СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПРОХОДА ПОСТОРОННИХ ПРЕДМЕТОВ ВО ВНУТРЕННИЙ ТРАКТ ВЕНТИЛЯТОРНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD AND DEVICE FOR PREVENTION OF PASS OF INTERIOR OBJECTS INTO INTERNAL TRACT OF VENTILATORY GAS-TURBINE ENGINE

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, конкретно к решению проблемы защиты газотурбинного двигателя (ГТД) от попадания в его внутренний тракт вместе с воздухом посторонних предметов и предотвращения от повреждения элементов газовоздушного тракта (ГВТ) двигателя.
Известны способы и устройства, предназначенные для решения вышеуказанной проблемы, описания их приведены в патентах:
1. US №5123240 23.06.1992 [1];
2. US №5431535 11.07.1995 [2];
3. FR №2873751 28.07.2004 [3];
4. RU №2198311 03.01.2001 [4];
5. RU №2459965 27.08.2012 [5].
Основными недостатками приведенных аналогов являются низкая эффективность защиты от прохода посторонних предметов, ощутимое ухудшение характеристик ГТД, конструктивная сложность исполнения. Имеются другие варианты решения проблемы, в частности, в конструкции отечественного вентиляторного ГТД ПС-90А [6], [7] с целью защиты ГВТ от попадания посторонних предметов выполнена специальная профилировка формы обтекателя вентиляторной ступени, осуществляется отбор воздуха с отсепарированными частицами после подпорных ступеней компрессора. Однако несмотря на принятые меры данный двигатель также имеет высокий уровень повреждаемости элементов ГВТ от попадания в него посторонних предметов.
В патенте US №5431535 [2] рассмотрен вариант защиты ГТД от прохода в ГВТ посторонних предметов с помощью вентиляторной ступени, в конструкцию которой введены дополнительные элементы, способствующие удалению элементов из внутренней зоны и перемещению их в наружный тракт ГТД.
По принципу подхода к решению задачи путем введения в конструкцию дополнительных элементов, воздействующих на посторонние предметы, и по другим признакам, совпадающим с признаками заявляемого способа и устройства, вышеуказанный патент принят в качестве прототипа. К недостатку прототипа следует отнести недостаточность воздействия прилагаемых к предметам сил для формирования у посторонних предметов траекторий следования, отводящих их в наружный тракт двигателя, и низкий ожидаемый уровень защиты внутреннего тракта двигателя от прохода посторонних предметов. Также недостатком является отрицательное влияние дополнительных элементов на воздушный поток, его деформацию, ухудшение рабочих характеристик вентилятора и двигателя.
Низкая эффективность сепарации посторонних предметов в межлопаточных каналах вентиляторной ступени ГТД является следствием того, что посторонние предметы не получают достаточного воздействия со стороны лопаток вентилятора, чтобы успеть, находясь в пределах ширины хорды лопатки, преодолеть радиальное расстояние от радиуса входа в вентилятор до радиуса входного отверстия внутреннего контура (компрессора) двигателя, то есть время, потребное на перемещение посторонних предметов в радиальном направлении от центральной зоны к периферии, при штатном исполнении геометрии лопаток вентилятора, существенно превышает располагаемое время нахождения предметов в пределах сепарационного (осевого) пространства - ширины хорды лопатки вентилятора. Причина этого явления заключается в том, что при взаимодействии с вентиляторными лопатками посторонние предметы приобретают малое значение окружной скорости движения и высокое значение скорости осевого перемещения в вентиляторной ступени.
Технической задачей, на решение которой направлены заявляемые способ и устройство, является улучшение сепарации посторонних предметов из привтулочной зоны вентилятора ГТД без внесения изменений в его габариты и без оказания недопустимого вредного влияния на характеристики двигателя (экономичности, конструктивно-технологические критерии, запасы газодинамической устойчивости, надежностно-прочностные и пр.).
В результате решения вышеуказанной задачи удаление посторонних предметов, поступающих по центральной околовтулочной зоне вентилятора во внутренний контур ГТД, осуществляется с высокой эффективностью, ожидаемая частота прохода опасных посторонних предметов должна уменьшиться кратно, соответственно, при эксплуатации ГТД:
- уменьшается количество досрочно снимаемых двигателей и затраты на их заводской ремонт;
- сокращается количество ремонтов двигателей в эксплуатации, трудозатраты по зачистке лопаток от забоин, время простоя техники;
- повышаются эксплуатационные показатели по надежности и безопасности полетов, регулярность выполнения полетов;
- улучшаются показатели эксплуатационной технологичности и экономичности. Главными факторами, способствующими решению проблемы, являются:
- наличие вентиляторного ротора, вращающегося со скоростью, достаточной для обеспечения сепарационного процесса необходимым энергетическим уровнем;
- наличие вентиляторной ступени с густой лопаточной решеткой в привтулочной зоне, а также имеющей лопатки с большим углом изгиба (кривизной) профиля в привтулочной (прикорневой) зоне [8], [9];
- кинематическая обстановка на входе посторонних предметов в межлопаточный канал вентиляторной ступени, в соответствии с которой тяжелые посторонние предметы, имеющие пониженную осевую скорость движения (по сравнению со скоростью воздушного потока и окружной скорости вращения лопатки вентилятора), подходят к лопаточным профилям под большим углом атаки;
- инерционность тяжелых частиц, в силу чего посторонние предметы сепарируются на поверхность корытца набегающей вентиляторной лопатки в начальном участке ее ширины в передней половине длины хорды лопатки [10];
- концентрация посторонних предметов в пристеночном слое лопатки и возможность последующего силового воздействия на предметы в компактной зоне пристеночного слоя, наличие осевого пространства для осуществления последующей сепарации предметов в радиальном направлении;
- осуществление процесса сепарации посторонних предметов в привтулочной зоне (зоне относительно малых окружных скоростей) дает возможность использовать ударный тип взаимодействия посторонних предметов и лопаток (при передаче энергетических импульсов) без опасения привнести недопустимые повреждения конструктивным элементам (вопросы ударного взаимодействия рассматриваются в соответствии с [11], [12].
