ВОЗДУХОЗАБОРНИК ВЕРТОЛЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ С УВЕЛИЧЕННЫМ ОБХОДНЫМ ПОТОКОМ
HELICOPTER ENGINE AIR INTAKE WITH INCREASED BYPASS FLOW

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к воздухозаборнику для вертолетного двигателя, снабженному противообледенительной решеткой, которая обеспечивает большой объем обходного потока в случае обледенения.
Предшествующий уровень техники
Для защиты от риска образования льда в воздухозаборнике и в канале подачи воздуха двигателя при работе в условиях обледенения существующие воздухозаборники снабжают противообледенительной решеткой, которая полностью покрывает отверстие воздухозаборника, ведущее в двигатель. Это, в частности, относится к двигателю Turbomeca TM-333, показанному на фиг. 5А. Эта решетка гарантирует, что в случае обледенения лед образуется на внешней поверхности 92а решетки, а не на самом воздухозаборнике или в канале подачи воздуха. Внутренняя часть 92b решетки 92 предназначена для пропускания обходного потока вокруг внешней поверхности 92а решетки 92, когда она обледенела.
Тем не менее, в современных двигателях входные кромки 90 воздухозаборника, на которых закреплена противообледенительная решетка 92, по существу изготовлены из монолитного материала, как в двигателе ТМ-333, либо из композитного материала, и поэтому они являются особенно громоздкими; учитывая отсутствие пространства вокруг воздухозаборника, было обнаружено, что обходная секция Sc', которая остается доступной, когда внешняя поверхность 92а решетки 92 обледенеет, мала, что ограничивает расход воздуха в случае обледенения.
Кроме того, обе модели, и изготовленная из монолитного материала, и изготовленная из композитного материала, создают трудности при сборке. В частности, при использовании композитного материала края решетки соединяются клеевым способом к элементу сечения, который, в свою очередь, соединен клеевым способом к композитной кромке: в дополнение к сложности такой сборочной операции в настоящее время трудно применять клей для композитных материалов.
Таким образом, существует реальная потребность в воздухозаборнике вертолетного двигателя, который обеспечивает существенный объем обходного потока при обледенении и который не имеет недостатков, присущих вышеописанным воздухозаборникам по предшествующему уровню техники.
Сущность изобретения
Настоящее описание относится к воздухозаборнику вертолетного газотурбинного двигателя, имеющего компрессор и канал для подачи воздуха на компрессор, при этом канал на своем расположенном выше по потоку конце открыт через воздухозаборник, при этом воздухозаборник содержит кромки воздухозаборника и противообледенительную решетку, установленную на внешних концах кромок воздухозаборника и расположенную на пути потока воздуха, поступающего в воздухозаборник, и в котором по меньшей мере одна кромка воздухозаборника образована из тонкого металлического листа.
Применение тонкого металлического листа для изготовления кромки воздухозаборника позволяет создать кромку воздухозаборника очень небольшой толщины так, чтобы при данном доступном наружном пространстве оставался большой свободный объем, в котором можно создать большую обходную секцию в пределах противообледенительной решетки. Таким образом, в случае обледенения внешней поверхности решетки часть решетки остается доступной, т.е. достаточного размера, чтобы обеспечить обходной поток, в котором расход воздуха снижен лишь немного по сравнению с нормальными рабочими условиями.
В частности, посредством применения тонкого металлического листа, который обладает очень хорошей способностью к формообразованию или формоизменению, можно использовать сложные и компактные формы, поскольку такой металлический лист можно, в частности, использовать с очень малыми радиусами кривизны. Поэтому установка решетки на кромку воздухозаборника упрощается: в частности появляется возможность еще больше приблизить решетку к кромке и, тем самым, повысить компактность. Применение тонкого металлического листа также дает возможность применять определенные технологии крепления, например сварку, которые невозможно применять для других материалов.
Кроме того, тонкий металлический лист дает преимущество, заключающееся в малом весе, что позволяет снизить эксплуатационные расходы за счет снижения потребления топлива двигателем. В некоторых вариантах этот тонкий металлический лист, образующий по меньшей мере одну кромку воздухозаборника, имеет толщину менее 1,5 мм и предпочтительно менее 0,8 мм.
