Воздухозаборное устройство вертолетного газотурбинного двигателя, удаляющее из воздуха частицы песка и пыли
AIR INTAKE DEVICE OF HELICOPTER GAS TURBINE ENGINE THAT REMOVES SAND AND DUST PARTICLES FROM AIR

Изобретение относится к области авиастроения, конкретно к воздухозаборным устройствам вертолетных газотурбинных двигателей (ГТД), удаляющим из воздуха частицы песка и пыли. Попадание в газовоздушный тракт двигателя указанных частиц в большом количестве приводит к эрозионному износу лопаток компрессора двигателя, снижению мощности двигателя и запасов его газодинамической устойчивости (к помпажу), а также к снижению ресурса двигателей, удорожанию ремонта ГТД, уменьшению эксплуатационной технологичности и двигателя, и вертолета, к снижению безопасности полетов, ухудшению топливной экономичности и т.п.
Известны способы и устройства, предназначенные для решения данной проблемы, описания их приведены в патентах [1, 2, 3,], а также в работе [4]. Последнее из устройств-аналогов [4] пылезащитное устройство (ПЗУ) нашло широкое применение в отечественном вертолетостроении и в эксплуатации.
Предлагаемое изобретение функционально и конструктивно в большой мере базируется на вышеупомянутом ПЗУ, которое и принято в качестве прототипа.
У названного устройства-прототипа по мере расширения районов применения вертолетов обострилась ситуация с возможностью эксплуатации вертолетов в режиме полета вертолета в запыленном воздухе из-за отсутствия очистки воздуха на этом режиме в ПЗУ данного типа. Данное обстоятельство приводит ко всем вышеописанным последствиям, главное из которых - сокращение срока службы двигателя. Причинами отсутствия очистки воздуха в ПЗУ в режиме полета вертолета являются следующие факторы:
- в конструкции указанного ПЗУ-прототипа не предусмотрено выполнение функции очистки воздуха в режиме полета вертолета (а только при висении, взлет-посадке), соответственно, направление притекания воздуха ко входу ПЗУ, а также скорости движения частиц песка и пыли не обеспечивают их сепарации при входе в ПЗУ;
- при полете вертолета частицы пыли, содержащиеся в воздушном потоке, огибающем грибообразный обтекатель устройства, сепарируются из потока на поверхность обтекателя ПЗУ, но не удаляются из воздушного потока, а проходят в воздухозаборное заборное отверстие устройства, и далее в двигатель.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является получение воздухозаборного устройства, способного выполнять функцию очистки воздуха от частиц песка и пыли не только на режимах взлет-посадок, висений и перемещений с малой скоростью (что имеет место у ПЗУ-прототипа), но и в режиме полета вертолета в условиях запыленной атмосферы.
Решение поставленной задачи обеспечивает:
- очистку воздуха от существенной доли наиболее крупных фракций частиц песка и пыли в режиме горизонтального полета вертолета;
- повышение ресурса двигателей при работе их в запыленном воздухе в широких условиях эксплуатационных режимов, улучшение характеристик вертолета по возможности использования его в местах с повышенной запыленностью воздушного пространства.
Успешному решению поставленной задачи способствуют следующие факторы:
- наличие в устройстве обтекателя, предотвращающего прямой проход загрязненному воздуху во вход в ГТД;
- наличие в набегающем воздушном потоке перед обтекателем участка с искривленными линиями движения воздушного потока в режиме полета вертолета и, соответственно, наличие сепарации и концентрации палевых частиц из потока у лобовой поверхности обтекателя;
- возможность использования существующей конструкции ''грибкового'' ПЗУ в качестве основы для модернизации и получения очистки воздуха в полетном режиме; экономическая целесообразность предлагаемого изобретения очевидна, поскольку затраты на его внедрение существенно ниже возможного экономического эффекта.
Сущность предлагаемого воздухозаборного устройства вертолетного ГТД, удаляющего из воздуха частицы песка и пыли на режимах работы вертолета в полете, заключается в следующем. По своей конструкции предлагаемое воздухозаборное устройство в основном повторяет исходную конструкцию ПЗУ-прототипа [4]. Оно включает в свой состав входной тоннель, выполненный в виде обечайки, имеющей с передней стороны входное отверстие с коллекторной губой.
