ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПЕРЕДНЕЙ КРОМКИ ОБТЕКАТЕЛЯ ВОЗДУХОЗАБОРНИКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
ANTI-ICING SYSTEM FOR GAS TURBINE ENGINE AIR INTAKE FRONT EDGE FAIRING

Настоящее изобретение относится к предотвращению обледенения передних обтекателей газотурбинных двигателей, в частности для самолета.
Известно, что, если требуется предотвратить формирование льда или удалить уже сформировавшийся лед, устранение обледенения передней кромки обтекателя воздухозаборника таких газотурбинных двигателей осуществляют путем нагрева сжатым горячим воздухом, отобранным от указанного газотурбинного двигателя и переданного к указанной передней кромке через контур циркуляции горячего воздуха. Сжатый горячий воздух, отбираемый от двигателя, имеет высокую температуру, например около 500°С, так что указанный воздуховод излучает тепло и элементы конструкции, окружающие указанный передний обтекатель воздухозаборника, которые чувствительны к теплу (например, звукоизолирующие панели, изготовленные из композитного материала), должны быть защищены от тепла. Кроме того, исходя из обычных требований техники безопасности, также необходимо обеспечить защиту указанных окружающих элементов конструкции в случае утечки сжатого горячего воздуха или в случае разрыва указанного воздуховода.
В соответствии с этим в европейском патенте ЕР 1251257 предложен передний обтекатель воздухозаборника газотурбинного двигателя, в частности для самолета, где передний обтекатель воздухозаборника имеет средства противообледенительной защиты его передней кромки и с этой целью содержит:
полую переднюю кромку, ограничивающую кольцевую камеру, закрытую первой внутренней перегородкой;
подводящий воздуховод для подачи сжатого воздуха, конструкция которого обеспечивает присоединение на его заднем конце, противоположном указанной передней кромке, к контуру сжатого горячего воздуха и на его переднем конце, направленном к указанной передней кромке, к инжектору, впрыскивающему указанный сжатый горячий воздух в указанную кольцевую камеру, причем указанный подводящий воздуховод, по меньшей мере частично, расположен в отсеке, ограниченном спереди указанной первой внутренней перегородкой и сзади второй внутренней перегородкой; и
внутреннюю защитную оболочку, расположенную в указанном отсеке и ограничивающую изолированный объем, заключающий в себе указанный подающий воздуховод.
Таким образом, в данном известном переднем обтекателе воздухозаборника указанный воздуховод изолирован от остального внутреннего пространства переднего обтекателя воздухозаборника, и указанная защитная оболочка, которая является непрерывной и выполнена за одно целое, позволяет окружающим элементам конструкции быть защищенными от теплового излучения и утечек сжатого горячего воздуха и также от последствий разрыва в указанном воздуховоде. Наличие отверстий для впуска и выпуска воздуха делает возможным во время нормального режима работы получить постоянное внутреннее вентилирование изолированного объема, тем самым ограничивая тепловое излучение подающего воздуховода, и теплочувствительные окружающие элементы конструкции таким образом защищены от любого повреждения или износа, связанного с воздействием высоких температур. В случае утечки из воздуховода, его разрыва или разрушения горячий воздух выпускается наружу через отверстие для выпуска воздуха, так что указанные окружающие элементы конструкции опять защищены от сжатого горячего воздуха.
Данный известный передний обтекатель воздухозаборника таким образом полностью выполняет свои функции по тепловой защите указанных окружающих элементов конструкции. Однако на практике, чтобы предотвратить воздействие на указанные первую и вторые перегородки из-за продольного расширения указанного подающего воздуховода и указанной защитной оболочки (которые в основном изготовлены из стали) под действием температуры, требуется, чтобы и указанный подающий воздуховод и указанная защитная оболочка были выполнены состоящими из двух частей, которые вложены одна внутрь другой и были способны скользить относительно друг друга, сохраняя герметичность.
