Способ защиты газогенератора турбореактивного двухконтурного двигателя от попадания частиц пыли
METHOD FOR PROTECTING GAS GENERATOR OF TURBOJET BY-PASS ENGINE FROM DUST PARTICLES

Предлагаемый способ защиты газогенератора турбореактивного двухконтурного двигателя от попадания частиц пыли предназначен для применения в авиационной технике, работающей в условиях загрязненного воздуха мелкими частицами.
Летательные аппараты, которые могут базироваться на любых площадках и способны совершать взлет и посадку на поверхности с любым грунтовым покрытием, а также работать в условиях сравнительно небольшой высоты полета, в процессе эксплуатации имеют проблему попадания в двигатель частиц из поднятого ими облака пыли. Попадающие в двигатель с потоком воздуха посторонние частицы приводят к преждевременному износу основных элементов и узлов его проточной части. Наиболее серьезным повреждениям, способным привести к отказу двигателя в процессе эксплуатации, подвержены рабочие лопатки компрессора высокого давления. С целью повышения надежности двигателя, работающего в условиях запыленного воздуха, в конструкции летательного аппарата предусматривают установку специальных пылезащитных устройств. Принципы работы таких устройств заключаются в очистке воздуха от пыли закруткой потока. Под действием центробежных сил в закрученном потоке частицы отбрасываются на периферию потока воздуха, откуда удаляются, проходя через специальный канал, или при помощи установленного пылесоса. Такие устройства позволяют очистить до 93% воздуха, идущего в газовоздушный тракт двигателя, и снизить повреждение лопаток компрессора в 2,5 - 3 раза, но при этом имеют ряд недостатков:
- Потери мощности двигателя с таким устройством могут достигать 5÷6%;
- Усложнение доступа к двигателю;
- Увеличение массы и габаритов силовой установки;
- В отдельных случаях возникает необходимость применения противообледенительной системы.
Различают следующие основные типы пылезащитных устройств [Вертолетные газотурбинные двигатели / В.А. Григорьев, В.А. Зрелов, Ю.М. Игнаткин и др.; под общ. ред. В.А. Григорьева и Б.А. Пономарева. - М.: Машиностроение, 2007, стр. 334]:
Барьерный фильтр, который имеет развитую поверхность из пористого сетчатого материала. Он задерживает все частицы, размер которых больше размера пор или отверстий данного материала. Фильтр характеризуется постепенно возрастающим сопротивлением по мере загрязнения, что требует частой замены фильтрующей поверхности при эксплуатации.
Центробежный пылеотделитель позволяет получить высокую степень очистки воздуха от пыли. Данный пылеотделитель создает избыточное давление, которое компенсирует потери мощности на его привод. Но такой пылеотделитель имеет большую массу, сложную конструкцию и дорог в производстве.
Инерционные пылеотделители выполняются по различным схемам, но в них используется принцип поворота потока с отсосом сепарирующих частиц вместе с частью воздуха. Основные их недостатки - это увеличенные размеры, дополнительное гидравлическое сопротивление (то есть потери давления) на входе в двигатель (0.75…2 кПа), затраты мощности на отсос (10…20% воздуха для выноса отсепарированных частиц пыли).
Инерционные пылеотделители нашли наибольшее применение из всех перечисленных и чаще всего используются на вертолетных газотурбинных двигателях. Прототипом данного изобретения является - пылезащитное устройство инерционного грибкового типа на вертолетах серии Ми-8 [Исследование эффективности пылезащитных устройств вертолетных газотурбинных двигателей / А.С. Гишваров, P.P. Аитов, A.M. Айтумбетов // Вестник УГАТУ, 2015. Т. 19, №2(68). стр. 101]: принцип действия пылезащитного устройства заключается в следующем: в результате разрежения, создаваемого при работе двигателя, запыленный воздух проходит через входной кольцевой искривленный тоннель, образованный задней частью обтекателя, коллекторной губой и внешней обечайкой. При этом под действием центробежных сил частицы пыли прижимаются к поверхности обтекателя и, перемещаясь вместе с частью воздуха, попадают на вход сепаратора в канал, представляющий собой пылевую ловушку. Большая часть запыленного воздуха, очистившись от пыли в первой ступени пылезащитного устройства, проходит по каналу, образованному внешней обечайкой и сепаратором, на вход в двигатель. Меньшая часть запыленного воздуха, прохода через сепаратор, очищается в нем за счет поворота потока в криволинейных межкольцевых каналах, поступает в канал, представляющий собой пылевую ловушку, и далее на вход в двигатель. Наконец, наиболее запыленный воздух (пылевой концентрат) проходит в канал эжектора и далее в трубопровод вывода пыли. За счет разрежения, создаваемого эжектором, пылевой концентрат отсасывается и выбрасывается в атмосферу. Пылезащитное устройство включается в работу при подаче к эжектору сжатого воздуха, забираемого за компрессором двигателя.
Недостатком прототипа являются потери мощности двигателя, которые при включенном пылезащитном устройстве составляют 5…6%, при выключенном - 2…3%.
