СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ОТ ОБЛЕДЕНЕНИЯ И БОРЬБЫ С ОБЛЕДЕНЕНИЕМ ГОНДОЛЫ ДВИГАТЕЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА, СОДЕРЖАЩАЯ РЕЗИСТИВНЫЙ СЛОЙ
AIRCRAFT ENGINE NACELLE ANTI-ICING SYSTEM WITH RESISTIVE LAYER

Объектом настоящего изобретения является система защиты от обледенения и борьбы с обледенением гондолы двигателя летательного аппарата, содержащая резистивный слой.
Объектом настоящего изобретения является также гондола двигателя летательного аппарата, содержащая усовершенствованное устройство борьбы с обледенением и оптимизированную акустическую изоляцию, основанные на резистивном слое.
Наконец, объектом настоящего изобретения является система борьбы с обледенением, содержащая решетки резистивных элементов, образованные разделенными резистивными слоями, предназначенная для борьбы с обледенением гондол авиационных двигателей.
Известно выполнение авиационных гондол, внутренний канал которых охватывает вентилятор и которые содержат трубчатый воздухозаборник, оборудованный закраиной, и картер вентилятора, оборудованный первой внутренней трубчатой деталью акустической изоляции, при этом воздухозаборник соединен с картером вентилятора переходной трубчатой деталью.
Удаление льда на воздухозаборнике и его закраине обычно осуществляют путем подвода к воздухозаборнику горячего воздуха, выходящего из реактора через патрубки или каналы, выполненные в толще гондолы.
Техническая проблема состоит в том, что подводимый горячий воздух в некоторых условиях полета имеет очень высокую температуру (до 600°С), и в том, что трубчатая деталь или трубчатые детали акустической изоляции, выполненные из композитных материалов, несовместимы с такими температурами.
Борьба с обледенением особенно необходима во время посадок самолета и, в частности, во время длительных промежутков времени, когда двигатели работают в режиме малого газа. В таких случаях температура воздуха в каналах подвода горячего воздуха является низкой и требуется создание мощного воздушного потока.
Такой расчет предполагает, что наоборот, в случае, когда окружающая температура является высокой и когда двигатель работает в режиме полного газа, если вентиль регулирования противообледенительного воздушного потока открыт, воздух нагревается до вышеуказанных высоких температур. Это происходит, в частности, когда вентиль застопорен в открытом положении для поддержания полета в случае поломки системы управления вентилем.
Снижение температуры воздуха на фазах полета, когда следует избегать слишком высоких температур, является очень сложной задачей, поскольку известные из уровня техники тепловые системы борьбы с обледенением должны быть рассчитаны таким образом, чтобы обеспечивать защиту двигателя от обледенения в фазах, когда он работает в режиме малого газа, и чтобы охлаждать воздух в особых условиях, что требует наличия сложного, объемного и тяжелого оборудования (теплообменник, вентиль, регулятор и другие элементы).
Поэтому в предшествующем уровне техники зону акустической изоляции, чувствительную к нагреву, предпочтительно отдаляют от зоны защиты от обледенения, и для этого переходная трубчатая часть содержит зону сопряжения между воздухозаборником и картером вентилятора, не содержащую средств борьбы с обледенением, чтобы отдалить трубчатую часть, оборудованную средствами акустической изоляции, от нагреваемой части.
Эта конструкция создает, в частности, две проблемы, первой из которых является то, что кольцевое сечение воздухозаборника не содержит звукоизоляционного материала, что снижает эффективность этих средств снижения шума, а вторая состоит в том, что это кольцевое сечение не содержит и средств борьбы с обледенением и поэтому подвержено образованию и накапливанию льда.
Задачей системы борьбы с обледенением в соответствии с настоящим изобретением является обеспечение возможности сближения и даже перекрытия зон акустической изоляции и зон защиты от обледенения, кроме того, она позволяет снизить потери мощности двигателя с учетом того, что в случае двигателя гражданского самолета обычной мощности известная из предшествующего уровня техники тепловая система защиты от обледенения отбирает мощность порядка 60 - 80 кВт от мощности двигателя, не будучи оборудованной реальным средством регулирования или ограничения.
