Оболочка турбореактивного двухконтурного двигателя с многослойными панелями и системой водоотвода
JACKET OF TURBOJET ENGINE WITH MULTILAYER PANELS AND DRAINAGE SYSTEM

Заявляемое техническое решение относится к самолето- и авиадвигателестроению, а именно к конструкции оболочек турбореактивных двухконтурных двигателей (ТРДД) с многослойными акустическими панелями и системой водоотвода.
Известен многослойный элемент для звукопоглощающей внутренней обшивки транспортного средства, преимущественно самолета (см. патент RU 2413654, заявка 24.05.2006; МПК В64С 1/40, G10K 11/172, Е04 В 1/88; патентообладатель Эйрбас Дойчланд ГМБХ). Установленные во внутреннюю обшивку транспортного средства (самолета) многослойные звукопоглощающие элементы (панели шумоглушения) образуют оболочку, являющуюся конструктивным элементом самолета. Рассматриваемый многослойный элемент содержит трехмерный сердечник (гофрированный заполнитель), расположенный между двумя покровными слоями. Сердечник и оба слоя имеют множество проходов для передачи звука в виде перфораций. Упомянутый сердечник также имеет сквозные каналы для дренажа жидкостей и вымывания посторонних объектов. Внутренняя область описываемого многослойного элемента может вентилироваться, так что влага, которая случайно проникла снаружи, может испаряться относительно быстро, ранее начала процесса гниения или процессов коррозии во внутренней области многослойного элемента. При этом сквозные каналы сердечника позволяют осуществлять активную очистку внутренней области данного многослойного элемента от посторонних объектов (грязи, крупных частиц пыли) при помощи моющего средства в виде воды или пассивную самоочистку за счет вытекающей наружу воды конденсации.
Однако рассматриваемая конструкция обладает рядом недостатков:
- многослойные элементы звукопоглощения (оболочка с панелями шумоглушения) находятся во внутренней обшивке транспортного средства, что затрудняет доступность к элементам при их обслуживании и необходимость демонтажа оболочки при замене элемента;
- проблематично определять начало процессов гниения или коррозии, возникающих во внутренней области многослойного элемента;
- трудно контролировать быстрое испарение влаги в закрытом объеме;
- для активной очистки внутренней области многослойного элемента обязательно наличие установки для принудительной прокачки воды через множества проходов в сердечнике;
- при пассивной самоочистке не оговорено, как вода, вышедшая из внутренней области многослойного элемента, уходит за пределы оболочки, т.е. не показана система водоотвода.
Из уровня техники известно техническое решение по патенту US 7331421 (заявка 30.05.2005; МПК F01N 3/038, B64D 33/02; патентообладатель THE BOEING COMPANY), представляющее собой ограничитель звука на входе в двигатель самолета, систему и метод осуществления изобретения. Система, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, включает в себя поверхность (оболочку), воспринимающую входящий поток и имеющую множество отверстий, а также акустическую защиту, расположенную рядом с вышеупомянутой поверхностью. Данная поверхность (оболочка) формируется трактообразующим звукопроницаемым перфорированным кожухом. Акустическая защита представляет собой заполнитель, имеющий множество ячеек, сообщающихся с отверстиями на поверхности звукопроницаемого кожуха, через которые поступает жидкость (конденсат влаги). Описываемая система имеет в своем составе коллектор дренажной системы для сбора жидкости, поступающей в заполнитель через множество отверстий, и выходное дренажное отверстие, через которое жидкость удаляется. Упомянутый коллектор дренажной системы включает в себя ограничитель потока, расположенный так, чтобы ограничивать поток воздуха из выходного отверстия через коллектор дренажной системы к множеству отверстий. Таким образом, система предусматривает возможность очистки множества отверстий от жидкости (конденсата влаги) через коллектор дренажной системы.
Наряду с достоинствами рассматриваемая система имеет недостаток - дренажная система содержит коллектор для сбора жидкости, что усложняет систему и может приводить к замерзанию собранной жидкости.