Цель изобретения - защита газогенератора турбореактивного двухконтурного двигателя от попадания пыли, прежде всего, на рабочие лопатки компрессора высокого давления и отсутствие потерь мощности, которые есть у прототипа.
Поставленная техническая задача решается путем конструктивного изменения схемы двигателя.
Способ защиты газогенератора турбореактивного двухконтурного двигателя от попадания частиц пыли, заключающийся в том, что частицы пыли попавшие в двигатель отбрасываются под действием центробежных сил, возникающих вследствие специально организованной закрутки потока, на периферию потока воздуха и попадают в канал наружного контура двигателя. На вход наружного контура двигателя устанавливается спрямляющий аппарат вентилятора и производится перестройка входного направляющего аппарата компрессора высокого давления, заключающаяся в изменении угла установки лопаток входного направляющего аппарата компрессора высокого давления. После чего частицы пыли вместе с воздухом движутся по каналу наружного контура и через выходное устройство выходят в атмосферу, не попадая во внутренний контур двигателя.
Схемы турбореактивного двухконтурного двигателя представлены на фиг. 1 и на фиг. 2.
Фиг. 1 - исходная схема турбореактивного двухконтурного двигателя.
Фиг. 2 - конструктивно измененная схема турбореактивного двухконтурного двигателя (применение способа защиты двигателя от пыли).
Где на фиг. 1 и фиг. 2: 1 - вентилятор; 2 - спрямляющий аппарат вентилятора (его функция - выравнивание направления потока воздуха).
Предлагаемый способ защиты, прежде всего, рабочих лопаток компрессора высокого давления реализуется путем конструктивного изменения в двигателе. В наружный контур двигателя устанавливается спрямляющий аппарат вентилятора и производится перестройка входного направляющего аппарата компрессора высокого давления, заключающаяся в изменении угла установки лопаток входного направляющего аппарата компрессора высокого давления.
Вентилятор 1 (фиг. 1 и 2) осуществляет повышение давления воздуха, после чего поток воздуха через разделитель потоков направляется в наружный и внутренний контур двигателя. Для уменьшения потерь давления воздуха, связанного с закруткой воздушного потока на выходе из вентилятора, в исходном варианте компоновки устанавливается спрямляющий аппарат 2 вентилятора сразу за вентилятором в соответствии со схемой, представленной на фиг. 1. В этом случае, частицы пыли после спрямляющего аппарата вентилятора попадают во внутренний контур двигателя и могут повредить лопатки входного направляющего аппарата компрессора высокого давления.
Чтобы частицы пыли не попали во внутренний контур двигателя, спрямляющий аппарат 2 вентилятора устанавливается в наружном контуре двигателя, где осуществляется разделение потоков в соответствии со схемой, представленной на фиг. 2 и производится перестройка входного направляющего аппарата компрессора высокого давления. Под перестройкой имеется ввиду изменение угла установки лопаток входного направляющего аппарата компрессора высокого давления, либо перепрофилирование входного направляющего аппарата компрессора высокого давления для нового граничного условия на входе в узел. Новым граничным условием является закрученный поток. Такие мероприятия необходимы для оптимальной работы компрессора высокого давления. Входной направляющий аппарат компрессора расположен на входе в компрессор высокого давления, на схеме статорная часть, в которую входит данный аппарат, не приведена.
В таком случае в закрученном потоке воздуха частицы пыли за счет действующих на них центробежных сил будут отбрасываться в радиальном направлении в наружный контур двигателя и уноситься потоком воздуха в осевом направлении выходного устройства. Частицы пыли вместе с воздухом движутся по каналу наружного контура и через выходное устройство выходят в атмосферу, не попадая во внутренний контур двигателя.
В таблице 1 представлена расчетная оценка процентного распределения по контурам двигателя частиц пыли при установке спрямляющего аппарата в соответствии со схемой, представленной фиг. 2 В расчетном анализе было рассмотрено движение твердых частиц с величинами диаметров
ч
d = 20 мкм,
ч
d = 60 мкм,
ч
d = 100 мкм в потоке воздуха со следующими вариантами закрутки:
1) Угол закрутки ϕ=30°, окружная скорость ν=52 м/с;
2) Угол закрутки ϕ=45°, окружная скорость ν=90 м/с;
3) Угол закрутки ϕ=60°, окружная скорость ν=156 м/с;
4) Угол закрутки ϕ=75°, окружная скорость ν=336 м/с.
ч
ч
Из таблицы 1 видно, что, согласно расчетным данным, с увеличением угла закрутки и окружной скорости потока количество частиц, попадающих во внутренний контур двигателя, уменьшается. При этом наиболее опасные для рабочих лопаток компрессора высокого давления частицы размером d = 60 мкм и d = 100 мкм, летящие в потоке воздуха с углом закрутки ϕ=75° и окружной скоростью ν=336 м/с, во внутренний контур двигателя не попадают.
Особенно актуально данное техническое решение рассматривать на летательных аппаратах, работающих в условиях загрязненного пылью воздуха. В турбореактивных двухконтурных двигателях при установке спрямляющего аппарата вентилятора на входе наружного контура двигателя можно отказаться от установки каких-либо дополнительных пылезащитных устройств.