ВОЗДУХОЗАБОРНИК ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ В ГОНДОЛЕ
NACELLE-MOUNTED GAS-TURBINE ENGINE AIR INLET

Настоящее изобретение относится к области авиационных газотурбинных двигателей и, в частности, касается воздухозаборника газотурбинного двигателя, при этом последний включает в себя собственно двигатель и гондолу, в котором он установлен.
Как правило, газотурбинный двигатель содержит газогенератор, образованный одним или несколькими наборами роторов, вращающихся вокруг одной и той же оси. Каждый набор, называемый корпусом, состоит из компрессора и турбины, чаще всего соединенных валом или барабаном и расположенных один на входе, а другая на выходе камеры сгорания по отношению к течению газового потока в двигателе. С этим газогенератором связан вращаемый им вентилятор или один, или несколько винтов.
Когда ротор вентилятора или винта расположен спереди двигателя, воздухозаборник генератора находится сзади этого ротора. Посторонние объекты, такие как птицы, град, вода или камни, которые могут всасываться генератором, по меньшей мере, частично замедляются или задерживаются передним ротором, которые за счет своей инерции и своих размеров частично образует экран, или отклоняются за счет центробежного действия вентилятора в направлении вторичного контура. Эта защита отсутствует на двигателях, в которых ротор вентилятора или винта не находится на входе воздухозаборника газогенератора.
Это относится к случаю двигателя с винтами, не закрытыми обтекателем, которые обозначают англо-саксонским термином “unducted fun”, UDF, или “open rotor”. Двигатель этого типа содержит пару винтов противоположного вращения, расположенных радиально снаружи гондолы, охватывающей генератор, напротив двух колес турбины, которыми они непосредственно приводятся в движении. Газогенератор является одноконтурным. Этот тип двигателя представлен в патентной заявке, поданной на имя заявителя: FR 2606081.
Одним из решений является усиление первых ступеней компрессора, однако это усиление может привести к увеличению размерности элементов с точки зрения массы и габаритов, так они должны выдерживать прямые удары.
Задачей настоящего изобретения является реализация воздухозаборника, который позволил бы уменьшить энергию удара объемных объектов таким образом, чтобы, достигая компрессора, они уже теряли энергию в достаточной степени, чтобы не повредить его органы.
Задачей изобретения является также выполнение воздухозаборника, который позволял бы отклонять объекты меньших размеров, такие как песок, лед, камни и вода, и удалять их, теряя при этом как можно меньше энергии.
Известны воздухозаборники для двигателей, которыми оборудуют вертолеты или летательные аппараты вертикального взлета и посадки (VTOL). Они содержат, например, средства, отклоняющие воздушный поток на входе, и после отклонения - средства, задерживающие всасываемые объекты, в частности песок.
Настоящее изобретение призвано предложить воздухозаборник, усовершенствованный по сравнению с известными решениями, обеспечивающий защиту двигателя от попадания посторонних объектов и в то же время позволяющий сохранить аэродинамические характеристики гондолы.
В связи с этим объектом настоящего изобретения является система газотурбинного двигателя и гондолы, в которой он установлен, с обтекателем впуска воздуха, образующим воздухозаборник, содержащая:
- орган отклонения посторонних объектов, образующий вместе с упомянутым обтекателем впускной воздушный канал, и на выходе отклоняющего органа
- вторичный отклоняющий канал,
- главный канал подачи воздуха в двигатель,
при этом упомянутый впускной воздушный канал выполнен с возможностью отклонения, по меньшей мере, части посторонних объектов, засасываемых через воздухозаборник, в направлении вторичного отклоняющего канала, отличающаяся тем, что вторичный отклоняющий канал выполнен таким образом, чтобы скорость проходящего через него воздушного потока увеличивалась от входа к выходу, при этом вторичный канал содержит выход с отверстием, выходящим на наружную стенку гондолы.
Благодаря изобретению можно, таким образом, сохранить аэродинамические характеристики и ограничивать общее лобовое сопротивление гондолы. При этом сечение вторичного канала, поперечное относительно направления воздушного потока, имеет площадь, уменьшающуюся между входом и выходом вторичного канала.
Согласно предпочтительному варианту выполнения уменьшение поперечных сечений является азимутальным. В частности, вторичный отклоняющий канал образован, по меньшей мере, двумя отдельными каналами с общим кольцевым входом и с выходами с отверстиями, распределенными по контуру гондолы.
Отверстие удаления воздуха в стенке гондолы предпочтительно предусмотрено таким образом, чтобы воздушный поток направлялся вдоль оси двигателя.