Устройство борьбы с обледенением в соответствии с настоящим изобретением позволяет существенно уменьшить и даже устранить переходное кольцевое сечение и сблизить между собой и даже обеспечить перекрытие противообледенительной части и звукоизоляционной части, чтобы увеличить как поверхность защиты от обледенения, так и поверхность, оборудованную средствами снижения шума.
Кроме того, устройство борьбы с обледенением в соответствии с настоящим изобретением, расположенное на поверхности, не требует наличия сложных систем каналов и вентилей.
Кроме того, известная из предшествующего уровня техники воздушная система позволяет осуществлять защиту от обледенения, но не позволяет вести простую и эффективную борьбу с обледенением, тогда как система в соответствии с настоящим изобретением позволяет очищать ото льда отдельные зоны путем временной подачи мощности, необходимой для борьбы с обледенением, при этом потребляемая мощность устанавливается в зависимости от выбранных режимов защиты от обледенения и борьбы с обледенением.
Настоящим изобретением предлагается система борьбы с обледенением и защиты от обледенения, не занимающая места внутри гондолы, потребляющая мало мощности и обеспечивающая большую гибкость применения путем адаптации мощности для борьбы с обледенением к полетным условиям и к наземным условиям.
В этой связи объектом настоящего изобретения является система борьбы с обледенением и защиты от обледенения гондолы двигателя летательного аппарата, содержащей воздухозаборник, оборудованный закраиной, за которой находится трубчатая деталь воздухозаборника, содержащая первую панель акустической изоляции, отличающаяся тем, что содержит средства борьбы с обледенением, содержащие, по меньшей мере, одну решетку нагревательных резистивных элементов, погруженных в электроизоляционный материал, при этом средства борьбы с обледенением выполнены в виде слоя, содержащего резистивные элементы в толще закраины воздухозаборника.
Согласно частному варианту осуществления в соответствии с настоящим изобретением предлагается гондола двигателя летательного аппарата, содержащая воздухозаборник, оборудованный закраиной, за которой находится трубчатая деталь воздухозаборника, содержащая первую панель акустической изоляции, отличающаяся тем, что закраина оборудована системой борьбы с обледенением, которая содержит средства борьбы с обледенением, содержащие, по меньшей мере, одну решетку нагревательных резистивных элементов, погруженных в электроизоляционный материал, при этом средства борьбы с обледенением выполнены в виде слоя, содержащего резистивные элементы в толще закраины воздухозаборника, при этом решетка образует часть стенки закраины, перекрывая часть закраины, внутреннюю по отношению к воздухозаборнику, и выполнена, с одной стороны, по меньшей мере, на части закраины, наружной по отношению к воздухозаборнику, и, с другой стороны, по меньшей мере, в зоне сопряжения между закраиной и первой панелью акустической изоляции трубчатой детали воздухозаборника.
В частности, воздухозаборник сегментирован на последовательность секторов борьбы с обледенением, образующих последовательность подрешеток, управляемых, по меньшей мере, одной схемой управления, выполненной с возможностью осуществления либо последовательного нагрева секторов, либо одновременного нагрева некоторых секторов.
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения система борьбы с обледенением содержит средства борьбы с обледенением, состоящие, по меньшей мере, из двух решеток нагревательных резистивных элементов, погруженных в изоляционный материал, при этом, по меньшей мере, два ряда резистивных элементов упомянутых решеток разделены таким образом, чтобы образовать две разделенные решетки, включенные в толщу очищаемой ото льда панели.
Предпочтительно система борьбы с обледенением в соответствии с настоящим изобретением содержит схемы управления решетками, содержащие два независимых канала, обеспечивающих управление электрическим питанием двух резистивных решеток.
Объектом настоящего изобретения является также способ управления системой борьбы с обледенением и защиты от обледенения воздухозаборника гондолы двигателя летательного аппарата, отличающийся тем, что воздухозаборник сегментируют на последовательность секторов борьбы с обледенением и управляют последовательностью резистивных решеток, находящихся в секторах борьбы с обледенением, при помощи, по меньшей мере, одной схемы управления, выполненной с возможностью одновременной или последовательной подачи питания на упомянутые сектора.
