КОНСТРУКЦИЯ ПЕРЕДНЕЙ КРОМКИ, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ ВОЗДУХОЗАБОРНИКА ГОНДОЛЫ ДВИГАТЕЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
LEADING EDGE STRUCTURE, PARTICULARLY, TO AIRCRAFT ENGINE NACELLE

Настоящее изобретение относится к конструкции передней кромки, предназначенной, в частности, для воздухозаборника гондолы двигателя летательного аппарата.
Как известно, гондола двигателя летательного аппарата выполняет функцию его обтекателя, а также множество других функций: указанная гондола, в частности, имеет в части, расположенной впереди по потоку, элемент, называемый «воздухозаборником», который имеет обычно цилиндрическую форму и предназначен, в частности, для направления наружного воздуха к двигателю.
Как показано на фиг.1, на которой секция воздухозаборника изображена схематически в продольном разрезе, данная часть гондолы содержит в зоне, находящейся впереди по потоку, конструкцию 1 передней кромки, содержащую собственно переднюю кромку 2, обычно называемую «воздухозаборной кромкой», а также первую внутреннюю перегородку 3, ограничивающую отсек 5, в котором расположены средства защиты от обледенения 6, т.е. любые средства, позволяющие принимать меры по защите кромки от обледенения и/или меры по удалению льда с кромки.
Воздухозаборная кромка 2 прикреплена заклепками к задней части 7 воздухозаборника, причем задняя часть имеет на своей наружной поверхности капот 9 герметизации, и имеет на своей внутренней поверхности звукопоглощающие средства 11, обычно называемые «акустическим экраном», при этом задняя часть 7 воздухозаборника ограничивает похожую на коробку часть, закрытую второй перегородкой 13.
Как правило, все указанные элементы выполнены из металлических сплавов, причем для воздухозаборной кромки 2 и капота 9 герметизации обычно используют алюминиевые сплавы, а для двух перегородок 3 и 13 используют сплавы на основе титана. Капот 9 герметизации может также быть выполнен из композитного материала.
Такой известный воздухозаборник имеет определенные недостатки: он относительно тяжелый, его изготовление состоит из множества сборочных операций, а наличие большого количества заклепок влияет на его аэродинамические свойства.
Решение, позволяющее устранить указанные недостатки, заключается в замене металлических сплавов композитными материалами.
Проведено немало исследований на тему использования композитных материалов, в частности, в конструкции 1 передней кромки.
Однако данные исследования до сих пор упирались в проблему поведения композитных материалов при температурных нагрузках и последствий для эффективности работы систем удаления льда или защиты от обледенения, расположенных в воздухозаборной кромке.
Теплопроводность композитных материалов ниже, чем теплопроводность металлов, в частности, алюминия.
На данный момент не представляется возможным совмещать выполнение требований, предъявляемых к удалению льда и защите от обледенения воздухозаборной кромки 2, изготовленной из «традиционных» композитных материалов, с выполнением требований, предъявляемых к поведению указанной кромки под воздействием механических нагрузок.
На самом деле, на наружной обшивке кромки невозможно достичь температуры, необходимой для эффективной защиты от обледенения и/или удаления льда, без ухудшения свойств композитного материала в связи с превышением температуры стеклования в различных точках.
Изменение размеров композитного материала, более конкретно, уменьшение его толщины, не позволяет снизить остроту данной проблемы.
Кроме того, подобное изменение приводит к снижению устойчивости воздухозаборной кромки к механическим нагрузкам, а также к снижению прочности при статической нагрузке и прочности при ударной нагрузке со стороны инструментов, птиц или града.
В этой связи задачей настоящего изобретения является, в частности, решение, при котором возможно использование в конструкциях передней кромки летательного аппарата, в частности, в гондолах, композитных материалов, не имеющих недостатков, известных из уровня техники.
Еще одна задача изобретения - предложить композитную конструкцию передней кромки, обеспечивающую эффективную защиту от обледенения или эффективное удаление льда, в частности, при применении средств защиты от обледенения с использованием электричества.
Также, предпочтительно предложить конструкцию передней кромки, которая имеет значительное сопротивление любым воздействиям, продолжая при этом эффективно удалять лед и/или защищать от обледенения.
