СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ СЕПАРАЦИИ ПОСТОРОННИХ ПРЕДМЕТОВ В ПРИВТУЛОЧНОЙ ЗОНЕ ВЕНТИЛЯТОРА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
PERFECTED SEPARATION OF FOREIGN MATTERS FROM GAS TURBINE ENGINE FAN NEAR HUB ZONE

Известны устройства, использующие для очистки воздуха принцип сепарации твердых частиц в воздушном потоке во вращающихся межлопаточных каналах вентилятора вентиляторного ГТД или лопаток первой ступени компрессора. Описание подобных устройств приведено в патентах:
-US №5123240 23.06.1992 [1]
-US №5431535 11.07.1995 [2]
- Франц №2873751 28.07.2004 [3]
- Ru №2198311 03.01.2001 [4]
- Ru №2459965 27.08.2012 [5]
Основным недостатком вышеуказанных примеров использования метода инерционной сепарации во вращающихся лопаточных машинах является их низкая сепарационная эффективность. По этой причине в вышеуказанных аналогах для повышения общей сепарационной эффективности в вентиляторах применяют различные способы ее улучшения - установка дополнительной ступени очистки до вентилятора (обтекателя) или после него (очистка в подпорных ступенях), увеличение длины сепарационного участка, применение широкохордной лопатки вентилятора, увеличение длины осевого расстояния между вращающимся венцом вентилятора и входом в компрессор (во внутренний контур двигателя). Аналогичные меры по улучшению очистки воздуха предприняты также и в конструкции отечественного вентиляторного ГТД ПС-90А [6], [7]. По данному двигателю имеется достаточно полная информация и по конструкции и по способам очистки воздуха от посторонних предметов. В своих расчетах по возможности улучшения способа сепарации посторонних предметов в привтулочной зоне вентилятора ГТД авторы отталкивались именно от технических данных названного двигателя. По совокупности существенных признаков, совпадающих с признаками заявляемого способа, двигатель ПС-90А принят в качестве прототипа. К недостатку прототипа следует отнести высокий уровень повреждаемости двигателя от попадания в компрессор посторонних предметов. Отсюда следует, что несмотря на принятые меры по сепарированию посторонних предметов в вентиляторной ступени и вне ее, очистка от них недостаточна.
Первоначальной причиной низкой сепарационной способности вентиляторов ГТД является отсутствие (или не учет) требований на сепарацию посторонних предметов, в результате геометрия лопаток вентилятора спрофилирована для передачи энергии воздушному потоку, а не для сепарации предметов. В итоге в центральной привтулочной зоне вентилятора, из которой воздух поступает во внутренний контур двигателя и очистка которого должна быть очень эффективной, реальная очистка низкая. Посторонние предметы не получают достаточного воздействия со стороны лопаток, чтобы успеть, находясь в пределах ширины хорды лопатки, преодолеть радиальное расстояние от радиуса входа в вентилятор до радиуса входного отверстия внутреннего контура (компрессора двигателя), другими словами, время, потребное на перемещение посторонних предметов в радиальном направлении от центральной зоны к периферии, существенно (в разы) превышает располагаемое время нахождения посторонних предметов в пределах сепарационного пространства - ширины хорды лопатки вентилятора.
Технической задачей, на решение которой направлен заявляемый способ, является улучшение сепарации посторонних предметов из привтулочной зоны вентилятора газотурбинного двигателя без внесения изменений в его габариты и без недопустимого влияния на характеристики двигателя (экономичности, конструктивно-технологические критерии, запасы газодинамической устойчивости, надежностно-прочностные и пр.).
В результате решения вышеуказанной задачи сепарация посторонних предметов из воздушного потока, поступающего по центральной околовтулочной зоны вентилятора во внутренний контур ГТД, осуществляется с высокой эффективностью, ожидаемая частота прохода опасных посторонних предметов должна уменьшиться кратно, соответственно, при эксплуатации ГТД
- уменьшаются количество досрочно снимаемых двигателей и затраты на их заводской ремонт;
- сокращаются количество ремонтов двигателей в эксплуатации, трудозатраты по зачистке лопаток от забоин, время простоя техники;
- повышаются эксплуатационные показатели по надежности и безопасности полетов, регулярности выполнения полетов;
- улучшаются показатели эксплуатационной технологичности и экономичности.
