Воздухозаборное устройство вертолета
HELICOPTER AIR INTAKE

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 забоинам и эрозионному износу лопаток компрессора двигателя, снижению мощности двигателя и запасов его газодинамической устойчивости (к помпажу), а также к другим опасным и убыточным последствиям, таким, как снижению надежности и безопасности полетов, уменьшению межремонтного срока службы двигателей, удорожанию ремонта двигателей, ухудшению топливной экономичности, эксплуатационной технологичности и другое.
Известны устройства, предназначенные для решения данной проблемы, описания их приведены в работах [1, 2, 3, 4]. Устройства [1, 2, 3] нашли широкое применение в вертолетостроении и в эксплуатации.
В отечественном вертолетостроении широко применяется устройство [3] - пылезащитное устройство (ПЗУ) "грибкового" типа, которое с 70-х годов прошлого века устанавливается практически на все отечественные вертолеты с ГТД. Оно позволило устранить досрочные съемы двигателей по причине их абразивного износа, но достигнуть этого удалось при эксплуатации вертолетов в основном в климатических условиях России и других странах с умеренной загрязненностью атмосферы, на двигателях, имевших межремонтный срок службы -750 часов, при использовании ПЗУ на кратковременных режимах работы вертолета в зоне влияния земли (взлет, посадка, висение), когда в воздух поднимается пыль, генерируемая несущим винтом. Однако, по мере расширения использования отечественных вертолетов в странах с жарким и сухим климатом, наличием песчаных пустынь и высокогорий, а также в связи с увеличением межремонтного ресурса современных ГТД, проблема досрочного съема двигателей по причине их абразивного износа опять приобретает актуальный характер. Ситуация усугубляется еще и тем обстоятельством, что в районах, где песчаные и пыльные бури случаются достаточно часто, в приземном слое атмосферы пыль находится в воздухе еще несколько суток после окончания бури. В результате вертолеты вынуждены производить полеты в атмосфере, загрязненной мелкими фракциями кварцевой пыли, подвергая двигатели длительному интенсивному абразивному износу, поскольку установленные на них ПЗУ "грибкового" типа не рассчитаны на выполнение очистки воздуха в режиме полета вертолета.
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее предложение, является создание воздухозаборного устройства вертолета, обеспечивающего:
- эффективную очистку воздуха от посторонних предметов в широком диапазоне их дисперсного состава на режимах работы вертолета вблизи поверхности земли (руление, взлет, посадка, висение, перемещение над поверхностью), а также очистку воздуха от пылевых частиц при полете вертолета в загрязненной атмосфере, при этом требуемый уровень эффективности очистки воздуха должен обеспечивать эксплуатацию вертолетного двигателя в условиях повышенной запыленности в течение межремонтного срока службы двигателя как старых, так и новых модификаций (с повышенным ресурсом);
- допустимый уровень снижения летно-технических характеристик (ЛТХ) вертолета от воздухозаборного устройства за счет низкого уровня гидравлического сопротивления устройства при работе вертолета в режиме очистки воздуха у земли и в полете, а также за счет минимизации потерь полного давления скоростного напора воздушного потока при полете вертолета в условиях чистого воздуха;
- возможность использования предлагаемого воздухозаборного устройства в условиях габаритно-компоновочных ограничений конструкции существующих вертолетов, а также в реальных условиях эксплуатации в соответствии с целевым назначением типа вертолета.
Сравнительный анализ известных устройств-аналогов [1, 2, 3, 4] в части возможности их использования для решения поставленной задачи показывает, что по разным причинам ни одно из них не в состоянии полностью удовлетворить комплекс требований, предъявляемых к воздухозаборному устройству с очисткой воздуха. Устройство-аналог [4] также в исходном варианте не удовлетворяет в полной мере требованиям по обеспечению очистки воздуха в широком спектре дисперсного состава загрязняющих частиц при разнообразных условиях и режимах работы вертолета. Также в данном аналоге проявляются габаритно-компоновочные несоответствия, существенно препятствующие возможности использования его в реальных условиях серийно выпускаемых вертолетов. Однако важным достоинством данного устройства-аналога является потенциальная способность его обеспечить требуемые ЛТХ вертолета на всех режимах работа, что является следствием использования в его схеме байпасного канала. Работы по совершенствованию обсуждаемого аналога показали возможность достижения в нем более высокого уровня очистки воздуха и возможность уменьшения в необходимой мере его габаритов. Так что устройство-аналог [4] будем считать прототипом настоящего воздухозаборного устройства вертолета.
