УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ДВИГАТЕЛЯ САМОЛЕТА ОТ СТОЛКНОВЕНИЯ С ПТИЦАМИ
DEVICE FOR PROTECTION OF AIRCRAFT ENGINE AGAINST BIRD COLLISION

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Настоящее изобретение в целом относится к самолетным двигателям и более конкретно - к устройствам для защиты самолетных двигателей, обеспечивающим защиту от столкновения с птицами и их засасывания внутрь, для применения в турбинных двигателях, таких как авиационные двигатели и т.п.
[0002] Из предшествующего уровня техники в целом известно о большом риске для самолетов, который возникает при засасывании посторонних предметов в воздухозаборник реактивных двигателей, что отражено в описаниях документов предшествующего уровня техники, в том числе в опубликованных в США патентных заявках: US 2009/0101760; US 2010/0180566; US 2010/0287908; US 2011/0000184; US 2011/0011055; US 2011/0030333; US2011/0095912; US 2013/0213003; US 2013/0291726; и US 2013/0294894, при этом все содержание указанных опубликованных патентных заявок полностью включено в данный документ посредством ссылки.
[0003] Проблема, решаемая настоящим изобретением, особенно остро стоит в реактивных двигателях, применяемых в воздушных судах, поскольку такие двигатели работают в условиях, когда посторонние предметы не могут быть удалены или проконтролированы. Двигатели реактивного воздушного судна, передвигающегося по земле, часто засасывают посторонние предметы, такие как инструменты и другие мелкие металлические предметы, в то время как в полете реактивное воздушное судно подвержено засасыванию птиц, листьев, бумаги и других посторонних предметов, находящихся в воздухе.
[0004] Попадание почти любого твердого постороннего предмета в воздухозаборник реактивного двигателя приводит к повреждению ступеней компрессора и, возможно, других частей двигателя. Это повреждение двигателя немедленно проявляется в частичной или полной потере имеющейся тяги двигателя, что приводит к нарушению летной способности воздушного судна.
[0005] Проблема засасывания птиц в реактивные двигатели особенно остро стоит во время взлета самолета, когда самолет может пролетать через стаю птиц именно в то время, когда для безопасного взлета требуется максимальная доступная тяга. Поскольку многие коммерческие и частные реактивные самолеты имеют только два двигателя, будет понятно, что частичная потеря мощности в обоих двигателях или полная потеря мощности в одном двигателе, возникающая во время или вскоре после взлета, может иметь серьезные последствия. Расследования после катастроф показали, что многочисленные катастрофы реактивных воздушных судов, приводящие к гибели людей и значительному имущественному ущербу, напрямую связаны с засасыванием птиц, которое происходило во время или вскоре после взлета.
[0006] Согласно статистическим данным Федерального управления гражданской авиации (FAA) в период с 1990 по 2008 годы произошло более 100000 столкновений (гражданских самолетов и самолетов Военно-воздушных сил США (USAF)) с обитателями дикой природы, и с 1990 года число столкновений неуклонно растет. В 1990 году в отрасли было зафиксировано 1738 столкновений с птицами; в 2007 году это число увеличилось до 7666. Некоторые из этих тенденций связаны с увеличением авиаперевозок, но частота столкновений с обитателями дикой природы утроилась с 0,527 до 1,751 на 10000 полетов.
[0007] Столкновение с птицами, особенно реактивных двигателей, могут иметь катастрофические последствия. 4 октября 1960 года рейс 375 компании «Eastern Air Lines» во время взлета натолкнулся на стаю европейских скворцов. Все четыре двигателя были повреждены, и самолет упал в Бостонскую гавань. Погибло 62 человека.
[0008] Хотя по правилам FAA требуется, чтобы реактивные двигатели были спроектированы таким образом, чтобы обеспечить непрерывную работу после засасывания птицы определенного размера при заданной скорости воздушного судна, такая конструкция не устраняет столкновений с птицами, вызывающих повреждение и/или отказ двигателя. 15 января 2009 года произошло двойное столкновение с птицами, а именно канадскими гусями, самолета Airbus А320-214 компании US Airways, выполнявшего рейс 1549, примерно через три минуты после взлета из аэропорта Ла Гуардия, когда самолет находился на высоте 2818 футов над уровнем земли (AGL). Столкновение с птицами привело к немедленной и полной потере тяги в обоих двигателях, что вынудило экипаж совершить аварийное приводнение самолета на реку Гудзон.