Однако несмотря на перечисленные факторы, способствующие решению проблемы, существующая стандартная профилировка вентиляторных лопаток не обеспечивает необходимого силового воздействия на посторонние предметы с целью их радиального сепарационного перемещения в ограниченном осевом пространстве. Это явление в большей мере присуще посторонним предметам, движущимся в приосевой (привтулочной) зоне канала ступени.
Цель настоящего изобретения - устранить обозначенное противоречие.
В предлагаемом способе предотвращение прохода посторонних предметов во внутренний тракт вентиляторного ГТД осуществляют на основе использования инерционной сепарации тяжелых частиц во вращающихся межлопаточных каналах вентилятора ГТД и перемещения их в радиальном направлении из привтулочной зоны (привтулочной зоной вентилятора будем считать некоторую условную зону пространства вентиляторной ступени, прилегающую к поверхности втулки вентилятора, из которой посторонние предметы не могут (не успевают) переместиться в радиальном направлении во внешний контур двигателя за время прохождения ими вентиляторной ступени в осевом направлении) вентилятора в зону наружного тракта двигателя.
Кинематику движения посторонних предметов во входной зоне межлопаточного канала формируют таким образом, что основную массу посторонних предметов, движущихся в привтулочной зоне вентилятора, подвергают сепарации в тангенциальном направлении к поверхности корытца набегающей лопатки вентилятора и добиваются контакта предмета с лопаткой в передней части длины ее хорды.
Далее осуществляют ударное взаимодействие предметов с поверхностью лопатки, придают предметам скорость относительного движения по поверхности корытца лопатки преимущественно в тангенциально-осевом направлении в сторону выхода ступени, при этом поддерживают последующую контактную связь предметов с лопаткой и, соответственно, формируют силу реакции связи, действующую на посторонние предметы со стороны лопатки по нормали к поверхности в точке контакта ее с предметом. В итоге движение предметов формируют по траекториям, лежащим в тонком пристеночном слое поверхности лопатки.
Дальнейшее взаимодействие посторонних предметов и вентиляторной лопатки осуществляют таким образом, что, в отличие от штатного взаимодействия, процесс радиальной сепарации выполняют на максимальном скоростном режиме вращения посторонних предметов в переносном вращательном движении, для чего их скорость в переносном вращательном движении разгоняют до скорости, равной или близкой окружной (угловой) скорости вращения лопатки в месте контакта ее с посторонним предметом, поэтому сепарационный процесс осуществляют с максимальной интенсивностью.
Одновременно производят снижение (торможение) окружной и осевой составляющих скорости относительно движения посторонних предметов, в результате чего увеличивают время пребывания предметов в пределах осевого пространства межлопаточного канала, не допуская преждевременного их выхода за пределы рабочего колеса вентиляторной ступени. Интервал времени пребывания посторонних предметов в межлопаточном канале устанавливают по величине не меньшим интервала времени, потребного на радиальное перемещение (сепарацию) посторонних предметов от радиуса подхода предмета к лопатке до радиуса входного отверстия внутреннего тракта двигателя.
Способ реализуют следующим образом. На пути движения посторонних предметов по поверхности корытца лопатки, в средней зоне длины ее хорды, на предметы налагают дополнительную связь с вращающимся ротором в виде отражающих элементов (стоек), которые устанавливают в пристеночном слое корытца лопатки в привтулочной зоне канала ступени. Силу реакции от дополнительной связи направляют преимущественно против направления скорости относительного движения посторонних предметов по поверхности лопатки.
Используя силы реакции от контактной связи предметов с поверхностью лопатки и дополнительной связи с отражающим элементом, ограничивают зону возможного перемещения (дальнейшее относительное движение) посторонних предметов по поверхности лопатки в тангенциально-осевом направлении, придают предметам окружную составляющую переносной скорости движения, равную или близкую по величине окружной скорости движения лопатки в точке контакта ее с предметом, снижают значение осевой составляющей скорости относительного движения предметов.
Одновременно придают посторонним предметам начальную радиальную составляющую скорости относительного движения как результат ударного взаимодействия предмета с отражающим элементом и преобразования в радиальную составляющую доударных значений окружной и осевой составляющих относительной скорости движения предмета. В последующем движении предметов радиальную составляющую скорости формируют как результат послеударного взаимодействия предметов с отражающим элементом, а также за счет действия инерционных сил в переносном вращательном движении предметов с большой скоростью вместе с лопатками.
В результате у посторонних предметов формируют движение по винтообразной траектории с высокими значениями переносной окружной скорости и радиальной составляющей относительной скорости, а также с малым значением осевой составляющей относительной скорости движения. В соответствии с описанной картиной движения время перехода посторонних предметов в радиальном направлении из привтулочной зоны до радиуса, от которого они проходят в зону наружного тракта, получают меньшим времени перемещения предметов в осевом направлении по длине межлопаточного канала вентиляторной ступени.