Предпочтительно орган отклонения посторонних объектов перекрывает главный канал для любой баллистической траектории, проходящей через воздухозаборник. Согласно предпочтительному варианту выполнения он представляет собой тело вращения каплевидной формы, образуя кольцевой впускной воздушный канал с обтекателем воздухозаборника тоже кольцевой формы.
Согласно варианту выполнения вторичный отклоняющий канал образован, по меньшей мере, двумя отдельными каналами с общим кольцевым входом и с выходами, отверстия которых распределены по контуру гондолы. Например, вторичный канал может содержать четыре или пять и более отдельных каналов.
Согласно другому варианту выполнения в системе, состоящей из газотурбинного двигателя и гондолы, в которой он установлен, при этом гондола содержит обтекатель воздухозаборника и съемный элемент капота в продолжении упомянутого обтекателя воздухозаборника, упомянутая система отличается тем, что вторичный отклоняющий канал содержит, по меньшей мере, один участок вторичного канала, образующий ковшеобразный отклоняющий лоток, неподвижно соединенный с упомянутым съемным элементом капота.
При этом решается проблема установки одного или нескольких каналов отклонения объектов и сохранения удовлетворительных аэродинамических характеристик в ограниченной по габаритам окружающей среде двигателя. Решение позволяет сохранить изостатический монтаж, передающий минимально возможное усилие через упомянутый участок вторичного канала, образующий ковшеобразный отклоняющий лоток.
Кроме того, решение позволяет получить выигрыш в массе по сравнению с вариантом выполнения, когда двигатель должен выдерживать прямые удары.
Это решение хорошо подходит для системы, в которой элемент капота шарнирно установлен вокруг оси, параллельной оси двигателя, чтобы открывать двигатель.
Это решение облегчает техническое обслуживание: при открытых капотах участок или участки каналов не мешают техническому обслуживанию газотурбинного двигателя. Можно осматривать детали воздухозаборника, которые могли подвергаться ударам. Они являются съемными, и их можно легко заменить в случае повреждения от удара.
Согласно предпочтительному варианту выполнения система газотурбинного двигателя и гондолы содержит отклоняющий орган, который представляет собой круглую каплевидную форму, образующий кольцевой впускной воздушный канал вместе с обтекателем воздухозаборника тоже кольцевой формы, при этом отклоняющий орган, по меньшей мере, частично установлен на первом картере с внутренней втулкой, заходя в упомянутую внутреннюю втулку.
В частности, упомянутый первый картер с втулками закреплен на двигателе и, в частности, первый картер с втулками закреплен на двигателе через второй картер с втулками.
Такой вариант выполнения позволяет оптимизировать срок службы и надежность системы, поскольку пути прохождения усилий и монтаж являются простыми.
Предпочтительно второй картер с втулками образует плоскость подвески двигателя к летательному аппарату.
Кроме того, система в соответствии с настоящим изобретением содержит следующие отличительные признаки, взятые отдельно или в комбинации:
Учитывая, что элемент капота шарнирно установлен вокруг оси, параллельной оси двигателя, таким образом, чтобы открывать двигатель, участок вторичного отклоняющего канала, неподвижно соединенный с шарнирным элементом капота, содержит входные поверхности, герметично опирающиеся на опорные поверхности, образующие вторичный канал внутри обтекателя воздухозаборника. В частности, упомянутые опорные поверхности выполнены на картере с втулками.
Вторичный канал выполнен таким образом, чтобы скорость течения воздуха, проходящего через него, увеличивалась от входа к выходу, при этом выход вторичного канала находится на наружной стенке гондолы. Этого увеличения скорости добиваются за счет уменьшения сечения вторичного канала, поперечного по отношению к направлению течения воздуха, между входом и выходом вторичного канала. Это уменьшение поперечных сечений предпочтительно является азимутальным, чтобы получать выходные отверстия, распределенные на поверхности гондолы.
Предпочтительно орган отклонения посторонних объектов перекрывает главный канал для любой баллистической траектории, проходящей через воздухозаборник. Таким образом, избегают прямого попадания любого постороннего объекта в двигатель.
Изобретение касается, в частности, двигателей с винтами, не закрытыми обтекателем; винты расположены сзади входа двигателя.
Настоящее изобретение, его другие цели, детали, отличительные признаки и преимущества будут более очевидны из нижеследующего подробного описания одного или нескольких вариантов выполнения, представленных в качестве не ограничительных примеров, со ссылками на прилагаемые схематичные чертежи, на которых:
Фиг.1 - схематичный вид в частичном осевом разрезе газотурбинного двигателя с винтами, не закрытыми обтекателем, содержащего воздухозаборник в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2 - вид в перспективе воздухозаборника, показанного на фиг.1, с показом элементов воздухозаборника согласно первому варианту выполнения.