[0009] Статистические данные FAA сообщают, что 92% столкновений с птицами происходят на уровне 3000 футов AGL или ниже, а значит в критической точке взлета или посадки. Предлагаемые наземные программы борьбы с обителями дикой природой, такие как радиолокационное обнаружение птичьих стай и использование огней, источников шума и водометов, почти или полностью бесполезны для борьбы со столкновениями с птицами на таких высотах, на которых это испытал рейс 1549, или более высоких.
[0010] Увеличение числа столкновений с птицами привело к регулярным сообщениям о том, что коммерческие самолеты вынуждены совершать аварийные посадки вскоре после взлета. Согласно статистическим данным FAA, чайки являются наиболее распространенным видом птиц, сталкивающихся с воздушными судами, на которых приходится 19% птиц, идентифицированных при столкновениях самолетов с птицами. Горлицы и голуби являются вторыми наиболее распространенными, на которых приходится 15% птиц, идентифицированных при столкновениях самолетов с птицами. Но, как показывает рейс 1549, столкновения с крупными птицами, такими как канадские гуси, также могут происходить, с разрушительными последствиями.
[0011] Существует много факторов, способствующих увеличению относительного числа столкновений с птицами коммерческих и военных воздушных судов. Эти факторы включают: 1) По мере того как реактивные перевозки замещали более шумные и более медленные воздушные суда с поршневым двигателем, вероятность того, что эти реактивные самолеты столкнутся с обитателями дикой природы, увеличивалась; 2) Наряду с изменением способа передвижения произошло увеличение количества полетов во всем мире, как военных, так и коммерческих; 3) Естественная среда обитания окружает многие современные аэропорты, и эта среда обитания обеспечивает для обитателей дикой природы убежище, район гнездования и области питания, которые обычно отсутствуют в окружающей городской местности; 4) Многие из самых загруженных в мире аэропортов, в том числе Национальный аэропорт имени Рейгана в Вашингтоне, Международный аэропорт Филадельфии, Ла Гуардия в Нью-Йорке и Международный аэропорт имени Логана в Бостон, находятся вблизи больших водоемов, которые создают вышеупомянутые естественные места обитания для крупных водоплавающих птиц, таких как гуси и утки; и 5) Меры по сохранению дикой природы в целом способствуют увеличению популяций местных птиц. Эти факторы приводят к тому, что большинство столкновений с обитателями дикой природы происходят в непосредственной близости от аэропорта. Согласно статистическим данным FAA, из-за столкновений обитателей дикой природы с гражданскими воздушными судами только в Соединенных Штатах теряется более 600 миллионов долларов в год.
[0012] В контексте данного документа термин «реактивный двигатель» предназначен для обозначения различных типов двигателей, которые впускают воздух с относительно низкой скоростью, нагревают воздух посредством горения и выпускают воздух с гораздо большей скоростью. Термин «реактивный двигатель» включает, например, турбореактивные двигатели и турбовентиляторные двигатели.
[0013] Реактивный двигатель традиционно содержит узел компрессора для сжатия всасываемого воздуха, блок камеры сгорания для сжигания сжатого воздуха и секцию турбины, расположенную за камерой сгорания, при этом секция турбины соединена с возможностью вращения с узлом компрессора с целью приведения в движение посредством богатого энергией газа из камеры сгорания. Узел компрессора обычно содержит компрессор низкого давления и компрессор высокого давления. Секция турбины обычно содержит турбину низкого давления и турбину высокого давления. Компрессор высокого давления соединен с возможностью вращения с турбиной высокого давления посредством первого вала, и компрессор низкого давления соединен с возможностью вращения с турбиной низкого давления посредством второго вала.
[0014] В авиационном реактивном двигателе применяются стационарные направляющие лопаточные узлы для изменения направления потока от одного угла к другому. Стационарный направляющий лопаточный узел может быть применен в статорном компоненте турбовентиляторного двигателя на выходе вентилятора, в выходном патрубке турбины (ТЕС) и в промежуточном картере (IMC).