Другой задачей настоящего изобретения является предложение конструкции передней кромки с оптимизированной теплопроводностью по толщине конструкции, что позволяет уменьшить разность температур между внутренней и наружной обшивками передней кромки, повысить теплопроводную эффективность системы защиты от обледенения кромки и сократить время реагирования на повышение температуры.
Также, предпочтительно иметь возможность регулирования теплопроводности конструкции передней кромки по ее профилю, т.е. регулирования выделения тепла вдоль продольной оси гондолы и по ее радиусу.
Кроме того, предпочтительно, чтобы конструкция передней кромки имела уменьшенную массу.
Указанные задачи решены благодаря конструкции передней кромки, в частности, для воздухозаборника гондолы, содержащей переднюю кромку и внутреннюю перегородку, ограничивающую внутри указанной передней кромки продольный отсек, в котором размещены средства удаления льда и/или защиты от обледенения, причем передняя кромка выполнена из по меньшей мере одой многоосевой композитной конструкции, расположенной поверх нагревательного элемента, выполненного с возможностью удаления льда и/или защиты от обледенения.
Многоосевая композитная конструкция изготовлена из композитного материала, состоящего из волокон, идущих в трех пространственных направлениях, с армирующими волокнами, проходящими сквозь конструкцию по ее толщине, что позволяет присоединять слои композитного материала друг к другу.
Использование подобных многоосевых композитных материалов для формирования конструкции передней кромки придает ей хорошие термические свойства благодаря наличию армирующих волокон, проходящих сквозь композитную конструкцию по ее толщине, что также обеспечивает ей высокую устойчивость к различным воздействиям, которым она может подвергаться.
Наличие поперечных армирующих волокон обеспечивает поступательное распространение тепла по толщине композитной конструкции, позволяя достичь температуры, необходимой для эффективного удаления льда с наружной обшивки передней кромки и/или ее защиты от обледенения, при этом температура смолы композитного материала ни в одной из точек и ни в один из моментов времени не превышает температуру стеклования.
Наличие поперечных армирующих волокон сокращает время достижения конструкцией температуры, необходимой для нормальной работы системы защиты от обледенения и/или удаления льда.
Предложенная передняя кромка может иметь следующие дополнительные признаки:
- многоосевая композитная конструкция содержит армирующие волокна, выполненные из углеродного материала, меди или алюминия;
- многоосевая композитная конструкция выполнена путем сшивания;
- многоосевая композитная конструкция выполнена путем использования игл;
- многоосевая композитная конструкция имеет тканую структуру с угловым переплетением;
- многоосевая композитная конструкция содержит армирующие волокна, расположенные под наклоном относительно нормали к плоскости конструкции;
- многоосевая композитная конструкция содержит армирующие волокна, расположенные параллельно нормали к плоскости конструкции;
- армирующие волокна полностью или не полностью проходят сквозь композитную конструкцию по ее толщине;
- передняя кромка имеет переменную толщину вдоль ее профиля, например, имеет большую толщину в местах, наиболее значительных изгибов и меньшую толщину на концах;
- передняя кромка имеет переменную плотность расположения армирующих волокон в зависимости от требуемой теплопроводности.
В объем настоящего изобретения также входит воздухозаборник, отличающийся тем, что он содержит одну из указанных выше конструкций передней кромки.
Кроме того, в объем настоящего изобретения входит гондола для двигателя летательного аппарата, отличающаяся тем, что она содержит воздухозаборник, соответствующий указанным выше параметрам.
Прочие признаки и преимущества настоящего изобретения очевидны из следующего ниже описания и прилагаемых чертежей, на которых:
- на фиг.1 схематически в продольно-поперечном разрезе изображена секция воздухозаборника, известного из уровня техники, (см. вводную часть настоящего описания);
- на фиг.2 в поперечном разрезе изображена конструкция передней воздухозаборной кромки по первому варианту изобретения;
- на фиг.3 и 4 изображены схемы в поперечном разрезе двух различных вариантов конструкции, показанной на фиг.2, выполненной из композитного материала с тканой структурой с угловым переплетением;
- на фиг.5 изображена схема в поперечном разрезе варианта конструкции передней кромки, показанной на фиг.2, в котором конструкция представляет собой прошитую конструкцию из композитного материала.
На всех чертежах одинаковые номера позиций указывают на одинаковые элементы и подгруппы элементов.
