ВОЗДУХОЗАБОРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЕРТОЛЕТНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, УДАЛЯЮЩЕЕ ИЗ ВОЗДУХА ЧАСТИЦЫ ПЕСКА, ПЫЛИ И ДРУГИЕ ПОСТОРОННИЕ ПРЕДМЕТЫ
AIR-INTAKE DEVICE FOR A HELICOPTER GAS TURBINE ENGINE REMOVING AIR SAND PARTICLES, DUST AND OTHER IMPARENTS FROM AIR

Изобретение относится к области вертолетостроения, конкретно к воздухозаборным устройствам вертолетных газотурбинных двигателей (ГТД), выполняющим одновременно с забором воздуха из окружающего пространства функцию очистки воздуха от частиц песка, пыли и других посторонних предметов. Попадание в газовоздушный тракт двигателя указанных частиц приводит к эрозионному износу лопаток компрессора двигателя, снижению мощности двигателя и запасов его газодинамической устойчивости (к помпажу), а также к другим неприятным явлениям, таким как снижение ресурса двигателей, удорожание ремонта двигателей, ухудшение эксплуатационной технологичности и двигателя и вертолета, снижение безопасности полетов.
Известны способы и устройства, предназначенные для решения данной проблемы, описание их приведено в патентах [1, 2, 3, 4], а также в работе [5]. Последнее из вышеуказанных устройств-аналогов - отечественное «пылезащитное устройство» [5] принято в качестве прототипа настоящего воздухозаборного устройства с очисткой воздуха. Некоторые из вышеуказанных устройств нашли широкое применение в вертолетостроении и в эксплуатации, в частности, устройства, описанные в [1], [2] и [5]. Однако, при использовании воздухоочистительных устройств несмотря на улучшение ситуации, связанной с проблемой эрозионного износа двигателей и его последствиями, возникли некоторые другие отрицательные последствия, связанные с ухудшением летно-технических и эксплуатационных характеристик вертолетов, в первую очередь, со снижением топливной экономичности силовой установки вертолета и с ухудшением характеристик вертолета по грузоподъемности и дальности полета.
Основными причинами ухудшения характеристик вертолета являются следующие факторы, свойственные в большой мере вышеприведенным и аналогам и прототипу:
- при осуществлении процессов воздухоочистки, выполняемых путем инерционной сепарации частиц из специально формируемых криволинейных воздушных потоков, происходит увеличение гидравлического сопротивления воздушного тракта и, как следствие, снижение мощности двигателя, ухудшение его экономичности, повышение температурного режима и т.п.;
- отбор и удаление из воздухоочистительного устройства отсепарированных посторонних частиц также требует определенных энергетических затрат на привод вентиляторов отсоса пыли, или на отсос пыли эжектором с запиткой его сжатым воздухом, отбираемым от двигателя;
- несовершенство применяемых компоновок воздухозаборных устройств с очисткой воздуха заключается в том, что выполняемая в них деформация воздушного потока, осуществляемая в период очистки воздуха, а, следовательно, и увеличенное гидравлическое сопротивление сохраняют свое действие и в условиях чистого окружающего воздуха. Этот недостаток свойственен для устройств [2] и [5], в частности, именно по этой причине у прототипа реализуется пониженный режим очистки;
- недоиспользование скоростного напора от набегающего воздушного потока, вследствие установки заграждения на входе в воздухоприемное отверстие (свойственно прототипу [5]) или внутри тракта воздухоочистителя (имеет место у аналога [2]), а также из-за стравливание повышенного давления от скоростного напора в окружающее пространство через протоки, соединяющие внутреннее пространство воздухоочистителя с окружающим пространством (имеет место в мультициклоном устройстве [1]);
- наличие в деформируемом воздушном потоке криволинейных поверхностей в условиях обледенения требует создания эффективной противообледенительной системы устройств ([2], [5]), что также требует дополнительных энергозатрат и веса, либо ведет к ограничению полетов в условиях обледенения.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является получение воздухозаборного устройства с очисткой воздуха, в большой мере свободного от большинства из вышеуказанных недостатков, свойственных и аналогам и прототипу - «пылезащитному устройству» [5].