[0015] Хотя, как отмечалось выше, в предшествующем уровне техники решались вопросы, связанные с данной проблемой, изобретатель данного изобретения разработал решения, которые преодолевают различные недостатки и изъяны предшествующего уровня техники, в том числе обеспечивают конструкции, которые являются более прочными, высоко функциональными, универсальными, а также эстетически и аэродинамически более предпочтительными для применения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0016] Соответственно, целью настоящего изобретения является создание защитного устройства для двигателя, которое не мешает потребностям воздухозаборников авиационных двигателей.
[0017] Другой целью настоящего изобретения является создание защитных устройств для авиационного двигателя, которые являются аэродинамическими и очень прочными.
[0018] Другой целью настоящего изобретения является создание защитных устройств для двигателя, которые могут быть легко соединены с корпусами существующих авиационных двигателей.
[0019] Вышеупомянутые и другие цели настоящего изобретения реализуются с помощью защитных устройств для самолетного двигателя, которые имеют внешний вид в целом конусообразной формы со ступенчатыми отдельными диаметральными секциями, которые расположены ступеньками одна перед другой, чтобы обеспечить максимальный воздушный поток и оптимальную защиту от столкновений с птицами.
[0020] Согласно предпочтительным вариантам осуществления настоящее изобретение относится к защитному устройству для авиационного двигателя для защиты авиационного двигателя от засасывания крупных объектов, при этом защитное устройство содержит: в целом конусообразный корпус; секцию основания на заднем конце корпуса защитного устройства и секцию колпака на дистальном переднем конце корпуса защитного устройства; по меньшей мере три вертикальные проходящие по периферии стенки, расположенные между основанием и секцией колпака, при этом следующие друг за другом периферийные стенки имеют разные периферийные размеры, причем указанные размеры уменьшаются от основания к секции колпака; и множество воздухозаборных отверстий, причем указанные воздухозаборные отверстия имеют по меньшей мере один габаритный размер, меньший выраженной в сантиметрах заданной величины. Предпочтительно заборные отверстия включают множество обращенных в сторону заборных отверстий, расположенных на по меньшей мере одной из периферийных стенок. Заборные отверстия могут включать множество обращенных вперед заборных отверстий в сочетании с вышеупомянутыми отверстиями. Для соединения вертикальных периферийных стенок друг с другом могут содержаться перемычки, и при этом обращенные вперед заборные отверстия частично образованы между перемычками.
Воздухозаборные отверстия могут включать отверстия, которые проходят непрерывно по двум соседним периферийным стенкам.
[0021] Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из последующего описания изобретения, которое ссылается на сопроводительные графические материалы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0022] На фиг. 1 представлено изображение в перспективе, показывающее восемь разных защитных устройств согласно настоящему изобретению.
[0023] На фиг. 2 представлено изображение в перспективе защитного устройства авиационного двигателя в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0024] На фиг. 3 показан задний вид в плане по фиг. 2.
[0025] На фиг. 4 представлено изображение в перспективе защитного устройства авиационного двигателя в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0026] На фиг. 5 приведен вид сзади по фиг. 4.
[0027] На фиг. 6 представлено изображение в перспективе третьего варианта осуществления защитного устройства авиационного двигателя.
[0028] На фиг. 7 представлено изображение в перспективе четвертого варианта осуществления защитного устройства авиационного двигателя.
[0029] На фиг. 8 представлено изображение в перспективе пятого варианта осуществления защитного устройства авиационного двигателя.
[0030] На фиг. 9 представлено изображение в перспективе шестого варианта осуществления защитного устройства авиационного двигателя.
[0031] На фиг. 10 представлено изображение в перспективе седьмого варианта осуществления защитного устройства авиационного двигателя.
[0032] На фиг. 11 представлено изображение в перспективе восьмого варианта защитного устройства авиационного двигателя.
[0033] На фиг. 12 представлено изображение в перспективе девятого варианта осуществления защитного устройства авиационного двигателя.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0034] Со ссылкой на графические материалы, настоящее изобретение в целом относится к защитным устройствам для реактивных двигателей, обладающим общим отличительным признаком, заключающимся в том, что они содержат основание, которое соответствует форме переднего контура корпуса двигателя и легко крепится к существующим двигателям. Еще один общий отличительный признак защитных устройств для двигателя самолета согласно настоящему изобретению состоит в том, что они в целом имеют коническую форму со следующими одна за другой секциями все меньшего диаметра, где каждая секция может иметь постоянный диаметр или сужающийся диаметр, или слегка выпуклую наружу область.