Решение поставленной технической задачи обеспечивает получение воздухозаборного устройства, имеющего:
- требуемый уровень эффективности очистки воздуха от посторонних предметов, в том числе от мелкого гравия, частиц песка и пыли в широком спектре дисперсного состава частиц на разнообразных режимах работы вертолета (взлет, посадка, висение, полет и т.д.);
- допустимый уровень гидравлических потерь скоростного напора воздуха в полете, кроме того, благодаря наличию байпасного канала устройство создает минимальные потери давления на входе в двигатель при работе вертолета в чистой атмосфере;
- приемлемые габаритно-компоновочные размеры устройства, позволяющие устанавливать его на существующие серийные вертолеты.
Благодаря решению вышеуказанной задачи при установке на вертолет предлагаемого воздухозаборного устройства в двигатель будет поступать меньшее количество песка и пыли, межремонтный ресурс двигателей, соответственно, возрастает, прекращаются досрочные съемы двигателей, двигатели вырабатывают межремонтный срок службы. Одновременно улучшаются летно-технические характеристики вертолета - по грузоподъемности, дальности полета, топливной эффективности. При этом первоначальные проработки дают основание ожидать, что установка нового воздухозаборного устройства на серийный вертолет не будет приводить к серьезной и дорогостоящей переделке планера и систем. Что касается соответствия нового устройства многим другим требованиям, предъявляемым к воздухозаборным устройствам вертолета, то в первом приближении можно считать рассматриваемое устройство эквивалентным своему устройству-аналогу [3] - ПЗУ "грибкового" типа.
Сущность предлагаемого воздухозаборного устройства вертолета, выполняющего одновременно с забором воздуха из окружающего пространства функцию очистки воздуха от частиц песка, пыли и других посторонних предметов, заключается в следующем.
Устройство включает в свой состав тоннель, имеющий в передней части входной участок с коллекторным входом, последующий расширяющийся участок тоннеля с увеличивающейся площадью поперечного сечения, плавно переходящий в сужающуюся выходную часть. Заканчивается тоннель выходным отверстием, примыкающим ко входу вертолетного двигателя. Внутри тоннеля в широкой серединной его зоне расположен обтекатель, представляющий собой тело вращения, имеющее с внешней боковой стороны выпуклую форму, а в центральной зоне обтекателя выполнен проточный канал. Указанные входной участок тоннеля, проточный канал обтекателя и выходной участок тоннеля с выходным отверстием формируют центральный проточный канал воздухозаборного устройства.
Дополнительно к указанному центральному проточному каналу в пространстве между тоннелем и обтекателем образован периферийный обводной кольцевой канал, в котором располагается системы воздухоочистки устройства, включающая в себя инерционный сепаратор в криволинейном воздушном потоке. Также в состав воздухоочистительной системы устройства входит сепаратор-концентратор уловленных посторонних предметов и частиц, расположенный в обводном канале и выполненный в виде кольцевой жалюзийной решетки, сборник уловленного пылевого концентрата и средства удаления его из сборника во внешнее пространство. Кроме того, в состав воздухозаборного устройства входит перекрывной затвор, закрывающий и открывающий проход воздуху по центральному проточному каналу устройства.
При работе воздухозаборного устройства в режиме воздухоочистки поворотные створки (или заслонка) перекрывного затвора устанавливаются в положение, при котором они закрывают проход воздуху в центральный проточный канал. В обводном кольцевом канале устройства непосредственно перед криволинейным участком инерционного сепаратора выполнен подготовительный участок, образованный пространством между поверхностью расширяющейся части тоннеля и передней поверхностью обтекателя, состоящий из передней периферийной и передней лобовой его частей. При этом передняя периферийная оболочка обтекателя имеет конусообразную форму поверхности, а лобовой поверхностью обтекателя являются поверхности поворотных створок перекрывного воздушного затвора. Указанный подготовительный участок предназначен для придания массе посторонних частиц, следующих в воздушном поток, начальных условий движения на входе их в последующий поворотный участок инерционного сепаратора, способствующих дальнейшей эффективной сепарации посторонних частиц. Угол поворота канала на криволинейном участке сепаратора выполнен величиной, равной 100°±20°. Относительный радиус поворота обводного канала на участке сепаратора, выражаемый отношением радиуса поворота средней линии тока воздушного потока к радиальной высоте воздушного потока в поворотном канале, выполнен размерами, лежащими в пределах 1÷2.
Сущность заявляемого изобретения "Воздухозаборное устройство вертолета", выполняющего одновременно с функцией забора воздуха из окружающего пространства функцию очистки воздуха от частиц песка, пыли и других посторонних предметов, поясняется схемой Фиг. 1, на которой показан продольный разрез устройства с центральной продольной осью симметрии О-О. Воздухозаборное устройства 1 вертолета включает в себя тоннель 2 круглого сечения, у которого спереди расположено входное отверстие 3, входная коллекторная "губа" 4 с минимальным по площади проходным сечением 4' ("горлом"), расширяющийся участок 5, переходящий с помощью плавной кривой в сужающийся участок 6'. С внешней стороны тоннеля располагается оболочка 7, которая совместно с задней стенкой 8 и сужающимся участком 6' тоннеля образуют сборную камеру 9. Сзади тоннель 2 заканчивается выходным патрубком 12 с выходным отверстием 13, которым воздухозаборное устройство вертолета стыкуется со входом двигателя 14.