Кроме выигрыша в гибкости работы, обеспечиваемой системой в соответствии с настоящим изобретением, такая система позволяет также повысить акустическую изоляцию воздухозаборников, выполненных из композитных материалов, поскольку такая система не подвергается воздействию высоких температур даже в случае работы в режиме малого газа.
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения очевидны из нижеследующего описания не ограничительного примера выполнения изобретения, приводимого со ссылками на чертежи, на которых:
Фиг. 1 - общий вид с местным разрезом гондолы двигателя летательного аппарата.
Фиг. 2 - схематический вид в разрезе передней части гондолы, известной из уровня техники.
Фиг. 3 - схематический вид в разрезе передней части гондолы согласно первому примеру осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 4 - схематический вид в разрезе передней части гондолы согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 5 - схематический вид в разрезе передней части гондолы согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 6 - схематический вид в разрезе передней части гондолы согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 7А - вид в разрезе резистивной решетки согласно варианту изобретения.
Фиг. 7Б - вид детали решетки, показанной на фиг. 7А.
Фиг. 8А, 8Б и 8В - схематический вид секторов воздухозаборника, оборудованного системой борьбы с обледенением в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 9А и 9Б - схематическое отображение двух режимов работы системы борьбы с обледенением в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 10 - два примера выполнения систем борьбы с обледенением в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 11А и 11Б - два примера циклов работы системы борьбы с обледенением в соответствии с настоящим изобретением.
Настоящее изобретение в основном относится к борьбе с обледенением и защите от обледенения частей летательных аппаратов и, в частности, гондол двигателей этих летательных аппаратов.
Гондола 1 двигателя летательного аппарата схематически показана на Фиг. 1.
Такая гондола 1 содержит воздухозаборник 2, оборудованный закраиной 3, за которой следует трубчатая деталь 4 воздухозаборника.
Передняя часть такой гондолы, известной из уровня техники, показана на Фиг. 2, где видно, что трубчатая часть 4, содержащая панель акустической изоляции, смещена назад относительно закраины 3 воздухозаборника, за счет чего образована буферная зона А между защищаемой от обледенения частью, находящейся впереди внутренней перегородки 14, и частью, содержащей панель 5 акустической изоляции, таким образом, чтобы обеспечить защиту этой панели от высоких температур теплового устройства борьбы с обледенением, условно показанного в виде канала 15.
Согласно примерам выполнения настоящего изобретения, показанным на фиг. 3, 4 и 5, гондола тоже содержит трубчатую деталь, оборудованную первой панелью 5 акустической изоляции из композитных материалов, и, согласно изобретению, закраина оборудована средствами 6, 6а, 6b, 6c, 6d борьбы с обледенением, образующими часть стенки закраины и заменяющими тепловые средства борьбы с обледенением.
Средства борьбы с обледенением в соответствии с настоящим изобретением перекрывают часть 3b закраины, внутреннюю по отношению к воздухозаборнику, и выполнены, с одной стороны, на части 3а закраины, наружной по отношению к воздухозаборнику, и, с другой стороны, в зоне 7а, 7b, 7c сопряжения между закраиной и трубчатой деталью воздухозаборника.
В частности, согласно примеру осуществления, показанному на Фиг. 3, зона 7а сопряжения содержит передний конец 8 трубчатой детали воздухозаборника, неподвижно соединенный с внутренним бортом продолжения закраины 3, при этом средства 6с борьбы с обледенением перекрывают упомянутый передний конец 8.
Трубчатая деталь 4 из композитных материалов содержит наружную оболочку 4а и внутреннюю оболочку 4b, охватывающие звукоизоляционный материал, образуя упомянутую первую панель 5 акустической изоляции, и передний конец 8 образован сжатым бортом наружной и внутренней оболочек 4а, 4b, при этом упомянутые сжатые борта соединены при помощи клея или при помощи горячей полимеризации смолы, пропитывающей оболочки 4а, 4b, что известно из способов выполнения композитных акустических панелей, например, описанных в документе ЕР 0 897 174 А1.