Предлагаемое устройство для предотвращения прохода посторонних предметов во внутренний тракт вентиляторного ГТД основано на использовании инерционной сепарации тяжелых частиц во вращающихся межлопаточных каналах вентилятора ГТД и перемещении их в радиальном направлении из привтулочной зоны вентилятора в зону наружного тракта двигателя. В устройстве используется вентиляторная ступень, имеющая в привтулочной зоне густоту лопаточной решетки и величину изгиба лопаточного профиля, обеспечивающие основной массе посторонних предметов, движущихся в привтулочной зоне межлопаточного канала, инерционную сепарацию в тангенциальном направлении с выходом предметов на поверхность корытца набегающей лопатки в передней части ее профиля. Густота лопаточной решетки - это отношение длины хорды лопатки к шагу решетки. Угол изгиба лопаточного профили - угол между касательными на входе и выходе лопатки к средней линии профиля.
В устройстве используется явление концентрации предметов (траекторий движения предметов) в узком пристеночном слое корытца лопатки в ее привтулочной зоне. Именно в этой зоне устанавливаются отражающие элементы, которые располагаются у основания каждой лопатки вентилятора со стороны корытца в серединной части длины хорды лопатки. Благодаря этому удается выполнить взаимодействие отражающего элемента с посторонними предметами в компактной зоне концентрации их траекторий в относительном движении у поверхности лопатки без оказания вредного воздействия на окружающий воздушный поток.
Отражающие элементы устанавливаются на пути движения посторонних предметов по поверхности лопаток, своей передней рабочей стороной они ориентируются навстречу набегающему воздушному потоку и посторонним предметам.
Отражающий элемент располагается с превышением его внешней (от лопатки) стороны (поверхности) над поверхностью корытца лопатки. Величина указанного превышения выполняется исходя их условия обеспечения возможности задержания посторонних предметов, опасных (опасными будем считать посторонние предметы, которые могут пройти в ГВТ двигателя и нанести трудноустраняемые в эксплуатации повреждения деталям (лопаткам) компрессора, к таковым относятся посторонние предметы с поперечными размерами, лежащими в диапазоне от величины минимального межлопаточного осевого зазора в ступенях компрессора до величины шага лопаточной решетки ВНА первой ступени компрессора) размеров и недопущения их прохода во внутренний тракт двигателя. Таким образом, отражающий элемент выполняет функцию барьера, препятствующего прохождению крупных посторонних предметов, по своим размерам соизмеримым и существенно превосходящим величину выступания отражающего элемента над поверхностью лопатки.
Отражающий элемент располагается на некотором расстоянии от поверхности лопатки, образуя с ней зазор, через который осуществляется проток воздуха и уменьшается гидравлическое сопротивление элемента, кроме того с помощью данного зазора отражающим элементом выполняется функция барьерного фильтра (поскольку отражающий элемент конструктивно оформлен в виде стойки, а выполняемые им функции по сепарированию посторонних предметов по размерам связаны с использованием терминов «барьер» (при сепарировании крупных предметов) и «барьерный фильтр» (при сепарировании мелких фракций) в дальнейшем изложении при описании устройства будем также использовать термин «барьерная отражающая стойка» - БОС) (проходного калибра), допускающего проход через зазор предметам с меньшими, чем зазор размерами, и ограничивающего проход через зазор посторонним предметам, превышающим по своим размерам величину указанного зазора.
Отражающий элемент своей передней рабочей стороной устанавливается вдоль поверхности корытца лопатки, рабочая сторона занимает положение в радиально-осевом направлении от центра к периферии с наклоном назад к выходу из ступени, при этом выдерживается постоянство величины зазора по длине рабочей стороны отражающего элемента с криволинейной поверхностью профиля лопатки (соблюдается эквидистантность взаиморасположения лопатки и элемента).
Величина выступания отражающего элемента над поверхностью втулки ступени в радиальном направлении выполнена из условия придания посторонним предметам, входящим во взаимодействие с отражающим элементом, параметров движения, обеспечивающих им после прекращения связи с отражающим элементом выход за радиальные пределы внутреннего тракта двигателя, а также выполнения условия, что посторонние предметы, движущиеся выше (в радиальном направлении) отражающего элемента и не вступающие с ним во взаимодействие, получают от взаимодействия с поверхностью вентиляторной лопатки параметры движения, обеспечивающие им выход за радиальные пределы внутреннего тракта двигателя.
Ранее было показано, что в предлагаемом устройстве предотвращение прохода посторонних предметов в ГВТ двигателя осуществляется в диапазоне наиболее опасных размеров предметов - от малых размеров, соизмеримых с размером минимального межлопастного осевого зазора в ступенях компрессора, до больших размеров предметов, способных пройти в ГВТ, имеющих размеры меньше величины шага ВНА компрессора (предметы с большими размерами задерживаются в ВНА). Если диапазон размеров посторонних предметов, подлежащих удалению, достаточно широк, то у каждой лопатки вентиляторной ступени устанавливаются по два отражающих элемента. Один элемент устанавливается спереди другого и на большем расстоянии от поверхности корытца лопатки, он осуществляет защиту от прохода более крупных посторонних предметов. Второй элемент, соответственно, защищает от мелких фракций. Величину выступания первого отражающего элемента над поверхностью вентиляторной лопатки принимают равной примерно половине шага решетки ВНА компрессора. Величина зазора между вторым отражающим элементом и поверхностью корытца вентиляторной лопатки выполняется не превышающей размера минимального межлопаточного осевого зазора между вращающимися и неподвижными лопатками в ступенях компрессора двигателя.