Таким образом, увеличение вследствие нагрева длины указанного воздуховода и указанной оболочки компенсируется тем, что указанные две части, формирующие эти элементы конструкции, перемещаются относительно друг друга, совершая скользящее движение.
Однако необходимо отметить, что горячий воздух, циркулирующий в указанном подающем воздуховоде, находится под большим давлением, например порядка от 10 до 20 бар, и это внутреннее давление в итоге ведет к отделению двух частей указанного подающего воздуховода друг от друга во время нормальной работы и к отделению двух частей указанного подающего воздуховода и двух частей защитной оболочки друг от друга в случае разрыва указанного подающего воздуховода. В результате этого возникают усилия, которые прилагаются к указанным перегородкам двумя частями указанного подающего воздуховода и/или указанной защитной оболочки, указанные усилия ведут к деформации указанных перегородок, заставляя их выпячиваться в направлении наружу от отсека. Таким образом, возникает необходимость иметь тяжелые и дорогостоящие элементы жесткости, сконструированные так, чтобы противостоять такому выпячиванию.
Целью настоящего изобретения является противообледенительная система, которая делает возможным избежать деформации перегородок без применения при этом элементов жесткости для указанных перегородок.
С этой целью согласно изобретению противообледенительная система для переднего обтекателя воздухозаборника для газотурбинного двигателя, в частности для самолета, при этом указанная передняя кромка является полой и ограничивает кольцевую камеру, закрытую первой внутренней перегородкой, содержит:
подающий воздуховод для подачи сжатого горячего воздуха, конструкция которого обеспечивает присоединение на его заднем конце, противоположном указанной передней кромке, к контуру сжатого горячего воздуха и на его переднем конце, направленном к указанной передней кромки, к инжектору, впрыскивающему указанный сжатый горячий воздух в указанную кольцевую камеру передней кромки, причем указанный подающий воздуховод проходит через отсек указанного переднего обтекателя воздухозаборника, который ограничивается спереди указанной первой внутренней перегородкой и сзади второй внутренней перегородкой; и
внутреннюю защитную оболочку, расположенную в указанном отсеке и ограничивающую изолированный объем, заключающий в себе указанный подающий воздуховод,
характеризующийся тем, что
указанный подающий воздуховод и указанная защитная оболочка являются жесткими в продольном направлении;
с одной стороны, указанный подающий воздуховод и указанная защитная оболочка жестко прикреплены к одной из указанных перегородок;
с другой стороны,
указанная защитная перегородка имеет возможность скользить относительно подшипника скольжения, установленного в другой перегородке;
указанный подающий воздуховод соединен с указанной защитной оболочкой посредством эластичной стенки, которая закрывает указанный изолированный объем и позволяет относительные продольные перемещения между указанным подающим воздуховодом и указанной защитной оболочкой.
Таким образом, не только указанный подающий воздуховод сам по себе противостоит воздействию давления горячего воздуха, но и указанная дополнительная защитная оболочка может скользить относительно одной из указанных перегородок и указанный подающий воздуховод может скользить относительно указанной защитной оболочки. В результате этого никакая деформирующая сила не может быть приложена к указанным перегородкам от подающего воздуховода и/или защитной оболочки.
Указанный подшипник скольжения может быть размещен или в указанной первой внутренней перегородке или в указанной второй внутренней перегородке.
В одном наиболее простом варианте воплощения указанная эластичная стенка сформирована пружинной шайбой, расположенной, по меньшей мере приблизительно, перпендикулярно относительно указанного подающего воздуховода и указанной защитной оболочки. Для увеличения ее продольной упругости указанная шайба может иметь концентрические складки. Предпочтительно указанная шайба изготовлена из пружинной стали или подобного материала, и она приварена к указанному подающему воздуховоду и к указанной защитной оболочке (оба элемента изготовлены обычным способом из стального листа) вдоль ее внутренней и внешней периферии соответственно.
