Воздухозаборное устройство вертолетного газотурбинного двигателя
AIR INTAKE DEVICE OF HELICOPTER GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к области авиастроения, конкретно к воздухозаборным устройствам вертолетных газотурбинных двигателей (ГТД), удаляющим из воздуха частицы песка и пыли. Попадание в газовоздушный тракт двигателя указанных частиц в большом количестве приводит к эрозионному износу лопаток компрессора двигателя, снижению мощности двигателя и запасов его газодинамической устойчивости (к помпажу), а также к снижению ресурса двигателей, удорожанию ремонта ГТД, уменьшению эксплуатационной технологичности и двигателя, и вертолета, к снижению безопасности полетов, ухудшению топливной экономичности и т.п.
Известны способы и устройства, предназначенные для решения данной проблемы, описания их приведены в патентах [1, 2, 3], а также в работе [4]. Последнее из устройств-аналогов [4] пылезащитное устройство (ПЗУ) нашло широкое применение в отечественном вертолетостроении и в эксплуатации.
Предлагаемое изобретение функционально и конструктивно в большой мере базируется на вышеупомянутом ПЗУ, которое и принято в качестве прототипа.
В процессе длительной и широкой эксплуатации данного ПЗУ у него выявились определенные недостатки, среди которых наиболее остро проявилась неспособность ПЗУ к очистке воздуха в режиме полета вертолета в условиях запыленного воздуха. Причиной отсутствия очистки воздуха в ПЗУ в режиме полета вертолета являются следующие факторы:
- в конструкции указанного ПЗУ-прототипа не предусмотрено выполнение функции очистки воздуха в режиме полета вертолета (а только при висении, взлет-посадке), соответственно, направление притекания воздуха ко входу ПЗУ, а также скорости движения частиц песка и пыли не обеспечивают их сепарации в ПЗУ;
- при полете вертолета частицы пыли, содержащиеся в воздушном потоке, огибающем грибообразный обтекатель устройства, сепарируются из потока на поверхность обтекателя ПЗУ, но не удаляются из воздушного потока, а проходят в воздухозаборное заборное отверстие устройства, и далее в двигатель.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является получение воздухозаборного устройства, способного выполнять функцию очистки воздуха от частиц песка и пыли не только на режимах взлет-посадок, висений и перемещений с малой скоростью (что имеет место у ПЗУ-прототипа), но и в режиме полета вертолета в условиях запыленной атмосферы.
Решение поставленной задачи обеспечивает:
- очистку воздуха от существенной доли наиболее крупных фракций частиц песка и пыли в режиме горизонтального полета вертолета;
- повышение ресурса двигателей при работе их в запыленном воздухе в широких условиях эксплуатационных режимов, улучшение характеристик вертолета по возможности использования его в местах с повышенной запыленностью воздушного пространства.
Успешному решению поставленной задачи способствуют следующие факторы:
- наличие в устройстве обтекателя, предотвращающего прямой проход загрязненному воздуху во вход в ГТД;
- наличие в набегающем воздушном потоке перед обтекателем участка с искривленными линиями движения воздушного потока в режиме полета вертолета и, соответственно, наличие возможности сепарации и концентрации пылевых частиц из потока у лобовой поверхности обтекателя;
- возможность использования существующей конструкции «грибкового» ПЗУ в качестве основы для модернизации и получения очистки воздуха в полетном режиме.
Сущность предлагаемого воздухозаборного устройства вертолетного ГТД, удаляющего из воздуха частицы песка и пыли на режимах работы вертолета в полете, заключается в следующем. По своей конструкции предлагаемое воздухозаборное устройство в основном повторяет исходную конструкцию ПЗУ-прототипа [4]. Оно включает в свой состав входной тоннель, выполненный в виде обечайки, имеющей с передней стороны входное отверстие с коллекторной губой. Во входном тоннеле со стороны входного отверстия установлен обтекатель, представляющий собой тело вращения, имеющее переднюю расширяющуюся и заднюю сужающуюся части с наибольшей площадью поперечного сечения в миделевом сечении обтекателя. Обтекатель закреплен на тоннеле соосно и формирует совместно с ним воздухозаборное кольцевое отверстие устройства, а также проточный канал с поворотным и прямым участками. В состав устройства входят также: сепаратор, патрубок отвода пыли из сепаратора и эжектор отсоса пылевого концентрата. Данная исходная конструкция воздухозаборного устройства-прототипа (ПЗУ), чистящая воздух только при малых скоростях перемещения вертолета, в предлагаемом изобретении оборудована дополнительной системой сбора и удаления частиц песка и пыли из воздуха, поступающего к вертолетному ГТД, в режиме полета вертолета в загрязненной атмосфере.
