ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ ГОНДОЛЫ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
ANTIICING DEVICE, IN PARTICULAR FOR AIRCRAFT NACELLE

Изобретение относится к противообледенительному устройству для воздухозаборной кромки гондолы летательного аппарата.
Гондола турбореактивного двигателя имеет, как правило, конструкцию, которая включает в себя воздухозаборник, помещенный спереди турбореактивного двигателя по потоку, среднюю секцию, охватывающую вентилятор турбореактивного двигателя, и заднюю по потоку секцию, в которую помещены средства реверса тяги и которая охватывает газогенератор турбореактивного двигателя. Гондола заканчивается обычно реактивным соплом, выход которого находится позади турбореактивного двигателя по потоку.
В состав воздухозаборника гондолы летательного аппарата входят, во-первых, воздухозаборная кромка, обеспечивающая оптимальный захват и направленное перемещение в сторону турбореактивного двигателя воздуха, необходимого для питания вентилятора и внутренних компрессоров турбореактивного двигателя, и, во-вторых, задняя по потоку конструкция, на которой закреплена указанная кромка и которая обеспечивает надлежащую циркуляцию воздуха в сторону лопастей вентилятора. Весь этот узел закреплен спереди по потоку кожуха вентилятора, являющегося составной частью передней по потоку секции гондолы.
Образование льда на передней кромке крыла летательного аппарата или на кромках воздухозаборников турбореактивных двигателей приводит к возникновению целого ряда проблем, в частности, таких как: увеличение веса, нарушение равновесия между левобортной и правобортной частями, а также, в частном случае, когда речь идет о воздухозаборниках турбореактивных двигателей, образование кусков льда, которые могут попадать в турбореактивный двигатель, вызывая значительный ущерб, или повреждать такие узлы летательного аппарата, как, например, пилон, крыло, хвостовое оперение или фюзеляж. В частности, при определенных температурных и влажностных условиях происходит образование льда на гондоле в зоне наружной поверхности кромки воздухозаборника. Наличие этого льда или инея влияет на аэродинамические свойства воздухозаборника и препятствует нормальному поступлению воздуха к вентилятору. В ряде случаев куски льда могут отделяться от кромки воздухозаборника и соударяться с компонентами турбореактивного двигателя, например лопастями вентилятора, или корпусом летательного аппарата.
Учитывая, что эксплуатационные характеристики турбореактивного двигателя связаны с эффективностью улавливания воздуха воздухозаборником как в количественном, так и качественном отношении, необходимо обеспечить устранение обледенения или инея, образующегося на воздухозаборной кромке. Для этого в авиастроении разработан ряд систем для устранения обледенения, а также систем, предотвращающих льдообразование. Напомним, что в общем случае «противообледенительные средства» обеспечивают устранение обледенения, а «антиоблединительные средства» предотвращают льдообразование.
Предотвращение льдообразования необходимо, в частности, при работе с турбореактивными двигателями, содержащими узлы из композитных материалов, в частности лопасти вентилятора. В этом случае требуется устранить даже малейшую опасность попадания льда в двигатель, так как удары могут привести к серьезным повреждениям композитных материалов.
Далее в описании термином «противообледенительное устройство» названы любые средства, предназначенные как для устранения обледенения, так и для предотвращения льдообразования.
В число противообледенительных систем, известных из предшествующего уровня техники, входят электрические противообледенительные системы. С помощью тока, вырабатываемого схемами питания летательного аппарата, обеспечивают функционирование группы электронагревательных элементов. Эти элементы расположены обычно в поверхностном слое передней кромки или кромки воздухозаборника. Такие электрические системы часто подвержены разного рода ударным воздействиям, а в случае проникающего повреждения их ремонт связан с очень большими трудностями или вообще невозможен.
Из предшествующего уровня техники, в частности из патента EP 1495963, известно, что нагревательный элемент прикреплен к наружной стенке воздухозаборной кромки. Этот нагревательный элемент подвергается частым ударам, вызывающим преждевременный износ и даже отказ нагревательного элемента.
Отказ нагревательного элемента приводит к скоплению льда или инея на воздухозаборнике с последующим ухудшением эксплуатационных характеристик турбореактивного двигателя.
К тому же, традиционные противообледенительные системы выполнены, в частности, из проводников, собранных в ленты, которые получают электропитание от разных источников для предупреждения сбоев в работе, связанных с отключением питания. Однако, несмотря на то, что при кратковременных перебоях с питанием часть устройства остается запитанной, куски льда образуются по всей длине обесточенных лент.
Образовавшиеся по указанной причине куски льда имеют довольно большие размеры, что чревато, при их отрыве от стенки, серьезными повреждениями.
