диаметрально-противоположные лопасти исключает появление существенных локальных дисбалансов вентилятора и повышения вибрации ротора.

Заданная периодичность пуска импульса пучка лазерных лучей, рассчитанная по формуле, обеспечивает смещение лучей и шаговый обход лопастей всего вентилятора, а сход льда с отдельной лопасти создает в ней импульс вибрации, повышающей эффект удаления льда.

Заявляемый способ поясняется следующими фигурами.

На фиг. 1 представлена схема размещения лазерной противообледенительной системы на корпусе двигателя, на фиг. 2 - схемы расположения точек нарушенного контакта «лед-поверхность лопасти» под воздействием нагрева для различных конструкций лопастей: а - поперечные, б - диагональные, в - продольные в зависимости от конструкции лопастей.

На фигурах обозначено:

1 - бортовая сеть,

2 - источник энергии,

3 - оптический квантовый генератор,

4 - регулятор оптического квантового генератора,

5 - коллиматор (устройство для получения параллельных пучков лазерных лучей ),

6 - лопасть вентилятора,

7 - двигатель,

8 - точки нарушенного контакта «лед-поверхность лопасти» под воздействием нагрева для различных конструкций лопастей.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом.

На двигатель устанавливают противообледенительную систему, блок-схема которой приведена на фиг. 1.

При появлении риска обледенения включают источник энергии 2 подключением к бортовой сети 1, а оптический квантовый генератор (ОКГ) 3 с помощью регулятора 4 настраивают с заданной периодичностью Т пуска импульса пучка лазерных лучей с учетом частоты вращения вентилятора ν.

Период Т пуска импульсов пучка лазерных лучей рассчитывают по математической зависимости:

,

где ν - частота вращения вентилятора, n - количество лопастей вентилятора.

Заранее сфокусированные коллиматоры 5 направляют лучи лазерного пучка на участок, размещенный в средней части лопасти вентилятора 6.

Установки регулятора 4 ОКГ 3 обеспечивают направление лучей на диаметрально-противоположные лопасти6 и периодичность пуска пучков лазерных пучков (шаг смещения), обеспечивая шаговый обход лопастей 6 всего вентилятора.

Тепловое нарушение контакта льда и лопасти 6 (вскипание жидкости) обеспечивает образование пятен лазерных лучей 8 и начальных точек распространения трещин льда, а центробежная сила и импульсная вибрация - снятие слоя льда с лопастей 6вентилятора двигателя 7.

Нанесенное покрытие (не показано) защищает поверхности лопастей от повреждения лучами лазера.

Таким образом, реализация предложенного технического решения обеспечивает удаление льда с поверхностей вентилятора двигателя в полете.

Пример конкретного осуществления:

Требовалось очистить от слоя льда вентилятор газотурбинного двигателя, работающий в полете с частотой около 50 Гц. Количество лопастей вентилятора - 18.

Лед покрывал лопасти слоем 2 мм. Предварительно перед полетом на лопасти было нанесено защитное покрытие, включающее смесь гликоля, воды и полимерного загустителя (PCT/W 093/24543,1998).

Источником энергии служил полупроводниковый лазер, работающий в импульсном режиме (https://lenlasers.ru/product/stabilizirovannyj-poluprovodnikovyj-lazer-600-1650-nm/),который характеризуется высоким КПД (50…60 %), высокой мощностью длительностью, энергией импульсов и частотой их повторения, в импульсном режиме обладают мощностью 1-1000 КВт, длительность импульсов 1…10 мкс, частота 25-100 Гц, КПД 8…30 %. Количество пучков лазерных лучей - 2.

На радиусе 1 м скорость движения фрагмента лопасти составляла более 300 м/с. При импульсе пучков лазерного луча длительностью в 5 мкс (период пуска импульсов Т) сдвиг пятна нагрева составил 0,0015 м или 1,5 мм. Время воздействия составило 0,000005 секунды.

В результате такого воздействия образовались трещины в слой льда и под действием вибрации лед растрескался и без дополнительного воздействия удалился с поверхности лопастей вентилятора.

Изобретение относится к способам удаления льда с лопастей вентилятора двигателя летательного аппарата в полете и может быть использовано в транспортных летательных средствах, таких как самолеты, вертолеты, экранопланы. Предложен способ удаления льда с лопастей вентилятора двигателя летательного аппарата в полете с использованием лазерной противообледенительной системы, подключенной к бортовой сети и содержащей источник энергии, оптический квантовый генератор (ОКГ), регулятор ОКГ и коллиматор, заключающийся в генерировании в импульсном режиме не менее двух пучков лазерных лучей, направленных на средние участки обледеневшей поверхности диаметрально-противоположных лопастей вентилятора с заданной периодичностью пуска импульса пучка лазерных лучей. Технический результат - обеспечение безопасности полета в случае обледенения лопастей вентилятора двигателя летательного аппарата во время полета за счет импульсного нагрева лазерными лучами обледеневших лопастей с образованием трещин в слое льда и удаления льда при создании импульсных вибраций. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ удаления льда с лопастей вентилятора двигателя летательного аппарата в полете с использованием лазерной противообледенительной системы, подключенной к бортовой сети и содержащей источник энергии, оптический квантовый генератор (ОКГ), регулятор ОКГ и коллиматор, заключающийся в генерировании в импульсном режиме не менее двух пучков лазерных лучей, направленных на средние участки обледеневшей поверхности диаметрально-противоположных лопастей вентилятора с заданной периодичностью пуска импульса пучка лазерных лучей, рассчитанной по формуле:

,

где: Т - период пуска импульса пучка лазерных лучей, сек,

ν – частота вращения вентилятора двигателя, об/мин,

n – количество лопастей вентилятора двигателя, шт.,

образование начальных точек теплового нарушения контакта слоя льда с поверхностью лопастей с образованием трещин и создание импульсной вибрации для удаления льда с лопастей.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед полетом на поверхность лопастей наносят защитное покрытие.