Пружинная шайба может быть размещена в месте сужения подающего воздуховода, таким образом делая возможным увеличение ее ширины. В этом случае является предпочтительным иметь коническую направляющую поверхность для горячего воздуха, расположенную выше по потоку относительно пружинной шайбы, так чтобы заставить указанный сжатый горячий воздух сходиться по направлению к указанному сужению указанного подающего воздуховода.
Задний конец защитной оболочки может быть присоединен к контуру горячего воздуха с помощью взаимодействующих фланцев, и в этом случае указанная пружинная шайба и указанное сужение предпочтительно расположены на одном уровне с фланцем, выполненным за одно целое с задним концом указанной защитной оболочки. Кроме того, указанная коническая направляющая поверхность может быть расположена во фланце, выполненном за одно целое с указанным контуром горячего воздуха.
Далее, для целей сборки и обслуживания является предпочтительным, что указанный подшипник скольжения позволяет указанной защитной оболочке выполнять ограниченное нутационное движение.
Прилагаемые чертежи обеспечивают четкое понимание того, как изобретение может быть осуществлено. На данных чертежах одинаковые номера позиций обозначают подобные элементы.
Фиг.1 показывает в продольном разрезе переднюю кромку известного переднего обтекателя воздухозаборника.
Фиг.2 схематически иллюстрирует переднюю кромку по известному уровню техники, показанную на фиг.1, и показывает ее недостатки, которые преодолеваются настоящим изобретением.
Фиг.3А, 3В и 3С схематически иллюстрируют в форме, подобной фиг.2, три различных состояния противообледенительной системы передней кромки в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.4 показывает, частью схематично, практический примерный вариант воплощения противообледенительной системы, показанной на фиг.3А, 3В и 3С.
Фиг.5 показывает, в увеличенном масштабе, часть фиг.4.
Фиг.6 иллюстрирует еще один вариант воплощения противообледенительной системы, показанной на фиг.3А, 3В и 3С.
Передняя кромка 1 обтекателя 2, окружающего воздухозаборник 3 авиационного газотурбинного двигателя (не показан), имеет известные средства противообледенительной защиты, которые содержат:
внутреннюю периферийную камеру 4, сформированную в полой передней кромке 1 и закрытую внутренней передней перегородкой 5, имеющей кольцевую форму, которая прикреплена к верхней стороне 2Е и к нижней стороне 2I поверхности обтекателя;
подающий воздуховод 6 для подачи сжатого горячего воздуха, конструкция которого обеспечивает присоединение на его заднем конце 6R, противоположном указанной передней кромке 1, к контуру 7 сжатого горячего воздуха, который отходит от генератора горячего потока газотурбинного двигателя (не показан), и на его переднем конце 6А к инжектору 8, впрыскивающему указанный сжатый горячий воздух в указанную внутреннюю камеру 4 передней кромки 1; и
защитную оболочку 9 трубчатой формы, окружающую указанный подающий воздуховод 6.
Подающий воздуховод 6 и защитная оболочка 9 проходят через отсек 10, ограниченный спереди указанной внутренней передней перегородкой 5 и сзади внутренней задней перегородкой 11, имеющей кольцевую форму, которая прикреплена к верхней стороне 2Е и к нижней стороне 2I и через которую проходит указанный задний конец 6R воздуховода 6. Таким образом, указанная защитная оболочка 9 ограничивает вместе с указанными передней перегородкой 5 и задней перегородкой 11 изолированный объем 12.
В известном варианте воплощения, представленном на фиг.1 и 2, как подающий воздуховод 6, так и защитная оболочка 9 фактически сформированы из двух частей, соответственно 6.1, 6.2 и 9.1, 9.2. Две части 6.1, 6.2 указанного подающего воздуховода 6 установлены телескопически относительно друг друга и соединены герметичным образом с помощью скользящего уплотнения или сильфона 13. Аналогичным образом, две части 9.1 и 9.2 защитной оболочки 9 установлены телескопически и соединены герметичным образом с помощью скользящего уплотнения или сильфона 14.