Главными факторами, способствующими решению поставленной задачи, являются использование в способе энергетических возможностей вентилятора в силовом воздействии на посторонние предметы, а также формирование удлиненных траекторий движения посторонних предметов, способствующих улучшению их сепарации. Другим фактором, способствующим возможности применения предлагаемого способа к вентиляторным лопаткам, является специфика профилирования их в привтулочной зоне, где крутка воздушного потока наибольшая, а величина выходных углов профиля находится в пределах 90° [8], [9], [10].
Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом способе улучшения сепарации посторонних предметов в привтулочной зоне вентилятора ГТД использован принцип инерционной сепарации тяжелых частиц в воздухе во вращающихся межлопаточных каналах вентилятора двигателя. Тяжелые частицы при этом перемещаются (сепарируются) из центральной привтулочной зоны вентилятора в периферийную зону наружного контура.
Процесс сепарации осуществляют на максимальном скоростном режиме вращения посторонних предметов в переносном движении их вместе с лопаткой, для чего их скорость в переносном вращательном движении разгоняют до скорости, равной окружной (угловой) скорости вращения лопатки в месте контакта с посторонним предметом, поэтому сепарационный процесс осуществляют с максимальной интенсивностью. Указанный разгон производят на начальном участке межлопаточного канала. Далее, по ходу движения посторонних предметов по межлопаточному каналу, производят снижение (торможение) скорости относительного движения посторонних предметов в осевом направлении, в результате чего увеличивают время пребывания их в пределах межлопаточного канала, не допуская преждевременного выхода посторонних предметов за пределы межлопаточного канала, и одновременно формируют удлиненную траекторию движения посторонних предметов. Время на осуществление сепарационного процесса при этом увеличивается. Интервал времени пребывания посторонних предметов в межлопаточном канале устанавливают по величине не меньшим времени, потребного на перемещение (сепарацию) посторонних предметов в радиальном направлении относительного движения по лопатке от радиуса подхода предмета к лопатке до радиуса входного отверстия внутреннего контура двигателя (компрессора двигателя).
Способ реализуют путем силового воздействия лопаток вентилятора на посторонние предметы, при этом силу воздействия от лопатки ориентируют по нормали к поверхности корытца лопатки. Разгон скорости посторонних предметов в переносном движении до скорости, равной окружной скорости вращения лопатки, осуществляют на участке хорды лопатки от носка лопатки до зоны наибольшего прогиба поверхности корытца, а направление силы воздействия в точке наибольшего прогиба ориентируют параллельным плоскости вращения вентилятора. Снижение (торможение) скорости относительного движения посторонних предметов в осевом направлении производят на участке от зоны наибольшего прогиба поверхности до выходной кромки лопатки.
Силу воздействия лопатки на посторонние предметы, действующую по нормали к поверхности корытца, ориентируют под углом к плоскости вращения вентилятора и формируют у нее осевую составляющую, направленную навстречу осевому движению предметов в относительном движении. Время пребывания посторонних предметов в межлопаточном пространстве, необходимое для совершения сепарационного процесса, подбирают и устанавливают величиной, указанной осевой составляющей силы воздействия лопатки на посторонний предмет на выходном участке корытца лопатки.
Благодаря действию осевой составляющей силы воздействия лопатки на предметы происходит торможение скорости их осевого перемещения и одновременно изменение формы и длины траектории движения предметов, так что в абсолютном движении посторонние частицы движутся по пространственной спирали Архимеда с более плотным шагом и с большим углом конуса при вершине, поэтому успевают на выходном участке корытца лопатки (межлопаточного канала) совершить во вращательном (переносном) движении больший сепарационный угол и пройти большую длину траектории в пределах ширины лопатки. Кроме того, преобразуя осевую скорость предметов в тангенциальную увеличивают тем самым в последующем повороте лопатки радиальную составляющую скорости движения посторонних предметов, т.е. скорость сепарации. С учетом всех упомянутых эффектов по улучшению сепарации посторонних предметов ожидаемый суммарный эффект очистки, оцениваемой по «проскоку» («проскок» - процентное количество пропущенных, не отсепарированных предметов) в привтулочной зоне вентилятора, должен быть кратно уменьшен по сравнению с «проскоком» у вентилятора с исходной геометрией лопаток. Механика движения частицы во вращающейся системе, в т.ч. в вентиляторе изложена в [11], [12], [13].