В некоторых вариантах внешний конец упомянутой по меньшей мере одной кромки воздухозаборника выгнут наружу в U-образную форму и край противообледенительной решетки находится в зацеплении в U-образном пространстве, определенном таким образом. Благодаря способности металлического листа к формоизменению можно определить очень узкое U-образное пространство, хорошо адаптированное к размерам края сетки. Кроме того, благодаря этой способности формоизменения такое U-образное пространство можно сформировать очень близко к самой кромке, тем самым освобождая большое боковое пространство, что может способствовать увеличению обходной секции.
В некоторых вариантах край противообледенительной решетки плотно прилегает к стенками U-образного пространства, определенного кромкой воздухозаборника. Это позволяет, в частности, обжимать край решетки в этом U-образном пространстве или собирать эти детали друг с другом штамповкой.
В некоторых вариантах край противообледенительной решетки снабжен крепежными лапками, которые крепятся к упомянутой по меньшей мере одной кромке воздухозаборника. Такой вариант сборки, который становится возможным благодаря компактности и близости этих деталей, а также способности формоизменения металлического листа, дает преимущество в смысле простоты и надежности. Такие крепежные лапки могут быть расположены с факультативно регулярными интервалами вдоль всей кромки воздухозаборника.
В некоторых вариантах край противообледенительной решетки снабжен непрерывным крепежным буртиком, прикрепленным к упомянутой по меньшей мере одной кромке воздухозаборника. Такое сборочное решение позволяет выполнять крепление вдоль всего сегмента кромки или вдоль всей кромки.
В некоторых вариантах край противообледенительной решетки прикреплен к упомянутой по меньшей мере одной кромке воздухозаборника сварными соединениями. Такое крепление является надежным и долговечным.
В других вариантах край противообледенительной решетки прикреплен к упомянутой по меньшей мере одной кромке воздухозаборника пайкой, точками клея, обжатием или даже заклепками.
В некоторых вариантах крепление противообледенительной решетки к упомянутой по меньшей мере одной кромке воздухозаборника не содержит клеевого соединения. Таким образом, устраняются трудности, связанные с применением технологии склеивания.
В некоторых вариантах край решетки является частью, выполненной отдельно от тела противообледенительной решетки, причем край решетки прикреплен к телу решетки. Такое решение облегчает адаптацию интерфейса крепежа, специально предназначенного для создания связи и для крепления к кромке воздухозаборника на противообледенительной решетке, которой самой придана форма, предназначенная единственно для предотвращения обледенения и обеспечения большой обходной секции. В частности, материал края может отличаться от материала тела решетки: например, край может быть изготовлен из пластмассового материала, а тело решетки может быть изготовлено из металла.
В некоторых вариантах край решетки прикреплен к телу противообледенительной решетки пайкой.
В некоторых вариантах кромка воздухозаборника изготовлена как единая деталь, занимающая угловой сектор более 90º и предпочтительно равный 180º.
В некоторых вариантах обе кромки воздухозаборника изготовлены из тонких металлических листов.
В некоторых вариантах воздухозаборник - радиального типа.
В других вариантах воздухозаборник – осевого типа.
Согласно настоящему изобретению также предлагается вертолетный газотурбинный двигатель, имеющий воздухозаборник по любому из вышеописанных вариантов.
Вышеизложенные и другие признаки и преимущества более подробно описаны в последующем подробном описании вариантов предлагаемого воздухозаборника со ссылками на приложенные чертежи.
Краткое описание чертежей
Прилагаемые чертежи являются схематическими и предназначены, прежде всего, для иллюстрации принципов изобретения.
На разных фигурах чертежей одинаковые элементы (или части элементов) обозначены одними и теми же позициями.
Фиг. 1 - схематический общий вид вертолетного двигателя.
Фиг. 2 - фрагментарное сечение воздухозаборника по настоящему изобретению.
Фиг. 3 - фрагментарный вид в перспективе воздухозаборника по фиг. 2.
Фиг. 4 - схематический вид в увеличенном масштабе воздухозаборника по фиг. 2, иллюстрирующий крепление противообледенительной решетки к кромкам воздухозаборника.
Фиг. 5А - вид воздухозаборника по предшествующему уровню техники.
Фиг. 5В - эскиз, схематически иллюстрирующий увеличение обходной секции, реализованное в воздухозаборнике по настоящему изобретению, в сравнении с воздухозаборником известного уровня техники.
Подробное описание варианта
Для того чтобы изобретение было более понятным, ниже подробно описывается пример воздухозаборника по настоящему изобретению со ссылками на приложенный чертеж. Следует понимать, что изобретение не ограничивается этим примером.