[0035] Другой общий отличительный признак защитных устройств для двигателя самолета согласно настоящему изобретению заключается в том, что стенки корпуса содержат большие перфорационные отверстия, которые проходят по окружности границ стенки, причем каждый вариант осуществления отличается количеством участков стенки, углами стенки и количеством и ориентацией отверстий или щелей в ней.
[0036] Другой общий отличительный признак заключается в предоставлении ведущей конструкции, которая имеет коническую форму с передней головкой, которая несет на себе основную тяжесть задачи встречи и отклонения птиц от отверстий двигателя. Ведущий компонент передней головки защитных устройств может быть плоским, коническим или ребристым.
[0037] Изображение в перспективе на фиг. 1 показывает восемь разных конструкций защитного устройства для самолета, включая первое защитное устройство 150, второе защитное устройство 90, третье защитное устройство 170, четвертое защитное устройство 130, пятое защитное устройство 10, шестое защитное устройство 50, седьмое защитное устройство 110 или 30 и восьмое защитное устройство 70.
[0038] В целом защитные устройства выполнены из металла, предпочтительно алюминия толщиной в полдюйма, но при необходимости могут иметь толщину в дюйм или даже больше, чтобы иметь необходимую прочность и жесткость для поглощения сил, значительно превышающих воздействия величиной 50000 футо-фунтов. В целом защитные устройства имеют в целом коническую форму с фланцем основания для крепления к заборной стороне двигателя самолета и наружную стенку, состоящую из нескольких секций и различных отверстий и щелей для забора воздуха.
[0039] Более конкретно, в первом варианте осуществления, представленном на фиг. 2, показано защитное устройство 10 с фланцем 12 основания, с отверстиями 13 для винтов/заклепок (показаны на фиг. 3) для установки на авиационный двигатель. Отверстия 13 могут быть расположены на каждом дюйме или около того по окружности периферии, чтобы обеспечить надежное удержание защитного устройства 10 на двигателе (не показан). Защитное устройство 10 содержит первую вертикальную периферийную боковую стенку 14 основания со множеством обращенных в сторону воздухозаборных отверстий 16, расположенных в два кольцевых ряда по окружности периферии, на участках, причем каждый участок содержит десять отверстий - пять сверху и другие пять снизу.
[0040] Кроме того, также имеются вертикальные стенки 18а, 18b и 18с, каждая из которых имеет меньший диаметр, чем предыдущая, соединенные друг с другом посредством соединяющих перемычек 17, как показано. Промежутки между перемычками и стенками образуют дугообразные горизонтальные, но обращенные вперед прорези 19а, 19b, 19с и 19d. Стенка 18d образует колпак защитного устройства с головкой 22 колпака и множеством обращенных вперед отверстий 20. Защитное устройство 10 при установке на плоскости двигателя, гарантирует, что в двигатель не может попасть ни одна часть птицы, которая весит более 4 фунтов, при этом понимается, что Федеральное управление гражданской авиации (FAA) имеет установленную спецификацию, которая требует, чтобы реактивный двигатель был способен поглощать части животных/птиц размером менее или около четырех фунтов. На фиг. 3 показан вид сзади варианта осуществления, представленного на фиг. 2.
[0041] В еще одном варианте осуществления (представлено на фиг. 4) защитное устройство 30 имеет подобное основание 32 со следующими одна за другой обращенными вперед дугообразными и горизонтальными щелями 39а, 39b, 39с, секцию колпака и головку 42 колпака.
На фиг. 5 представлен вид сзади фиг. 4, показывающий ранее упомянутые отверстия 33 для винтов.
[0042] В еще одном варианте осуществления (представлен на фиг. 6) защитное устройство 50 имеет подобную пластину 52 основания, множество стенок с постепенно уменьшающимся диаметром, которые в этом случае изогнуты и имеют вертикально проходящие и изогнутые дугообразные отверстия 59а на каждом уровне, как показано, заканчивающиеся на головке 62 колпака. Периферийная стенка 54 основания имеет один ряд заборных обращенных в сторону отверстий 56, подобных отверстиям 16, представленным на фиг. 2.