Согласно примеру, представленному на Фиг. 4, закраина 3 содержит верхний капот 10, образующий верхнюю поверхность 12 воздухозаборника и удлиненный за пределы передней кромки 11 закраины, при этом трубчатая деталь 4 воздухозаборника, оборудованная первой панелью акустической изоляции, удлинена с образованием части нижней поверхности 13 закраины 3. Согласно этому примеру средства борьбы с обледенением, образующие часть стенки закраины, содержат первый слой 6а, нанесенный на внутреннюю стенку верхнего капота 10, и второй слой, нанесенный на наружную сторону панели 5 акустической изоляции удлиненной детали воздухозаборника, при этом зона 7b сопряжения находится приблизительно на уровне передней кромки 11 закраины 3.
Преимуществом такой конструкции является получение сплошной зоны акустической изоляции, начиная от внутреннего пространства двигателя до уровня передней кромки закраины, что исключительно способствует снижению шума.
Согласно примеру, представленному на Фиг. 5, закраина 3 полностью образована удлинением трубчатой детали воздухозаборника, которая образует нижнюю поверхность 13, переднюю кромку 11 и верхнюю поверхность 12 закраины 3.
Согласно примеру, представленному на Фиг. 6, на которой сохранена первоначальная конструкция воздухозаборника, представленного на Фиг. 2, средства 6d борьбы с обледенением выполнены за пределами зоны сопряжения, перекрывая, по меньшей мере, часть трубчатой детали воздухозаборника.
Средства 6а борьбы с обледенением закрывают наружную зону 3а закраины, средства 6b закрывают внутреннюю зону 3b закраины, в данном случае оборудованную первой зоной 9 акустической изоляции, средства 6с закрывают зону 7с сопряжения между закраиной и воздухозаборником, и средства 6d закрывают часть второй зоны 5 акустической изоляции.
Показанные средства 6, 6а, 6b, 6c, 6d борьбы с обледенением являются электрическими средствами и, в частности, содержат слой, включающий в себя нагревательные сопротивления.
Для защиты этого слоя предпочтительно его располагают на внутренней поверхности закраины, по меньшей мере, в части конца или передней кромки закраины. Если средства борьбы с обледенением должны перекрывать панель акустической изоляции, то их, наоборот, располагают на наружной поверхности панели и в них выполняют отверстия, чтобы обеспечить работу панели акустической изоляции, оставляя часть открытой поверхности, на площади, соответствующей требуемой акустической изоляции.
Настоящее изобретение предназначено, в частности, для применения на гондолах летательных аппаратов, содержащих части из композитных материалов, и, в частности, в которых трубчатая деталь 4 воздухозаборника и панели 5, 9 акустической изоляции выполнены из композитных материалов.
В рамках выполнения электрических средств борьбы с обледенением устройство выполнено с возможностью работы в режиме защиты от обледенения, предупреждающем образование наледи на защищаемых поверхностях, или в режиме борьбы с обледенением с удалением наледи, образующейся на поверхности.
Такое устройство и система, а также их работа описаны со ссылками на Фиг. 7А - 11Б.
Как было раскрыто выше и, в частности, в случаях двигателей типа газотурбинных, известной технологией, применяемой для систем борьбы с обледенением, является отбор воздушной мощности двигателя для подачи горячего воздуха по трубопроводам к защищаемым зонам.
Такая технология основана на наличии воздушной мощности, отбираемой от тяговой мощности двигателя, на наличии вентильных устройств управления и электрических систем управления этими вентилями и на наличии достаточного места для прокладки трубопроводов в гондолах.
В отличие от этих сложных известных технических решений предлагаемая система содержит электрические нагревательные элементы, включенные в толщу панелей, образующих закраину 3 воздухозаборника и трубчатую деталь воздухозаборника, образуя систему борьбы с обледенением гондолы 1 двигателя летательного аппарата, содержащей воздухозаборник 2, оборудованный закраиной 3.
Как показано на Фиг. 7А, электрические нагревательные элементы, образующие средства 6, 6а, 6b, 6c, 6d борьбы с обледенением, образованы, по меньшей мере, одной решеткой нагревательных резистивных элементов 102, погруженных в изоляционный материал 101, при этом средства борьбы с обледенением выполнены в виде слоя 103а, 103b, включающего в себя резистивные элементы 102 в толще закраины воздухозаборника между образующими ее панелями 104, 105.
