АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ГОНДОЛЫ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
AERODYNAMIC ELEMENT FOR AIRCRAFT NACELLE

Изобретение относится к аэродинамическому элементу для гондолы летательного аппарата, а также к гондоле летательного аппарата, снабженной таким элементом.
Самолет приводится в движение с помощью одной или нескольких силовых установок, которые снабжены турбореактивным двигателем, помещенным в трубчатую гондолу. Каждая из этих силовых установок крепится к самолету с помощью специальной стойки, находящейся обычно под крылом или в зоне расположения фюзеляжа.
Гондола представляет собой, как правило, конструкцию, состоящую из передней секции воздухозабора, которая помещена перед двигателем, средней секции, которая охватывает вентилятор турбореактивного двигателя, и задней секции, которая охватывает камеру сгорания турбореактивного двигателя и в которую помещены средства реверса тяги.
В секции воздухозабора находятся, во-первых, капот, имеющий наружную стенку и кромку воздухозаборника, причем указанная кромка рассчитана таким образом, чтобы обеспечить оптимальный захват воздуха, необходимого для питания вентилятора и внутренних компрессоров турбореактивного двигателя, и его течение в направлении этого двигателя, и, во-вторых, неподвижный кожух, включающий в себя акустическую панель и предназначенный для обеспечения надлежащего направленного течения воздуха в сторону лопастей вентилятора.
Кромка воздухозаборника выполнена за одно целое с наружной стенкой, что позволяет обойтись без каких бы то ни было средств для соединения этих компонентов, которые могли бы ухудшить аэродинамические показатели гондолы, при этом для капота употребляют термин ламинарный передний капот - ЛПК (LFC - Laminar Forward Cowl,).
Капот выполнен с возможностью перемещения относительно кожуха из рабочего заднего положения, в котором задний край кромки находится вблизи или в контакте с передним краем кожуха, в переднее положение техобслуживания, в котором указанный задний край кромки отодвинут от переднего края кожуха для получения доступа к турбореактивному двигателю.
Зона контакта кромки с кожухом является источником аэродинамических возмущений, обусловленных сдвигами и отклонениями между указанными компонентами, неизбежных при их соединении друг с другом.
Одно из известных технических решений, призванных улучшить аэродинамическую непрерывность указанной зоны контакта, состоит в установке в этой зоне специального элемента, носящего название «фартук». Эту гибкую деталь, имеющую, по существу, цилиндрическую форму, помещают у передней поверхности кромки и кожуха. Ее передняя часть крепится к кромке, а задняя упирается в радиальном направлении в кожух.
Однако подобные известные фартуки не дают полностью удовлетворительных результатов. Было, действительно, замечено, что в зависимости от конкретных относительных осевых положений кромки и кожуха, возможно формирование слишком большого зазора между фартуком и кожухом, который может, как правило, достигать нескольких миллиметров. Кроме того, из-за радиального смещения кожуха относительно кромки может произойти отрыв крайней задней части фартука. Эти два обстоятельства наносят особенно большой ущерб аэродинамическим характеристикам гондолы, поскольку имеет место возникновение в воздушном потоке зон с провалами и выступами, которые служат причиной нарушения потока воздуха перед двигателем. Но ведь известно, что подобные смещения между кромкой и кожухом неизбежны по той причине, в частности, что очень часто приходится придавать кромке поступательное перемещение при необходимости проведения операций техобслуживания, а затем ее возврата в рабочее заднее положение.
Таким образом, настоящее изобретение направлено на устранение упомянутых выше недостатков.
Для достижения указанной цели, в соответствии с первым аспектом изобретения, предложен аэродинамический элемент для гондолы летательного аппарата, каковая гондола содержит, во-первых, неподвижный кожух и, во-вторых, кромку воздухозаборника, выполненную с возможностью осевого перемещения относительно кожуха, причем указанный элемент является гибким, имеет в установленном положении в целом, по существу, цилиндрическую форму и состоит из:
- переднего участка, прикрепленного к внутренней стенке кромки воздухозаборника гондолы;
- и заднего участка, упирающегося в радиальном направлении во внутреннюю поверхность кожуха.