С этой целью в оболочке обтекателя в его передней расширяющейся части выполнено входное кольцевое отверстие, разделяющее переднюю часть обтекателя на концентрично расположенные периферийный и центральный элементы. У периферийного элемента передняя часть оболочки выполнена в форме поверхности усеченного круглого конуса. Центральный элемент представляет собой оболочку в форме выпуклого участка поверхности вращения с криволинейной образующей. Указанные элементы установлены один по отношению к другому таким образом, что периферийный элемент выступает вперед относительно центрального. Между элементами образовано указанное выше входное кольцевое отверстие в обтекателе и последующий за ним кольцевой диффузорный канал, сообщающий внутреннюю полость обтекателя с внешним пространством воздухозаборного устройства. В обтекателе устройства также выполнены один или более выводных патрубков, установленных в периферийной зоне обтекателя, патрубки установлены в радиальном направлении, проходят сквозь оболочку обтекателя из его внутренней полости во внешнее воздушное пространство. На торце выводного патрубка, расположенном во внутренней полости обтекателя, выполнен входной коллектор, часть выводного патрубка, расположенная снаружи во внешнем воздушном потоке, имеет овальную форму поперечного сечения и ориентирована своим выходным отверстием в заднюю радиально-боковую сторону от воздухозаборного отверстия устройства.
При полете вертолета в загрязненной атмосфере частицы песка и пыли из набегающего воздушного потока будут входить в контактное взаимодействие с поверхностью центрального элемента обтекателя и следовать вдоль нее в пристеночном слое, увеличивая концентрацию по мере удаления от центра потока. Благодаря введению в конструкцию обтекателя входного кольцевого отверстия и кольцевого диффузорного канала пристеночный слой воздуха с отсепарированными на поверхность обтекателя частицами песка и пыли будет входить во внутреннюю полость обтекателя и затем, под действием избыточного давления от скоростного напора набегающего потока, будет выходить по выводным патрубкам во внешнее пространство сзади от воздухозаборного отверстия устройства. Другая часть посторонних частиц, вступивших в контактное взаимодействие с коническим участком поверхности периферийного элемента обтекателя, приобретает начальные условия движения, позволяющие большой доле наиболее крупных и абразивоопасных частиц пересечь слой воздушного потока, огибающего обтекатель, и выйти из него до входа потока в воздухозаборное отверстие устройства.
Сущность заявленного воздухозаборного устройства поясняется на схемах - Фиг. 1, 2, 3.
На схеме Фиг. 1 показан продольный разрез воздухозаборного устройства-прототипа [4], его основные элементы, линии тока воздуха на входе в устройство при режимах висения и горизонтального полета, также показаны траектории движения частиц песка и пыли.
На схеме Фиг. 2 показан продольный разрез воздухозаборного устройства, выполненного в соответствии с настоящим предложением, при этом в представленном варианте предусматривается установка двух выводных патрубков.
На схеме Фиг. 3 показан продольный разрез воздухозаборного устройства, выполненного в соответствии с настоящим предложением, также показаны линии тока воздуха и траектории движения частиц пыли в условиях полета вертолета в загрязненном воздухе.
Воздухозаборное устройство Фиг. 1 включает в себя входной тоннель 1, выполненный в виде обечайки 2, имеющей с передней стороны входное отверстие с коллекторной губой 3. С передней стороны входного тоннеля 1 установлен обтекатель 4, представляющий собой тело вращения, имеющее переднюю расширяющуюся часть 4' и заднюю сужающуюся часть 4'', между указанными частями обтекателя располагается наибольшее по диаметральному размеру поперечное сечение обтекателя М-М - миделево сечение. Обтекатель 4 крепится к входному тоннелю 1 соосно и формирует совместно с тоннелем воздухозаборное кольцевое отверстие 8 и проточный канал 9 с поворотным участком 9' и прямым участком 9''. Задним фланцем входной тоннель соединяется с вертолетным ГТД 13. В состав воздухозаборного устройства входят также: сепаратор 5, магистраль отвода пыли из сепаратора 5 - прямой патрубок 6, поворотный патрубок 6' и эжектор отсоса пылевого концентрата 7.
