РАЗДЕЛИТЕЛЬ ПОТОКА ГАЗА С УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБЛЕДЕНЕНИЯ, СОДЕРЖАЩИМ ТЕПЛОВОЙ МОСТ
GAS FLOW SEPARATOR WITH A DEVICE TO PREVENT THE ICING CONTAINING A HEAT BRIDGE

Предпосылки создания изобретения
[1] Изобретение относится к проблеме обледенения поверхностей, разделяющих потоки газов, таких как воздух, на первичный и вторичный поток. Данный тип разделителя обычно применяется во входном компрессоре двухпоточного осевого турбинного механизма. В данном типе механизма, поток поступающего воздуха разделяется на первичный и вторичный поток. Первичный поток, который обычно имеет круговое поперечное сечение, проходит через различные ступени сжатия, камеру сгорания и турбину двигателя. Вторичный поток, который обычно имеет круговое поперечное сечение и имеет больший диаметр, чем первичный поток и расположен на одной оси с ним, подвергается сжатию при помощи вентилятора и статоров вторичного потока и затем снова объединяется с основным потоком, участвуя в создании тяги.
Известный уровень техники
[2] Вторичный поток, отделенный от основного потока воздуха после прохождения через приточный вентилятор может вызывать обледенение передних кромок направляющих поверхностей вторичного воздушного потока. Данный воздушный поток не подвергается какому-либо нагреву и стенки, определяющие его границы, находятся относительно далеко от источников тепла механизма. При определенных условиях (холодный воздух с высокой влажностью) воздух может содержать капли переохлажденной воды, которые затвердевают при контакте с передними кромками, таким образом, данные кромки обеспечивают поверхность для накапливания воды, на которых может происходить обледенение. Данное явление особенно часто встречается в носовой части разделителя первичного и вторичного потока, в частности, на передней кромке и ограждающей стенке, которая определяет вторичный поток рядом с передней кромкой.
[3] В патенте № US 2003/0035719 А1 рассматривается проблема обледенения передней кромки носовой части разделителя. Предлагаемое решение заключается в обеспечении зазора в механическом соединении между передней кромкой и стенкой, определяющей первичный поток, и введении потока горячего воздуха в полость, образованную носовой частью разделителя. Благодаря данному зазору, горячий воздух может перемещаться вдоль механического соединения в передней кромке и выходить наружу. Данный поток обеспечивает подачу тепловой энергии рядом с передней кромкой. Альтернативным вариантом является предоставление вторичному воздушному потоку дополнительной стенки. Конструкция носовой части обеспечивает попадание потока горячего воздуха на дополнительную стенку. Поток горячего воздуха поступает от компрессора высокого давления. Решение, предложенное в упомянутом патенте, имеет два основных недостатка, а именно, сложная конструкция устройства для подачи горячего воздуха и потеря мощности из-за данного просачивающегося потока (энергия, необходимая для сжатия воздушного потока не участвует в создании тяги).
[4] Патент № GB 2,406,142 А также рассматривает проблему обледенения передней кромки и первого ряда лопаток статора. Предлагаемое решение заключается в предоставлении тепловой трубки, соединяющей источник тепла, расположенный далее по потоку в механизме, и носовую часть разделителя. Хотя тепловая трубка обладает высокой эффективной теплопроводностью, особенно по сравнению с таким материалом, как медь, тем не менее, данное решение является дорогостоящим и сложным из-за того, что для обеспечения эффективной защиты от обледенения требуется определенное количество тепловых трубок, распределенных по периферии носовой части разделителя.
[5] Патент № ЕР 2075194 А1 относится к воздушно-масляному теплообменнику, расположенному в носовой части разделителя, рядом с передней кромкой. Присутствие теплообменника рядом с передней кромкой предоставляет двойное преимущество: создает источник тепла, который препятствует обледенению, а также обеспечивает высокоэффективный теплообмен. Однако данное решение имеет недостатки и является технически сложным. Данное решение связано со значительным риском повреждения теплообменника и утечек масла при попадании в механизм инородного тела, из-за расположения теплообменника в крайнем переднем положении.