Фиг.3 - вид в перспективе в разборе системы двигателя и его гондолы согласно другому варианту выполнения, в котором в гондолу встроены ковшеобразные лотки и гондола содержит два капота, шарнирно установленных вокруг продольных осей.
Фиг.4 - вид в разрезе варианта выполнения, показанного на фиг.3, с показом промежуточной конструкции между вторым картером с втулками и элементами капота, при этом капот открыт.
Фиг.5 - вид в разрезе варианта выполнения, показанного на фиг.3, с показом промежуточной конструкции между вторым картером с втулками и элементами капота, при этом капот закрыт.
Фиг.6 - вид в разрезе фиг.4 по оси двигателя.
Фиг.7 - вид в разрезе фиг.4 не по оси двигателя.
Фиг.8 - схематичный вид в частичном осевом разрезе газотурбинного двигателя с винтами, не закрытыми обтекателем, в варианте выполнения изобретения, касающемся второго картера с втулками.
Обратимся сначала к фиг.1, где показаны основные элементы газотурбинного двигателя 10 с винтами, не закрытыми обтекателем. От входа к выходу в направлении течения газов внутри газотурбинного двигателя он содержит компрессор 12, кольцевую камеру 14 сгорания, турбину 16 высокого давления, при этом на фигуре показаны только ее картеры. На выходе турбины 16 высокого давления расположены не показанные две турбины низкого давления противоположного вращения, то есть вращающиеся в двух противоположных направлениях вокруг продольной оси А двигателя.
Каждая из этих выходных турбин неподвижно соединена во вращении с наружным винтом 22, 24, расположенным радиально снаружи гондолы 26 газотурбинного двигателя, причем эта гондола 26 является по существу цилиндрической и проходит вдоль оси А от воздухозаборника вокруг компрессора 12, камеры 14 сгорания и турбин.
Воздушный поток 28, заходящий в двигатель, сжимается, затем смешивается с топливом и сгорает в камере 14 сгорания, после чего газообразные продукты горения проходят в турбины для приведения во вращение винтов 22, 24, которые обеспечивают основную часть тяги, создаваемой газотурбинным двигателем. Выходящие из турбин отработавшие газы выбрасываются через сопло 32 (стрелки 30), увеличивая тягу.
Винты 22, 24 расположены коаксиально один за другим и содержат множество лопастей, равномерно распределенных вокруг оси А газотурбинного двигателя. Эти лопасти расположены по существу радиально и являются лопастями с переменным углом установки, то есть они могут поворачиваться вокруг своих осей таким образом, чтобы оптимизировать свое угловое положение в зависимости от условий работы газотурбинного двигателя.
Гондола 26 содержит обтекатель 26а воздухозаборника на входе, имеющий кольцевую форму. Внутри обтекателя 26а воздухозаборника расположен орган 40 отклонения посторонних объектов. Вместе с внутренней стенкой 26а2 обтекателя 26а воздухозаборника он ограничивает входной воздушный канал 41 для двигателя. В данном случае этот канал 41 является кольцевым. Орган отклонения объектов в основном имеет яйцевидную форму, ось которой является коллинеарной с осью АА двигателя. Вершина 40а яйцевидной формы выходит спереди входной кромки 26а1 обтекателя 26а. Отклоняющий орган имеет максимальный диаметр в своей расширенной части 40b сзади кромки 26а1. Предпочтительно отклоняющий орган установлен на не показанном картере с втулкой, стойки которого проходят между внутренней втулкой, в которой установлен отклоняющий орган, и наружной обечайкой.
2
2
На выходе расширенной части 40b входной воздушный канал 41 расширяется и делится на два концентричных канала: внутренний главный канал 42 и наружный по отношению к нему вторичный канал 43. Главный канал 42 ведет к входу компрессора 12 и питает двигатель первичным воздухом. Вторичный канал 43 проходит внутри гондолы 26 снаружи различных картеров двигателя. Он выходит в стенку гондолы 26 через ее отверстие 43а. Канал ограничен двумя радиальными или по существу радиальными стенками 43с и 43d, которые проходят в продольном направлении между кромкой 43b и отверстием 43а, и двумя стенками в виде участков цилиндров: радиально внутренней стенкой 43f и радиально наружной стенкой 43е. Последняя находится в продолжении внутренней стенки 26а2 обтекателя 26а воздухозаборника.