В соответствии с основной отличительной особенностью изобретения, задний участок элемента снабжен выступающим наружу кольцевым буртиком и торцевой пластиной, которая в состоянии покоя в направлении к ее свободному концу отклонена наружу.
Предлагаемый элемент перекрывает зону контакта между кромкой и кожухом, обеспечивая тем самым непрерывность поверхностей в этой зоне воздушного тракта, в результате чего улучшаются аэродинамические качества.
Благодаря отклонению и гибкости торцевой пластины элемента она может прижиматься к кожуху. Вследствие этого указанная пластина перекрывает возможный чрезмерный осевой зазор между кромкой и кожухом, компенсируя в то же время возможное радиальное смещение между ними.
Под словом «гибкий» здесь понимается тот факт, что элемент и пластина выполнены из материала, который поддается упругой деформации, что позволяет добиться необходимого прижатия элемента к кромке и кожуху, и в то же время является достаточно жестким для того, чтобы элемент обладал нужной механической стойкостью к действующим на него нагрузкам. Так, например, пластину можно изготовить из композитного материала или армирующей ткани, пропитанной силиконом.
Кроме того, предусмотренный в предлагаемом элементе буртик позволяет правильно установить пластину и обеспечить ее защиту, благодаря чему гарантируется надлежащее выполнение ею своих функций. Это объясняется тем, что указанный буртик взаимодействует с передней частью кожуха, которая выполняется предпочтительно с передней фаской. В результате этого при смещении кромки назад с помощью буртика создается смещение заднего участка элемента в радиальном направлении внутрь. Таким образом, пластина отходит от кожуха, благодаря чему не создается препятствий для входа элемента в кожух и устраняется опасность повреждения пластины при этом входе. После этого пластина прижимается к кожуху под действием упругих сил.
Указанное прижатие облегчается благодаря тому обстоятельству, что в состоянии покоя, то есть когда элемент не претерпевает упругой деформации при контакте с кожухом, пластина отклонена. Кроме того, элемент может иметь в состоянии покоя такую форму, при которой он слегка сужается в направлении назад.
Целесообразно, чтобы толщина торцевой пластины была меньше толщины остальных частей элемента. Это позволит ограничить аэродинамическое воздействие заднего участка элемента. В качестве примера укажем, что толщина пластины может составлять менее 0,75 мм.
Торцевая пластина может быть, по существу, плоской или изогнутой с вогнутостью, обращенной наружу. Такое изогнутое исполнение необходимо для восприятия рычажного усилия, создаваемого буртиком, который, в свою очередь, воспринимает сжимающие усилия.
Предпочтительно, чтобы элемент был снабжен средствами выравнивания давления на внутренней и наружной сторонах элемента, что позволит ослабить эффекты его отрыва. Эти средства располагаются, как правило, на промежуточном участке элемента, находящемся между передним участком, прикрепленным к кромке гондолы, и задним участком, на котором предусмотрен кольцевой буртик.
Указанные средства выравнивания давления могут представлять собой, например, радиально сквозные отверстия, выполненные в элементе, и/или осевые проходы, выполненные в кольцевом буртике. В этом последнем случае формируется прерывистый буртик, имеющий форму последовательности отдельных небольших сегментов на периферии элемента. В соответствии с одной из модификаций кольцевой буртик может быть, по существу, сплошным.
Элемент может быть выполнен, например, из композитного материала, на периферии которого может быть предусмотрена по меньшей мере одна сплошная армирующая рамка. При этом напряжения, обусловленные сжатием элемента (при перемещении относительно кожуха или в процессе установки на гондоле), и в частности продольные изгибы, будут восприниматься композитом.
В соответствии с одним из возможных вариантов осуществления в элементе выполнены осевые прорези, выходящие к его заднему концу, которые заполнены эластомерным материалом. Такое заполнение прорезей позволяет ограничить их аэродинамическое воздействие. Однако материал, выбираемый для заполнения прорезей, может быть достаточно гибким для того, чтобы обеспечить возможность некоторой деформации элемента в зоне расположения этих прорезей. Такая деформация способствует более надежной установке элемента и восприятию перемещений.