Во входном тоннеле со стороны входного отверстия установлен обтекатель, представляющий собой тело вращения, имеющее переднюю расширяющуюся и заднюю сужающуюся части с наибольшей площадью поперечного сечения в миделевом сечении обтекателя. Обтекатель закреплен на тоннеле соосно и формирует совместно с ним воздухозаборное кольцевое отверстие устройства, а также проточный канал с поворотным и прямым участками. В состав устройства входят также: сепаратор, патрубок отвода пыли из сепаратора и эжектор отсоса пылевого концентрата. Данная исходная конструкция воздухозаборного устройства-прототипа (ПЗУ), чистящая воздух только при малых скоростях перемещения вертолета, в предлагаемом изобретении оборудована дополнительной системой сбора и удаления частиц песка и пыли из воздуха, поступающего к вертолетному ГТД, в режиме полета вертолета в загрязненной атмосфере. С этой целью на обтекателе установлен экран, выполненный в виде обечайки, имеющей переднее отверстие с диаметральным размером меньше диаметра миделевого сечения обтекателя, заднее отверстие обечайки имеет диаметр равный диаметру миделевого сечения. Экран установлен и закреплен на передней части обтекателя, в его периферийной зоне с зазором, так что между поверхностями обтекателя и экрана сформирован кольцевой канал. Входное отверстие в указанный канал образовано пространством между кромкой переднего отверстия обечайки экрана и поверхностью обтекателя, кромкой заднего отверстия обечайки экран примыкает к обтекателю в зоне его миделевого сечения. В оболочке передней части обтекателя, в ее периферийной зоне выполнено проходное отверстие или группа отверстий, сообщающих внутреннюю полость обтекателя через кольцевой канал и входное отверстие с внешним пространством воздухозаборного устройства со стороны набегающего воздушного потока. В задней части обтекателя выполнено выходное отверстие, расположенное вокруг проходящего через обтекатель патрубка отвода пыли, сообщающее внутреннюю полость обтекателя с пространством проточного канала тоннеля в зоне между его поворотным и прямым участками.
Благодаря вышеописанной конструкции воздухозаборного устройства при полете вертолета в загрязненной атмосфере частицы песка и пыли, вошедшие во взаимодействие с лобовой поверхностью обтекателя и находящиеся в пристеночном слое обтекателя будут проходить во входное отверстие, образованное передней кромкой экрана с поверхностью передней части обтекателя, двигаться через внутреннюю полость обтекателя и выходить из него в воздушный поток внутри тоннеля перед входом в сепаратор. После прохождения сепаратора очищенный от частиц песка и пыли воздух поступает к ГТД, а пылевой концентрат удаляется из устройства по патрубку отвода пыли с помощью эжектора. Кроме того, в предлагаемом воздухозаборном устройстве передняя зона экрана выполнена в виде конусной поверхности и используется в качестве отражателя частиц песка и пыли в боковую сторону от потока. Благодаря приданию частицам более благоприятных начальных условий крупнодисперсные частицы выводятся во внешний воздушный поток, повышая общую эффективность очистки воздуха в устройстве.
Сущность заявленного воздухозаборного устройства поясняется на схемах - Фиг. 1, 2.
На схеме Фиг. 1 показан продольный разрез воздухозаборного устройства-прототипа [4], его основные элементы, линии тока воздуха на входе в устройство при режимах висения и горизонтального полета, также показаны траектории движения частиц песка и пыли.
На схеме Фиг. 2 показан продольный разрез воздухозаборного устройства, выполненного в соответствии с настоящим предложением, также показаны линии тока воздуха и траектории движения частиц песка и пыли в условиях полета вертолета в загрязненном воздухе.