При установке у вентиляторной лопатки двух отражающих элементов высота выступания над поверхностью лопатки расположенного сзади второго элемента составляет величину, равную приблизительно половине размера зазора между расположенным спереди отражающим элементом и поверхностью корытца лопатки.
Существенным отличием и положительным качеством предлагаемого устройства является то, что отражающие элементы выполняют с малым миделем и малым гидравлическим сопротивлением, поэтому сепарации посторонних предметов удается добиться без оказания значимого вредного влияния на гидравлические характеристики воздушного потока, параметры вентилятора и всего ГТД.
Сущность заявляемых способа и устройства поясняется чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 - продольный разрез вентиляторного модуля ГТД, показаны траектория движения посторонних предметов и привтулочная зона ступени;
на фиг. 2 - поперечное сечение по А-А фиг. 1 лопаточной решетки рабочего колеса вентилятора, показаны начальные условия входа посторонних предметов на входе в межлопаточный канал, где:
- U - окружная скорость лопатки на радиусе входа предмета;
1a
1
ЛА
- W - осевая составляющая скорости предмета относительно двигателя (является результатом сложения начальных абсолютных скоростей предмета V и летательного аппарата V);
1
- W - относительная скорость постороннего предмета относительно лопатки при входе в межлопаточный канал;
1u
- W=U - окружная составляющая относительной скорости предмета на входе;
- b - длина хорды профиля лопатки;
- t - шаг лопаточной решетки;
- b/t - густота лопаточной решетки;
- θ - угол изгиба средней линии лопаточного профиля;
на фиг. 3 - схема ударного взаимодействия постороннего предмета с поверхностью вентиляторной лопатки при тангенциальной сепарации предметов в привтулочной зоне межлопаточного канала, где:
1
1
1a
- V - абсолютная скорость постороннего предмета до соударения с лопаткой, (V=V);
ЛА
- V - скорость летательного аппарата (двигателя), режимы - посадка, реверс;
1a
- W - осевая составляющая относительной скорости предмета до соударения с лопаткой;
1
- W - относительная скорость предмета до соударения;
2
- W - относительная скорость предмета после соударения;
2a
- W - осевая составляющая относительной скорости предмета после соударения;
2u
- W - окружная составляющая относительной скорости предмета после соударения;
- U - окружная скорость лопатки на радиусе входа предмета в межлопаточный канал;
2
- V - абсолютная скорость предмета после соударения с лопаткой;
2u
- V - окружная переносная составляющая абсолютной скорости движения предмета после соударения;
- К-К - касательная к лопаточному профилю в точке соударения предмета с поверхностью корытца лопатки;
схема действующих сил в ударном взаимодействии:
и
- F - инерционная сила постороннего предмета;
рл
- F - сила реакции, действующая на предмет со стороны лопатки по нормали N к поверхности лопатки;
на фиг. 4 - схема ударного взаимодействия постороннего предмета с отражающим элементом и поверхностью лопатки вентилятора, в процессах торможения осевой и окружной составляющих относительной скорости движения предмета и увеличения значения окружной переносной скорости:
1
- W - относительная скорость постороннего предмета до соударения с отражающим элементом;
1a
- W - осевая составляющая относительной скорости предмета до удара;
2a
- W - осевая составляющая относительной скорости предмета после удара;
1u
- W - окружная составляющая относительной скорости предмета до удара;
1
- V - абсолютная скорость предмета до удара;
2
- V - абсолютная скорость предмета после удара;
1u
- V - окружная переносная составляющая абсолютной скорости предмета до удара;
2u
- V - окружная переносная составляющая абсолютной скорости предмета после удара;
схема сил, действующих при соударении предмета с отражающим элементом:
pдc
1
- F - сила реакции дополнительной связи (сила отражения при соударении предмета с отражающим элементом, направлена в сторону противоположную относительной скорости W;
pдсa
рдс
1a
- F - осевая составляющая силы F, тормозящая осевую составляющую W;
рдсu
рдс
1u
2u
- F - окружная составляющая силы F, тормозящая окружную составляющую скорости W и увеличивающая переносную скорость V;
ударΣ
- F - равнодействующая инерционных сил, действующих при ударе со стороны постороннего предмета на систему лопатка-отражающий элемент;
удар K
1
2
- F - инерционная сила частицы (предмета), возникающая при ударном торможении ее переносной скорости W до значения W;
удар N
ударΣ
- F - проекция силы F на направление нормали N;
рл
2u
удар N
- F - сила реакции со стороны лопатки при ударном ускорении частицы до значения V≈U, действующая в направлении нормали N (действует в направлении противоположном F);
на фиг. 5 - схема ударного взаимодействия постороннего предмета с отражающим элементом, показаны траектории движения посторонних предметов, ударное преобразование относительной скорости движения в радиальную составляющую;
на фиг. 6 - развертка конического сечения лопатки по b-b' (фиг. 5) и совмещенный вид по стрелке Е, показан «треугольник скоростей» при ударном взаимодействии постороннего предмета с отражающим элементом;
1
2
на фиг. 7 - проекции траекторий движения посторонних предметов на плоскость вращения с начальными условиями входа на радиусах а, в, с; при отсутствии отражающего элемента траектории показаны штриховой линией, угол поворота лопатки ω; при наличии отражающего элемента - траектории изображены непрерывными линиями с углом поворота ω;
на фиг. 8 - схема установки отражающего элемента (барьерной отражающей стойки - БОС), показаны некоторые геометрические параметры БОС и схема взаимодействия посторонних предметов с БОС;
на фиг. 9 - схема установки у лопатки сдвоенных БОС.