Конструкция передней кромки, предназначенная, в частности, для размещения в воздухозаборнике гондолы двигателя летательного аппарата, обычно, как известно из уровня техники, содержит переднюю кромку 2 (показана на фиг.1) и внутреннюю продольную перегородку, ограничивающую отсек, выполненный с возможностью размещения в нем, в частности, средств удаления льда и/или защиты от обледенения.
На фиг.2 показан вариант предлагаемой конструкции передней кромки 2 или воздухозаборной кромки.
В одном из альтернативных вариантов изобретения данная передняя кромка 2 может являться частью общей конструкции.
Как сказано выше, это означает, что помимо аэродинамической функции передняя кромка 2 выполняет конструктивную функцию.
Внутренняя перегородка 3 дополнительно препятствует действию сил, при условии, что у нее правильно заданы размеры.
В одном из альтернативных вариантов изобретения передняя кромка 2 имеет переменную толщину вдоль ее профиля, например, имеет большую толщину в местах наиболее значительных изгибов и меньшую толщину на концах.
Кроме того, передняя кромка 2 выполнена из набора отдельных слоев.
В первом варианте, изображенном на фиг.2, передняя кромка 2 содержит прослойку из теплоизолирующего материала 20, поверх которой расположена прокладка для удаления льда, образуемая, в одном из вариантов, не ограничивающих настоящее изобретение, сердцевиной 21, расположенной между двумя слоями эластомерного материала 22.
Сердцевина 21, расположенная внутри воздухозаборной кромки 2, выполнена в виде токопроводящего нагревательного элемента, выполненного с возможностью удаления льда с кромки 2 и/или защиты кромки от обледенения.
Изоляционно-нагревательная прокладка образует наружную обшивку воздухозаборной кромки 2.
Следует отметить, что толщины различных слоев передней кромки 2, показанной на фиг.2, могут различаться.
Передняя кромка 2 также содержит композитную конструкцию 23, расположенную поверх конструкции, состоящей из нагревательной прокладки и теплоизолирующего материала 20.
В альтернативных вариантах реализации передней кромки 2 поверх композитной конструкции 23 может также быть расположен противоэрозионный слой.
Композитная конструкция 23 и противоэрозионный слой, при его наличии, образуют внутреннюю обшивку передней кромки 2.
В одном из альтернативных вариантов многоосевая композитная конструкция 23 представляет собой монолитную конструкцию.
Слово «монолитная» в данном контексте означает, что различные слои (каждый из которых состоит из волокон, залитых смолой), образующие композитный материал, расположены вплотную друг к другу, без какой-либо сердцевины между слоями.
Однако в других альтернативных вариантах композитная конструкция 23 может иметь структуру типа сэндвича.
Структура типа сэндвича - это композитная конструкция, выполненная из двух обшивок, которые могут быть многоосевыми и которые разделены сердцевиной, которая, в одном из возможных не ограничивающих вариантов изобретения, может иметь сотовую структуру.
Предпочтительно, чтобы в местах, подверженных обледенению, композитная конструкция 23 была многоосевой.
Указанная конструкция может быть образована путем наложения одномерных (UD) и/или двухмерных (2D) слоев, формирующих заготовку и присоединенных друг к другу посредством армирующих волокон, проходящих сквозь слои по меньшей мере по их толщине.
Слои могут быть изготовлены, в частности, из материала на основе эпоксидной смолы или бисмалеимида.
В качестве способа изготовления многоосевого монолитного композита можно использовать сухую сборку сухих волоконных слоев, например, путем сшивания или использования игл, при этом сухие волоконные слои образуют заготовку с армирующими волокнами, проходящими сквозь слои по их толщине и служащими для оптимизации поведения композита при температурных нагрузках. Ниже, при описании фиг.5, приведен пример осуществления такого способа.
В альтернативном варианте (с использованием игл) в материал вставляют предварительно полимеризованные или металлические композитные иглы.
Затем выполняют отверждение сборки путем инжекции смолы путем инфузии или путем инжекции смолы в закрытую форму (RTM-технология), известным из уровня техники.
В одном из альтернативных вариантов композитные конструкции снабжены армирующими волокнами, идущими по толщине конструкции и служащими для оптимизации поведения композита при температурных нагрузках, причем конструкции можно изготавливать путем прошивки, плетения или вязки (см. фиг.3 и 4),
Кроме того, согласно второму варианту (не показан) реализации передней кромки 2, возможно использование второй многоосевой композитной конструкции, расположенной между прокладкой для удаления льда и слоем теплоизолирующего материала 20.