Воздухозаборное устройство Фиг. 1 включает в себя входной тоннель 1, выполненный в виде обечайки 2, имеющей с передней стороны входное отверстие с коллекторной губой 3. С передней стороны входного тоннеля 1 установлен обтекатель 4, представляющий собой тело вращения, имеющее переднюю расширяющуюся часть 4' и заднюю сужающуюся часть 4'', между указанными частями обтекателя располагается наибольшее по диаметральному размеру поперечное сечение обтекателя М-М - миделево сечение. Обтекатель 4 крепится к входному тоннелю 1 соосно и формирует совместно с тоннелем воздухозаборное кольцевое отверстие 8 и проточный канал 9 с поворотным участком 9' и прямым участком 9''. Задним фланцем входной тоннель соединяется с вертолетным ГТД 13. В состав воздухозаборного устройства входят также: сепаратор 5, магистраль отвода пыли из сепаратора 5 - прямой патрубок 6, поворотный патрубок 6' и эжектор отсоса пылевого концентрата 7.
Сепаратор 5 представляет собой конусообразную жалюзийную решетку, состоящую из набора последовательно расположенных отражающих кольцевых элементов 5' и опоры 5'', между которыми образованы перепускные щелевые протоки 11, сообщающие внутреннюю полость сепаратора с пространством проточного канала 9. Своей задней опорой 5'' сепаратор крепится к центральному фланцу вертолетного двигателя 13. Патрубок отвода пыли 6 размещается между задней опорой 5'' сепаратора и обтекателем 4, с помощью поворотного патрубка 6'. пылеотводная магистраль соединяется с эжектором отсоса пылевого концентрата 7.
В предлагаемом воздухозаборном устройстве Фиг. 2 выполнена дополнительная система сбора и удаления из воздуха, поступающего к вертолетному ГТД, частиц песка и пыли в режиме полета вертолета в загрязненной атмосфере. Работа системы основана на использовании процессов инерционной сепарации тяжелых частиц песка и пыли, имеющих место при огибании воздушным потоком обтекателя устройства. С этой целью на обтекателе 4 установлен экран 14, выполненный в виде обечайки, имеющей переднее отверстие 15 с диаметральным размером меньше диаметра миделевого сечения М-М обтекателя 4. Заднее отверстие обечайки экрана имеет диаметр, равный диаметру миделевого сечения. Экран установлен и закреплен на передней части 4' обтекателя 4, в его периферийной зоне с зазором от поверхности обтекателя, так что между поверхностями обтекателя и экрана сформирован кольцевой канал 16. Входное отверстие 17 в указанный канал образовано пространством между кромкой переднего отверстия 15 экрана 14 и поверхностью передней части обтекателя 4'. Кромкой заднего отверстия экран примыкает к обтекателю 4 в зоне его миделевого сечения М-М. В оболочке передней части 4' обтекателя, в ее периферийной зоне выполнено отверстие 18 (или группа отверстий), сообщающее внутреннюю полость обтекателя через кольцевой канал 16 и входное отверстие 17 с внешним пространством воздухозаборного устройства со стороны набегающего воздушного потока. В задней части обтекателя 4'' в месте прохождения сквозь его оболочку патрубка отвода пыли 6, выполнено выходное отверстие-19, сообщающее внутреннюю полость обтекателя 4 с пространством проточного канала 9 Фиг. 1 входного тоннеля 1, в зоне перед входным отверстием 10' в сепаратор 5. Передний участок экрана 14 Фиг. 2 выполнен в виде пояса 14', имеющего коническую поверхность, при этом образующая конуса расположена к оси обтекателя 4 под углом α, обеспечивающем необходимые условия для отражения частиц песка и пыли от указанной конической поверхности и последующего выхода их в боковом направлении из воздушного потока, ограниченного линиями тока 20-21, движущегося к воздухозаборному отверстию 8 устройства. Место перехода от переднего конического участка экрана-пояса 14' к последующему заднему участку 14'' выполнено с резким изломом контура экрана - с малым радиусом перехода.