Среди аналогов необходимо упомянуть и конструкцию многослойной панели (см. патент RU 2085671, заявка 30.07.1991; МПК Е04С 2/32, В32В 3/12, В32В 3/28; патентообладатель Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева). Данная панель состоит из наружных обшивок, сотового заполнителя, верхнего и нижнего дополнительных слоев заполнителя, которые образуют отводные каналы для удаления влаги. Дополнительные слои заполнителя, образующие отводные каналы, выполнены в виде зигзагообразного трапециевидного гофра. Описываемая многослойная панель выполнена без системы шумоглушения и может применяться в области строительных конструкций, изготовления обтекателей, радиопрозрачных укрытий антенных устройств в самолетостроении.
К недостаткам технического решения можно отнести:
- зигзагообразная форма отводных каналов в панелях может затруднять проток воды, создавать «застойные» зоны для накопления воды, что приведет к ее замерзанию при отрицательных температурах с последующим разрушением (размерзанием) панелей;
- панель с отводными каналами не привязана к конкретной конструкции (обтекателю, укрытию антенных устройств в самолетостроении), поэтому нет информации об удалении воды, выходящей из панелей.
Известен метод и система для затухающих акустических панелей (патент US 8 028 802, заявка 30.06.2008; МПК Е04В 1/82; патентообладатель General Electric Company), которая представляет собой множество секторов акустических панелей, расположенных по окружности на внутреннем диаметре корпуса вентилятора. Каждый сектор включает радиальную внутреннюю поверхность, образующую часть воздушного тракта. Однако в рассматриваемом патенте нет информации по удалению конденсата влаги за пределы корпуса вентилятора.
Из уровня техники известен патент GB 2380527 (заявка 11.08.2001; МПК F04D 29/66, F01D 9/04, F01D 11/00, F01D 25/00, F04D 29/08; патентообладатель Rolls-Royce plc), в котором представлен узел лопаток направляющего аппарата газотурбинного двигателя с системой глушения шума. Рассматриваемая конструкция включает перфорированную (металлическую или неметаллическую) трактообразующую облицовку вентиляторной ступени газотурбинного двигателя в виде многослойных сотовых акустических панелей, размещенных радиально по окружности, что формирует оболочку, и направляющих лопаток, расположенных между ними. Каждая в отдельности упомянутая панель шумоглушения состоит из перфорированного листа и прикрепленного к нему сотового заполнителя (в виде металлических или неметаллических многогранников) с продольными и поперечными дренажными пазами для протока воды, расположенными с противоположной перфорированному листу стороны. Лопатки направляющего аппарата крепятся к описываемой панели сваркой или другим известным способом.
Рассматриваемое техническое решения имеет некоторые недостатки: размещенные между панелями шумоглушения лопатки перегораживают продольные дренажные пазы и прерывают поток воды, поэтому обязательным является наличие поперечных пазов на торцах сотов для обеспечения протока воды в обход лопатки, что может снижать прочность соединения «перфорированный лист + сотовый заполнитель»;
- лопатка крепится к акустической панели сваркой, что затрудняет (или делает невозможным) ремонт данной панели при ее повреждении;
- нет информации об удалении за пределы направляющего аппарата (оболочки) воды, выходящей из размещенных радиально по окружности панелей.
Близкой по технической сущности к заявляемому устройству является конструкция дренажного устройства по патенту RU 2445232 (заявка 14.03.2007 с конвенционным приоритетом 21.03.2006 DE 102006012953.3; МПК В64С 1/12; патентообладатель Airbus Operations GMBH (DE)). Данное изобретение относится к области авиации, в частности к устройствам и способам удаления водного конденсата из салона пассажирского самолета. Дренажное устройство для выпуска флюида, который имеется между внешней оболочкой и внутренней облицовкой летательного аппарата, содержит сборный резервуар и выпускную линию. Сборный резервуар образован при помощи стрингера и, по меньшей мере, только внешней оболочки или только внутренней облицовки. Выпускная линия, состоящая из шланга с отводными линиями и дренажной воронки, соединена со сборным резервуаром и предназначена для выпуска собранного флюида в заднюю часть фюзеляжа летательного аппарата. Таким образом, способ выпуска флюида включает в себя сбор флюида при помощи сборного резервуара и выпуск собранного флюида при помощи выпускной линии.
Однако данное техническое решение имеет ряд недостатков, среди которых следует упомянуть:
- общая выпускная линия (канал) содержит отводные (разветвленные) линии (каналы), соединенные с общим каналом шлангами, а также дренажные воронки и резервуар для сбора флюида (конденсата влаги);
- флюид (конденсат влаги) накапливается в фюзеляже, что может привести к замерзанию воды.