Предлагаемый способ предотвращения прохода посторонних предметов во внутренний тракт вентиляторного ГТД осуществляется следующим образом.
Вентиляторная ступень ГТД (фиг. 1) состоит из входного отверстия 1 вентилятора, из вращающегося вентиляторного ротора с лопатками 2, обтекателя 9, закрепленных на втулке (ступице 10) ротора. Сзади ротора расположены кольцевое отверстие 3, являющееся входом во внешний тракт (контур) двигателя и кольцевое отверстие 6, являющееся входом во внутренний тракт (контур) двигателя. Контуры со стороны входа разделяются между собой разделителем 4. На входе во внутренний тракт двигателя установлен входной направляющий аппарат (ВНА) первой ступени - 11 компрессора двигателя.
Воздух из самолетного воздухозаборника поступает во входное отверстие 1 вентилятора, пройдя рабочие лопатки 2 поток распределяется по входным отверстиям 3 и 6 внешнего и внутреннего контуров. Линия тока 5 является разделителем воздушного потока по контурам. Посторонние предметы, поступающие с воздухом в вентилятор в кольцевое пространство между указанной линией тока 5 и внешней поверхностью втулки 10, частично поступают во вход 3 наружного тракта, в основном это предметы, движущиеся по периферии указанного кольцевого пространства. Другая часть посторонних предметов, движущихся ближе к центру кольцевого канала, не успевает выполнить радиального сепарационного перемещения к периферии за радиальные пределы разделителя 4 и поступает во вход внутреннего тракта 6 двигателя. Условно граничная траектория движения предметов, разделяющая движение частиц по контурам, обозначена штриховой линией поз. 7. Кольцевое пространство между линией траектории 7 и поверхностью втулки 10 в нашем контексте является привтулочной зоной 8.
Новой функциональной задачей вентиляторной ступени (помимо сжатия воздуха и подачи его в контуры ГТД) в соответствии с предлагаемым способом является предотвращение прохода посторонних предметов из привтулочной зоны 8 во внутренний тракт 6 двигателя.
1
1a
На первом этапе реализации способа выполняют инерционную сепарацию тяжелых частиц во вращающихся искривленных межлопаточных каналах в привтулочной зоне ступени. Сепарацию частиц 12 (фиг. 2) производят в тангенциальном (азимутальном) направлении к поверхности корытца набегающей лопатки 2, при этом выполнению эффективной сепарации способствуют начальные условия подхода посторонних предметов с относительной скоростью W под большими углами атаки α к профилю лопатки, в силу малой величины осевой скорости подхода частиц к ступени - W по сравнению с окружной скоростью U лопаток вентилятора. Также выполнению сепарации предметов способствует повышенная кривизна профиля вентиляторной лопатки - угол θ и густота лопаточной решетки в привтулочной зоне ступени b/t (b - длина хорды лопатки, t - шаг лопаточной решетки).
1
В результате выполнения указанного сепарационного процесса основная масса посторонних предметов, проходящих по привтулочной зоне, подходит к поверхности корытца набегающей лопатки с относительной скоростью W (фиг. 3) на участке передней половины длины хорды лопатки, вступает в ударное взаимодействие с лопаткой и после удара движется по ее поверхности (в пристеночном слое) в относительном движении по траекториям 13.
На фиг. 3 показан «треугольник скоростей» постороннего предмета. На входе в вентиляторную ступень до соударения с лопаткой сторонами треугольника являются скорости:
1u
1u
W - окружная составляющая относительной скорости предмета до соударения, W=U, где U - окружная скорость лопатки;
1a
1a
1
ЛА
1
ЛА
W - осевая составляющая относительной скорости предмета на входе, W-V+V, где V и V - абсолютные скорости постороннего предмета и летательного аппарата (ГТД) соответственно;
1
1
1a
1u
W - относительная скорость постороннего предмета по отношению к вентиляторной лопатке перед соударением, W=W+W.
Также показана схема сил, действующих при соударении предмета с лопаткой:
И
ИN
2
ИК
F - инерционная сила постороннего предмета, проявляющаяся в виде нормальной составляющей силы, действующей на лопатку по нормали N - F и частично сохраняющаяся в форме инерционной силы в преобразованной относительной скорости W (проекция F на касательную К-К);
рл
рл
ИN
F - сила реакции воздействия лопатки на посторонний предмет F=-F.
2
1
2
2
В результате ударного взаимодействия постороннего предмета с поверхностью лопатки формируют послеударный «треугольник скоростей», включающий послеударную относительную скорость W, равную проекции W на касательную К-К к поверхности корытца в точке соударения предмета с лопаткой, окружную переносную скорость U и абсолютную скорость предмета после удара V, которая получается в результате сложения W и U.
2
2u
2a
Относительная скорость предмета W имеет окружную составляющую W и осевую составляющую W.
2
2a
2a
2u
2u
Абсолютная скорость предмета после удара V имеет составляющие: осевую V=W и окружную переносную V=U-W.
2a
1
1a
2u
2
2u
Сопоставление величин скоростей постороннего предмета после выполнения соударения с вентиляторной лопаткой, имеющей типовую геометрию, показывает, что величина осевой составляющей скорости движения постороннего предмета W существенно увеличивается по сравнению с исходной осевой скоростью V (и W), соответственно сокращается время пребывания предмета в осевых пределах рабочего колеса - время радиальной сепарации предмета. Окружная составляющая V абсолютной скорости предмета V (является переносной окружной скоростью) по величине достигает приблизительно половины окружной скорости лопатки V≈0,5 U, то есть инерционная сила, формируемая с такой скоростью, составляет только четверть от потенциально возможной (при разгоне предмета до окружной скорости U).