На фиг.3 и 4 изображены два альтернативных варианта многоосевой композитной конструкции.
Данные два варианта не ограничивают изобретение.
На фиг.3 композитная конструкция 23 показана в виде тканой структуры с угловым переплетением, более конкретно, трехмерным угловым переплетением.
Указанную структуру ткут тремя видами волокон, а именно волокнами 231 в направлении основы, волокнами 232 в направлении утка и армирующими волокнами 233 по толщине композитной конструкции 23.
Таким образом, первый ряд 231 волокон, переплетенных попарно, направлен вдоль нормали к плоскости композитной конструкции 23, а второй ряд 232 волокон идет вдоль плоскости композитной конструкции 23.
Поскольку композитная конструкция 23 является многоосевой, в ней также имеются армирующие волокна 233, которые, извиваясь, проходят сквозь все слои волокон в направлении утка. Армирующие волокна 233 расположены под наклоном относительно нормали к плоскости композитной конструкции 23.
Угол наклона предпочтительно составляет 30°-60°.
На фиг.4 показана композитная конструкция 23 в виде тканой структуры с угловым переплетением, более конкретно, ортогональным угловым переплетением.
Структуру ткут из по меньшей мере трех типов волокон, включая два типа волокон 234 и 235, расположенных в направлении утка и в направлении тканой основы, т.е. в плоскости композитной конструкции 23, и расположенных в виде набора слоев или в переплетенном виде, а также из волокон, направленных вертикально для укрепления композитной конструкции 23 по ее толщине и проходящих сквозь волокна двух других типов волокон 234, 235, образуя декартову систему координат.
Сюда же добавляются армирующие волокна 236. Они расположены по существу параллельно нормали к плоскости композитной конструкции 23, пересекая так называемые декартовы волокна.
Таким образом, армирующие волокна образуют ряд перевернутых и сходящихся друг с другом U-образных элементов.
Еще один альтернативный вариант многоосевой композитной конструкции 23 показан на фиг.5.
Показанная на фиг.5 многоосевая композитная конструкция 23 изготовлена путем прошивания, при этом композитную конструкцию 23 по ее толщине прошивают армирующими волокнами 237.
Согласно альтернативному варианту изобретения, армирующие волокна 233, 236 могут полностью или не полностью проходить сквозь композитную конструкцию 23 по ее толщине.
Армирующие волокна проводят тепло и могут быть выполнены, например, из углеродного материала, меди или алюминия.
В настоящем изобретении используется теплопроводность армирующих волокон 233, 236 монолитной композитной конструкции в сочетании с аналогичными свойствами нагревательной сердцевины для выполнения требований к удалению льда, в частности, требований к электропроводности и/или требований к защите от обледенения, а также для уменьшения разности температур между внутренней и наружной обшивками кромки.
Армирующие волокна 233, 236 проходят по толщине композитной конструкции 23 и образуют сетку элементов, проводящих электрический ток и участвующих в теплообмене между внутренней и наружной обшивками кромки 2.
Таким образом, указанные волокна способствуют распространению энергии от нагревательной сердцевины сквозь композитную конструкцию 23 по ее толщине.
Теплопроводность конструкции передней кромки 2 значительно улучшается за счет физических свойств армирующих волокон 233, 236, проходящих сквозь композитную конструкцию 23 по ее толщине.
Таким образом, по всей толщине композитной конструкции 23 обеспечивается поступательное распространение тепла, а также разность температур между внутренней и наружной обшивками кромки 2.
При такой конструкции передней кромки температура, необходимая для удаления льда и/или защиты от обледенения, достигается без локального превышения температуры стеклования композитной конструкции 23, при этом ее толщины остаются в пределах, необходимых для обеспечения надежности конструкции воздухозаборной кромки 2.
Соответственно, предлагаемая конструкция передней кромки 2 способна выдерживать не только высокие механические, но и высокие температурные нагрузки.
Кроме того, указанная конструкция позволяет уменьшить массу воздухозаборной кромки 2.
Следует также отметить, что плотность расположения армирующих волокон 233, 236 меняется в зависимости от требуемой теплопроводности.
Очевидно, что настоящее изобретение не ограничено вариантами изобретения, описанными выше, и допускаются любые другие варианты конструкций из многоосевых композитных материалов.