СИСТЕМА ВОЗДУХОЗАБОРА И ВЫХЛОПА ТУРБОВАЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ТЯНУЩИМ ВИНТОМ

Предложение относится к области авиационных турбовальных газотурбинных двигателей с тянущим винтом, предпочтительно предназначенных для работы на транспортных средствах в тяжелых условиях приземных слоев атмосферы, содержащих большое число частиц, загрязняющих воздух, как твердых частиц, например в виде пыли, льда или снега, так и жидких, таких как капли забортной воды, конденсата или дождя из атмосферы.
Предложенная в полезной модели система может быть использована в наземных установках для создания потоков воздуха большой интенсивности, например для удаления снега или воды с поверхностей аэродромов. Система предполагается к использованию на транспортных средствах с воздушновинтовыми движителями, такими как аэроглиссеры, аэросани, суда на воздушной подушке, предпочтительной областью использования системы являются экранопланы и экранолеты.
Известна система воздухозабора и выхлопа турбовинтового авиационного двигателя (далее - ТВД), содержащая установленные в корпусе двигателя турбокомпрессор и турбину, имеющую коллектор и сопло выхлопа, и воздушный коллектор воздухозабора турбокомпрессора, расположенный на корпусе двигателя, (см. патент России RU 2305054 С1, патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И.Баранова (RU), опубликован 27.08.2007,). Основным недостатком известной конструкции является невозможность ее работы длительное время и на большинстве режимов при взлете, посадке и движении на малой высоте. Функционирование данной системы происходит следующим образом. (см. позиции в оригинале патента RU 2305054 С1). Воздухозаборник самолета с турбовинтовым двигателем включает кольцевой канал (1), разделитель потока (5), выходной канал (6) очищенного воздуха, выходной канал (7) выброса посторонних частиц и предметов и пылезащитное устройство. Пылезащитное устройство установлено в месте перегиба канала, на его внутренней стенке (3), и выполнено кольцевым створчатым. Створки (4) в закрытом положении расположены с перекрытием друг друга и повторяют форму внутренней стенки канала в месте их расположения, а в открытом положении - створки образуют веерную конструкцию, установленную под углом к внутренней стенке канала по потоку, причем угол установки створок составляет не более 70° для изменения формы профиля кольцевого канала и направления частиц и предметов в канал выброса. Этот небольшой расход воздуха отбирается в непосредственной близости от наружной стенки канала первичного контура и содержит наибольшую часть частиц, в частности, капелек воды, попадающих на вход канала первичного контура 2, вследствие кривизны наружной стенки этого канала первичного контура в этой зоне и собственного удельного веса этих частиц, но при этом не позволяет из-за малой кривизны канала полностью удалить посторонние частицы. Таким образом система подвижные элементы снижают эффективность и надежность системы воздухозабора и выхлопа ТВД [1].
Известна система воздухозабора и выхлопа турбовального двигателя, содержащая установленные в корпусе двигателя турбокомпрессор и турбину, вал привода, кинематически связанный с турбиной, имеющей коллектор и сопло выхлопа, и воздушный коллектор воздухозабора турбокомпрессора, расположенный на корпусе двигателя (см. патент Германии DE 3614311 С2, опубликован 02.11.1989, заявитель KASTENS,KARL,DIPL.-ING., [2].). Основным недостатком известной конструкции и подобных технических решений является большая длина вала привода от турбины к турбинному или винтовому движителю (тянущему винту или вентилятору), что приводит к повышению возможности крутильных и/или изгибных колебаний вала привода, борьба с которыми требует усложнения конструкции двигателя. Введение средств очистки или защиты от попадания посторонних включений из воздуха чрезмерно усложняет систему воздухозабора и выхлопа.