Решение поставленной задачи обеспечивает:
- повышение топливной экономичности вертолета;
- улучшение эффективности очистки воздуха, особенно, в диапазоне крупнодисперсных, наиболее абразивоопасных фракций посторонних частиц;
- снижение энергозатрат на противообледенительную систему;
- улучшение характеристик вертолета по грузоподъемности и дальности. Успешному решению поставленной задачи способствуют следующие факторы.
В предлагаемом воздухозаборном устройстве работа в условиях чистого воздуха, а это основное время работы вертолета, производится в режиме минимального гидравлического сопротивления воздухозаборного тракта, воздушный поток при этом не подвергается никаким деформациям. В устройстве осуществляется полная реализация скоростного напора от набегающего потока воздуха. При работе воздухозаборного устройства в режиме очистки воздуха от загрязняющих частиц используется схема воздухоочистки в виде инерционного сепаратора, работающего с большой расходной скоростью (без осевой закрутки), что позволяет получить эффективную очистку при относительно небольшой деформации потока и приемлемом гидравлическом сопротивлении, а также получить  габариты воздухоочистителя. Более высокая эффективность очистки достигается за счет использования схемы сепарации с направлением отделяемых частиц к периферии (не к центру, как у прототипа) и выполнения зоны сбора сепарируемых частиц с повышенной площадью проходного сечения, а также за счет относительно высокого расхода отсасываемого вместе с пылью воздуха. Указанный воздух с пылью подвергают повторной очистке в последующих нескольких ступенях сепаратора-концентратора, что позволяет обеспечить малый конечный расход воздуха на транспортировку и вывод концентрата из устройства. Решение проблемы работоспособности воздухозаборного устройства в условиях обледенения обеспечивается за счет наличия в устройстве прямолинейного центрального канала без выступающих в воздушный поток элементов конструкции, способствующих льдообразованию.
Сущность предлагаемого воздухозаборного устройства для вертолетного ГТД, удаляющего из воздуха посторонние частицы песка, пыли и другие посторонние предметы, заключается в следующем. В состав устройства входят расположенное спереди воздухоприемное отверстие, предназначенное для забора из окружающего воздушного пространства воздуха, и центральный канал, сообщающийся с указанным приемным отверстием и подающий воздух к двигателю. Также в состав устройства входит воздухоочиститель, работающий по принципу инерционной сепарации тяжелых частиц в искривленном воздушном потоке. С целью не привнести в проточный тракт центрального канала повышенного гидравлического сопротивления он выполнен свободным от каких-либо заграждающих элементов с прямолинейной или слабоискривленной формой проточной части и не оказывает на воздушный поток деформирующего воздействия. Гидравлическое сопротивление такого канала минимально. С целью полного использования скоростного напора набегающего потока воздуха в двигателе центральный канал устройства выполнен не имеющим каких-либо значимых по площади проходного сечения протоков или ответвлений, сообщающих внутреннее пространство канала с окружающим воздушным пространством.
В состав воздухозаборного устройства входит обводной канал, располагающийся сбоку или вокруг центрального канала и сообщающийся с воздухоприемным отверстием воздухозаборника, соответственно, с помощью бокового или пространственного отвода (ответвления) от центрального канала. В зависимости от конкретной компоновки боковой обводной канал может быть выполнен в количестве большем, чем один, а пространственный обводной канал может иметь в сечении не только круглую форму, но и форму сектора. В указанном обводном канале выполнен криволинейный участок проточного тракта, на котором располагается воздухоочиститель, представляющий собой инерционный сепаратор тяжелых частиц. Угол изгиба проточного тракта на участке сепарации составляет величину, находящуюся в пределах ≈60°-90°. После поворота на искривленном участке проточный тракт обводного канала выполнен разделяющимся на два рукава (внутренний и внешний). Внутренний рукав, расположенный в зоне с меньшими радиусами поворота, предназначен для прохода по нему основной части общего расхода воздуха, очищенной в сепараторе-воздухоочистителе от посторонних частиц. Внешний рукав, расположенный в зоне больших радиусов поворота, предназначен для прохождения по нему меньшей части общего расхода воздуха с содержащимися в нем посторонними частицами, в том числе и отсепарированными в сепараторе. Внутренний рукав обводного канала сразу после поворота соединяется плавным вводом с выходной зоной центрального канала устройства. Внешний рукав обводного канала, продолжающийся вдоль центрального канала с внешней стороны, выполнен разделяющимся на несколько сообщающихся с центральным каналом последовательно расположенных одно за другим боковых ответвлений, и заканчивается на выходе рукавом отвода концентрата из воздуха и отсепарированных частиц.
