УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ В УЗЛАХ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
DEVICE FOR PROTECTION AGAINST CONTAMINATION OF OPTICAL SENSORS IN UNITS OF AIR-JET ENGINES

Изобретение относится к системам защиты от загрязнения продуктами сгорания входных окон оптических датчиков, устанавливаемых, в частности, в узлах турбины или камер сгорания газотурбинных или иных воздушно - реактивных двигателей.
Широко известны оптические датчики пирометра, измеряющие температуру вращающихся лопаток турбины двигателя, с устройствами защиты входных окон сжатым воздухом от осаждения на них дисперсных продуктов горения (сажи, кокса, смол и прочих твердых частиц). Эти устройства удовлетворительно функционируют при стационарных и штатных режимах работы двигателей, при относительно кратковременных стендовых испытаниях. Однако при длительной эксплуатации, тем не менее, происходит возрастающее осаждение непрозрачных компонентов продуктов сгорания на оптические поверхности датчиков, что снижает достоверность получаемой информации. Интенсивность загрязнения существенно возрастает при возникновении экстремальных или нерасчетных режимах работы двигателя (чрезвычайный или встречный запуск, срыв потока в воздухозаборнике, помпаж и др.). Это объясняет отсутствие пирометров в штатной компоновке системы управления двигателем на самолете (исключительный случай: кратковременное применение на двигателе «Олимп 593» на «Конкорде»).
Из US 4,666,297, 19.05.1987 известно устройство зашиты оптики датчика пирометра, состоящего из полой трубки, в которой установлен датчик пирометра, по которой прокачивается сжатый воздух, истекающий в полость узла турбины с продуктами сгорания. Между датчиком и выходным отверстием этой трубки установлена заслонка, управляемая поршневой системой, которая открывается, если давление сжатого воздуха защиты больше наружного (атмосферного). Такое устройство защиты целесообразно в стендовом варианте работы двигателя, когда сжатый воздух обдува берется от стендовой магистрали и подается заблаговременно, до запуска двигателя. На самолете этот воздух отбирается от компрессора высокого давления двигателя, а в момент запуска в процессе воспламенения топливно-воздушной смеси, давление в камере сгорания быстро нарастает и обычно выше давления подводимого защитного воздуха из-за задержки в подводящих трубопроводах. Кроме того, при запуске кратковременно подается некоторый избыток горючего, что снижает полноту сгорания. Это приводит к повышенному содержанию сажистых частиц в продуктах сгорания, которые могут осаждаться на оптике датчика. Особенно такое явление возникает в режиме помпажа, когда происходит рассогласование работы турбины и компрессора: воздуха не хватает для полного сгорания горючего, возникает много сажи, оседающей на оптике.
Для предотвращения осаждения твердых продуктов сгорания на поверхности оптики по патенту US 4521088, 04.06.1985 предложено вдувать сжатый воздух вдоль поверхности оптического окна, через радиально расположенные отверстия в трубке крепления оптики. Такое решение малоэффективно, т.к. дискретно расположенные струи воздуха создают вихри и зоны обратных токов, в которые могут попадать продукты сгорания. Лучший результат получается при кольцевой организации пленочного воздушного заграждения, описанный в патенте US 4738528, 09.04.1988, где тангенциально подаваемый в распределительный коллектор воздух, в нем предварительно закручивается, и далее истекает на поверхность входной линзы датчика через кольцевую щель. Недостаток такого решения заключается в окружной неравномерности скорости истечения воздуха из кольцевой щели и воронкообразной структуры истечения, допускающей при изменении режима работы двигателя засасывание продуктов сгорания к поверхности линзы.
Технический результат, достигаемый при реализации предложенного изобретения, - повышение эффективности защиты оптических датчиков в процессе работы двигателя, а также во время его запуска и останова.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве защиты от загрязнения оптических датчиков в узлах воздушно-реактивных двигателей, содержащем корпус датчика, имеющий входную и тыльную части, внутри корпуса установлен оптический датчик с линзой, которая размещена во входной части корпуса с кольцевым зазором относительно него, при этом тыльная часть имеет патрубок подвода сжатого воздуха из компрессора, а входная часть сопряжена с проточной частью двигателя, при этом между линзой и входной частью размещена заслонка, выполненная с возможностью перемещения посредством поршневого пневматического исполнительного механизма, согласно предложению устройство снабжено осесимметричным многозаходным шнековым завихрителем, кольцевой зазор выполнен в виде кольцевого сверхзвукового сопла, перед критическим сечением которого со стороны тыльной части корпуса датчика размещен осесимметричный многозаходный шнековый завихритель, при этом одна полость поршневого пневматического исполнительного механизма соединена пневматически с проточной частью двигателя, при этом полость, образованная линзой и заслонкой в закрытом положении, сообщена с каналами эжектирования воздуха и с другой полостью поршневого пневматического исполнительного механизма.
Поршневой пневматический исполнительный механизм размещен в полости канала охлаждающего воздуха, который сообщен с каналами эжектирования воздуха.
Техническая сущность предлагаемого заключается в том, что конструкция узла защиты оптики выполнена в виде кольцевого сверхзвукового сопла с внешним расширением (характерное значение числа Маха 1,5, для типичного сверхкритического отношения давлений, близкого к 8), а предварительная, небольшая (до 20%) закрутка воздушного потока перед докритической частью сверхзвукового сопла достигается применением осесимметричного многозаходного шнекового завихрителя. В этом случае истекающая сверхзвуковая струя имеет однородную в окружном направлении структуру и надежно предотвращает проникновение иных газовых потоков к поверхности линзы в процессе работы двигателя. Наружная форма поверхности линзы определяется требованиям профилирования сопла, а внутренняя параметрами фокусировки датчика.