Среди ближайших аналогов заявляемого технического решения следует отметить техническое решение по патенту RU 2297948 «Многослойная панель, фюзеляж и способ дренирования фюзеляжа» (заявка 21.06.2005; МПК В64С 1/00, В32В 3/00; патентообладатели Закиров И.М., Никитин А.В., Акишев Н.И.). Рассматриваемая многослойная панель имеет составную конструкцию, содержащую первую и вторую обшивки и расположенный между ними заполнитель в виде зигзагообразного гофра. При этом первая обшивка является внутренней, вторая - наружной, а слой заполнителя контактирует с обеими обшивками. Вдоль двух противоположных сторон описываемой многослойной панели расположены стыковочные элементы в виде полых законцовок. Часть поверхности заполнителя и первая и/или вторая обшивки образуют сквозные каналы. В каждой из полых законцовок выполнена система отверстий, соединяющая ее полость с упомянутыми сквозными каналами. Соединенные между собой многослойные панели, закрепленные в фюзеляже, можно рассматривать как оболочку, входящую в состав фюзеляжа. Данная оболочка имеет дренажные каналы, расположенные вдоль продольной оси фюзеляжа. В каналы для отвода воды вставлены патрубки, которые соединены с воздушным нагнетателем.
Наряду с очевидными достоинствами, рассматриваемое техническое решение (входящая в состав фюзеляжа оболочка с многослойными панелями), на наш взгляд, имеет недостатки:
- многослойные панели не являются звукопоглощающими;
- в панелях оболочки затруднен проток воды по каналам зигзагообразного гофра;
- из оболочки конденсат влаги удаляется принудительно воздушным нагнетателем;
- патрубки, вставленные в дренажные каналы, соединены с воздушным нагнетателем, что усложняет конструкцию (водоотвод);
- в фюзеляже оболочка (соединенные между собой панели) является силовым элементом, поэтому усложнена возможность замены или ремонта панелей.
Перед авторами стояла задача создать техническое решение, позволяющее достичь совокупного технического результата, содержащего несколько логически взаимосвязанных результатов, находящихся в причинно-следственной связи прогрессивных технических результатов, а именно:
- обеспечение надежности и простоты конструкции по водоотводу;
- снижение трудоемкости изготовления и обслуживания оболочки;
обеспечение ремонтопригодности оболочки в условиях эксплуатации;
- отсутствие дополнительных устройств (вытяжных, нагнетающих) для принудительного удаления конденсата влаги за пределы оболочки.
Поставленная задача решается тем, что оболочка с системой водоотвода, преимущественно вентиляторной ступени турбореактивного двухконтурного двигателя, включает в себя силовой каркас, на котором последовательно вдоль продольной оси двигателя закреплены многослойные панели, а также систему дренажных каналов и сквозных отверстий. Многослойные панели являются акустическими и выполнены съемными. Силовой каркас имеет вид тонкостенного крупногабаритного кольца. Система дренажных каналов представляет собой совокупность продольных и поперечных каналов. Полости продольных дренажных каналов образованы внутренней поверхностью упомянутого кольца, рядами кольцевых выступов, выполненных на указанной внутренней поверхности кольца, и наружными звуконепроницаемыми обшивками многослойных панелей. Упомянутые ряды кольцевых выступов выполнены автономными чередующимися накладками, закрепленными на внутренней поверхности указанного кольца клеевым соединением. Указанные ряды выступов имеют прорези, выполненные в нижней их части и соединяющие между собой продольные дренажные каналы. Полости поперечных дренажных каналов формируются боковыми стенками смежных многослойных панелей с образованием V-образных зазоров, имеющих компенсирующий размер δ. Указанные V-образные зазоры со стороны трактообразующей поверхности двигателя на 0,6…0,7 высоты многослойной панели заполнены водостойким, морозостойким эластичным материалом. Система сквозных отверстий состоит из ряда дренажных отверстий, выполненных в боковых стенках внутренней обшивки многослойных панелей, которая представляет собой звукопроницаемый кожух коробчатой формы с трактообразующей и формирующей аэродинамический профиль двигателя перфорированной поверхностью, а выход конденсата влаги за пределы оболочки двигателя происходит самотеком через сливное отверстие, выполненное в нижней части кольца.