Сепаратор 5 представляет собой конусообразную жалюзийную решетку, состоящую из набора последовательно расположенных отражающих кольцевых элементов 5' и опоры 5'', между которыми образованы перепускные щелевые протоки 11, сообщающие внутреннюю полость сепаратора с пространством проточного канала 9. Своей задней опорой 5'' сепаратор крепится к центральному фланцу вертолетного двигателя 13. Патрубок отвода пыли 6 размещается между задней опорой 5'' сепаратора и обтекателем 4, с помощью поворотного патрубка 6'. Пылеотводная магистраль соединяется с эжектором отсоса пылевого концентрата 7.
В предлагаемом воздухозаборном устройстве Фиг. 2 выполнена дополнительная система сбора и удаления из воздуха, поступающего к вертолетному ГТД, частиц песка и пыли в режиме полета вертолета в загрязненной атмосфере. Работа системы основана на использовании процесса инерционной сепарации тяжелых частиц песка и пыли, имеющего место при огибании воздушным потоком обтекателя устройства.
С этой целью в оболочке обтекателя 4 Фиг. 2 в его передней расширяющейся части 4' выполнено входное кольцевое отверстие 16, разделяющее переднюю часть обтекателя на концентрично расположенные периферийный 14 и центральный 14' элементы, которые скреплены в единый узел с помощью проставок 15. У периферийного элемента передняя часть оболочки выполнена в форме поверхности усеченного круглого конуса с отверстием 17, обращенным навстречу набегающему воздушному потоку, при этом место перехода от конусной поверхности к прилегающему сзади цилиндрическому участку выполнено с изломом контура. Наклон образующей конусной поверхности к оси обтекателя выполнен под углом а, величина которого выбирается исходя из условия придания пылевым частицам начальных условий, обеспечивающих им вектор скорости достаточный для пересечения частицами воздушного потока в боковом направлении. Центральный элемент 14' представляет собой оболочку в форме выпуклого участка поверхности вращения с криволинейной образующей (напр.: эллипс, гипербола, парабола). Указанные элементы установлены один по отношению к другому таким образом, что периферийный элемент 14 выступает вперед относительно центрального 14'. Между элементами образовано входное кольцевое отверстие 16 и последующий за ним кольцевой диффузорный канал 16', сообщающий внутреннюю полость 17' сообщающий внутреннюю полость 17' обтекателя 4 с внешним пространством воздухозаборного устройства со стороны набегающего воздушного потока.
В обтекателе 4 устройства выполнен один или более выводных патрубков 18, установленных в периферийной зоне обтекателя. Патрубки установлены в радиальном направлении, проходят сквозь оболочку обтекателя из его внутренней полости 17' во внешнее воздушное пространство. На торце выводного патрубка 18, расположенном во внутренней полости 17' обтекателя, выполнен входной коллектор 18'. Часть выводного патрубка 18, расположенная снаружи во внешнем воздушном потоке, имеет овальную форму поперечного сечения и ориентирована своим выходным отверстием 18'' в заднюю радиально-боковую сторону от воздухозаборного отверстия 8.
Воздухозаборное устройство работает следующим образом. При работе вертолета на режимах малых скоростей перемещения (руление, взлет-посадки, висение и т.п.) картина линий тока воздуха, притекающего к воздухозаборному отверстию 8 - Фиг. 1, показана штриховыми линиями 8'. На криволинейном участке 9' кольцевого канала 9 осуществляется инерционная сепарация пылевых частиц, которые движутся по криволинейным траекториям и поступают во входное отверстие 10' сепаратора 5. Направление движения воздуха и пыли показано стрелками: 12 - чистый воздух, 12' - воздух с пылью, 12'' - пылевой концентрат. В сепараторе продолжается дальнейшая ступенчатая концентрация загрязняющего материала в воздухе, пылевой концентрат 12'' поступает по магистрали отвода пыли (патрубки отвода 6 и 6') в эжектор 7, откуда выводится из устройства в окружающее пространство. Воздух, очищенный от загрязняющих частиц на криволинейном участке 9', поступает в кольцевой проход 10 и по прямому участку 9'' проточного канала 9 проходит во вход вертолетного ГТД 13. Часть воздуха 12, очищенного в сепараторе 5, по перепускным щелевым протокам 11 также поступает в проточный канал 9 и в двигатель. Описанным выше образом работают и воздухозаборное устройство-прототип («грибковое» ПЗУ) и предлагаемое устройство на режимах работы вертолета с малой скоростью перемещения.