На втором этапе реализации способа посторонним предметам придают параметры движения, при наличии которых становится возможным выполнить эффективную радиальную сепарацию предметов на ограниченном осевом пространстве ступени. С этой целью у посторонних предметов ударным взаимодействием с вращающимся ротором увеличивают окружную скорость до величины, близкой (в некоторых вариантах исполнения и равной) величине скорости вращения вентиляторной лопатки в месте контакта ее с посторонним предметом. Одновременно производят уменьшение скорости относительного движения посторонних предметов, в результате чего увеличивают время пребывания сепарируемых предметов в пределах осевого пространства межлопаточного канала, не допуская преждевременного их выхода за пределы рабочего колеса вентиляторной ступени.
1
1
1a
1a
1u
1u
1u
1u
1
1
На фиг. 4 показан посторонний предмет 12, движущийся по поверхности корытца лопатки 2 с относительной скоростью W, абсолютной V (W=V) и с окружными составляющими W и V (W+V=U). Указанные скорости формируют «треугольник скоростей» со сторонами W, V, U, образуемый после совершения предыдущего ударного взаимодействия предмета с лопаткой вентилятора при тангенциальной сепарации.
На пути движения постороннего предмета на него налагают дополнительную связь, ограничивающую возможность перемещения предмета в относительном движении в тангенциально-осевом направлении.
рдс
1
1
2
1a
2a
1u
2u
рл
1u
2u
1
1
2
2
2u
2а
2a
Дополнительную связь выполняют в виде отражающего элемента 14, который устанавливают в пристеночной зоне корытца лопатки в средней зоне ширины ее хорды. При соударении постороннего предмета 12 с отражающим элементом 14 силу реакции дополнительной связи F направляют против относительного движения W постороннего предмета по поверхности лопатки, снижают величину скорости W до W и, соответственно, уменьшают осевую составляющую с W до W, окружную составляющую с W до W. Одновременно ударным воздействием со стороны лопатки на предмет силой реакции лопатки F увеличивают окружную составляющую переносной скорости движения предмета со значения V до значения V, благодаря чему существенно увеличивают и силу и действие инерционных сил в последующем инерционном процессе. В итоге в результате удара исходный «доударньш» треугольник скоростей WVU трансформируют в «послеударный» треугольник WVU с большим значением переносной окружной скорости движения предмета V и с меньшей осевой составляющей скорости движения V(W).
1
1a
1u
2r
Одновременно с трансформированием треугольников скоростей на данном этапе производят также ударное преобразование относительной скорости W (составляющие W и W) в радиальную составляющую W (см. фиг. 5 и 6).
2r
2u
2a
На третьем этапе реализации способа, после придания посторонним предметам начальных условий движения в радиальном направлении W, приобретения высокого уровня переносной окружной скорости V и малой скорости движения в осевом направлении W, осуществляют инерционную сепарацию тяжелых частиц в радиальном направлении и перемещают их из привтулочной зоны 8 в зону наружного тракта 3 двигателя.
2r
2a
Перемещение предметов в относительном движении производят по двум опорным дорожкам. Одна лежит на поверхности корытца лопатки, другая - на передней кромке BD отражающего элемента 14. Траектория движения предмета в абсолютном движении представляет собой винтовую кривую, расположенную на поверхности кругового конуса с образующей, проходящей через ось вращения и переднюю (рабочую) кромку BD отражающего элемента 14, и далее по траектории 15 во внешний тракт. Параметры движения предметов имеют высокое значение радиальной составляющей V и малое значение осевой составляющей относительной скорости W, благодаря чему время перехода посторонних предметов в радиальном направлении из привтулочной зоны 8 до радиуса прохода в зону наружного тракта получают меньшим времени перемещения предметов в осевом направлении канала ступени.
1
2
На фиг. 7 показаны проекции траекторий движения посторонних предметов на плоскость вращения. Штриховыми линиями показаны траектории движения посторонних предметов в стандартной конфигурации ступеней (без отражающих элементов). Двигаясь с начальными условиями от радиусов а, b, с предметы успевают продвинуться в осевом направлении до плоскости нахождения разделителя 4 (фиг. 5) и повернуться на угол ω, при этом радиуса d разделителя 4 достигают только предметы, движущиеся от радиуса с и более. То есть предметы, движущиеся из привтулочной зоны 8, радиуса разделителя 4 не достигают. При установке отражающего элемента посторонние предметы после взаимодействия с ним движутся по траекториям 15 (фиг. 5). На схеме фиг. 7 эти траектории движения от радиусов а и b показаны непрерывными линиями. Посторонние предметы движутся с большей окружной скоростью, с меньшей осевой скоростью и с большей радиальной составляющей, успевают выполнить поворот с лопаткой на угол ω, перемещаются в радиальном направлении до радиуса d, соответствующего величине радиуса разделителя 4. В итоге посторонние предметы из привтулочной зоны 8 проходят во внешний тракта двигателя.