На фиг. 1 схематически показан вертолетный газотурбинный двигатель, имеющий ступень 10 компрессора (например, центробежного компрессора), получающую атмосферный воздух через кольцевой канал 12 подачи воздуха. На своем расположенном выше по потоку конце канал 12 открыт через кольцевое наружное отверстие 12а, которое определено металлическим кожухом 14 двигателя. Кожух 14 также определяет стенки канала 12. В кольцевой камере сгорания 16, например противоточной камере сгорания, установлены форсунки (не показаны), на которые подается топливо и поток первичного воздуха, поступающий от компрессора 10. Газообразные продукты сгорания поступают из камеры 16 сгорания на турбину 18, которая приводит в действие компрессор 10 и соединена с ним валом 20, а также на силовую турбину 22 (например, одноступенчатую), которая соединена валом 23 с зубчатой передачей, которая передает механическую мощность на выходной вал 24, при этом валы 20 и 23 установлены соосно.
Как показано на фиг. 2, две кромки 30 и 32 (не показанные на фиг. 1) определяют воздухозаборник 34 для канала 12. Кромки 30 и 32 сформированы соответствующими тонкими кольцевыми металлическими листами, которые соединены на внутреннем конце с расположенным выше по потоку концом канала 12 с каждой стороны от отверстия 12а и вдоль него. В этом примере металлические листы, образующие кромки 30 и 32, изготовлены из поддающегося сварке металла, например нержавеющей стали, и имеют толщину приблизительно 0,6 мм. На противоположных или внешних концах кромки 30 и 32 имеют соответствующие закраины 30а и 32а, которые выгнуты наружу в U-образную форму для формирования U-образных пространств 70. На своих внутренних концах кромки 30 и 32 могут иметь лапки или хомуты 30b и 32b, которые отогнуты назад под углом по существу 90º, чтобы их можно было прикрепить к кожуху 14.
Конец 34а воздухозаборника 34, определенный закраинами 30а и 32а, закрыт противообледенительной решеткой 36 из формуемого и прочного металла, например, нержавеющей стали, которая имеет закраины, изогнутые к кромкам 30 и 32 так, чтобы концы этих закраин входили в зацепление в U-образных пространствах 70 закраин 30а и 32а. Решетка 36 предназначена для предотвращения формирования льда внутри воздухозаборника 34 и канала 12 подачи, при этом возможно образование льда на внешней поверхности 36а решетки 36. Поэтому имеется кольцевой обходной канал 38, предназначенный для подачи достаточного количества воздуха в канал 12 несмотря на обледенение внешней поверхности 36а решетки 36. Канал 38 определен с одной стороны наклонной направляющей 39 кольцевой стенки или полостью, которая имеет ребра 39а жесткости и прикреплена к кожуху 14. Стенка 39 обращена к одной из кромок воздухозаборника, например к кромке 32, которая определяет другую сторону канала 38. Аналогичный второй обходной канал 40 также создан рядом с другой кромкой 30 (его полость не показана, чтобы не усложнять чертеж). Отогнутые закраины противообледенительной решетки 36 определяют внутреннюю поверхность 36b обходного канала с обеих сторон воздухозаборника 34, которая обращена к кожуху 14, и поэтому открывающуюся в обходной канал 38 или 40, тем самым позволяя обходному потоку воздуха входить, когда внешняя поверхность 36а решетки 36 покрыта льдом. Обходная секция Sc, определенная сбоку между кромкой 30, 32 и противообледенительной решеткой 36 определяет максимальный расход такого обходного воздушного потока.
На фиг. 3 показано, что каждая кромка 30, 32 может быть выполнена целиком в большом угловом секторе, типично занимающем более 90º. В этом варианте воздухозаборник 34 имеет две расположенные выше по потоку кромки 30, каждая из которых занимает 180º, и эти кромки соприкасаются друг с другом так, чтобы образовать воздухозаборник 34, охватывающий 360º. Аналогично воздухозаборник 34 также имеет две расположенные ниже по потоку кромки 32, каждая из которых проходит на 180°. Кстати, следует отметить, что кромки 30 и 32 в этом варианте имеют профиль по существу прямоугольного сечения между их закраинами 30а, 32а и их лапками или хомутами 30b, 32b. Тем не менее, в других вариантах этот профиль может быть изогнут для одной и/или обеих кромок 30, 32.