[6] Патент ЕР 1895141 А2 также относится к воздушно-масляному теплообменнику, расположенному в передней части разделителя, рядом с передней кромкой. Передняя часть носовой части разделителя вместе со стенками носовой части образуют внутренний объем, покрытый смазочным материалом для охлаждения. Данная конфигурация предотвращает образование льда благодаря теплу, которое подается смазочным материалом. Как и в предыдущем патенте, данная конструкция является технически сложной и подверженной неисправностям, особенно утечкам смазочного материала при попадании в механизм инородного тела.
Краткое изложение сущности изобретения
[7] Целью изобретения является предоставление решения по меньшей мере одной из вышеупомянутых проблем, в частности, предоставление простого экономичного и надежного решения проблемы обледенения переднего (входного) края разделителя газового потока.
[8] Изобретение состоит из устройства для разделения потока газа на первичный и вторичный поток, которое содержит: переднюю кромку для разделения потока газа, которая имеет примерно клиновидное продольное сечение для того, чтобы разделять поток газа на первичный и вторичный поток, и устройство для предотвращения обледенения, расположенное на передней кромке; отличающееся тем, что устройство для предотвращения обледенения содержит металлическую лопатку, находящуюся в контакте с обратной стороной передней кромки и проходящую от передней кромки к заднему краю разделителя на некотором расстоянии от передней кромки с тем, чтобы находиться в контакте с источником тепла, расположенном на некотором расстоянии от передней кромки.
[9] Данное решение является особенно выгодным, так как оно обеспечивает тепловой мост между той частью разделителя, которая наиболее подвержена обледенению и источником тепла, расположенным вне данной зоны, особенно в случаях, когда разделитель является более толстым и также может выгодно размещать источник тепла. Образование теплового моста происходит очень просто и эффективно. Конструкция разделителя является простой и имеет низкую вероятность стать причиной неисправностей в случае столкновения с инородными телами.
[10] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, контакт между металлической лопаткой и передней кромкой обеспечивается путем вставки указанной лопатки в паз, расположенный в задней части передней кромки. Данная особенность чрезвычайно облегчает установку. Кроме этого, данная конструкция обеспечивает удовлетворительную теплопроводность.
[11] Согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения, разделитель содержит направляющую стенку между первичным и вторичным потоками, а металлическая лопатка находится в контакте с направляющей стенкой. Двойные контакты лопатки обеспечивают тепловое соединение со стенкой, обеспечивая подачу тепла не только к передней кромке, но также и к стенке. Стенка предпочтительно находится в непосредственном контакте с передней кромкой. Стенка предпочтительно изготовлена цельной с передней кромкой или является ее составной частью. Стенка также может быть образована держателями лопаток статора.
[12] Предпочтительно лопатка может иметь одно или несколько соединений в форме ножек, особенно между ее центральной частью и элементами носовой части, такими как направляющая стенка или держатели первого ряда лопаток статора. Если целью является подача тепла к нескольким точкам корпуса, возможно обеспечить одно или несколько соединений от переднего края или центральной части лопатки к данным точкам.
[13] Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, металлическая лопатка удерживается на месте путем крепления ее заднего края к направляющей стенке. Данная особенность обладает дополнительным преимуществом, заключающимся в том, что тепловое соединение между лопаткой и стенкой обеспечивается непосредственно механическим соединением.
[14] Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, металлическая лопатка проходит в основном вдоль направляющей стенки, предпочтительно, изоляционный материал помещен между направляющей стенкой и металлической лопаткой. Разделитель может быть разделителем потока, расположенным между первичным и вторичным потоком осевого турбинного механизма. В данном случае, направляющая стенка может направлять первичный поток и состоять из крепежных платформ для лопаток статора. Лопатка может проходить в основном вдоль данных платформ, предпочтительно, находясь с ними в контакте, для обеспечения защиты лопаток от обледенения.