Известна система воздухозабора и выхлопа газотурбинного двигателя, содержащая установленные в корпусе двигателя турбокомпрессор и турбину, вал привода вентилятора, кинематически связанный с турбиной, имеющей коллектор и сопло выхлопа, и воздушный коллектор воздухозабора турбокомпрессора, расположенный на корпусе двигателя, в котором выполнен отделитель частиц инерционного типа, (см. патент США US 3832086, заявитель General Electric CORP, опубликованный 27.08.1974, [3]). Этой известной конструкции газотурбинного двигателя присущи все ранее указанные недостатки и имеются свои, такие как сложность конструкции направляющего аппарата для закручивания потока для инерционного отделения частиц и сложный по конфигурации тракт для выведения частиц.
Известна система воздухозабора и выхлопа турбовального двигателя с тянущим винтом, содержащая установленные в корпусе двигателя турбокомпрессор и турбину, вал привода воздушного винта, кинематически связанный с турбиной, имеющей коллектор и сопло выхлопа, и воздушный коллектор воздухозабора турбокомпрессора, расположенный на корпусе двигателя, (см. патент США US 4456458, заявитель THE DE HAVILLAND AIRCRAFT OF CANADA, LIMITED, опубликованный 26.06.1984, [4]). Система [4] имеет следующие особенности в работе:
- входное отверстие воздухозабора расположено по одну сторону от оси вала привода, что будет создавать дополнительные пульсации потока воздуха на входе и возможность возникновения резонанса в полости воздушного коллектора (мотогондолы);
- омываемая воздушным винтом поверхность создает за собой динамически защищенную от попадания крупных частиц (птиц, камней и т.д.) область, что должно предотвратить их попадание в вентилятор и турбину и их разрушение. Замена винта намного дешевле, чем ремонт газотурбинного двигателя, но это свойство используется не по всей указанной площади;
- газовый коллектор частично расположен в полости воздушного коллектора, что создает условия для перегрева стенок последнего и повышает требования к их охлаждению или материалу.
Система воздухозабора и выхлопа турбовального двигателя с тянущим винтом, представленная в описании изобретения к патенту США [4] имеющая наибольшее количество совпадающих с предложенной конструкцией существенных для решения поставленной технической задачи признаков и наиболее близкую решаемую техническую задачу, выбрана в качестве наиболее близкого аналога (прототипа).
Технической задачей, на решение которой направлена предложенная полезная модель, является расширение функциональных возможностей системы воздухозабора и выхлопа турбовального двигателя с тянущим винтом. Техническим результатом является упрощение конструкции, повышение надежности и улучшение эксплуатационных свойств заявленной системы. При этом эксплуатационные свойства повышаются путем повышения экологичности системы.
Достижение технического результата обеспечивается представленной ниже совокупностью существенных признаков.
Сущность полезной модели.
Система воздухозабора и выхлопа турбовального двигателя с тянущим винтом, как и в наиболее близком аналоге [4], содержит установленные в корпусе двигателя турбокомпрессор и турбину, вал привода воздушного винта, кинематически связанный с турбиной, имеющей коллектор и сопло выхлопа, и воздушный коллектор воздухозабора турбокомпрессора, расположенный на корпусе двигателя, но в отличие от наиболее близкого аналога [4], воздушный коллектор размещен вокруг турбокомпрессора около его входа, а его впускное окно, направленно в сторону вала привода и воздушного винта.
Система воздухозабора и выхлопа турбовального двигателя с тянущим винтом характеризуется тем, что воздушный коллектор воздухозабора турбокомпрессора выполнен кольцеобразным с внутренней торообразной поверхностью, выполненной с возможностью поворота потока воздуха на впуске на угол не менее 180°.
Система воздухозабора и выхлопа турбовального двигателя с тянущим винтом характеризуется тем, что на внутренней торообразной поверхности воздушного коллектора выполнены окна удаления осажденных из воздуха посторонних твердых и жидких включений.
Система воздухозабора и выхлопа турбовального двигателя с тянущим винтом характеризуется тем, что коллектор выхлопа турбины выполнен охватывающим вал привода и выходное окно сопла расположено с возможностью отвода потока выхлопных газов за пределы проекции впускного окна на плоскость вращения воздушного винта.
Представленные признаки являются существенными для решения поставленной задачи и достижения технического результата.