Эта ситуация тем более опасна, что частота таких отрывов увеличивается по мере дальнейшего образования льда, при этом зона становится термически изолированной скоплением льда от наружного воздушного потока и происходит повышение температуры стенки кромки вследствие переноса тепла из прилегающей зоны, остающейся под напряжением. Отсюда понятна необходимость сведения к минимуму размеров таких скоплений.
Целью изобретения является полное или частичное устранение указанных выше недостатков.
В соответствии с первым аспектом изобретения для достижения этой цели предложено противообледенительное устройство, в частности, для гондолы летательного аппарата, содержащее, по меньшей мере, две электрические ленты, каждая из которых выполнена, по меньшей мере, из одного основного проводника, ориентированного, по существу, вдоль указанной ленты, отличающееся тем, что указанные ленты включают в себя прямолинейные элементы и изогнутые элементы, а также тем, что указанные ленты включают в себя спирали, образованные сочетанием нескольких изогнутых элементов, и тем, что смежные ленты встроены, по меньшей мере, попарно.
Благодаря такому взаимному расположению удается ограничить площадь поверхности ненагретых зон между двумя получающими электропитание лентами, когда одна из лент не работает вследствие перебоя в электропитании или сбоев в работе ленты вследствие ударного воздействия.
При техническом решении, предусматривающем невстроенные смежные ленты, скопления льда, образованные при нарушении питания одной из лент или при таком серьезном повреждении одной из лент, что она не в состоянии выполнять свои функции, распределены по длине на значительном протяжении, учитывая равномерность температур в направлении вдоль лент. Из-за указанной равномерности температур происходит одновременное выталкивание всего скопления, что может стать причиной серьезных повреждений конструкции летательного аппарата во время полета.
При использовании предлагаемой согласно изобретению и описанной выше конструкции, в случае неисправности или отказа одной из лент, вариант исполнения встроенных лент обеспечивает возможность изменять расстояние между зонами устранения обледенения и свободными ото льда зонами таким образом, чтобы постоянно обеспечивать неравномерное таяние льда в направлении вдоль ленты. Предлагаемое устройство обеспечивает значительное уменьшение объемов скоплений льда.
Употребляемый в описании термин «проводник» относится к электрическим проводам, содержащим электропроводящий материал с удельным сопротивлением, выбираемым в зависимости от размеров противообледенительного устройства, от степени его компактности и от рассеиваемой мощности, необходимой для выполнения противообледенительной функции.
В соответствии с другими дополнительными признаками предлагаемого противообледенительного устройства:
- указанные изогнутые элементы изогнуты под углом, равным, по существу, 90°;
- по меньшей мере, одна лента содержит, по меньшей мере, два основных проводника, в результате чего обеспечена возможность соединения друг с другом в ленте, по меньшей мере, двух основных проводников;
- предпочтительно, указанную ленту снабжают расположенными в регулярном порядке поперечными проводниками, причем указанные поперечные проводники обеспечивают перераспределение электрического тока, по меньшей мере, между двумя основными проводниками, таким образом, использование поперечных проводников оказывается, в частности, предпочтительным, так как позволяет предотвратить периодические сбои в работе устройства. Таким образом, когда какая-либо группа основных проводников, имеющих между собой регулярные соединения с помощью поперечных проводников, повреждена настолько, что ток не проходит далее участка со сбоем, оба поперечных проводника, охватывающие зону повреждения, берут функцию группы на себя, обеспечивая непрерывность токоснабжения, вследствие чего вся лента остается полностью запитанной в зоне за сбойным участком; благодаря такому последовательно-параллельному соединению разных проводников в ленте обеспечена непрерывность токоснабжения, несмотря на обрыв одного или нескольких составляющих ленту проводников;
- в соответствии с более предпочтительным вариантом, поперечные проводники обеспечивают перераспределение электрических токов между всеми основными проводниками одной и той же ленты; этот экономичный и несложный в реализации вариант исполнения заключается в соединении поперечных проводников со всеми основными проводниками с формированием при этом цепи из последовательно-параллельно соединенных проводников;
- в соответствии с более предпочтительным вариантом, поперечные проводники спиралей обеспечивают перераспределение электрических токов между всеми основными проводниками одной и той же спирали; этот вариант обеспечивает непрерывность токоснабжения в спирали максимально близко к зоне, поврежденной вследствие удара, вызвавшего обрыв одного или нескольких проводов спирали;
- в соответствии с еще более предпочтительным вариантом, поперечные проводники уложены с соблюдением, по меньшей мере, одной из ориентации, выбираемых из группы, включающей в себя ориентацию, перпендикулярную к направлению основных проводников, и ориентацию под углом к направлению основных проводников; этот вариант обеспечивает равномерность распределения сопротивлений основных проводников по всем их секциям, что более подробно раскрыто далее в описании;