Воздухозаборное устройство работает следующим образом. При работе вертолета на режимах малых скоростей перемещения (руления, взлет-посадки, висения и т.п.) картина линий тока воздуха, притекающего к воздухозаборному отверстию 8 - Фиг. 1, показана штриховыми линиями 8'. На криволинейном участке 9' кольцевого канала 9 осуществляется инерционная сепарация пылевых частиц, которые движутся по криволинейным траекториям и поступают во входное отверстие 10' сепаратора 5. Направление движения воздуха и пыли показано стрелками 12 - чистый воздух, 12' - воздух с пылью, 12'' - пылевой концентрат. В сепараторе продолжается дальнейшая ступенчатая концентрация загрязняющего материала в воздухе, пылевой концентрат 12'' поступает по магистрали отвода пыли (патрубки отвода 6 и 6') в эжектор 7, откуда выводится из устройства в окружающее пространство. Воздух, очищенный от загрязняющих частиц на криволинейном участке 9', поступает в кольцевой проход 10 и по прямому участку 9'' проточного канала 9 проходит во вход вертолетного ГТД 13. Часть воздуха 12, очищенного в сепараторе 5, по перепускным щелевым протокам 11 также поступает в проточный канал 9 и в двигатель. Описанным выше образом работают и воздухозаборное устройство-прототип (''грибковое'' ПЗУ) и предлагаемое устройство на режимах работы вертолета с малой скоростью перемещения.
При работе вертолета на режимах полетных скоростей картина линий тока воздуха, притекающего к воздухозаборному отверстию 8 устройства-прототипа, показано на Фиг. 1 штриховыми линиями 20 и 21, которые ограничивают часть набегающего воздушного потока, следующего к двигателю из центральной зоны. В указанную часть потока дополнительно поступают также частицы песка и пыли из боковой зоны потока между линиями тока 21-22. Точки К и К' - критические точки линий тока 20, 21. Наибольшая доля частиц из набегающего потока поступает из центральной зоны, при этом основная доля крупнодисперсных (наиболее абразивоопасных) частиц приходит в контактное взаимодействие с поверхностью обтекателя 4. После соударения с поверхностью частицы следуют вдоль нее и концентрируются в пристеночном слое. При исходной геометрии обтекателя благодаря плавным обводам контура в зоне наибольших диаметральных размеров (миделя) частицы пыли не имеют сколь-либо значимых запасов энергии боковой составляющей скорости движения для пересечения воздушного потока, ограниченного линией тока 21. В итоге они проходят с потоком в воздухозаборное отверстие 8 устройства - Фиг. 1, в основном не попадают во вход 10' сепаратора 5, а проходят в отверстие 10 прямо во вход ГТД 13.
При работе воздухозаборного устройства, оборудованного обтекателем, выполненным в соответствии с предлагаемым изобретением, картина движения пылевых частиц в режиме полета изменяется - Фиг. 2. Во-первых, частицы песка и пыли, движущиеся по поверхности обтекателя в пристеночном слое его центральной зоны, попадают во входное отверстие 17, окаймляющее лобовую зону обтекателя, при этом кромка переднего отверстия 15 экрана 14 выполняет роль разделителя потоков, отделяя от общего потока 20-21 боковой отвод, поступающий через кольцевой канал 16 отверстие 18 во внутреннюю полость обтекателя 4. Далее воздух, обогащенный загрязняющими частицами, выходит из обтекателя через отверстие 19, поступает во вход 10' сепаратора 5, в котором очищается в штатном режиме работы воздухоочистительного устройства, при этом в полетном режиме вертолета эжектор отсоса пыли в устройстве находится во включенном состоянии. Во-вторых, благодаря выполнению в передней части экрана 14 участка с конической поверхностью 14', частицы песка и пыли, входящие в контактное взаимодействие с указанной поверхностью, приобретают значительную величину радиальной составляющей скорости движения. После выхода в боковую зону 20-21 воздушного потока частицы имеют значительный запас инерции для преодоления наиболее узкого участка бокового потока (в зоне миделя) и выходят за его пределы - линию тока 21. На Фиг. 2 условно показаны траектории движения частиц разных размеров (5-40 ммк) после выхода их в месте излома контура обтекателя.
В результате использования предлагаемого воздухозаборного устройства значительная доля крупнодисперсных фракций пыли может эффективно удаляться из воздуха, поступающего в вертолетный ГТД в режиме полета вертолета в загрязненной атмосфере.
Источники информации
1. Патент US №4881367, 1989 F02C 3/32.
2. Патент US №3513691, 1970 F02C 3/32.
3. Патент US №4493185, 1985 F04D 29/70.
4. В.А. Дмитриев, В.М. Занько, Н.П. Калинин, А.И. Кривко Вертолет Ми-8 МТВ, Москва, Транспорт 1995 г. (стр. 164, Пылезащитное устройство).