Сущность заявляемого способа поясняется схемами, на которых изображены:
на Фиг. 1 - общий вид входного модуля вентиляторного ГТД (разрез);
а
а
I
на Фиг. 2 - сечения (профили) лопаточной решетки вентилятора в привтулочной зоне - Фиг 1, межлопаточный канал, траектории движения посторонних предметов (развертка);
на Фиг. 3 - траектория движения посторонних предметов в проекции на плоскость вращения вентилятора;
на Фиг. 4 - лопатка вентилятора, на которой показаны траектории движения посторонних предметов - совмещение различных положений предметов в азимутальном движении в одном сечении ~90° Фиг. 3.
a
a
II
Воздух поступает из самолетного воздухозаборника во вход 1 Фиг. 1 вентиляторного ГТД и, пройдя вентилятор, включающий в себя лопатки 3, втулку 7 и обтекатель 8, распределяется в наружный контур 2 и во вход внутреннего контура 5 (он же является входом во входной направляющий аппарат (ВНА) компрессора двигателя). Задачей вентилятора (помимо сжатия воздуха и подачи его в контуры) является сепарация посторонних предметов из центральной привтулочной зоны 6 лопатки вентилятора в периферийную зону наружного контура 2, т.е. за радиальные размеры разделителя контуров 4. На вентиляторах, у которых не стояла задача эффективной сепарации посторонних предметов, траектории движения сепарируемых предметов, например, из корневого сечения α-α′ Фиг. 1 проходит по пологой кривой - (то же в укрупненном масштабе и на Фиг. 4), не обеспечивающей условия сепарации - выход предмета за радиальный размер входа во внутренний контур 5 (разделителя 4), т.е. сепарация мала, проскок (количество предметов, прошедших во внутренний контур) велик. Недостаточны сепарационная сила, скорость сепарации, сепарационный угол, длина сепарационного участка, время сепарационного процесса.
а
а
II
N
В предлагаемом способе улучшения сепарации посторонних предметов в привтулочной зоне вентилятора ГТД процесс сепарации осуществляют на максимально возможном скоростном режиме, который может быть реализован в текущий момент работы вентилятора. Для этого посторонние предметы, поступившие в начальную входную зону 9 Фиг. 2 межлопаточного канала 17, разгоняют в переносном движении до скорости, равной окружной (угловой) скорости вращения лопатки (в месте контакта с посторонним предметом). Траектория относительного движения предмета показана пунктирной линией 20. В результате траектория движения предмета становится более «крутой» - траектория 23 по линии - Фиг. 2, Фиг. 3, но недостаточно крутой, чтобы достигнуть радиуса разделителя 4 на близком осевом расстоянии.
a
a
а
а
a
а
а
а
а
II
IV
I
I
I
III
IV
N+V
Следующими шагами в улучшении сепарации являются преобразование осевой составляющей скорости относительного движения предметов в окружную составляющую и одновременное снижение (торможение) скорости движения предметов в осевом направлении, выполняются они на выходном участке 10 Фиг. 2 межлопаточного канала 17. В результате данного мероприятия еще больше увеличивают окружную скорость движения предметов, соответственно, улучшается сепарация, траектория становится круче - траектория 24 по линии - Фиг. 2 и Фиг. 3. Уменьшением осевой составляющей скорости относительного движения предметов увеличивают время их пребывания в пределах межлопаточного канала и не допускают преждевременного выхода предметов за пределы межлопаточного канала - за выходную кромку 16 профиля 11 Фиг. 2. В итоге увеличивают время на осуществление процесса сепарации, одновременно формируют удлиненную траекторию 25 - линия - Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4 - предметов в абсолютном движении, и главное заключается в том, что вся траектория умещается в пределах межлопаточного канала 17 Фиг. 2. На Фиг. 3 удлинение траектории условно показано сдвигом (перенесением) выходной кромки 16 (линия -е) из положения, соответствующего углу поворота лопатки ~60°, в положение ~90°, при котором происходит сепарация предметов из корневого сечения -. Наглядное представление о возможности разместить длинную винтовую траекторию движения предмета (по пространственной конусной спирали Архимеда) дает сжатие пружины т.  в т.  - Фиг. 2 и Фиг. 4.
