Устройство для защиты внутреннего контура турбореактивного двухконтурного двигателя от попадания посторонних предметов

 

Изобретение относится к авиационной технике, а именно к устройствам защиты авиационного турбореактивного двухконтурного двигателя от повреждения лопаток компрессора посторонними предметами. Устройство для защиты внутреннего контура ТРДД от попадания посторонних предметов устанавливается за рабочим колесом последней ступени ротора вентилятора и содержит наклонные в сторону вращения ротора лопатки направляющего аппарата последней ступени вентилятора, наружный корпус вентилятора и внутренний корпус вентилятора. 2 ил.

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к устройствам защиты авиационного турбореактивного двухконтурного двигателя от повреждения лопаток компрессора посторонними предметами (ПП) в эксплуатации.

Известно устройство для защиты силовой установки самолета от попадания посторонних предметов, содержащее одноступенчатый ротор с повернутыми к фронту решетки радиальными лопатками, установленными во входном канале между воздухозаборником и двигателем на участке, ограниченном центральным обтекателем, а также привод ротора и сборник посторонних предметов с входным отверстием, выполненным на участке перед лопатками ротора. Приводная турбина ротора подключена к компрессору двигателя.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, относится то, что в известном устройстве размер канала воздухозаборника ограничивает размеры колеса турбины, что снижает ее КПД. Необходимость отбора воздуха, сжатого в компрессоре двигателя, и средств подачи и отключения турбины на режимах, когда защита не требуется, ограничивают экономичность и надежность устройства и возникают сложности управления им.

Известно устройство, предотвращающее попадание посторонних предметов в двигатель, содержащее воздухоочиститель, установленный перед входным устройством турбовинтового двигателя. Конструктивно воздухоотделитель представляет собой лопаточный венец, который вращается вместе со втулкой воздушного винта и отбрасывает ПП в радиальном направлении за пределы воздухозаборника.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, относится то, что в известном устройстве установка вращающегося лопаточного венца и неподвижного венца спрямляющих лопаток (для выравнивания потока) приводит к созданию дополнительного гидравлического сопротивления на входе в двигатель, а также известное устройство имеет сложную конструкцию и увеличивает вес двигателя.

Известно устройство для защиты внутреннего контура двухконтурного двигателя от попадания посторонних предметов, содержащее венец из пластин, консольно закрепленных за рабочим колесом вентилятора. Пластины повернуты по отношению к оси двигателя и одновременно наклонены в сторону вращения ротора вентилятора. Работа устройства основана на использовании особенностей движения посторонних предметов после соударения с лопатками вентилятора и заключается в существенном увеличении окружной и осевой составляющих скорости посторонних предметов, попавших в двигатель.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата, относится то, что для установки известного устройства необходимо существенно изменить конструкцию двигателя, освобождая часть пространства между вентилятором и разделителем потока для крепления венца с наклонными пластинами. Установка венца из пластин приводит также к значительному искажению потока воздуха за вентилятором.

Наиболее близким устройством того же назначения к изобретению по совокупности признаков является устройство для защиты внутреннего контура турбореактивного двухконтурного двигателя от попадания посторонних предметов, содержащее штатный направляющий аппарат последней ступени вентилятора, лопатки которого помимо своих основных функций по сжатию воздуха и повороту потока могут выполнять и роль сепаратора твердых частиц. Это устройство принято за прототип.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве сепарационные свойства лопаток направляющего аппарата вентилятора существенно ограничены. Объясняется это тем, что в большинстве случае в результате соударения ПП с лопатками направляющего аппарата последней ступени вентилятора радиальная составляющая скорости ПП возрастает недостаточно и ПП в своем дальнейшем движении не успевают удалиться к периферии на расстояния, обеспечивающие вылет их в наружный контур ТРДД.