Решетки резистивных элементов 102 содержат нагревательные электрические сопротивления, рассеивающие электрическую мощность за счет эффекта Джоуля, погруженные в изоляционный материал 101.
Средства борьбы с обледенением являются либо металлическими резистивными элементами, например, выполненными из меди, либо композитными резистивными элементами, например, элементами из углерода.
Электрический изолятор, покрывающий резистивные элементы, является мягким материалом, в частности, типа силикона или неопрена.
Как показано на Фиг. 7Б, резистивные элементы 102 соединены параллельно, что ограничивает опасность падения эффективности системы в случае разрыва элемента, например, в результате столкновения постороннего предмета с воздухозаборником.
Каждый резистивный элемент 102 отделен от смежных элементов расстоянием, достаточным для обеспечения необходимой электрической изоляции (как правило, порядка 2 мм для обычных значений постоянного или переменного напряжения питания от 0 до 400 В).
Кроме того, как показано на Фиг. 7А, решетка нагревательных резистивных элементов 102 дублируется, образуя две разделенные решетки 103а, 103b, включенные в толщу закраины.
Такая двойная конструкция решеток предусматривает, что в случае неисправности одной из решеток функция защиты от обледенения обеспечивается в ослабленном режиме другой из решеток.
Для управления этими решетками представленная система содержит схемы 106, 106а, 106b управления решетками, содержащие два независимых канала, обеспечивающих независимое управление электрическим питанием двух резистивных решеток 103а, 103b. Эти схемы управления схематически показаны на Фиг. 10, тогда как пример прокладки кабелей 108а, 108b, 108c, 108d питания, который позволяет избежать расположения кабелей в наиболее открытой нижней зоне воздухозаборника, показан на Фиг. 8Б и 8В в рамках разделения воздухозаборника на четыре сектора, образующих четыре подрешетки 201, 202, 203, 204.
Действительно, для обеспечения безопасности и, кроме того, чтобы оптимизировать потребление электроэнергии системой, изобретением предусмотрено разделение воздухозаборника на последовательность секторов борьбы с обледенением, которые на Фиг. 8А образуют последовательность подрешеток 201, …, 212, управляемых независимо, по меньшей мере, одной схемой 106, 106a, 106b, выполненной с возможностью обеспечения либо последовательного нагрева секторов, либо с возможностью одновременной подачи питания на некоторые сектора.
Кабели 108а, 108b, 108c, 108d содержат входы и выходы электрического тока, подаваемого по ним на сектора.
На Фиг. 8А показаны четыре секции, при этом секция 301 соответствует соединению с кокпитом, секция 302 является секцией в пилоне двигателя, где находятся коробки 107а и 107b управления периодами или циклами системы, секция 303 содержит магистраль кабелей между пилоном двигателя и воздухозаборником, и секция 304 соответствует воздухозаборнику.
Мощность, которую необходимо рассеять, чтобы добиться правильной работы в режиме защиты от обледенения, зависит от положения нагревательного элемента в воздухозаборнике, при этом наиболее критической зоной профиля является внутренняя часть воздухозаборника, начиная от передней кромки закраины.
2
Для обеспечения функции защиты от обледенения такой зоны рассеиваемая мощность является постоянно подаваемой мощностью порядка 1,5 Вт/см.
2
Для менее критических зон работа в режиме борьбы с обледенением, основанная на периодическом нагреве поверхностей, хотя и предполагает мгновенное рассеяние более высокой мощности порядка от 2 до 3 Вт/см, вместе с тем позволяет ограничить потребление мощности всей системой.
При такой работе в режиме борьбы с обледенением схема или схемы управления выполнены с возможностью подачи питания и отключения питания на решетках 103а, 103b или подрешетках 201, …, 212 согласно определенным временным циклам, показанным на Фиг. 11А и 11Б.
Временной цикл, показанный на Фиг. 11А, содержит прохождение тока в резистивном элементе в течение промежутка времени Т0-Т3, включающего фазу Р1 повышения температуры, фазу Р2 при 0°С таяния льда, фазу Р3 повышения температуры до высокого значения. После этого схема размыкается, что соответствует фазе Р4 охлаждения.