Предлагаемое устройство для предотвращения прохода посторонних предметов во внутренний тракт вентиляторного ГТД включает в себя вентиляторную ступень, имеющую в привтулочной зоне 8 (фиг. 1 и 5) «густую» лопаточную решетку, с густотой b/t>2 (фиг. 2). Кроме того, геометрия вентиляторной лопатки в привтулочной зоне (и особенно в прикорневой) имеет достаточно большой (для компрессорной лопатки) изгиб профиля, угол изгиба средней линии профиля θ>25° (фиг. 2). В соответствии с описанным выше способом в вентиляторной ступени на роторе установлены отражающие элементы 14 (фиг. 5, 8). Отражающие элементы установлены у каждой лопатки вентилятора со стороны корытца лопатки, в средней зоне длины хорды лопатки. Отражающий элемент представляет собой пластину (стойку) треугольной формы, одна из сторон элемента BD является рабочей, ориентирована навстречу набегающему воздушному потоку и движущимся по поверхности корытца отсепарированным посторонним предметам. Стороной ВВ', обращенной к втулке, отражающий элемент крепится в корневой зоне лопатки к замковой ее части 16 (фиг. 8) или к полке 17 (фиг. 9). При виде на отражающий элемент со стороны корытца лопатки его передняя рабочая сторона BD направлена от центра к периферии и наклонена в сторону выхода из ступени под углом γ к радиальному направлению R (фиг. 5 и 8), при этом угол γ=30°±15°.
ч
Отражающие элементы установлены на определенном расстоянии h от корытца лопатки (фиг.8, сечение З-З). Расстояние h между поверхностями лопатки и элемента определяет размер зазора, через который посторонние предметы меньшей величины могут проходить вместе с воздухом в ГВТ внутреннего тракта двигателя, не причиняя недопустимых повреждений лопаткам компрессора. Диаметр частиц d, проходящих через зазор h, меньше величины зазора (фиг. 8, 9). Величина зазора h (фиг. 8 сечение З-З) между отражающим элементом 14 и поверхностью корытца вентиляторной лопатки 2 выполнена не превышающей размера минимального межлопаточного осевого зазора между вращающимися и неподвижными лопатками в ступенях компрессора двигателя. Форма (геометрия) отражающего элемента и установка его около лопатки обеспечивают постоянство зазора h вдоль рабочей стороны BD отражающего элемента.
ударΣ
Σ
Величина Н выступания отражающего элемента 14 над поверхностью лопатки 2 (фиг. 8, сечение З-З) складывается из величины зазора h и толщины s пластины элемента и определяет условный диаметр постороннего предмета наибольших размеров, задерживаемого отражающим элементом. Указанный размер является следствием взаиморасположения равнодействующей сил, приложенных к предмету, F (фиг. 4) или F (фиг. 8, 9), проходящей через центр тяжести постороннего предмета, и точкой соударения предмета с отражающим элементом 18, а также и точкой послеударного контакта предмета с отражающим элементом, расположенной на расстоянии Н от поверхности лопатки. Как видно из фиг. 8 и 9, диаметральный размер постороннего предмета, задерживаемого отражающим элементом, может в 2-3 раза превышать величину размера Н.
Величина выступания отражающего элемента над поверхностью втулки ступени в радиальном направлении (точка D по отношению к точке В) выполнена из условия придания посторонним предметам, входящим во взаимодействие с отражающим элементом, параметров движения, обеспечивающим после прекращения связи (контакта) с отражающим элементом выход за радиальные пределы внутреннего тракта двигателя. Не менее важно также и выполнение условия того, что посторонние предметы, движущиеся по лопатке выше (в радиально направлении) отражающего элемента (выше точки D) и не вступающие во взаимодействие с отражающим элементом, получают от взаимодействия с поверхностью вентиляторной лопатки параметры движения, обеспечивающие им выход за радиальные пределы внутреннего тракта двигателя. Таким образом, высота выступания отражающего элемента в радиальном направлении должна быть не менее толщины слоя привтулочной зоны, из которой необходимо удалять посторонние предметы.
Работа устройства по предотвращению прохода посторонних предметов во внутренний тракт вентиляторного ГТД осуществляется в соответствии с вышеописанным способом в три этапа.
1
1a
1a
1
ЛА
1u
2
2
2a
2a
1a
2u
рл
На первом этапе благодаря выполнению геометрии лопаток вентиляторной ступени в привтулочной зоне с повышенной густотой решетки и кинематики движения производится инерционная сепарация основной массы посторонних предметов на поверхность корытца набегающей лопатки, при этом предметы достигают поверхности лопатки в пределах передней половины длины хорда лопатки. При соударении с поверхностью лопатки 2 (фиг. 3) посторонние предметы подходят к лопатке с параметрами в соответствии с треугольником скоростей WWU, где W=V+V, W=U). После соударения предметы приобретают параметры в соответствии с треугольником VWU. В результате удара осевая составляющая скорости движения предмета увеличивается V=W>W (почти в 2 раза) и предмет приобретает окружную скорость движения V≈0.5U. После завершения ударного взаимодействия предметы движутся по поверхности лопатки (в тонком пристеночном слое) в относительном движении по траекториям 13 (фиг. 3 и 5), оставаясь в послеударном контакте с поверхностью лопатки и испытывая силовое воздействие с ее стороны по нормали в виде силы F (сила реакции лопатки).
ударN
ударK
yдapΣ
рл
pдс
Σ
1
1
2
2
2r
1
На втором этапе выполняется ударное взаимодействие постороннего предмета 12, следующего по траектории 13, с отражающим элементом 14 (фиг. 4, 5, 6). На фиг. 4 показаны инерционные силы (ударные), действующие со стороны предмета на лопатку и отражающий элемент: F, F и F, а также ответные силы реакции, действующие на посторонний предмет: F - сила реакции лопатки, F - сила реакции дополнительной связи и F - суммарная сила реакции. На фиг. 4 и 6 показаны треугольники скоростей: до удара - треугольник VWU, и после удара - треугольник VWU. Кроме того, на фиг. 5 показана схема взаимодействия в момент придания постороннему предмету начальной радиальной составляющей скорости W, как результат ударного преобразования относительной скорости W.