[15] Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, металлическая лопатка является цельной с передней кромкой и направляющая стенка прикреплена к лопатке с помощью изоляционного материала. Данный вариант осуществления является особенно выгодным, когда разделитель является разделителем потока, расположенным между первичным и вторичным потоком осевого турбинного механизма. Точнее, направляющая стенка может, в частности, направлять вторичный поток и поддерживается лопаткой.
[16] Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, продольное сечение металлической лопатки имеет форму буквы "S", предпочтительно с прямолинейной передней и обратной поверхностью. "S"-образная форма компенсирует разницу теплового расширения между лопаткой и разделителем.
[17] Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, разделитель содержит носовую часть разделителя для разделения потока газа в двухпоточном осевом турбинном механизме, при этом первый поток является первичным потоком и второй поток является вторичным потоком указанного двухпоточного турбинного механизма.
[18] Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, носовая часть разделителя содержит направляющую стенку для вторичного потока, а металлическая лопатка находится в контакте с задним краем указанной стенки. Направляющая стенка предпочтительно находится в непосредственном контакте с передней кромкой. Стенка предпочтительно изготовлена цельной с передней кромкой или является ее составной частью.
[19] Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, разделитель содержит поверхностный теплообменник в выступающей части направляющей стенки во вторичном потоке, и металлическая лопатка находится в контакте с указанным теплообменником. Применение теплообменника, расположенного рядом с направляющей стенкой и используемого в качестве источника тепла чрезвычайно выгодно как в аспекте простоты конструкции, так и в аспекте надежности. В любом случае оно также способствует рациональному использованию удаляемого тепла.
[20] Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, направляющая стенка, теплообменник и металлическая лопатка образуют секционный модуль. Это означает, что сборка является простой и быстрой.
[21] Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, металлическая лопатка содержит по меньшей мере одну внутреннюю резьбу для взаимодействия с болтом, проходящим через модуль из совмещенных элементов. Таким образом, сборка становится еще проще.
[22] Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, металлическая лопатка имеет примерно круглое поперечное сечение.
[23] Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, устройство для предотвращения обледенения содержит множество лопаток, каждая из которых имеет примерно дугообразное поперечное сечение.
[24] Изобретение также состоит из двухпоточного осевого турбинного механизма, который содержит разделитель воздушного потока, разделяющий первичный и вторичный потоки, при этом данный разделитель соответствует разделителю, описанному выше.
[25] Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, металлическая лопатка находится в контакте с источником тепла, расположенном на некотором расстоянии от передней кромки.
[26] Изобретение также состоит из двухпоточного осевого турбинного механизма, содержащего компрессор низкого давления, соответствующий компрессору, описанному выше.
Краткое описание графических материалов
[27] Фигура 1 является общим видом в разрезе реактивного двигателя, изображающим расположение носовой части разделителя согласно изобретению.
[28] Фигура 2 является видом в разрезе части 22 турбореактивного двигателя, изображенного на Фигуре 1, изображающим, помимо прочего, носовую часть разделителя согласно изобретению, которая содержит стенку, оснащенную воздушно-масляными теплообменниками. Фигура 2 также содержит увеличенное изображение передней части носовой части разделителя.
[29] Фигура 3 является видом в разрезе первого варианта осуществления разделителя потока по Фигуре 2, согласно изобретению.
[30] Фигура 4 является видом в разрезе второго варианта осуществления разделителя потока по Фигуре 2, согласно изобретению.
[31] Фигура 5 является видом в разрезе третьего варианта осуществления разделителя потока по Фигуре 2, согласно изобретению.
Описание вариантов осуществления
[32] На Фигуре 1 схематически в разрезе изображен двухпоточный турбореактивный двигатель. Изображены основные элементы, а именно: обтекатель 6, выступающий в роли внешней оболочки, окружающий различные детали, ротор 2, вращающийся вокруг оси Х-Х′ механизма и вентилятора 4, который поддерживается ротором 2.
[33] В следующем описании, термины "выше по потоку" и "ниже по потоку" относятся к положениям вдоль оси Х-Х′ в направлении воздушного потока через реактивный двигатель. Термин "спереди" эквивалентен термину "выше по потоку" и термин "сзади" эквивалентен термину "ниже по потоку".