Целесообразно предусмотреть, чтобы передний конец каждой прорези переходил в круглое отверстие, что позволит предотвратить возникновение трещин на краю прорези. В этом случае точки крепления элемента на кромке должны предпочтительно находиться за круглыми отверстиями, чтобы эти отверстия не подвергались усталостным нагрузкам.
В соответствии с другим вариантом осуществления элемент выполнен из гибкого материала. Говоря другими словами, можно изготовить такой элемент, гибкость которого будет обусловлена не наличием прорезей, а только лишь надлежащим выбором составляющего его материала.
Элемент может состоять, по меньшей мере, из двух, по существу, одинаковых согнутых полос, скрепленных впритык друг к другу вдоль осевых линий с образованием в целом, по существу, цилиндрической формы. Как правило, берут две полосы, каждая из которых образует полуцилиндр.
Предпочтительно, чтобы элемент имел промежуточный участок, находящийся между передним участком и задним участком, и чтобы толщина переднего участка была больше толщины промежуточного участка. Благодаря наличию такого более толстого участка обеспечивается возможность крепления элемента такими крепежными элементами, как винты, без риска повреждения переднего участка. Помещая этот более толстый передний участок в углублении кромки, удается предотвратить формирование утолщения, которое могло бы нанести ущерб аэродинамическим качествам.
В соответствии с другим аспектом изобретения, его предметом является гондола летательного аппарата, содержащая, во-первых, неподвижный кожух и, во-вторых, кромку воздухозаборника, выполненную с возможностью осевого перемещения относительно кожуха из рабочего заднего положения в переднее положение техобслуживания. Эта гондола снабжена аэродинамическим элементом описанного выше типа и сконструирована таким образом, чтобы, когда кромка находится в заднем положении, передний участок элемента был закреплен с прижатием к внутренней поверхности внутренней стенки кромки воздухозаборника гондолы и помещен в уступ, образованный отстоящей в осевом направлении внутрь ступенькой, и чтобы задний участок элемента упирался в радиальном направлении на внутреннюю поверхность кожуха, причем кольцевой буртик должен находится в углублении, образованном отстоящей в осевом направлении внутрь ступенькой.
Что касается пластины, то она упирается на внутреннюю поверхность кожуха, которая расположена практически вровень с внутренней поверхностью внутренней стенки кромки. Таким образом, формируется лишь очень незначительное осевое утолщение смонтированного на гондоле элемента, обусловленное толщиной пластины, которая сравнительно невелика.
Ниже в качестве примеров, не имеющих ограничительного характера, приводится описание нескольких возможных вариантов осуществления изобретения со ссылками на приложенные чертежи, где:
фиг.1 и 2 представляют собой виды в аксонометрии, иллюстрирующие крыло летательного аппарата, снабженное гондолой согласно изобретению, соответственно, капот находится в рабочем заднем положении относительно кожуха и когда он находится в положении техобслуживания;
фиг.3 - схематическое изображение в вертикальном разрезе передней секции гондолы по фиг.1 и 2;
фиг.4 - вид в разрезе элемента в соответствии с первым вариантом осуществления;
фиг.5 и 6 - виды в аксонометрии элемента по фиг.4, соответственно, с внутренней стороны и с наружной стороны;
фиг.7 - вид в аксонометрии элемента в соответствии со вторым вариантом осуществления;
фиг.8 - вид в аксонометрии элемента в соответствии с третьим вариантом осуществления;
фиг.9 - схематичный вид сверху элемента согласно изобретению с прорезями, каждая из которых переходит в круглое отверстие.
Показанная на фиг.1 и 2 гондола согласно изобретению образует собой трубчатое вместилище для турбореактивного двигателя (не иллюстрируется) и служит для обеспечения направленного течения создаваемых им воздушных потоков с формированием при этом внутренних и наружных линий обтекания, необходимых для достижения оптимальных эксплуатационных показателей.
Указанная гондола крепится к какой-либо неподвижной конструкции самолета, например к крылу 2, с помощью стойки или пилона 3.
Если говорить точнее, конструкция гондолы включает в себя переднюю секцию 4, которая образует собой воздухозаборник, среднюю секцию 5, которая охватывает вентилятор турбореактивного двигателя, и заднюю секцию 6, которая охватывает турбореактивный двигатель и в которую помещена, как правило, система реверса тяги.