Входная часть вышеуказанных боковых ответвлений выполнена с резким поворотом направления проточного тракта ответвления по отношению к направлению внешнего рукава обводного канала на угол ≈90°. На данном участке при повороте потока из внешнего рукава в ответвление осуществляется процесс инерционной сепарации частиц, которые собираются во внешнем рукаве обводного канала, а очищенный воздух направляется по ответвлениям в центральный канал подвода воздуха к двигателю, с которым они соединены плавным вводом. Внешний рукав ободного канала совместно с боковыми ответвлениями выполняет роль сепаратора-концентратора сепарируемых частиц в малом по площади проходного сечения рукаве отвода концентрата и в малом конечном расходе воздуха, который отводится из обводного канала по рукаву отвода концентрата.
В состав воздухозаборного устройства входят управляемые двухпозиционные шиберные заслонки (или заслонка), имеющие привод. В одном из своих положений заслонки перекрывают проход воздуху от воздухоприемного отверстия в центральный канал подвода воздуха к двигателю и одновременно открывают проход воздуху в обводной канал, формируя при этом стенку для отвода воздуха от центрального канала в обводной канал. В другом положении заслонки открывают проход воздуху от воздухоприемного отверстия в центральный канал, при этом проход в обводной канал может быть либо закрыт, либо оставаться частично или полностью открытым.
Сущность заявляемого воздухозаборного устройства для вертолетного ГТД поясняется схемами, на которых показаны два варианта конкретного исполнения устройства. На фиг. 1 показан продольный разрез устройства, имеющего плоскопараллельную картину течения воздуха в его центральном и двух обводных каналах и, соответственно, прямоугольную форму поперечных сечений проточных каналов. На фиг. 2 показан продольный разрез устройства имеющего осесимметричную картину течения и, соответственно, круглую и кольцевую форму поперечных сечений центрального и обводного каналов.
Дальнейшее описание устройства и его работы равно относится к обоим вариантам.
Воздухозаборное устройство 1 - фиг. 1 и 2, состоит из воздухозаборного отверстия 2 соответственно, прямоугольного или круглого по форме сечения. От него прямо ко входу двигателя проходит центральный канал 3 и обводной канал (каналы) 4, при этом на фиг. 1 два обводных канала 4 расположены выше и ниже центрального канала 3, а на фиг. 2 обводной канал 4 расположен вокруг центрального канала. Обводные каналы сообщаются с воздухоприемным отверстием 2 через боковые окна 5 в центральном канале 3. Проходной тракт обводного канала на входном участке имеет направление во внешнюю сторону от центрального канала к периферии, а после выхода за его поперечные габариты на участке - 6 направление обводного канала меняется обратно в сторону центрального канала. Изменение направления выполнено плавным поворотом на угол ≈60°-90°, на фиг. 1 и 2 поворот проточного тракта обводного канала на участке - 6 отмечен стрелками. После поворота обводной канал разделяется на два рукава, внутренний - 7 и внешний - 8. Внутренний рукав 7, расположенный в зоне с меньшими радиусами поворота сразу после поворота соединяется плавным вводом с выходной зоной центрального канала 3 устройства. Внешний рукав 8 обводного канала, продолжающийся вдоль внешней стороны центрального канала, выполнен разделяющимися на несколько боковых ответвлений - 9 и, постепенно уменьшаясь по площади проходного сечения, заканчивается на выходе рукавом отвода концентрата - 10. Суммарная площадь проходных сечений отводных рукавов 10 составляет малую величину по сравнению с общей площадью проходного сечения обводного канала (≈ несколько процентов).