[0043] В еще одном варианте осуществления, показанном на фиг. 7, защитное устройство 70 содержит основание 72, множество вертикально ориентированных в целом в прямоугольных и обращенных в сторону заборных отверстий 72, которые расположены по окружности периферии, и множество вертикальных стенок с вертикально ориентированными изогнутыми отверстиями 79а, которые обращены частично вперед, как показано.
[0044] Со ссылкой на фиг. 8, защитное устройство 90 этого варианта осуществления содержит вертикально ориентированные и изогнутые заборные отверстия 100 в своем колпаке, которые расположены непосредственно под головкой 102 колпака, с четырьмя вертикальными стенками, соединенными перемычками, как и ранее, которые образуют дугообразные горизонтально расположенные и ориентированные вперед воздухозаборные отверстия, как показано.
[0045] На фиг. 9 защитное устройство 110 содержит основание 112, три вертикальные стенки с дугообразными и обращенными вперед воздухозаборниками между ними, а также колпак, достигающий высшей точки в головке 122 колпака, и множество обращенных вперед круглых воздухозаборных отверстий в основании головки колпака, как показано.
[0046] В еще одном варианте осуществления защитное устройство 130, представленное на фиг. 10, содержит основание 132 с тремя вертикально ориентированными стенками 134 с вертикально ориентированными отверстиями 134, распределенными равномерно по окружности периферии. Как и ранее, каждая вертикальная и периферийная стенка имеет диаметр, немного меньший, чем стенка, которая находится ниже, при этом перемычки 137 соединяют и образуют дугообразные воздухозаборники, как показано. За головкой 142 колпака расположен первый ряд распределенных по периферии вертикально ориентированных изогнутых прямоугольных заборных отверстий 141, как показано.
[0047] В еще одном варианте защитных устройств согласно настоящему изобретению защитное устройство 150, представленное на фиг. 11, содержит основание 152, первую вертикально ориентированную стенку 154а, содержащую множество прямоугольных и вертикально ориентированных отверстий 156 по окружности периферии, и часть 154b колпака увеличенного размера, которая имеет постепенно уменьшающийся диаметр периферийной стенки и содержит вертикально ориентированные щели разного размера на нескольких участках по периферии и перед теми дополнительными отверстиями 157с, которые доходят до головки 162 колпака. Отверстия 157b могут быть расположены на вырезанном участке 157а.
[0048] В еще одном варианте осуществления, показанном на фиг. 12, представлено защитное устройство 170, которое содержит вертикальную стенку на основании с окружающими рядами обращенных в сторону воздухозаборников и очень увеличенную секцию колпака, которая содержит вертикально ориентированные отверстия разных размеров по окружности периферии и впереди них - дугообразные вертикально ориентированные и изгибающиеся внутрь прорези 177с, как показано.
[0049] В целом, с точки зрения функциональности, различные варианты осуществления выполняют одинаковую функцию предотвращения засасывания птиц в двигатель целиком, допуская засасывание только маленьких кусков частей птиц, на которые они разбиваются при ударе, так, чтобы это мог выдержать авиационный двигатель, как упомянуто выше. Общим знаменателем различных вариантов осуществления является то, что все они имеют приемлемые аэродинамические поверхности, чрезвычайно прочны по конструкции и имеют эстетически привлекательный внешний вид. У основания эти колпаки соответствуют размеру отверстия двигателя, который может быть больше роста человека, в зависимости от типа двигателя и воздушного судна. Общая форма колпака защитных устройств, их секции с уменьшающимся в переднем направлении диаметром стенок и, при необходимости, криволинейные поверхности помогают отклонять тела птиц в стороны от воздухозаборника двигателя и воздухозаборных отверстий защитного устройства.
[0050] Хотя настоящее изобретение было описано в отношении конкретных вариантов его осуществления, многие другие варианты и модификации и другие применения будут очевидными для специалистов в данной области техники. Поэтому предпочтительно, чтобы настоящее изобретение ограничивалось не конкретным описанием, приведенным в данном документе, а только прилагаемой формулой изобретения.