Одна полость поршневого исполнительного механизма пневматически соединена с проточной частью двигателя, а другая с зоной подвода сжатого воздуха в полость между линзой и заслонкой в закрытом положении. Таким образом, при запуске и останове двигателя, когда давление в проточной части двигателя становится больше давления воздуха, подаваемого из компрессора для обдува линзы оптического датчика, заслонка перекрывает доступ продуктов сгорания к поверхности линзы.
Заявляемое устройство поясняется описанием примера структуры устройства защиты оптического датчика применительно к форсажной камере сгорания (ФКС) авиационного двигателя.
На фиг. 1 представлен продольный разрез форсажной камеры сгорания.
На фиг. 2 представлен увеличенный фрагмент А.
Устройство содержит наружный корпус двигателя 1, корпус ФКС 2 из жаростойкой стали, между которыми протекает воздух охлаждения с температурой около 200°С и давлением порядка 4 бар, частично истекающий во внутреннюю полость ФКС, с давлением около 2,5 бар, через отверстие 20. Зона горения 3 находится за стабилизатором 4. Трубопровод 5 соединяет внутреннюю полость ФКС с цилиндром 6 пневматического исполнительного механизма. Внутри цилиндра 6 размещен поджатый пружиной 7 поршень 8. Заслонка 9 соединена с поршнем 8. Корпус датчика 17 имеет входную часть 19 и тыльную часть 16. В исходном состоянии, при неработающем двигателе, за счет действия пружины 7, заслонка 9 перекрывает оптический канал входной части 19 корпуса датчика 17.
Осесимметричный многозаходный шнековый завихритель 12 расположен на корпусе держателя 13 с впаянной линзой 15. Линза 15 фокусирует наблюдаемую зону горения на торец световода 14. Корпус датчика 17 совместно с линзой 15 образуют сверхзвуковое кольцевое сопло с критическим сечением 21. Патрубок 11 в тыльной части 16 корпуса датчика 17 подключен к магистрали сжатого воздуха от последней ступени компрессора двигателя (типичные значения температуры около 500°С и давления порядка 20 бар). Когда на рабочих режимах двигателя давление защитного воздуха в зоне линзы 15 превысит давление в основной полости ФКС, поршень 8 сдвинет заслонку 9 в положение, показанное на фиг. 1, и линза 15 в этом случае уже будет защищена сверхзвуковой завесой воздуха от попадания на нее продуктов сгорания. Из газовой динамики сверхзвуковых течений известно, что последние, на небольших расстояниях, практически, не смешиваются с дозвуковыми потоками и препятствуют их диффузионному проникновению.
Полость между заслонкой 9 в закрытом положении и линзой 15 пневматически связана с одной полостью цилиндра 6 через отверстия 10 и с каналами 18 эжектирования охлаждающего воздуха, протекающего между наружным корпусом двигателя 1 и корпусом ФКС 2 пограничным слоем сверхзвукового потока, истекающим из кольцевого сопла с критическим сечением 21. Каналы эжектирования 18 на начальном этапе функционирования устройства, когда заслонка 9 закрыта, дренируют возникающее избыточное давление воздуха из полости между заслонкой 9 и линзой 15 для обеспечения сверхзвукового истечения из сечения 21. В процессе работы двигателя эжектируемый воздух заполняет пространство между кольцевым соплом с критическим сечением 21 и входной части 19 корпуса датчика 17, что служит надежной защитой от засасывания продуктов сгорания через входную часть 19.
Пневматический исполнительный механизм устройства может располагаться вне канала охлаждающего воздуха, если последний имеет небольшие размеры, например в турбинном узле двигателя, где может устанавливаться оптический датчик. В этом случае в области каналов 18 должен быть организован воздушный коллектор, пневматически соединенный с каналом охлаждающего воздуха узла двигателя.
Устройство работает следующим образом.
На неработающем двигателе заслонка 9 перекрывает входную часть 19 корпуса датчика 17. После запуска двигателя заслонка 9 остается закрытой до тех пор, пока давление воздуха, поступающего через патрубок 11, в зону линзы 15 не превысит давление в проточной части ФКС. При повышении давления в зоне линзы 15 и усилия поджимающей пружины 7 заслонка 9 начинает перемещаться в открытое положение. При выходе двигателя на рабочие режимы при открытой заслонке 9 от продуктов сгорания и прочих загрязнений линзу 15 защищает сверхзвуковая завеса воздуха, истекающего из сверхзвукового сопла с критическим сечением 21. При этом сверхзвуковое течение воздуха обеспечивается нагнетанием сжатого воздуха, отбираемого за компрессором двигателя, который проходит через многозаходный шнековый завихритель 12 и сверхзвуковое кольцевое сопло с критическим сечением 21, и эжектированием воздуха через каналы 18 в канал, образованный наружным корпусом двигателя 1 и корпусом ФКС 2. При отключении двигателя давление воздуха, отбираемого за компрессором, падает и становится ниже давления в проточной части ФКС, последнее воздействует на поршень 8 вместе с пружиной 7, в результате чего заслонка 9 начинает перемещаться в закрытое положение и защищает линзу 15 от загрязнения продуктами сгорания.