Входная часть боковых ответвлений 9 выполнена с резким поворотом направления проточного канала ответвления по отношению к направлению внешнего рукава обводного канала на угол, равный ≈90°, изменение направления на входе в ответвления на фиг. 1, 2 показано стрелками. Выходная часть ответвлений 9 соединена с центральным каналом 3 с выходной его зоной плавным вводом. Выходная часть центрального канала 3 стыкуется со входом в двигатель 11.
В состав воздухозаборного устройства входят также двухпозиционные шиберные заслонки 12, имеющие привод 13, с помощью которого заслонки устанавливают в требуемое положение, в зависимости от условий работы вертолета - в чистом или загрязненном окружающем воздухе. В одном из своих положений заслонки 12 перекрывают проход воздуху от воздухоприемного отверстия 2 в центральный канал 3 подвода воздуха к двигателю 11, при этом проход в обводной канал 4 открыт и заслонки своей поверхностью формируют стенку канала для отвода воздуха из центрального канала 3 в обводной канал 4 через боковые окна 5. На фиг. 1 и 2 в указанном положении заслонки показаны на нижней половине фигур. В другом положении заслонок 12 проход воздуху от воздухоприемного отверстия 2 в центральный канал 3 открыт, в этом положении заслонки показаны на верхней половине фиг. 1 и 2. Проход воздуху в обводной канал 4, при этом в зависимости от конструкции заслонки может быть либо закрытым - фиг. 1, либо оставаться открытым - фиг. 2.
Схематично конструкция воздухозаборного устройства, показанного на фиг. 1, состоит из двух боковых стенок параллельных плоскости листа чертежа, отстоящих одна от другой на расстоянии близком по величине диаметру входа в двигатель 11. Между боковыми стенками расположены контурообразующие стенки 15, формирующие коллекторную входную губу 14 и внешний контур стенки обводного канала 4. Также между боковыми стенками расположены обтекатели 16, формирующие своими поверхностями прямолинейный центральный канал 3 и внутреннюю поверхность контура обводного канала 4. Указанные обтекатели 16 своей передней кромкой отстоят от входной губы 14 на расстоянии, достаточном для расположения окон 5, пропускающих воздух из воздухоприемного отверстия 2 и центрального канала 3 в ободной канал 4. В выходной зоне центрального канала 3 по его периферии располагаются сепарирующие элементы 17 сепаратора-концентратора, которые разделяют внутреннее пространство между стенками 15 на проточную зону рукава 8 обводного канала 4 и выходную зону 18 центрального канала 3. Передний сепарирующий элемент 17 является разделителем потока в обводном канале на рукава: внутренний - 7 и внешний - 8. Между собой элементы 17 формируют проточные каналы ответвлений 9. Выходная зона 18 центрального канала 3 объединяет в себе выходы из расположенных спереди и с боков сепараторов, кроме того в данной зоне формируется геометрия плавного перехода из прямоугольного сечения центрального канала 3 в круглое выходное для стыковки с входным сечением двигателя 11 (см. фиг. 1).
Конструкция воздухозаборного устройства, показного на Фиг. 2, в основном повторяет вышеописанный вариант.
Отличие заключается в отсутствии боковых стенок и в круглой форме его элементов - входной коллекторной губы 14, контурообразующих стенок 15, обтекателя 16 и сепарирующих элементов 17. Кроме того, в последнем случае шиберные заслонки выполнены в виде сферических секторов (по типу «шарового затвора»), закрывающих-открывающих проход воздуху только в центральный канал 3. На верхней половине чертежа Фиг. 2 заслонка 12 показана в открытом положении, на нижней половине - в закрытом.