Действительно, выполнение воздушного коллектора воздухозабора кольцеобразным с внутренней торообразной поверхностью, обеспечивающей поворот потока воздуха на впуске на угол не менее 180°, можно осуществить, если поперечное сечение внутренней поверхности будет в виде части окружности или другой замкнутой плавной кривой, проекция на плоскость сечения части которой ограничена линиями, проходящими через воображаемую точку центра замкнутой фигуры и крайние точки ее части, угол между которыми будет более 180°. Этот признак важен потому что в любой плавной замкнутой кривой можно выбрать в указанном диапазоне наибольшее по длине сечение, а торообразная поверхность может иметь наибольшую площадь поперечного сечения. Указанный угол поворота потока при этом будет лежать в оптимальном диапазоне. Такое выполнение системы обеспечивает условия для перемещение потоков на входе во впускное окно ив турбокомпрессор без их пересечений при наибольшем изменении направления, что способствует возникновению наибольшей центробежной силе. Расположение воздушного коллектора, который размещен вокруг турбокомпрессора около его входа, позволит разделить стенкой входного тракта турбокомпрессора встречно движущиеся потоки и уменьшить потери от их взаимного трения и вихреобразования. Впускное окно, направленное в сторону вала привода и воздушного винта, позволит достичь наибольшего использования аэродинамического напора от движения транспортного средства и от тянущего винта, а также от его динамической защиты от пыли, брызг, снега и осколков льда.
Снабжение системы воздухозабора и выхлопа турбовального двигателя с тянущим винтом окнами, расположенными на внутренней торообразной поверхности воздушного коллектора и выполненными, например, в виде щелей, набора или решетки из аэродинамических профилей, которые сообщены с любыми известными средствами их удаления, например, методом аэродинамического отсасывания (как в эжекционном пылесосе), обеспечивает удаление осажденных из воздуха посторонних твердых и жидких включений.
Выполнение системы воздухозабора и выхлопа турбовального двигателя с тянущим винтом с коллектором выхлопа турбины, охватывающим вал привода, и расположение выходного окна сопла с возможностью отвода потока выхлопных газов за пределы проекции впускного окна на плоскость вращения воздушного винта, снижает вероятность попадания выхлопных газов турбины во впускное окно коллектора турбокомпрессора при допустимых маневрах транспортного средства с предложенной в полезной модели системой. Эксплуатационные свойства системы повышаются также из-за экологичности системы, так как замкнутый коллектор выхлопа и сопло выхлопа, направленное в сторону от направления движения транспортного средства, будет наносить своими горячими газами и повышенным шумом вблизи поверхности земли наименьший вред окружающей среде, то есть растениям и животным.
На приведенном чертеже Фигуры 1 показан схематичный разрез системы и турбовального двигателя с тянущим винтом устроена следующим образом.
Система воздухозабора и выхлопа турбовального двигателя с тянущим винтом
Система воздухозабора и выхлопа турбовального двигателя с тянущим винтом содержит установленные в корпусе 1 двигателя турбокомпрессор 2 и турбину 3, вал 4 привода воздушного винта 5, кинематически связанный с турбиной 3, имеющей коллектор 6 и сопло выхлопа 7, и воздушный коллектор 8 воздухозабора 9 турбокомпрессора 2, расположенный на корпусе 1 двигателя, причем воздушный коллектор 8 размещен вокруг турбокомпрессора 2 около его входа. Коллектор 8 может быть на корпусе двигателя впереди воздухозабора 9 по ходу движения, на срезе входного отверстия 10 воздухозабора 9 турбокомпрессора 2 или позади него. Впускное окно 11 воздушного коллектора 8 турбокомпрессора 2 располагается по направленно в сторону вала 4 привода воздушного винта 5.
Воздушный коллектор 8 воздухозабора 9 турбокомпрессора 2 выполнен кольцеобразным, например в виде фигуры вращения 12, разрезанной плоскостью по кольцевой канавке 13, например выполненной в виде тора, на разрезе которой получается внутренняя торообразной поверхность 14, выполненная с возможностью поворота потока воздуха на впуске на угол не менее 180°.