Передняя секция 4 воздухозаборника снабжена капотом с наружной стенкой 7 и кромкой 8 воздухозаборника, которая выполнена за одно целое с указанной наружной стенкой с формированием при этом единой съемной детали. Однако можно также предусмотреть, чтобы капот состоял из ряда панелей, образующих собой секции наружной стенки и кромки воздухозаборника, с соединительными линиями, идущими в продольном направлении относительно гондолы 1. В этой гондоле входной поток воздуха задается также неподвижным кожухом 9, который прикреплен к средней секции 5 гондолы и включает в себя акустическую панель.
Продольное или осевое направление определяется как направление, параллельное оси 10 гондолы 1, которое соответствует оси тракта течения воздуха в этой гондоле. Термин «наружный» употребляется по отношению к частям, находящимся дальше от оси 10, в противоположность выражению «внутренний». Понятия «передний» и «задний» следует понимать в соотнесении с направлением течения воздуха от секции 4 воздухозаборника в сторону задней секции 6.
Кромка 8, а более общем смысле капот, выполнена с возможностью осевого перемещения относительно неподвижного кожуха 9 между следующими двумя положениями:
- рабочим задним положением (фиг.1 и 3), в котором задний край 11 кромки 8 находится вблизи или в контакте с передним краем 12 кожуха 9;
- и передним положением техобслуживания (фиг.2), в котором указанный передний край 11 кромки 8 отходит от переднего края 12 кожуха 9 с получением при этом доступа к турбореактивному двигателю.
Хотя здесь изобретение иллюстрируется на примере использования для кромки воздухозаборника, имеющей возможность поступательного перемещения, должно быть совершенно очевидно, что изобретение вполне применимо также к другим узлам гондолы, и в частности, к фартуку, устанавливаемому в реверсоре тяги с подвижным капотом с целью улучшения его аэродинамических качеств.
В соответствии с изобретением гондола 1 снабжена элементом 15, назначение которого состоит в обеспечении аэродинамической непрерывности между кромкой 8 и кожухом 9 в рабочем заднем положении.
Как видно на фиг.1-3, элемент 15 имеет в смонтированном положении в целом, по существу, цилиндрическую форму. Этот элемент состоит из следующих участков:
- переднего участка 16, прикрепленного к внутренней поверхности 17 внутренней стенки 18 кромки 8;
- промежуточного участка 19, перекрывающего зону контакта между кромкой 8 и кожухом 9;
- и заднего участка 20, упирающегося в радиальном направлении на внутреннюю поверхность 21 кожуха 9.
Элемент 15 имеет наружную поверхность 22 и внутреннюю поверхность 23, которая в смонтированном положении обращена к оси 10 гондолы 1 и является, по существу, цилиндрической, без утолщений и выступающих частей, что позволяет получить в целом гладкую поверхность, позволяющую улучшить аэродинамическую непрерывность и оптимизировать течение воздуха.
Толщина переднего участка 16 элемента 15 больше толщины его промежуточного участка 19. Это объясняется тем, что передний участок 16 образует собой зону крепления элемента 15 к гондоле 1 и потому должен выдерживать соответствующие нагрузки, тогда как промежуточный участок 19 служит, главным образом, для перекрытия зоны контакта между кромкой 8 и кожухом 9. Толщина переднего участка 16 составляет, как правило, от 2 до 6 мм, а толщина промежуточного участка 19 - от 1 до 3 мм.
На заднем участке 20 предусмотрены кольцевой буртик 24, отходящий от наружной поверхности 22, и торцевая пластина 25 небольшой толщины (обычно меньше 0,75 мм). В состоянии покоя, то есть когда элемент 15 не испытывает деформаций, пластина 25 в направлении ее свободного конца отклонена наружу.
В соответствии с одним из предпочтительных технических решений внутренняя стенка 18 кромки 8 снабжена углублением 26, которое образовано отстоящей в осевом направлении внутрь ступенькой. Кожух 9 тоже имеет углубление 27, образованное отстоящей в осевом направлении внутрь ступенькой, которая примыкает к передней фаске 28 и задней фаске 29. Гондола 1 сконструирована таким образом, что передняя часть 30 внутренней стенки 18 кромки 8 и задняя часть 31 кожуха 9 расположены практически на одном и том же диаметре.