Кроме того, части 6.1 и 9.1 жестко прикреплены к передней перегородке 5, тогда как части 6.2 и 9.2 жестко прикреплены к задней перегородке 11.
Следует понимать, что изготовление подающего воздуховода 6 и защитной оболочки 9 в форме двух телескопических частей 6.1, 6.2 и 9.1, 9.2 делает возможным избежать воздействия на указанные перегородки 5 и 11 давления из-за теплового расширения подающего воздуховода 6 и защитной оболочки 9, вызываемого проходящим по подающему воздуховоду 6 горячим воздухом.
Однако, так как горячий воздух, проходящий через подающий воздуховод 6, находится под большим давлением, это давление действует так, чтобы отделить друг от друга две части 6.1 и 6.2 подающего воздуховода 6 и тем самым две части 9.1. и 9.2 защитной оболочки 9.
В результате подающий воздуховод 6 действует наподобие домкрата на части 5 и 11, которые выпячиваются в направлении вовне от отсека 10, как схематически показано пунктирными линиями 5d и 11d на фиг.2. Само собой разумеется, что если подающий воздуховод 6 случайно разорвется, то горячий воздух распространится в изолированный объем 12, так что разъединяющее воздействие, оказываемое указанным горячим воздухом на перегородки 5 и 11, увеличивается еще больше из-за большего диаметра «домкрата», теперь формируемого уже защитной оболочкой 9. Поэтому является необходимым обеспечить на этих перегородках 5 и 11 элементы жесткости (например, стяжки, которые не показаны) с тем, чтобы предотвратить их выпячивание не только во время работы, но также и в случае разрыва подающего воздуховода 6, но это увеличивает стоимость и массу самолета.
Фиг.3А, 3В и 3С схематически представляют противообледенительную систему согласно настоящему изобретению, с помощью которой эти недостатки могут быть преодолены. По сравнению с известным вариантом воплощения, показанным на фиг.1 и 2, в противообледенительной системе, показанной на фиг.3А, 3В и 3С:
передняя перегородка 5 остается неизмененной;
подающий воздуховод 6 (в форме двух частей 6.1 и 6.2, соединенных герметичным образом) заменен одинарным, жестким в продольном направлении, подающим воздуховодом 60;
защитная оболочка 9 (в форме двух частей 9.1 и 9.2, соединенных герметичным образом) заменена одинарной, жесткой в продольном направлении, защитной оболочкой 90;
задняя перегородка 11 имеет подшипник 15 скольжения, относительно которого задняя часть 90R защитной оболочки 90 может скользить; и
эластичная стенка 16 соединяет заднюю часть 60R подающего воздуховода 60 с задней частью 90R защитной оболочки 90, перекрывая изолированный объем 12 и позволяя относительные продольные перемещения между указанными задними частями 60R и 90R.
Далее, передняя часть 60А подающего воздуховода 60 и передняя часть 90А защитной оболочки 90 жестко прикреплены к передней перегородке 5.
На фиг.3А представлено, например, состояние противообледенительной системы согласно изобретению в покое, когда сжатый горячий воздух не течет в подающем воздуховоде 60 по направлению к инжектору 8. Если затем сжатый горячий воздух начинает подаваться в указанный подающий воздуховод 60, указанный воздуховод имеет тенденцию к удлинению под комбинированным действием температуры (продольное расширение) и внутреннего давления (растягивание). В первые моменты времени защитная оболочка 90 остается холодной и поэтому имеет фиксированную длину, так что удлинение подающего воздуховода 60 является допустимым и сдерживается продольной деформацией эластичной стенки 16, как показано на фиг.3В.
Затем с увеличением температуры защитной оболочки 90 под действием теплового излучения от подающего воздуховода 60 указанная защитная оболочка 90 расширяется в продольном направлении так, что ее задняя часть 90R смещается относительно подшипника 15 скольжения, уменьшая продольную деформацию эластичной стенки 16.