Расположение воздушного коллектора 8 вокруг турбокомпрессора 2 около его входного отверстия 10 воздухозабора 9, позволит разделить стенкой 15 входного тракта турбокомпрессора 2 встречно движущиеся потоки и уменьшить потери от их взаимного трения и вихреобразования. Впускное окно 11, направленное в сторону вала привода и воздушного винта 5, т.е. по ходу движения транспортного средства, позволит достичь наибольшего аэродинамического напора, создаваемого тянущим винтом, что благоприятно для динамического наддува турбокомпрессора, а также создает эффективную динамическую защиту при соударении с частицами пыли, брызгами воды, снега и осколками льда.
Система воздухозабора и выхлопа турбовального двигателя с тянущим винтом дополнительно снабжена окнами 16 удаления осажденных из воздуха посторонних твердых и жидких включений, расположенными на внутренней торообразной поверхности 14 воздушного коллектора 8 и выполненными, например, в виде щелей, набора или решетки из аэродинамических профилей, которые сообщены с любыми известными средствами 17 удаления этих частиц, например, методом аэродинамического отсасывания (как в эжекционном пылесосе).
Система воздухозабора и выхлопа турбовального двигателя с тянущим винтом выполнена с коллектором 6 выхлопа турбины 3, охватывающим вал 4 привода, а выходное окно 19 сопла 7 расположено с возможностью отвода потока выхлопных газов за пределы проекции впускного окна 11 на плоскость вращения воздушного винта 5. При таком выполнении системы уменьшается вероятность попадания выхлопных газов из турбины во впускное окно 11 воздушного коллектора 6 турбокомпрессора 2 при маневрировании транспортного средства с предложенной в полезной модели системой.
Система воздухозабора и выхлопа турбовального двигателя с тянущим винтом работает следующим образом.
После запуска и прогрева система воздухозабора и выхлопа и турбовальный двигатель с тянущим винтом выходят на режим малого газа, транспортное средство трогается, при повышении подачи топлива оно разгоняется и выходит на крейсерский режим. Динамический поток воздуха, создаваемый от движения транспортного средства, и поток воздуха, создаваемый воздушным винтом, сливаются в один поток, движущийся вдоль корпуса 1 турбовального двигателя, достигает впускного окна 11, проходит торообразную поверхность 14, при движении по которой меняет свое направление на 180°.
При этом центробежными силами все более тяжелые частицы отбрасываются к внутренней торообразной поверхности 14 и силами инерции движутся по ней до окон 16 для их удаления, поступают в соответствующие средства удаления 17 и за счет избыточного давления, поступающего из коллектора 6 выхлопа турбины 3 устройство (на чертеже не показано) эжекции и выбрасываются наружу. Далее по известным термодинамическим законам воздух сжимается в турбокомпрессоре, поступает в камеру сгорания 18, разогревается и поступает на лопатки турбины 3, которая приводит в движение турбокомпрессор 2 и через соответствующую кинематическую связь 19 винт 5. Кинематическая связь 19 может быть выполнена любым известным образом, например, в виде редуктора или в виде свободной газовой турбины.
Представленная совокупность существенных признаков и уровень их раскрытия в описании полезной модели позволяют реализовать данную полезную модель при разработке и изготовлении системы воздухозабора и выхлопа турбовального двигателя с тянущим винтом.Перечень позиций
1. корпус;
2. турбокомпрессор;
3. турбина;
4. вал привода винта;
5. винт;
6. коллектор турбины;
7. сопло выхлопа;
8. воздушный коллектор;
9. воздухозабор;
10. входное отверстие воздухозабора 9;
11. впускное окно;
12. поверхность (фигура) вращения;
13. кольцевая канавка;
14. внутренняя торообразная поверхность, образованная кольцевой канавкой 13;
15. стенка входного тракта турбокомпрессора 2;
16. окно удаления осажденных частиц;
17. средство удаления осажденных частиц;
18. камера сгорания;
19. кинематическая связь.