В состав входит также обтекатель 6, располагающийся во внутренней полости тоннеля 2, в его серединной широкой зоне, крепящийся к тоннелю с помощью стоек 5'. Обтекатель 6 представляет собой тело вращения, имеющее внешнюю оболочку с выпуклой формой поверхности. Передняя часть обтекателя в своей периферийной зоне выполнена в форме конусообразной поверхности 21, которая переходит в заднюю сужающуюся часть обтекателя. В центральной зоне обтекателя встроена цилиндрическая оболочка 22, которая совместно с конусообразной оболочкой 21 образуют переднюю кромку 21' входного отверстия в проточный канал 23, расположенный внутри оболочки 22.
В зоне плоскости указанного входного отверстия 21'. в обтекателе установлен перекрывной затвор с поворотными створками 24, имеющими 2 рабочих положения - "открытое" и "закрытое", при этом привод 15 затвора с поводками 25 расположены вне проточной части устройства. Указанный перекрывной затвор может иметь и другие варианты исполнения, например, в виде одной поворотной двухпозиционной заслонки. На схеме Фиг. 1 створки 24 показаны в двух положениях - на верхней половине схемы створка находится в открытом положении (чистый воздух проходит прямо к двигателю), на нижней половине створка - в закрытом положении (загрязненный воздух проходит в обводной воздухоочистительный канал).
В состав воздухозаборного устройства вертолета входит также воздухоочистительная система, расположенная в обводном кольцевом канале, образованном в радиальном пространстве между тоннелем 2 и обтекателем 6, соединяющем входное пространство 26 тоннеля с выходным 16. В указанную воздухоочистительную систему входит подготовительный участок между сечениями 28-29 канала, инерционный сепаратор в криволинейном участке обводного канала между сечениями 29-31, сепаратор-концентратор, расположенный в задней зоне обводного канала.
h
Угол поворота α - поз. 30 проточного канала на участке сепарационного сепаратора выполняется размером ∠α=100°±20°. Радиус поворота канала, выражаемый относительной величиной  где R ср.л. - радиус средней линии тока воздушного потока в поворотной участке канала - поз. 29', a  - высота сепарируемого воздушного потока в радиальном направлении - поз. 30', выполнен в пределах R отн. = 1±2.
В состав воздухозаборного устройства вертолета входит центральный проточный канал, включающий в себя входной участок тоннеля 2, с входным отверстием 3, "губой" 4, входным пространством 26 тоннеля перед обтекателем 6, проточный канал 23 обтекателя 6, выходное пространство 16 тоннеля 2.
Сепаратор-концентратор, расположенный в зоне выходной сужающейся части 6' тоннеля 2, выполнен в виде жалюзийной решетки из нескольких кольцевых элементов 10. Указанный сепаратор-концентратор предназначен для очистки поступающего к нему во вход 33 запыленного воздуха и концентрации уловленных посторонних частиц в малом количестве воздуха. Для отвода и выброса пылевого концентрата в воздухоочистительной системе устройства предусмотрены ранее указанная сборная камера 9 и средство отвода и выброса, причем в качестве средства выброса могут быть использованы либо вентилятор с электроприводом, либо эжектор с запиткой сжатым воздухом. На Фиг. 1 в качестве источника отсоса пылевого концентрата показан вентилятор 20.
В соответствии с последовательностью использования воздухозаборного устройства при эксплуатации на вертолете очистку воздуха необходимо осуществлять уже на самом начальном этапе - при рулении, взлете и, если это необходимо, то и в полете в загрязненной атмосфере. Поэтому в данном случае воздухозаборное устройство приводится в положение, соответствующее выполнению процесса очистки воздуха - при этом в воздухозаборном устройстве перекрывной затвор в центральном канале 23 обтекателя 6 закрыт, створки 24 установлены в положение "Закрыто". На Фиг. 1 соответствующее положение створки показано на нижней половине схемы. Запыленный воздух входит во входное отверстие 3 тоннеля 2, проходит "горловое" сечение 4' и поступает в зону пространства 26 перед обтекателем 6. На этом участке воздушный поток при закрытых створках 24 разворачивается в периферийную сторону обводного канала в соответствии с линией тока воздуха 27. Посторонние частицы также разворачиваются в своем движении под действием потока к периферии, но с отставанием от потока, так что большая доля частиц, особенно крупных фракций, вступает в контактное взаимодействие с передней поверхностью обтекателя 6, представляющей собой поверхность закрытых створок 24 и конусообразным периферийным участком 21 обтекателя 6. Далее по ходу движения потока в обводном канале устройства выполнен подготовительный участок, расположенный между сечениями 28 и 29, в котором посторонним частицам оказывается воздействие (аэродинамическое - со стороны воздушного потока, ударное - со стороны стенок окружающего канала), направленное на придание им возможно большей скорости и направления движения с большой радиальной составляющей. В результате посторонние частицы на выходе из подготовительного участка и на входе в поворотный сепарационный участок в сечении 29 имеют начальные условия, способствующие эффективному перемещению частиц к периферийной зоне участка сепаратора, расположенного в обводном канале между сечениями 29-30.