2
2
2
2
Согласно представленному варианту выполнения двигатель содержит два вторичных канала 43 и 43', проходящих от входной кромки 43b поверхности разделения входного воздушного потока на два канала, главный 42 и вторичный 43. Согласно отличительному признаку изобретения вторичные каналы 43 и 43' имеют сечение, поперечное относительно направления течения, которое постепенно уменьшается, начиная от кромки 43b разделения потоков. Это уменьшение сечения приводит к повышению скорости воздуха во вторичном канале 43. Таким образом, с одной стороны, избегают любого всасывания воздуха через выходные отверстия 43а вторичного канала 43, и, с другой стороны, воздушный поток участвует в создании тяги.
2
2
2
2
Предпочтительно уменьшение сечения, поперечного относительно направления течения от входа к выходу, получают посредством азимутального уменьшения сечения, при этом расстояние между двумя продольными стенками 43с и 43d постепенно уменьшается от кромки 43b до отверстия 43а. Между двумя участками цилиндра радиальная толщина вторичного канала отклонения посторонних объектов является постоянной или по существу постоянной от входа, соответствующего кромке 43b, до отверстия 43а. Как показано на фиг.2, отверстие 43а каждого канала 43 выполнено по окружной ширине, намного меньшей ширины входа, образованного частью кромки 43b и расположенного на половине ее окружности.
2
2
Различные элементы, образующие этот воздухозаборник, выполняют следующую функцию. Посторонний объект всасывается воздухозаборником во время полета; он ударяет по отклоняющему органу 40 и отскакивает от него рикошетом. Его траектория отклоняется к внутренней стенке обтекателя воздухозаборника. Сзади расширенной части отклоняющего органа объект направляется в один из отклоняющих каналов 43 или 43', откуда он уносится наружу через отверстие 43а.
Предпочтительно отклоняющий орган установлен в первом картере 51 с втулками, стойки которого проходят между внутренней втулкой, в которой установлен отклоняющий орган, и наружной обечайкой. В свою очередь, первый картер 51 с втулками установлен на расположенном сзади втором картере 52 с втулками. Этот второй картер 52 закреплен на двигателе, например на картере компрессора 12.
4
4
На фиг.3 в разборе и в перспективе показана система, представленная на фиг.1, согласно варианту выполнения с четырьмя ковшеобразными лотками. На выходе обтекателя 26а воздухозаборника гондола 26 содержит капот, образованный двумя элементами 26b и 26с капота, шарнирно установленными на пилоне 60, через который систему крепят на летательном аппарате. Каждый из элементов шарнирно установлен вокруг оси, параллельной оси АА двигателя. Согласно представленному варианту выполнения на каждом элементе 26b или 26с капота выполнены два ковшеобразных лотка, верхний 43' и нижний 43”. Все четыре ковшеобразных лотка являются участками вторичного канала 43. В данном случае они имеют идентичный профиль, учитывая их симметричное расположение вокруг оси двигателя.
4
4
4
4
4
4
4
Ковшеобразный лоток 43' или 43” вторичного канала 43 ограничен двумя радиальными или по существу радиальными стенками 43с и 43d, которые проходят в продольном направлении между кромкой 43b и отверстием 43а, и двумя стенками в виде участков цилиндров: радиально внутренней стенкой 43f и радиально наружной стенкой 43е. Последняя находится в продолжении внутренней стенки 26а2 обтекателя 26а воздухозаборника, когда капот закрыт. Ковшеобразные лотки проходят, начиная от входной кромки 43b поверхности разделения входного воздушного потока на два канала, главный 42 и вторичный 43.
4
Согласно отличительному признаку изобретения ковшеобразные лотки вторичного канала 43 имеют сечение, поперечное относительно направления течения, которое постепенно уменьшается, начиная от кромки 43b разделения потока. Это уменьшение сечения приводит к повышению скорости воздуха во вторичном канале 43. Таким образом, с одной стороны, избегают любого всасывания воздуха через выходные отверстия 43а вторичного канала, и, с другой стороны, воздушный поток участвует в создании тяги.
4
4
4
4
4
4
Предпочтительно уменьшение сечения, поперечного относительно направления потока, от входа к выходу получают посредством азимутального уменьшения сечения, при этом промежуток между двумя продольными стенками 43с и 43d постепенно уменьшается между кромкой 43b и отверстием 43а. Между двумя участками цилиндра радиальная толщина ковшеобразных лотков является постоянной или по существу постоянной от входа, соответствующего кромке 43b, до отверстия 43а. Как показано на фиг. 2, отверстие 43а каждого ковшеобразного лотка 43' и 43” выполнено по окружной ширине, намного меньшей окружной ширины входа, образованного частью кромки 43b и расположенного на четверти ее окружности. На фиг.4 и 5 показан элемент 26b капота в закрытом положении (фиг.5) и в открытом положении (фиг.4), позволяющем производить осмотр двигателя.