- указанным лентам служит опорой поверхность с узором, образованным акустическими отверстиями, при этом указанные проводники огибают указанный узор из отверстий;
- указанные встроенные ленты получают питание от разных источников - в тексте описания термин «разные источники» или «отдельный источник» означает наличие нескольких источников питания, или другого источника питания, однако также, как вариант, и нескольких фаз, в случае использования многофазного, например трехфазного, источника питания; в случае отказа одного или нескольких источников, питающих включенные параллельно и встроенные ленты, скопления льда меньше по размеру, с учетом того, что лишенные нагрева зоны являются неоднородными вблизи лент, продолжающих функционировать после сбоя;
- предпочтительно, ленты встроены, по меньшей мере, группами по три, а две крайних ленты из указанных, по меньшей мере, трех встроенных смежных лент выполнены, по меньшей мере, из двух основных проводников, причем указанные крайние ленты уложены таким образом, чтобы, по меньшей мере, половина их основных проводников находится за пределами зоны, в которой существует риск подвергнуться воздействию ударов, в частности, града;
- в соответствии с более предпочтительным вариантом, устройство получает питание от трехфазного источника, так что три смежных ленты встроены и каждая из них получает питание от одной из трех фаз; такое техническое решение легко выполнимо и позволяет обойтись одним источником питания, в данном случае трехфазным, с получением при этом такого же эффекта, как и при подключении смежных лент к трем разным источникам, следствием чего являются экономия места и уменьшение веса;
- в соответствии с еще более предпочтительным вариантом, указанные три ленты уложены с получением соединения звездой.
В соответствии со вторым аспектом изобретения, его предметом является также воздухозаборная кромка летательного аппарата, включающая в себя устройство, аналогичное описанному выше.
Остальные признаки и преимущества изобретения раскрыты далее в подробном описании со ссылками на приложенные чертежи, на которых:
Фиг.1 - местный вид, иллюстрирующий противообледенительную систему с двумя источниками питания, известную из предшествующего уровня техники;
Фиг.2 - местный вид, иллюстрирующий противообледенительную систему с двумя источниками питания, известную из предшествующего уровня техники, в которой произошел отказ одного из источников;
Фиг.3 - местный вид, иллюстрирующий предлагаемое устройство с двумя источниками питания;
Фиг.4 - местный вид, иллюстрирующий предлагаемое устройство с двумя источниками питания, в котором произошел отказ одной из групп лент;
Фиг.5 - местный вид, иллюстрирующий предлагаемое устройство, которое получает питание от трехфазной электросети;
Фиг.6 - схематическое изображение взаимного расположения лент, получающих питание от трехфазной сети;
Фиг.7 - местный вид, иллюстрирующий ленту предлагаемого устройства с поперечными проводниками;
Фиг.8 - местный вид, иллюстрирующий изогнутый элемент предлагаемого устройства, опорой для которого служит конструкция с узорами из отверстий;
Фиг.9 - местный вид, иллюстрирующий ленту предлагаемого устройства, опорой для которой служит конструкция с узорами из отверстий.
В тексте настоящего изобретения термин «прямолинейный элемент» относится к принадлежащей ленте прямолинейной полоске, которая включает в себя все основные проводники.
Термин «изогнутый элемент» относится к полоске с изгибом, которая включает в себя часть основных проводников ленты. С помощью сочетания нескольких изогнутых элементов обеспечена возможность сформировать спиральные узоры.
На фиг.1 представлена известная из предшествующего уровня техники противообледенительная система с двумя источниками питания, которая включает в себя первую группу лент 1, получающую питание, соответственно, от первого источника, который не показан на чертеже, и вторую группу лент 3, получающую питание, соответственно, от второго источника. Каждая лента 5 образована группой параллельных основных проводников 7, по которым проходит обозначенный стрелками ток 9 и которые распределены по поверхности, на которой необходимо устранить обледенение.
На фиг.2 показана та же известная из предшествующего уровня техники противообледенительная система, в которой один из источников питания поврежден или прекратил работу вследствие перебоя в электропитании. На поверхностях, на которых обледенение не устранено, образованы скопления 11 льда по всей длине не получающих питания лент 5. Из-за равномерного распределения температур вдоль лент 5 происходит одновременный отрыв скоплений 11 льда во всей длине ленты, что приводит к отделению крупных кусков льда и чревато серьезными повреждениями.
На фиг.3 представлен один из вариантов осуществления предлагаемого устройства, которое содержит первую и вторую группы лент 1 и 3, причем каждая из этих групп получает питание от отдельного источника. Группы 1 и 3 включают в себя прямолинейные элементы 13 и спирали 15. Эти спирали изготовлены, например, путем соединения элементов 17, изогнутых под углом 90°. Степень встраивания лент 5 не ограничена. Она может быть выбрана значительной, чтобы увеличить длину лент 5 на единице площади поверхности с целью повышения их сопротивления и, соответственно, обеспечения возможности использования материалов с меньшей резистивностью, либо увеличения питающего напряжения сети с целью уменьшения размеров кабелей, необходимых для получения соединения между кромкой и источниками питания.