Сущность заявляемого технического решения поясняется следующими чертежами:
- фиг. 1 - оболочка ТРДД, общий вид;
- фиг. 2 - кольцо тонкостенное крупногабаритное с выступами, продольный разрез;
- фиг. 3 - система водоотвода в оболочке.
Оболочка 1 (см. фиг. 1) турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) включает силовой каркас, выполненный в виде тонкостенного крупногабаритного кольца 2, на внутренней поверхности которого последовательно вдоль продольной оси двигателя закреплены многослойные панели 3. Панели 3 являются акустическими (звукопоглощающими), съемными и крепятся к оболочке 1 крепежными деталями 4.
Упомянутое тонкостенное крупногабаритное кольцо 2 оболочки 1 имеет на внутренней своей поверхности два ряда кольцевых выступов 5 (см. фиг. 2), образованных автономными чередующимися накладками, выполненными из водостойкого неметаллического материала (стеклотекстолита или стекловолокнита) и соединенными с кольцом 2 клеевым способом. Накладки кольцевых выступов 5 позволяют устранять механической обработкой недопустимые изменения формы оболочки 1 (овальность, эллипсность), полученные при изготовлении тонкостенного крупногабаритного кольца 2, обеспечивать требования по профилю газовоздушного тракта ТРДД. Накладки протачиваются перед установкой многослойных панелей 3.
Водоотвод из оболочки 1 ТРДД производится через систему дренажных каналов и сквозных отверстий. Систему дренажных каналов образует совокупность продольных и поперечных каналов.
Полости продольных дренажных каналов формируются поверхностями кольца 2 (см. фиг. 1 и 2) и многослойных панелей 3, а также рядами кольцевых выступов 5, выполненных на внутренней поверхности упомянутого кольца 2. Совокупность продольных каналов представлена кольцевыми каналами 6 (см. фиг. 2), образованными между рядами выступов 5 и внутренней поверхностью кольца 2, а также кольцевым каналом 7, образованным между параллельными рядами кольцевых выступов 5. Кольцевые каналы 6 и 7 соединены между собой прорезью 8, выполненной в нижней части кольцевых выступов 5. Размер прорези 8 составляет 5…7 мм (см. фиг. 2, разрез А-А). В нижней части кольца 2 (см. фиг. 1 и 2) выполнено сливное отверстие 9 для выхода конденсата влаги (дождевой воды) за пределы оболочки 1 ТРДД.
Упомянутая многослойная панель 3 (см. фиг. 3) имеет известную из уровня техники конструкцию и состоит из внутренней обшивки - звукопроницаемого (перфорированного) кожуха 10, заполнителя 11 и наружной звуконепроницаемой обшивки 12. Звукопроницаемый кожух 10 (см. разрез В-В и разрез Г-Г) имеет, как правило, коробчатую форму с трактообразующей и формирующей в дальнейшем аэродинамический профиль двигателя перфорированной поверхностью. В боковых стенках кожуха 10 выполнен ряд дренажных отверстий 13 для выхода конденсата влаги (дождевой воды) из многослойной панели 3. Заполнитель 11 имеет вид сотовой, трубчатой, гофрированной или складчатой конструкции одно-, двух- или трехмодального типа, собранной клеевым, сварным или паяным способом с обеспечением протока конденсата влаги (дождевой воды). Звуконепроницаемая обшивка 12 - листовой материал, как правило, стеклопластик. Соединение в многослойной панели 3 входящих в состав звукопроницаемого кожуха 10, заполнителя 11 и звуконепроницаемой обшивки 12 - клеевое.
Установка автономных акустических многослойных панелей 3 (см. фиг. 1) в кольцо 2 производится крепежными деталями 4 через отверстия 14 (см. фиг. 2, разрез Б-Б) в кольце 2, отверстия 15 в кольцевых выступах 5 с накладками и отверстия 16 (см. фиг. 3) в панелях 3. Отверстия 14, 15 и 16 расположены по одной оси, т.е. являются соосными.