Если теперь, как показано на фиг.3С, в подающем воздуховоде 60 образуется трещина, сжатый воздух распространится в защитную оболочку 90, которая далее будет подвергаться воздействию температуры и давления указанного горячего воздуха. В результате защитная оболочка 90 под комбинированным воздействием температуры и давления удлиняется и ее задняя часть 90R смещается относительно подшипника 15, причем продольное расширение разорванного подающего воздуховода (см. фиг.3С) будет сдерживаться указанной эластичной стенкой 16, соединяющей указанный подающий воздуховод 60 с указанной защитной оболочкой 90.
Необходимо отметить из вышеизложенного, что в каждом случае продольное расширение воздуховода 60 контролируется и сдерживается защитной оболочкой 90 и эластичной стенкой 16, без приложения сил к перегородкам 5 и 11 благодаря подшипнику 15 скольжения, причем указанная эластичная стенка 16 компенсирует разницу в удлинении между подающим воздуховодом 60 и защитной оболочкой 90.
На фиг.4 показан практический примерный вариант воплощения противообледенительной системы, представленной схематически на фиг.3А, 3В и 3С. Фиг.5 показывает, в увеличенном масштабе, задние части 60R и 90R подающего воздуховода 60 и защитной оболочки 90.
В данном примерном варианте воплощения:
задняя часть 90R защитной оболочки 90 непосредственно установлена с возможностью скольжения в цилиндрической поверхности 17 подшипника 15, и цилиндрическая поверхность 17 может быть сформирована в сферическом элементе 18, который дополнительно позволяет защитной оболочке 90 выполнять нутационное движение ограниченной амплитуды относительно обоймы 19 указанного подшипника, в которой установлен сферический элемент 18;
эластичная стенка 16 сформирована пружинной шайбой, предпочтительно изготовленной из пружинной стали или подобного материала, расположенной, по меньшей мере приблизительно, перпендикулярно подающему воздуховоду 60 и защитной оболочке 90, причем указанная шайба имеет концентрические складки 20 и приварена (например, с помощью аргонно-дуговой сварки) по ее внутренней и внешней периферии к задним частям 60R и 90R соответственно;
указанная пружинная шайба установлена в месте сужения 21 задней части 60R подающего воздуховода 60, позволяя локальное увеличение поперечного сечения изолированного объема 12 и, следовательно, ширины указанной пружинной шайбы;
соединение противообледенительной системы с контуром 7 сжатого горячего воздуха (содержащего в данном примере центральный воздуховод 7А, окруженный защитной оболочкой 7В) осуществляется с помощью фланцев 22, 23, которые соответственно выполнены за одной целое с задней частью 90R защитной оболочки 90 и с контуром 7;
пружинная шайба, формирующая стенку 16, расположена на одном уровне с фланцем 22, выполненным за одно целое с задней частью 90R защитной оболочки 90; и
фланец 23, выполненный за одно целое с контуром 7, содержит коническую направляющую поверхность 24 с тем, чтобы заставить поток сжатого горячего воздуха, проходящий через него, сходиться по направлению к сужению 21 подающего воздуховода 60 и таким образом защитить пружинную шайбу 16 от падающего потока сжатого горячего воздуха.
Хотя на фиг.3А, 3В, 3С и 4 передняя перегородка 5 показана жестко закрепленной и задняя перегородка показана имеющей подшипник 15, сконструированный так, чтобы позволить скольжение в нем в продольном направлении задней части 90R защитной оболочки 90, из вышеизложенного и из фиг.6 легко понять, что подшипник 15 мог бы быть установлен в передней стенке 5, а задняя стенка 11 быть жестко закрепленной. В этом случае передняя часть 90А оболочки 90 скользит в подшипнике 15 и эластичная стенка 16 соединяет передние части 60А и 90А подающего воздуховода 60 и защитной оболочки 90, тогда как задние части 60R и 90R указанного подающего воздуховода и указанной защитной оболочки жестко прикреплены к задней перегородке 11.