Согласно другому отличительному признаку изобретения отклоняющий орган 40 установлен на двигателе при помощи двух картеров 51 и 52 с втулками. Первый картер 51 с втулками образован внутренней втулкой 51in и наружной обечайкой или втулкой 51ех, соединенных радиальными стойками 51b. Пространство между двумя втулками 51in и 51ех образует отверстие входного воздушного канала 41. Внутренняя втулка 51in удерживает каплевидный отклоняющий орган 40. Второй картер 52 с втулками тоже содержит внутреннюю втулку 52in и наружную втулку 52ех, соединенные радиальными стойками 52b. Второй картер 52 с втулками образует часть вторичного канала 43.
На фиг.6 в частичном продольном разрезе фиг.5 показано расположение двух картеров с втулками. Оба картера  51 и 52 неподвижно соединены друг с другом посредством болтового соединения между их соответствующими наружными обечайками 51ех и 52ех. Внутренняя втулка 52in второго картера с втулками неподвижно соединена с картером двигателя, например с картером компрессора 12, не показанного на фиг.6. Таким образом, обеспечивают крепление отклоняющего органа 40 на находящемся сзади газотурбинном двигателе. Благодаря такому монтажу избегают появления вибраций на этом двигателе.
4
4
4
4
Как показано на фиг.4 и 5, элемент 26b или 26с капота шарнирно установлен вокруг оси, параллельной оси АА. Ковшеобразные лотки расположены в заднем продолжении второго картера 52 и выполнены с возможностью обеспечения герметичного соединения между вторым картером 52 с втулками и ковшеобразными лотками 43' и 43”. Если рассматривать фиг.6 и 7, которые представляют собой соответственно вид в продольном разрезе по оси и в продольном разрезе не по оси вторичного канала, герметичность между картером 52 и ковшеобразными лотками 43' и 43” обеспечивают следующим образом.
4
4
4
4
Между задними продолжениями двух обечаек втулки 52ех и 52in и передними продолжениями двух цилиндрических стенок 43е и 43f ковшеобразных лотков 43' и 43” устанавливают прокладки 70. Например, речь идет о прокладках с ребордами.
4
4
4
4
Как показано на фиг.6, прокладки установлены между боковыми стенками 43с и 43d ковшеобразных лотков и боковинами радиальных стоек 52b картера 52 с втулками. Предпочтительно боковые стенки 43с и 43d ковшеобразных лотков имеют наклон относительно нормали к цилиндрическим стенкам, чтобы обеспечивать центровку ковшеобразных лотков относительно радиальных стоек 52b.
4
4
4
Различные элементы, образующие этот воздухозаборник, выполняют следующую функцию. Посторонний объект всасывается воздухозаборником во время полета; он ударяет по отклоняющему органу 40 и отскакивает от него рикошетом. Его траектория отклоняется к внутренней стенке обтекателя 26а воздухозаборника. Сзади расширенной части отклоняющего органа объект направляется в один из ковшеобразных лотков 43' или 43” отклоняющего канала, откуда он удаляется наружу через отверстие 43а. Если в результате рикошета он попадает при всасывании в главный канал, он в достаточной степени теряет свою энергию, чтобы не повредить двигатель.
Согласно варианту выполнения, показанному на фиг.6, второй картер с втулками выполнен таким образом, чтобы образовать промежуточный картер в плоскости передней подвески двигателя.
Двигатель, показанный на фиг.8, идентичен двигателю, показанному на фиг.1. Отличие касается второго картера с втулками, обозначенного позицией 152. Этот второй картер 152 с втулками содержит внутреннюю втулку 152in, образующую опору переднего подшипника вала двигателя. Он содержит центральную втулку 152m, соответствующую внутренней втулке картера с втулками из предыдущего варианта выполнения, и наружную втулку 152ех, соответствующую наружной втулке из предыдущего варианта. Передние средства 161 крепления двигателя на летательном аппарате связаны с этой наружной втулкой 152ех. В данном случае схематично показан пример подвески двигателя. Она содержит пилон 160, который с одной стороны закреплен на летательном аппарате и на котором закреплен двигатель. Крепление двигателя содержит упомянутый передний узел 161 подвески, задний узел подвески 162 в задней плоскости подвески и тяги 163 восприятия усилий. Впускной воздушный канал 42 образован между двумя втулками, внутренней 161in и центральной 151m, между которыми расположены лопатки 152r первой направляющей ступени компрессора.