[34] Термины "внутренний" или "внутри", и "внешний" или "снаружи", относятся к радиальным положениям относительно оси Х-Х′ турбины, "внешний" или "снаружи" обозначают положение, расположенное дальше от указанной оси и "внутренний" или "внутри" обозначают положение, расположенное ближе к оси.
[35] Ниже по потоку от вентилятора 4, воздушный поток разделяется носовой частью разделителя 10 на первичный и вторичный воздушный поток. Первичный воздушный поток проходит через внутренний круговой первичный канал или линию первичного потока и входит в компрессор низкого давления. Вторичный воздушный поток отражается носовой частью разделителя 10 через внешний круговой вторичный канал или линию вторичного потока. Турбореактивный двигатель содержит ряд функциональных групп: вентилятор 4, компрессор низкого давления 14, компрессор высокого давления 16, камеру сгорания 18 и турбину 20. Опорные рычаги 8 обеспечивают механическое соединение между обтекателем и центральной частью, содержащей ротор и различные ступени. Носовая часть разделителя содержит стенку, ограничивающую внутреннюю часть линии вторичного потока.
[36] Фигура 2 является видом в разрезе носовой части разделителя, проходящей от передней кромки 30 к опорным рычагам 8, и также изображает соответствующую часть компрессора низкого давления. Носовая часть разделителя обеспечивает разделение воздушного потока, создаваемого вентилятором, на линию первичного потока, проходящую через компрессор низкого давления, и линию вторичного потока. Линия первичного потока ограничена обшивкой ротора 2 и кожухом 28. Движущиеся, или роторные, лопатки 34 поддерживаются ротором 2 и неподвижные, или статорные, лопатки 32 поддерживаются внутренней стенкой носовой части разделителя 10 и кожухом 28. Внешняя стенка носовой части разделителя содержит следующие основные части: воздушно-масляный поверхностный теплообменник 24, опорную балку 26 и корпус 40, образующие переднюю кромку 30 и начало внутренней стенки, ограничивающей линию первичного потока. Опорная балка 26 крепится к промежуточному кожуху 36, которой, в свою очередь, жестко прикреплен к обтекателю с помощью опорных рычагов 8. Таким образом, промежуточный кожух является особенно прочной и жесткой частью механизма. Опорная балка 26 направлена от промежуточного кожуха 36 к корпусу 40. Она является по существу треугольной конструкцией, поддерживающей теплообменник 24. Последний содержит пластину, которая образует стенку и оснащена одним или несколькими маслопроводами для охлаждения. Пластина оснащена охлаждающими ребрами, расположенными на ее внешней поверхности. Теплообменник, как правило, изогнут с тем, чтобы образовывать круговой сегмент стенки.
В качестве альтернативы, он может содержать ряд граней, обычно плоских или слегка изогнутых, которые расположены под углом друг к другу с тем, чтобы образовывать в целом изогнутую форму.
[37] Различные механические или электрические компоненты турбины, такие как некоторые подшипники, редукторы и некоторые электрические механизмы, должны быть смазаны и/или охлаждены. С этой целью предоставляется система смазки. Масло выступает в качестве смазочного материала, а также в качестве теплообменной среды, что означает то, что накапливаемое тепло необходимо удалять через теплообменник.
[38] Для минимизации аэродинамической интерференции были разработаны так называемые поверхностные теплообменники. Они используют стенку, находящуюся в контакте с потоком воздуха для того, чтобы обеспечить поверхность теплообмена между теплообменной средой, такой как циркулирующее смазочное масло, и воздухом (теплопоглотителем).