Способ реализуют путем силового воздействия лопаток вентилятора на посторонние предметы, при этом направление действия от поверхности корытца на посторонние предметы производится по нормали - N поз. 15 Фиг. 2 к поверхности лопатки. Разгон скорости предметов в переносном движении до скорости, равной окружной скорости вращения лопатки, осуществляют на входном участке 9 межлопаточного канала 17 (зона 13 корытца 18) - от носка 12 лопатки до зоны наибольшего прогиба в т. 14 поверхности корытца 18 (исходного профиля)и в той же т. 14 корытца 19 (нового профиля в соответствии с предлагаемым способом). Направление силы воздействия в т. 14 наибольшего прогиба корытца в соответствии с предлагаемым способом ориентируют параллельным плоскости 21 вращения вентилятора (перпендикулярно оси вращения).
0
0
отн
Снижение (торможение) скорости относительного движения посторонних предметов в осевом направлении и преобразование ее в окружную составляющую скорости относительного (абсолютного) движения производят на выходном участке 10 Фиг. 2 межлопаточного канала - от зоны наибольшего прогиба т. 14 корытца до выходной кромки 16 лопатки. Силу воздействия N лопатки на посторонние предметы, действующую по нормам к поверхности корытца 19, выполненной в соответствии с требованиями настоящего способа, ориентируют под углом к плоскости вращения 21 вентилятора и формируют у нее (силы воздействия) в дополнение к основной составляющей, лежащей в плоскости вращения, осевую составляющую N, направленную навстречу скорости осевого движения V посторонних предметов в относительном движении вдоль поверхности V.
а
0
Время пребывания посторонних предметов в выходной части 10 межлопаточного канала 17, необходимое для совершения сепарационного процесса - перемещение предметов в радиальном относительном движении от радиуса подхода предмета к входной кромке 12 лопатки (от точки  до т.е) до радиуса разделителя 4 - подбирают и устанавливают варьированием величиной указанной осевой составляющей N силы воздействия лопатки на предметы на выходном участке корытца лопатки.
Источники информации
1. Патент US №5123240, 23.06.1992.
2. Патент US №5431535, 11.07.1995.
3. Патент Франц №2873751, 28.07.2004.
4. Патент Ru №2198311, 03.01.2001.
5. Патент Ru №2459965, 27.08.2012.
6. А.А. Иноземцев, Е.А. Коняев, В.В. Медведев, А.В. Нерадько, А.Е. Ряссов. ПС-90А Авиационный двигатель, Москва, Либра-К, 2007 г. (стр. 44 - обтекатель, 47 - осевой зазор, рис. 3.7).
7. Двигатель ПС-90А. Руководство по технической эксплуатации. 94-00-807РЭ. Издание ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь, 1990 г. Книга 1, раздел 72.33.00 (стр. 2 - удаление посторонних предметов).
8. Б.С.Стечкин, П.К. Казанджан, Л.П. Алексеев, А.Н. Говоров, Ю.Н. Нечаев, P.M. Федоров. Теория реактивных двигателей. Лопаточные машины. Государственное издательство Оборонной промышленности, Москва, 1956 г. (стр. 214, 233).
9. Холщевников К.В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. Москва. Машиностроение, 1978 (стр. 152, 187).
10. Ю.А. Ржавин, О.Н. Емин, В.Н. Карасев. Лопаточные машины двигателей летательных аппаратов. Теория и расчет. Москва. Издательство МАИ-ПРИНТ, 2008 г. (стр. 221).
11. И.И. Ольховский. Курс теоретической механики для физиков. Издательство Наука.  Москва, 1970 г. (стр. 19 - Пример 1.2, 3).
12. И.М. Воронков. Курс теоретической механики. Издательство Наука. Москва, 1966 г. (стр. 457, Пример №126).
13. Курс теоретической механики под редакцией К.С.Колесникова. Москва.  Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005 г. (стр. 292, Пример 13.8).