При работе вертолета на режимах полетных скоростей картина линий тока воздуха, притекающего к воздухозаборному отверстию 8 устройства-прототипа, показана на Фиг. 1 штриховыми линиями 20 и 21, которые ограничивают часть набегающего воздушного потока, следующего к двигателю из центральной зоны потока. В указанную часть потока дополнительно поступают также частицы песка и пыли из боковой зоны потока между линиями тока 21-22. Точки К и К' - критические точки линий тока 20, 21. Наибольшая доля частиц из набегающего потока поступает из центральной зоны, при этом основная доля крупнодисперсных (наиболее абразивоопасных) частиц приходит в контактное взаимодействие с поверхностью обтекателя 4. После соударения с поверхностью частицы следуют вдоль нее и концентрируются в пристеночном слое. При исходной геометрии обтекателя благодаря плавным обводам контура в зоне наибольших диаметральных размеров (миделя) частицы пыли не имеют сколь-либо значимых запасов энергии боковой составляющей скорости движения для пересечения воздушного потока, ограниченного линией тока 21. В итоге они проходят с потоком в воздухозаборное отверстие 8 устройства - Фиг. 1, в основном не попадают во вход 10' сепаратора 5, а проходят в отверстие 10 прямо во вход ГТД 13, в результате очистка воздуха отсутствует.
Работа воздухозаборного устройства, выполненного в соответствии с настоящим предложением, на режимах полета вертолета в загрязненном воздухе показана на Фиг. 3. Воздушный поток, поступающий в воздухозаборное отверстие 8 устройства, ограничен линиями тока воздуха 20-21, при этом показаны траектории движения частиц пыли с размерами 5-40 ммк, движущихся в потоке. Основная масса пылевых частиц, потенциально способных поступить в воздухозаборное отверстие 8, изначально находится в зоне между линиями тока воздуха 20-21 (из зоны внешнего потока между линиями тока 21-22 также проходит некоторая доля частиц). Пылевые частицы из указанной зоны при движении около поверхности обтекателя в искривленном потоке под действием инерционных сил не успевают следовать вдоль линий тока воздуха, входят в контактное взаимодействие с поверхностью центрального элемента 14' обтекателя 4. Далее частицы следуют вдоль поверхности в пристеночном слое, увеличивая свою концентрацию в воздухе по мере приближения к входному кольцевому отверстию 16, проходят через него в кольцевой диффузорный канал 16' и попадают во внутреннюю полость 17' обтекателя 4. Из внутренней полости обтекателя воздух с частицами пыли выходит под действием избыточного давления от скоростного напора набегающего воздушного потока по выводным патрубкам 18 во внешнее пространство в задней зоне от воздухозаборного отверстия 8. При недостатке давления воздуха внутри обтекателя для увеличения расхода воздуха, выводимого наружу, в выводных патрубках 18 установлены вентиляторы 19, включаемые в рабочий режим при необходимости. Другая часть посторонних частиц, движущихся преимущественно в периферийной зоне набегающего воздушного потока, вступает в контактное взаимодействие с конической поверхностью периферийного элемента 14' передней части 4' обтекателя. В результате твердые частицы приобретают начальные условия движения, позволяющие большой доле наиболее крупных и абразивоопасных частиц пересечь слой воздушного потока 20-21, огибающего сбоку обтекатель 4, и выйти за пределы потока до входа его в воздухозаборное отверстие 8 устройства - за пределами критической точки К' внешней линии тока 21.
В результате использования предлагаемого воздухозаборного устройства значительная доля крупнодисперсных фракций пыли может эффективно удаляться из воздуха, поступающего в вертолетный ГТД в режиме полета вертолета в загрязненной атмосфере.
Источники информации
1. Патент US №4881367, 1989 F02C 3/32.
2. Патент US №3513691, 1970 F02C 3/32.
3. Патент US №4493185, 1985 F04D 29/70.
4. В.А. Дмитриев, В.М. Занько, Н.П. Калинин, А.И. Кривко. Вертолет Ми-8 МТВ, Москва, Транспорт 1995 г. (стр. 164, Пылезащитное устройство).