На фиг.4 иллюстрируется тот же вариант осуществления, применительно к ситуации, когда источник питания группы 3 лент перестал работать в результате сбоя. Как можно легко понять, относительно сильный удар может вызвать тот же эффект, прервав прохождение тока 9 в ленте 1 группы 3. Структура скоплений 11 льда, показанных на фиг.4, совпадает со структурой небольших скоплений вследствие формирования изотерм 19 и с учетом того, что зона 21, лишенная нагрева вследствие перебоя в электропитании, непрямолинейна и очень ограничена по размеру.
В случае использования противообледенительной системы, подключенной к трехфазной сети, выполняют устройство с тремя источниками питания, по одному на фазу, в котором от каждой фазы получает питание одна группа лент 5. На Фиг.5 представлен вариант осуществления, особенно предпочтительный в случае использования трехфазного источника питания, где три ленты 5а, 5b, 5c, каждая из которых запитана от одной из трех фаз, встроены в одну и ту же спираль 15. При использовании такого трехфазного питания, при котором работа отдельных источников не совпадает по фазе, ленты 5 предпочтительно укладывать с получением соединения звездой, как показано на Фиг.6.
В одном из предпочтительных вариантов предусмотрено размещение предложенных выше противообледенительных систем в виде трех встроенных лент 5а, 5b, 5c таким образом, что, по меньшей мере, часть, предпочтительнее половина, основных проводников 7 двух крайних лент 5а и 5c находится за пределами зоны, в которой существует риск подвергнуться ударным воздействиям, например, при попадании градин. В частности, подверженные ударам града зоны находятся в самой передней по потоку части воздухозаборной кромки гондолы летательного аппарата. Таким образом, в случае множественных ударов, повредивших все основные проводники 7, имеющиеся в подвергнутых ударам зонах, две крайние ленты 5а и 5c, будучи поврежденными лишь частично, выполняют функцию устранения обледенения в пораженной ударами зоне. В этом же варианте имеется возможность подобное взаимное расположение, предусмотренное для зоны, подвергающейся риску ударных воздействий, и вокруг нее, распространить на группу, состоящую более чем из трех встроенных лент 5, в которой двумя крайними лентами обеспечено формирование изотерм 19, способствующее сведению к минимуму объемов скоплений льда. Совершенно очевидно, что оптимальное функционирование такой структуры возможно тогда, когда встроенные ленты снабжены поперечными проводниками 23, как описано далее.
Как вариант, предусмотрено использование устройства со встроенными лентами 5, согласно приведенному выше описанию, где эти ленты дополнительно снабжены поперечными проводниками 23, помещенными так, чтобы пересекать группу основных проводников 7. Такие ленты 5 содержат группу основных проводников 7, которые образуют регулярные соединения друг с другом с помощью поперечных проводников 23 с целью получения последовательно-параллельного соединения и обеспечения непрерывного токоснабжения в ленте 5, несмотря на обрыв одного или нескольких проводников этой ленты. В случае использования устройств со встроенными лентами 5 и с питанием от нескольких источников, аналогичных предложенным выше, поперечные проводники 23, предпочтительно, расположены следующим образом: при использовании прямолинейных элементов 13 они расположены так, что пересекают под прямым углом все основные проводники 7 одной и той же ленты 5, а при использовании спиралей 15 так, что пересекают под прямым углом и наискосок все основные проводники 7 одной и той же спирали, как показано на Фиг.7. При такой конфигурации обеспечена возможность того, что между двумя поперечными проводниками 23 длина основных проводников 7, обозначенная на Фиг.7 двойными стрелками, одинакова, а следовательно, и сопротивление одинаковое. Это делается для того, чтобы разность потенциалов была нулевой, что обеспечивает отсутствие тока 9 через поперечные проводники 23 в процессе нормальной эксплуатации, и прохождение его исключительно в случае повреждения одного или нескольких основных проводников 7.
На Фиг.8 показан вариант исполнения проводников в ленте 5 предлагаемого устройства, где основные проводники 7 изогнутых элементов 17 огибают узор, образованный акустическими отверстиями 29 в структуре поверхности, на которой необходимо устранить обледенение. На Фиг.9 показан вариант исполнения проводников в ленте 5 предлагаемого устройства, где основные 7 и поперечные 23 проводники огибают узор, образованный акустическими отверстиями 29 в структуре поверхности, на которой необходимо устранить обледенение.
Разумеется, изобретение не ограничивается описанными выше и проиллюстрированными на чертежах вариантами осуществления, которые приведены лишь в качестве примеров.