[39] Корпус 40 носовой части разделителя 10 содержит в себе металлическую лопатку 38, предназначенную для защиты корпуса, особенно его передней кромки 30, от обледенения. Металлическая лопатка 38 образует тепловой мост между передней кромкой 30 и источником тепла, который представляет теплообменник 24. Передний край 44 металлической лопатки 38 вставляется в соответствующий паз в носовой части, рядом с передней кромкой 30. Передняя часть направляющей стенки для первичного потока 54 также вставляется в соответствующий паз на внутренней стороне носовой части. Стенка 54 служит для поддержки первого ряда лопаток 32 статора, при этом их платформы 52 расположены и прикреплены с помощью сварки или любым другим способом на указанной стенке. Задний край 46 металлической лопатки 38 прикреплен с помощью механического зажима (не изображен) к заднему краю 50 стенки 42. Металлическая лопатка 38 удерживается только с помощью ее переднего 44 и заднего 46 края и не находится в контакте с другими частями носовой части, благодаря чему обеспечивается оптимальное тепловое соединение между источником тепла и передней кромкой 30. Продольное сечение лопатки имеет форму буквы "S", при этом ее передний край 44 и ее задний край 46 в основном прямые и предпочтительно параллельны друг другу. Продольное сечение центральной части металлической лопатки 48 также в основном прямолинейное. Лопатка может иметь разные формы, в частности формы, позволяющие избегать помех, присутствующих в полости корпуса 40 носовой части разделителя 10. Преимущество "S"-образной формы заключается в способности деформироваться для того, чтобы компенсировать расширения, вызванные колебаниями температуры. Данная форма особенно проста для осуществления как в аспекте производства, так и в аспекте установки. Соединение переднего края 44 лопатки путем вставки в соответствующий паз на внутренней поверхности передней кромки также способствует простоте сборки, а также компенсирует любое расширение лопатки 38 относительно корпуса 40.
[40] Фигура 3 изображает вариант осуществления разделителя потока, описанный выше. Источник 24 тепла изображен схематически. Подобно разделителю, изображенному на Фигуре 2, данный источник тепла может содержать теплообменник, особенно теплообменник поверхностного типа, такой как воздушный маслоохладитель (ВМО). Профиль металлической лопатки отличается от профиля, изображенного на Фигуре 2. Ее центральная часть 48, хотя и является в основном прямой, как и предыдущий вариант, находится в контакте по всей своей длине с платформой 52 лопатки из первого ряда лопаток статора. Данный контакт, а также обеспечение потока тепла, направленного к передней кромке, обеспечивает поток тепла к первому ряду лопаток статора, особенно к их платформам. Контакт между лопатка и платформа 52 может быть обычным свободным контактом или осуществляться через один или несколько тепловых мостов, образованных между лопаткой и платформой. Следует отметить, что лопатка, в зависимости от ее ширины по окружности вокруг носовой части разделителя, может простираться над несколькими соседними платформами (расположенными по окружности). Стенка 54 также может содержать соединительные зоны между платформами (не изображены на фигуре), так что лопатка также может охватывать, находиться в контакте с одной или несколькими данными зонами.
[41] Фигура 4 изображает второй вариант осуществления разделителя потока, описанный на Фигуре 2. Как и в первом варианте осуществления, описанном выше, источник 24 тепла изображен схематически. Как и разделитель, изображенный на Фигуре 2, данный источник тепла также может содержать теплообменник, особенно теплообменник поверхностного типа, такой как воздушный маслоохладитель (ВМО). Лопатка 38 выполнена цельной с передней кромкой 30 и ее центральная, в основном прямолинейная, часть 48 проходит параллельно стенке 42. Данная стенка также поддерживается металлической лопаткой 38 с помощью слоя изоляционного материала 56. Таким образом, тепло от источника 24 тепла направляется к кромке 30. Стенка 42 защищает изоляционный материал и последний обеспечивает оптимальную передачу тепловой энергии от источника тепла к передней части носовой части разделителя.
[42] Фигура 5 изображает третий вариант осуществления разделителя потока, описанный на Фигуре 2.
Как и в первом и втором варианте осуществления, описанных выше, источник 24 тепла изображен схематически. Как и разделитель, изображенный на Фигуре 2, данный источник тепла также может содержать теплообменник, особенно теплообменник поверхностного типа, такой как воздушный маслоохладитель (ВМО). Лопатка содержит соединение или опору 58, проходящую от ее центральной части 48 к элементам передней части направляющей стенки для первичного потока, таким как платформы 52 первого ряда лопаток 32 статора. Для подачи тепла к нескольким точкам корпуса, возможно обеспечить одно или несколько соединений от переднего края 44 или центральной части 48 лопатки к данным точкам. Форма лопатки в данной конфигурации является особенно интересной, что касается передачи тепла для защиты от обледенения, так как она предоставляет конструктору носовой части определенную свободу, особенно относительно корпуса, который образует переднюю часть носовой части.