Фиг. 3 и 4 позволяют лучше визуализировать сборку решетки 36 на кромках 30, 32. Как показано на чертежах, боковые торцы 50 решетки 35 отогнуты к U-образному пространству 70 каждой из кромок 30, 32; край 60 расположен вдоль каждого из торцов 50 чтобы служить крепежным интерфейсом между решеткой 36 и кромками 30, 32.
Этот край 60 выполнен в форме элемента швеллерного сечения, который изготовлен из того же металла, что и кромка 30 или 32, и проходит по существу вокруг всей окружности торца 50 решетки 36, таким образом образуя канавку 61, в которую вставлен боковой торец 50 решетки 36 и закреплен в ней пайкой 62.
На крае 60 с регулярными интервалами имеются крепежные лапки 63, которые проходят радиально в линию с внутренней кромкой канавки 61 в сторону кожуха 14. Таким образом, когда торец 50 решетки 36 закреплен в канавке 61 края 60 и край 60 вставлен в U-образное пространство 70 кромки 30, 32, крепежные лапки 63 проходят вдоль внешней стенки кромок 30, 32. Затем крепежные лапки 63 крепят к стенке кромки 30, 32 точечными сварными соединениями 64. Крепежные лапки 63 имеют достаточную длину, чтобы опускаться вдоль кромок 30, 32 до уровня, который расположен ниже, чем уровень внутренней поверхности 36b обходного канала противообледенительной решетки 36, чтобы можно было вставить инструмент при монтаже решетки 36 на кромках 30, 32.
За счет применения металлических листов сами кромки 30, 32 остаются компактными и позволяют устанавливать на них решетку очень компактно. Для данного габаритного размера можно создать большую обходную секцию Sc.
На фиг. 5В представлена схема, иллюстрирующая увеличение, ставшее возможным благодаря такому воздухозаборнику по сравнению с известным воздухозаборником. На этом чертеже воздухозаборник по настоящему изобретению показан схематически сплошными линиями, а известный воздухозаборник показан штриховыми линиями.
В известный воздухозаборник кромки 90 изготовлены из монолитного материала или из композитного материала и имеют большую толщину. Кроме того, этот материал трудно формовать, поэтому U-образное пространство 91, образованное закраиной кромок 90, в которое вставлен боковой торец 93 решетки 92, имеет большой радиус R', типично лежащий в диапазоне от приблизительно 5 мм до приблизительно 10 мм. Таким образом, в известном воздухозаборнике обходная секция Sc' между кромкой 90 и решеткой 92 меньше.
В отличие от этого в воздухозаборнике согласно настоящему изобретению кромки 30, 32 имеют меньшую толщину и образуют U-образное форму 70, с гораздо меньшим радиусом R благодаря хорошей способности к формоизменению металлических листов, поэтому появляется возможность получить радиус R равный приблизительно 2 мм или даже меньше. При таких обстоятельствах боковой торец 50 решетки 36 можно установить на кромки 30, 32 гораздо ближе к стенкам кромок 30, 32, т.е. гораздо ближе к срединной плоскости воздухозаборника. Поэтому в воздухозаборнике согласно настоящему изобретению обходная секция Sc между кромками 30, 32 и сеткой 36 больше, чем в известном воздухозаборнике.
Варианты, показанные в настоящем описании, приведены в качестве не ограничивающей иллюстрации и в свете этого описания специалисты в данной области могут легко изменить эти варианты или создать другие, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения.
В частности, в вышеприведенном подробном описании кромки воздухозаборника проходят вдоль кольцевого отверстия 12а канала подачи воздуха вокруг всей периферии двигателя. Тем не менее, настоящее изобретение также применимо к ситуации, когда наружное отверстие канала подачи воздуха проходит лишь по части периферии двигателя. Аналогично изобретение также применимо к случаю, когда канал подачи воздуха имеет осевое, а не радиальное наружное отверстие. Кроме того, вышеприведенное описание относится к вертолету, однако изобретение может быль легко адаптировано к любому газотурбинному двигателю, имеющему воздухозаборник, снабженный решеткой, имеющей обходное устройство.
Кроме того, различные признаки этих вариантов могут применяться индивидуально или в комбинации друг с другом. Когда они комбинируются, эти признаки могут быть скомбинированы, как описано выше, или другими способами, и изобретение не ограничивается конкретной комбинацией, описанной в настоящем описании. В частности, если не указано иное, признаки, описанные со ссылками на любой конкретный вариант, могут применяться аналогичным образом и в любом другом варианте.