В смонтированном положении передний участок 16 элемента 15 входит в углубление 26 кромки, в то время как буртик 24 входит в углубление 27 кожуха 9, а торцевая пластина 25 опирается на заднюю часть 21 этого кожуха. В результате получают практически цилиндрическую периферийную поверхность воздушного тракта, что позволяет оптимизировать течение воздуха, причем этому еще больше способствует то обстоятельство, что указанная пластина 25 имеет сравнительно небольшую толщину.
Элемент 15 выполнен гибким, благодаря чему он может прижиматься к кожуху 9 вследствие упругой деформации. Можно также предусмотреть, чтобы этот элемент в состоянии покоя несколько отходил назад, что позволит усилить прижатие к кожуху.
Если говорить конкретнее, элемент 15 выполняют из нескольких (обычно двух), по существу, одинаковых согнутых полос 32, скрепленных впритык друг к другу вдоль осевых линий с образованием в целом, по существу, цилиндрической формы. Ширина каждой полосы 32 (то есть ее осевой размер в смонтированном положении) составляет порядка 80 мм. Длина каждой полосы (когда их две) равна примерно 3 м, что практически соответствует половине периметра воздушного тракта.
Рассмотрим теперь фиг.4-9, где показано несколько возможных вариантов выполнения полос 32, из которых составлен элемент 15.
В соответствии с первым вариантом осуществления (фиг.4-6) полоса 32 выполнена из гибкого материала. В рассматриваемом случае необходимая гибкость элемента 15 достигается исключительно благодаря надлежащему выбору материала. Полосу 32 можно изготовить, например, из композитного материала типа эпоксидно-углеродного композита (или стеклоуглеродного, например, для придания большей гибкости), в состав которого может входить, по меньшей мере, одна армирующая рамка, практически сплошная по всей длине, то есть по периферии элемента 15, когда полоса 32 помещена на гондоле 1. Кроме того, полоса 32 может иметь наружный слой 33, покрывающий всю ее поверхность и образующий в то же время буртик 24 (фиг.4). Такой наружный слой выполняют обычно из ткани, обработанной таким образом, чтобы получить незначительное трение, в частности с помощью тефлонового покрытия, и пропитанной силиконом для обеспечения возможности приклеивания ткани к композитному сердечнику. Благодаря такой ткани с низким трением удается снизить коэффициент трения между деталями 12/21/27/28/29/31 и фартуком, в результате чего уменьшаются усилия поступательного перемещения и увеличивается срок службы с уменьшением износа.
Поверхность 23 может быть покрыта пленкой из поливинилфторида (Tedlar), что дает исключительно высокую чистоту поверхности.
Как более четко показано на фиг.4, полоса 32 не идеально плоская, а несколько изогнута наружу от ее переднего участка 16 в направлении заднего участка 20, с формированием при этом элемента 15, слегка отходящего назад, что способствует его прижатию к кожуху 9. Кроме того, торцевая пластина 25 изогнута здесь по линии продолжения остальной части полосы 32 с вогнутостью, обращенной наружу. В соответствии с другим вариантом пластина 25 может быть практически плоской, но отклоненной наружу.
На переднем участке 16 полосы 32 выполнены следующие друг за другом по его длине отверстия 34, которые предназначены для прохода элементов крепления на кромке 8.
В соответствии со вторым вариантом осуществления, представленным на фиг.7, наружный слой 33 полосы 32, например из силикона, образует собой всю торцевую пластину 25, а не только покровный слой.
Кроме того, в пластине 25 выполнены продольные прорези 35, идущие от ее свободного конца до буртика 24. Благодаря этим прорезям увеличивается деформируемость пластины и предотвращается ее отрыв, вследствие чего усиливается прижатие этой пластины к кожуху 9.