2a
2a
1a
1a
2u
1u
В результате ударного взаимодействия осевая составляющая скорости предмета существенно уменьшается W(V)<<W(V) (фиг. 4 и 6), окружная составляющая увеличивается V>V.
2
На третьем этапе осуществляется инерционная сепарация посторонних предметов в радиальном направлении при большой окружной скорости их вращения, равной или близкой к скорости вращения лопатки, с малой осевой составляющей скорости и с большой радиальной составляющей по крутой траектории 15 (фиг. 5) с выходом за радиальные пределы разделителя контуров 4. Процесс осуществляется по траекториям (из радиусов а, b) показанным сплошными линиями на фиг. 7. При этом предметы могут совершать больший угол поворота ω и могут находится в пределах осевого пространства ступени в течение большего промежутка времени.
При выполнении в устройстве процесса инерционной сепарации, связанного с перемещением посторонних предметов в радиальном направлении, в нем одновременно решается задача сепарации (разделения) посторонних предметов по размерам, при которой из всего массива разноразмерных посторонних предметов, движущихся в привтулочном пространстве, выделяются и удаляются наиболее потенциально опасные.
ч
ч
При решении этой задачи отражающий элемент выполняет роль барьерного фильтра, определяющего размер проходного отверстия (зазора) h фиг. 8 сечения по З-З и Л-Л, через который посторонние предметы с условным диаметром d>h не могут проходить в ГВТ двигателя и могут проходить предметы с размерами d<h.
Данные предметы должны быть меньше минимального размера осевого расстояния между неподвижными и вращающимися венцами ступеней компрессора. Обычно размер h лежит в пределах нескольких миллиметров (3-6), что соответствует многочисленной практике применения защитных сеток для ГТД.
С другой стороны, отражающий элемент является барьером, препятствующим относительному движению по поверхности корытца лопатки посторонним предметам с размерами равными и большими величины размера Н - величина выступания отражающего элемента над поверхностью корытца лопатки - фиг. 8, сечения З-З и Л-Л.
Указанная величина выступания выполняется в пределах 1/3-1/2 от размера шага лопаточной решетки ВНА первой ступени компрессора двигателя, чем обеспечивается предотвращение от прохода во внутренний тракт двигателя крупных посторонних предметов, соизмеримых с шагом ВНА и способных проникнуть через него в ГВТ двигателя.
При необходимости предотвращения прохода во внутренний тракт вентиляторного ГТД посторонних предметов в диапазоне размеров, которые не охватываются вышеприведенными рекомендациями по выбору размеров зазора h и выступания отражающего элемента Н, в устройстве устанавливаются у каждой лопатки вентилятора по две барьерные отражающие стойки (БОС) 14 и 14' (см. фиг. 9). Обе стойки устанавливаются в зоне хорды лопатки, в которой посторонние предметы уже завершили инерционную сепарацию в тангенциальном направлении и движутся по поверхности лопатки. Первая БОС устанавливается на большем расстоянии от поверхности лопатки и осуществляет защиту от прохода более крупных фракций посторонних предметов. Вторая БОС, предотвращающая от прохода во внутренний тракт более мелкие посторонние предметы, устанавливается ближе к поверхности лопатки и смещена назад по отношению  к первой БОС, при этом вторая БОС выступает над поверхностью лопатки на величину, равную приблизительно половине размера зазора, образованного между расположенной спереди БОС и поверхностью корытца вентиляторной лопатки.
В итоге устройством обеспечивается защита внутреннего тракта двигателя от прохода посторонних предметов в широком диапазоне распределения их размера и, кроме того, эшелонированное расположение БОС не приводит к высокому возрастанию гидравлического сопротивления в межлопаточном канале.
Источники информации
1. US №5123240, 23.06.1992.
2. US №5431535, 11.07.1995.
3. FR №2873751, 28.07.2004.
4. RU №2198311, 03.01.2001.
5. RU №2459965, 27.08.2012.
6. A.A. Иноземцев, E.A. Коняев, B.B. Медведев, А.В. Нерадько, А.Е. Рясов. ПС-90А Авиационный двигатель, г. Москва, изд. Либра-К, 2007 г. (стр. 44 - обтекатель, стр. 47 - осевой зазор, рис. 3.7).
7. Двигатель ПС-90А. Руководство по технической эксплуатации. 94-00-807РЭ. Издание ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь, 1990 г., книга 1, раздел 72.33.00 (стр. 2 - удаление посторонних предметов).
8. Б.С. Стечкин, П.К. Казанджан, Л.П. Алексеев, А.Н. Говоров, Ю.Н. Нечаев, P.M. Федоров. Теория реактивных двигателей. Лопаточные машины. Государственное издательство Оборонной промышленности, г. Москва, 1956 г. (стр. 214, 233).
9. Холщевников К.В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин, г. Москва, изд. Машиностроение, 1978 г. (стр. 152, 187).
10. М.М. Масленников, Ю.Г. Бехли, Ю.И. Шальман. Газотурбинные двигатели для вертолетов. Изд. Машиностроение, г. Москва, 1969 г., стр. 160-163).
11. И.М. Воронков, Курс теоретической механики. Изд. Наука, г. Москва, 1966 г. (стр. 576).
12. Курс теоретической механики под редакцией К.С. Колесникова, г. Москва, издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005 г. (стр. 653-699).