Под действием инерционных сил частицы песка, пыли и прочие посторонние предметы, движущиеся вместе с поворачивающимся воздушным потоком на участке сепарации, перемещаются в сторону больших радиусов потока и концентрируются в периферийной зоне канала (у внешней стенки 6' тоннеля 2). Очищенная часть воздуха движется по внутренней зоне потока (у поверхности обтекателя 6). В результате в выходной зоне сепаратора воздушный поток разделяется на внутреннюю, по которой движется основная часть воздуха, очищенная от посторонних частиц, и внешнюю зону, по которой движется меньшая часть воздуха, содержащая в себе основную массу посторонних частиц. После выхода из участка сепарации в сечении 31 воздушный поток разделяется по двум кольцевым каналам, соответственно: по внутреннему каналу 32 движется основная часть очищенного воздуха, по внешнему каналу 33 движется малая часть воздуха с отсепарированными посторонними предметами.
Разделение единого потока из сепаратора на 2 части производится у передней кромки первого элемента 10 жалюзийной решетки, который формирует кольцевой вход 33 в полость сепаратора-концентратора для загрязненной части потока.
Далее очищенный в сепараторе воздух - большая стрелка 17 - поступает в выходную часть 16 тоннеля и следует во вход двигателя 14.
В жалюзийной решетке загрязненный воздух проходит через перепускные каналы 11 между элементами 10 решетки, в которых он очищается от посторонних частиц при повороте потока в каналах, очищенный воздух выходит в выходную часть 16 тоннеля - малая стрелка 17. Отделенные в жалюзийной решетке посторонние частицы вместе с небольшой частью воздуха (пылевой концентрат) по кольцевому каналу 18 поступают в сборник 9, из которого удаляются с помощью вентилятора 20, затемненные стрелки 19 показывают движение концентрата на вход и выход из вентилятора.
При полете вертолета в чистом воздухе воздухозаборное устройство выполняет функцию забора воздуха из набегающего воздушного потока без выполнения его очистки. Поскольку указанный режим для большинства регионов эксплуатации вертолетов с умеренным климатом является наиболее распространенным и общее время работы вертолета на режиме воздухозабора без очистки существенно превышает время работы устройства в режиме воздухоочистки, то целесообразно в указанный период максимально снизить вредные гидравлические потери воздухоподвода к двигателю, исключив из подводящего канала участки с деформацией потока. Предлагаемое воздухозаборное устройство вертолета при работе в чистой атмосфере приводится в положение, соответствующее открытому проходу воздуха ко входу в двигатель - так называемый байпасный режим работы - створки 24 устанавливаются в положение "открыто", на Фиг. 1 соответствующее положение створки показано на верхней половине схемы. Незагрязненный воздух проходит беспрепятственно от входного отверстия 3 тоннеля 2 через входной участок тоннеля, далее основная часть воздуха поступает в центральный проточный канал 23 обтекателя 6 и по выходному участку 16 тоннеля проходит во вход двигателя 14, при этом некоторая часть воздуха проходит и по обводному воздухоочистительному каналу и присоединяется к основному потоку - стрелки 17 в выходной части 16 тоннеля.
Благодаря возможности длительного использования воздухозаборного устройства при полете вертолета в байпасном режиме работы улучшаются (по сравнению с существующим вертолетным ПЗУ) ЛТХ вертолета, в частности: по грузоподъемности, дальности полета, по расходу топлива, топливной эффективности.
Также благодаря наличию возможности работы вертолета с предлагаемым устройством в условиях обледенения в режиме включения его в байпасный режим работы легче решается задача обеспечения воздухозаборного устройства противообледенительной системой (по сравнению с существующим ПЗУ "грибкового" типа), так как в нем существенно сокращаются площади поверхностей, подверженные обледенению.
Источники информации
1. Патент US №3421296 14.01.1969 В64с 21/00, B01d 45/12.
2. Патент US №4527387 09.07.1985 F02G 3/00.
3. В.А. Данилов, В.М. Занько, Н.П. Калинин, А.И. Кривко Вертолтет Ми-8 МТВ, Москва, Транспорт 1995 г. (стр. 164 Пылезащитное устройство).
4. Патент RU №2671256 30.10.2018 F02C 7/052.