При установке многослойных панелей 3 в кольцо 2 между смежными боковыми стенками панелей 3 (см. фиг. 1) формируются V-образные поперечные зазоры 17 с компенсаторами, имеющими размер δ (см. фиг. 3, разрез В-В). V-образные зазоры 17 через компенсаторы на 0,6…0,7 высоты h панели 3 (см. фиг. 3, разрез Г-Г) заполняются водостойким морозостойким эластичным материалом 18, как правило, герметиком. Таким образом, образуются поперечные дренажные каналы 19 (см. фиг. 3, разрез В-В), соединяющиеся с кольцевыми каналами 6 и 7. Обеспечивается свободный (самотеком) проток воды, выходящей из многослойных панелей 3 через дренажные отверстия 13, в нижнюю часть оболочки 1 и выход ее самотеком через сливное отверстие 9 за ее пределы.
Компенсаторы также обеспечивают простоту крепления многослойных панелей 3 (см. фиг. 1) к оболочке 1 ТРДД крепежными деталями 4. Панели 3 при этом являются съемными и могут в условиях эксплуатации заменяться либо ремонтироваться на ремонтных базах.
В процессе эксплуатации возможны повреждения многослойных акустических панелей 3 (отслоение заполнителя 11 от звукопроницаемого кожуха 10), появляются так называемые «хлопуны». Заявителем запатентован  (патент Украины UA 64980 С2, заявка 07.04.2003; МПК В23Р 6/00, В23Р 15/00, В32В 3/12). Указанный способ может применяться и при первичном изготовлении многослойных акустических панелей 3, что исключает появление «хлопунов» и обеспечивает длительность работы всей конструкции в целом.
Принцип работы заявляемого технического решения можно рассмотреть на примере применения оболочки 1 ТРДД с многослойными акустическими панелями 3, представляющими собой одномодальную клееную конструкцию с сотовым заполнителем (согласно патенту Украины UA 64980 С2). Процесс водоотвода из оболочки 1 ТРДД осуществляется самотеком. Конденсат влаги (дождевая вода), удаляемый из многослойных панелей 3 (см. фиг. 3, разрез В-В) через дренажные отверстия 13, выполненные в звукопроницаемом кожухе 10, поступает в V-образные зазоры 17. Затем через систему продольных и поперечных каналов - каналов 6 (см. фиг. 2), 7 и 19 (см. фиг. 3, разрез В-В) -, образованных поверхностями кольца 2 (см. фиг. 1 и 2), акустических панелей 3 и кольцевых выступов 5, самотеком поступает в нижнюю часть оболочки 1 ТРДД и через сливное отверстие 9 удаляется за ее пределы. Таким образом, сочетанием конструктивных элементов «кольцо 2 с двумя рядами кольцевых выступов 5 + многослойная акустическая панель 3» образуется система водоотвода для выхода конденсата влаги (дождевой воды) за пределы оболочки 1 ТРДД самотеком, без дополнительных вспомогательных устройств.
Итак, описываемая система водоотвода включает в себя:
- кольцо 2 оболочки 1 ТРДД со сливным отверстием 9, выполненным в нижней его части, для удаления конденсата влаги (дождевой воды) за пределы оболочки 1;
- кольцевые каналы 6 и 7, образованные внутренней поверхностью кольца 2, двумя рядами кольцевых выступов 5, выполненных на упомянутой внутренней поверхности кольца 2 и сформированных автономными чередующимися накладками, а также наружной звуконепроницаемой обшивкой 12 многослойных акустических панелей 3;
- прорези 8, выполненные на каждом кольцевом выступе 5 в нижней их части для соединения между собой кольцевых каналов 6 и 7;
V-образные зазоры 17 с компенсирующим размером δ, образованные боковыми стенками смежных многослойных панелей 3.
На предприятии заявителя выполнен ряд исследований, показывающих работоспособность заявляемой конструкции. Оболочки со съемными сотовыми акустическими панелями испытаны в системе двигателей в различных климатических условиях с положительным результатом. В настоящее время, заявляемое техническое решение используется в конструкции турбореактивных двухконтурных двигателей Д-436-148, Д-436-148ФМ, Д-18Т серии 3М, в частности в оболочках вентиляторной ступени.
При этом подтверждена эффективность системы отвода воды за пределы оболочки, не наблюдалось разрушений акустических панелей в результате «размораживания» - вода отсутствует в полостях панелей. Дополнительно получен положительный результат - в заполнителе акустических панелей отсутствовали загрязнения, попадающие через перфорационные отверстия в звукопроницаемом кожухе панели при работе двигателя, так как полости заполнителя промываются проходящей водой и происходит самоочистка акустических панелей. Как следствие, исключается необходимость принудительной промывки панелей.