[43] В основном, лопатка должна изготавливаться из качественного металлического проводника, такого, как алюминий. Корпус 40 обычно изготавливается из алюминия. Так как, по существу, единственной функцией лопатки 38 является предоставление теплового моста, она может изготавливаться из алюминия другой марки, чем корпус 40, который подвергается более значительным нагрузкам. Лопатка 38 предпочтительно имеет изогнутую форму. Ее центральная часть 48 может содержать изоляционное покрытие для снижения потери тепла в полость корпуса из-за конвекции и излучения.
[44] Как изображено на Фигуре 2, а также на Фигурах 3, 4 и 5, стенка 42, определяющая вторичный воздушный поток, содержит задний край с плечом для опоры переднего края теплообменника 24. Хотя данный элемент не изображен подробно, соединение иметь следующий вид: передний край теплообменника, задний край 50 стенки 42 и задний край 46 лопатки 38 образуют блок и содержат одно или несколько отверстий, просверленных в основном в радиальном направлении относительно ротора, для размещения крепежных средств, таких как болт для обеспечения удерживания данного блока в скрепленном состоянии под давлением. Задний край 46 лопатки 38 может содержать средство для удерживания гайки, так что крепление узла, состоящего из корпуса 40, лопатки 38 и теплообменника 24, может осуществляться путем вставки зажимного винта из канала вторичного воздушного потока.
[45] Следует отметить, что лопатка предпочтительно имеет в основном круглое поперечное сечение, совпадающее с соответствующим сечением корпуса. Лопатка может образовывать завершенный замкнутый или открытый круг. Она также может состоять из ряда дугообразных секций, которые прилегают друг к другу или отделены друг от друга. В зависимости от различных параметров, тепловому мосту, образованному лопаткой, не всегда есть необходимость являться непрерывным на протяжении всей окружности корпуса.
[46] Также следует отметить, что источником тепла может быть не только теплообменник, например, задний край лопатки может находиться в контакте с, например, маслопроводом в системе смазки турбины.
[47] Также следует отметить, что лопатка может проходить назад, за пределы заднего края стенки 42 корпуса. Более того, может возникать ситуация, когда доступ к источнику тепла может быть невозможен в точке соединения корпуса с задней частью носовой части разделителя (когда в данной точке не расположен теплообменник), а возможен лишь в точке, расположенной намного дальше. В данной ситуации, лопатка будет иметь достаточную длину для образования выступа. В данном случае, нет необходимости в присоединении лопатки к стенке 42, так как может быть желательно предоставить тепловой мост исключительно переднему краю корпуса 40 или его передней кромке 30.
[48] Также стоит отметить, что соединение между передним краем 44 лопатки и корпус не обязательно может осуществляться с помощью свободной вставки или помещения в паз. Более того, главным образом по причинам, связанным с теплопроводимостью и/или устойчивостью конструкции, может быть необходимо обеспечить определенную степень крепления или дополнительной фиксации при помощи болта, особенно у внешней стенки, ограничивающей вторичный воздушный поток или внутренней стенки, ограничивающей первичный воздушный поток. Соединение с передним краем лопатки также может осуществляться с использованием лишь болта, как описано выше. В любом случае, даже если передний край лопатки прикреплен к корпусу без какой-либо возможности перемещения, его "S"-образная форма будет компенсировать разницу теплового расширения между лопаткой и корпусом.
[49] Также стоит отметить, что вышеприведенное описание вариантов осуществления изобретения, в котором для примера использовался осевой турбинный механизм, может использоваться и с другими вариантами применения, где основной поток разделяется на первый и второй поток. В данном случае, первый поток соответствует первичному потоку в двухпоточном осевом турбинном механизме, а второй поток соответствует вторичному потоку в указанном механизме.