Приводы 13 шиберных заслонок, условно показанные в виде пневмо- (гидро-) цилиндров, а также сопутствующие им рычаги, тяги и прочие силовые элементы располагаются вне зоны проточных каналов.
Устройство работает следующим образом. При работе вертолета у земли, когда состояние поверхности аэродрома или посадочной площади дает основание предположить наличие в воздухе загрязняющих частиц, воздухозаборное устройство включается в режим воздухоочистки. При этом привод 13 переводит шиберные заслонки 12 в положение, показанное на нижней половине чертежей (Фиг. 1 и Фиг. 2), заслонки перекрывают вход в центральный канал 3, загрязненный воздух из воздухоприемного отверстия 2 через открытые окна (окно) 5 следует по плавному входу, сформированному поверхностями заслонок, в обводной канал (каналы) 4. Во входной зоне обводного канала 4 происходит отклонение вектора скорости воздушного потока и посторонних частиц в периферийную сторону (от оси) и разгон частиц в боковом направлении. При повороте потока на участке 6 на угол ≈60°-90° посторонние частицы под действием инерционных сил следуют с отставанием от линий тока воздуха по менее изогнутым траекториям и сепарируются из внутренней зоны обводного канала 4 (с малыми радиусами поворота) во внешнюю зону (с большими радиусами). Далее воздушный поток у первого по ходу сепарирующего элемента 17 разделяется на два рукава, внутренний - 7 и внешний - 8. Большая часть расхода воздуха, очищенная от посторонних частиц, по внутреннему рукаву поступает в выходную зону 18 центрального канала 3. Меньшая часть расхода воздуха вместе с содержащимися в нем посторонними частицами, в том числе и с отсепарированными в располагающемся спереди по потоку сепараторе-воздухоочистителе, движется по внешнему рукаву 8 обводного канала 4. Проходя мимо сепарирующих элементов 17 (работающих по принципу «жалюзийной решетки») и сепарируясь во входных участках ответвлений 9, посторонние частицы остаются во внешнем рукаве 8, концентрируются в его проточном канале с уменьшающейся площадью проходного сечения и в малом расходе воздуха (несколько процентов от общего расхода). Далее концентрат поступает в рукав отвода концентрата 10 и выводится из воздухозаборного устройства преимущественно с помощью внешнего источника разрежения -вентилятора или энсектора. Очищенный воздух поступает по каналам ответвлений 9 в выходную зону 18 центрального канала 3.
При работе вертолета в чистом воздухе воздухозаборное устройство устанавливают посредством привода 13 в соответствующую конфигурацию, при которой шиберные заслонки 12 открывают проход чистому воздуху из воздухоприемного отверстия 2 в центральный канал 3. При этом заслонки 12 могут либо закрывать проход воздуху в обводной канал 4 (фиг 1 - верхняя половина чертежа) либо оставлять проход в обводной канал открытыми (фиг.2 - верхняя половина чертежа), в этом случае некоторая часть расхода чистого воздуха будет проходить к двигателю по обводному каналу.
Работа настоящего воздухозаборного устройства в условиях обледенения требует энергозатрат, сопоставимых с затратами на обеспечение работоспособности обычного вертолетного воздухозаборника - обогрев поверхности входной коллекторной «губы», поскольку в предлагаемом устройстве при работе центрального канала 3, пропускающего через себя всю или основную часть расхода воздух, отсутствуют элементы конструкции, выступающие в воздушный поток, то есть отсутствуют поверхности, подверженные обледенению.
1. Патент US №3.421.296 14.01.1969 В64с 21/00, B01d 45/12.
2. Патент US №4.527387 09.07.1985 F02G 3/00.
3. Патент US №3.766.719 23.10.1973 B01d 45/04.
4. Патент RU №2.242.626 11.04.2003 F02c 7/052.
5. В.А. Данилов, В.М. Занько, Н.П. Калинин, А.И. Кривко Вертолет М-8 МТВ, Москва, Транспорт 1995 г. (стр. 164, Пылезащитное устройство).