На Фиг. 11Б показаны циклы для всех секторов, при этом фазы электрического питания для нагрева резистивных элементов выполняются последовательно.
Работа в этом режиме борьбы с обледенением в зонах воздухозаборника позволяет компенсировать неисправность одной из схем и сохранить при этом достаточную эффективность борьбы с обледенением.
Схема управления системой, показанная на Фиг. 10, в рамках двух раздельных схем 106а, 106b содержит ряд кабельных жгутов 108, питающих все резистивные подрешетки.
Эти жгуты образуют независимые каналы, соединенные с раздельными коробками 107а, 107b или соединенные с единым блоком управления, которая, в свою очередь, соединена шиной 115 с блоком 133 контроля и связи с бортовой панелью 114 приборов для вывода параметров работы и управления системы.
Как было указано выше, питание решеток нагревателей гондолы осуществляется при помощи двух независимых кабельных сетей 106, 108a, 108b, 108c питания и двух предназначенных для этого наборов электрических соединителей.
Кабели каждой сети проложены таким образом, чтобы быть полностью независимыми от кабелей другой сети, что сводит к минимуму риски общей аварии схем.
Описанная система оптимизирует потребление мощности за счет того, что схемы управления выполнены с возможностью подачи и отключения питания на нагревателях согласно определенным временным циклам в зависимости от фазы полета или от условий использования системы.
Блок или блоки 107а, 107b, обеспечивающие контроль за кабельными сетями и резистивными нагревателями, следят, чтобы подаваемые напряжение и ток соответствовали необходимым значениям, и контроль за системой производится путем отслеживания отсутствия короткого замыкания или несвоевременного размыкания схем.
Точно так же, цепи питания блоков, например, через шины питания, соединенные с источниками 116а, 116b постоянного напряжения и источниками 117а, 117b переменного напряжения, являются независимыми. Кроме того, для повышения избыточности каждый блок запитан на две независимые шины питания.
В определенный момент каждый канал или блок использует одну и ту же шину электрического питания, чтобы в случае проблемы электрической изоляции между двумя решетками нагревателей неисправность отражалась только на одной из шин питания.
В частности, в случае неисправности одной из шин питания на одном из блоков или каналов оба блока или канала используют другую шину питания.
Для управления системой в соответствии с настоящим изобретением воздухозаборник сегментируют на последовательность секторов борьбы с обледенением и управляют последовательностью резистивных решеток 201, …, 212, находящихся в секторах борьбы с обледенением, при помощи, по меньшей мере, одной схемы 106, 106а, 106b управления, выполненной с возможностью одновременной или последовательной подачи питания на упомянутые сектора.
В зависимости от места нахождения подрешеток предпочтительно можно выбирать работу в режиме борьбы с обледенением или защиты от обледенения.
Фазу 110 защиты от обледенения осуществляют путем непрерывной работы, по меньшей мере, одного сектора борьбы с обледенением, тогда как фазу 111 борьбы с обледенением осуществляют при помощи периодического цикла нагрева, по меньшей мере, одного сектора.
На Фиг. 9А показан режим работы, при котором наружная часть гондолы обрабатывается в режиме борьбы с обледенением путем последовательной подачи питания на сектора и при котором конец закраины воздухозаборника и трубчатая часть воздухозаборника обрабатываются в режиме защиты от обледенения путем непрерывной подачи питания на резистивные решетки, находящиеся в этой части.
На фиг. 9Б показан режим работы, при котором на наружную часть гондолы и трубчатую часть воздухозаборника подается питание в режиме борьбы с обледенением, и только на конец закраины воздухозаборника подается питание в режиме защиты от обледенения.
Настоящее изобретение не ограничивается представленными примерами, и, в частности, режимы работы можно поменять, выбирая соответственно режим работы для защиты от обледенения или режим работы для борьбы с обледенением в зависимости от условий полета, от состояния системы или имеющейся в наличии мощности, при этом разделенные решетки можно отделить друг от друга в боковом направлении для перекрывания последовательных зон, как показано на фиг. 7Б, зон, отделенных друг от друга или находящихся друг над другом, или расположенных комбинированно.