В соответствии с третьим вариантом осуществления (см. фиг.8), вместо сплошного кольцевого буртика 24 предусмотрен прерывистый буртик, образующий собой последовательность из отдельных небольших сегментов 36, расположенных вдоль пластины 25. В результате между двумя следующими друг за другом сегментами 36 образованы осевые проходы 37, с помощью которых в процессе работы обеспечивается выравнивание давлений на внутренней и наружной сторонах элемента 15. Можно с той же целью выполнить в полосе 32, в дополнение к указанным проходам 37 или взамен их, радиально сквозные отверстия 38.
Кроме этого, в полосе 32 выполнены осевые прорези 39, выходящие к ее заднему концу, с тем чтобы увеличить способность элемента 15 к упругой деформации. Для ограничения аэродинамического воздействия прорезей 39 их можно заполнить каким-либо эластомерным материалом.
Следует также заметить, что в данном примере торцевая пластина 25 выполнена практически плоской и отклонена наружу.
В соответствии с одним из предпочтительных вариантов, который показан на фиг.9, передние концы прорезей 39 переходят в круглые отверстия 40, благодаря чему предотвращается или существенно ограничивается возникновение трещин на краях этих прорезей. Во избежание слишком сильного воздействия усталостных нагрузок на отверстия 34 для крепления полосы 32 на кромке 8 предпочтительно, чтобы они находились по направлению потока за указанными круглыми отверстиями 40.
На практике несколько полос 32 (обычно две) свинчивают на кромке 8 впритык друг к другу и подвергают незначительному предварительному напряжению путем уменьшения их длины (то есть вдоль некоторого диаметра) с целью формирования элемента 15 с аэродинамической непрерывностью, который сможет надежно упираться в кромку 8 и кожух 9. Такое сжатие становится возможным благодаря гибкости элемента 15, обусловленной только лишь природой образующего его материала и/или наличием осевых прорезей 39, которые заполняют материалом, способным поглощать деформации, создающиеся при сжатии.
Когда кромка 8 находится в рабочем заднем положении (см. фиг.3), элемент 15 расположен практически по касательной к кромке 8 и к кожуху 9, к которому он радиально прижат.
Когда кромку смещают относительно кожуха 9 из переднего положения техобслуживания в рабочее заднее положение, буртик 24 (иди сегменты 36) приходит сначала в соприкосновение с кожухом 9, а точнее - с фаской 28. В результате этого задний участок 20 элемента 15 отходит в радиальном направлении наружу от кожуха 9. Благодаря этому становится возможным беспрепятственное взаимодействие элемента 15 с внутренней периферией кожуха 9, а капота - со средней секцией 5 гондолы 1, без повреждения при этом торцевой пластины 25. В конце поступательного смещения назад пластина 25 благодаря своей упругости и наклону прижимается к кожуху 9.
Элемент рассчитан таким образом, чтобы обеспечить возможность открытия и закрытия капота без снятия детали и чтобы он мог выдерживать подобные последовательные перемещения на протяжении многих циклов (например, порядка 3500).
Благодаря наличию пластины 25 удается компенсировать осевые и радиальные сдвиги между кромкой 8 и кожухом 9, обеспечивая покрытие, прижимающееся к указанному кожуху. Благодаря наличию гибкой пластины, имеющей возможность упругой деформации и выполненной с отклонением наружу, предотвращается даже малейшая вероятность отрыва ее заднего конца и, следовательно, улучшается аэродинамическая непрерывность. Кроме того, эта пластина помогает адаптировать элемент 15 к различным формам и допускам кромки 8 и кожуха 9.
Должно быть понятно, что возможно комбинирование признаков, свойственных описанным выше отдельным вариантам осуществления. Так, в частности, полоса согласно первому варианту осуществления может быть снабжена средствами выравнивания давлений, пластина полосы по фиг.8 может быть выполнена изогнутой, буртик по фиг.7 может быть сплошным и так далее.
Итак, благодаря изобретению достигается существенное усовершенствование традиционных конструкций благодаря созданию элемента, который обеспечивает возможность оптимизации аэродинамических характеристик зоны контакта между задним краем кромки воздухозаборника капота типа ЛПК и акустическим кожухом, проходящим между этим краем и картером вентилятора.
Разумеется, изобретение не ограничивается описанными выше в качестве примеров вариантами его осуществления, а охватывает также всевозможные технические эквиваленты и модификации рассмотренных выше средств и их различных комбинаций.