Изобретение позволяет защитить внутренний контур ТРДД от повреждения посторонними предметами, попадающими во входное устройство двигателя по различным причинам, а также повысить сепарационную эффективность лопаток направляющего аппарата последней ступени вентилятора, что позволяет увеличить коэффициент сепарации (η) ПП в наружный контур ТРДД примерно в 2,5 раза по сравнению с "нулевым" положением лопаток НА, что обеспечивает практически полную защиту внутреннего контура ТРДД от повреждения ПП.

Устройство для защиты внутреннего контура турбореактивного двухконтурного двигателя от попадания посторонних предметов содержит штатный направляющий аппарат вентилятора. Лопатки направляющего аппарата последней ступени вентилятора выполнены наклонными в сторону вpащения ротора двигателя.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах изобретения, позволяет установить, что не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволяет выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в изобретении, изложенных в формуле.

Следовательно, изобретение соответствует требованию "новизна".

Для проверки соответствия изобретения требованию изобретательского уровня проведен дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками изобретения, результаты которого показывают, что изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности изобретением не предусматриваются следующие преобразования: дополнение известного средства какой-либо известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений; замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены; исключение какой-либо части средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата; увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов; выполнение известного средства или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала; создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между ними осуществлены на основании известных правил и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого объекта и связей между ними.

Следовательно, изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень".

На фиг.1 изображена схема устройства; на фиг. график изменения коэффициента сепарации (η) от угла наклона (β) лопатки НА.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретений, заключаются в следующем.

Устройство для защиты внутреннего контура ТРДД от попадания ПП состоит из лопаток рабочего колеса последней ступени ротора вентилятора 1 (фиг.1), направляющего аппарата последней ступени вентилятора с наклонными лопатками 2, наружного корпуса 3 вентилятора, разделителя потоков 4 и внутреннего корпуса 5 вентилятора. На фиг.1 также показана траектория 6 ПП до и после соударения с лопатками рабочего колеса и НА вентилятора.

Лопатки направляющего аппарата помимо своих основных функций по преобразованию кинетической энергии, передаваемой воздуху в рабочем колесе, в потенциальную энергию давления, частично выполняют роль сепаратора твердых частиц. Но сепарационные свойства штатных НА ограничены. Принцип работы устройства основан на соответствующей организации процесса соударения твердых частиц с лопатками НА последней ступени вентилятора. Соударение частиц с наклонными лопатками НА приводит к перераспределению составляющих скорости частицы (V_R, V_X, V_Z) в сторону увеличения радиальной составляющей V_R. Это приводит к смещению траекторий движения ПП к периферии и отводу ПП в наружный контур ТРДД. Наклон лопаток НА позволяет повысить их сепарационную эффективность примерно в 2,5 раза. Расчеты показали, что максимум сепарации ПП в наружный контур наблюдается при углах наклона лопаток НА β 30-40^о (см. фиг. 2).

Анализ сепарационных свойств предлагаемого устройства был выполнен по методике расчета траекторий частиц в проточной части двигателя с учетом соударения с лопатками РК, НА и другими элементами конструкции двигателя. Оценка сепарационных свойств устройства производилась по коэффициенту сепарации η η где n_II количество частиц, попавших во внешний контур; N количество ПП, попавших на вход ТРДД.

Результаты исследований показали, что коэффициент сепарации η увеличивается по мере увеличения угла наклона лопаток НА ( β) примерно до 40^о, в дальнейшем его значение уменьшается (см. фиг.2). Величина размеров частицы тоже оказывает влияние на η: c уменьшением размера частицы коэффициент сепарации увеличивается. Соответствующая организация процесса соударения ПП с лопатками ПА последней ступени вентилятора за счет их наклона позволяет практически полностью защитить внутренний контур ТРДД от попадания твердых ПП, способных нанести лопаткам КВД недопустимые повреждения (т.е. от частиц с d_пп 0,002- 0,01 м).

Исследования проводились с применением штатных лопаток НА конкретных двигателей без изменения их профилей и геометрии за исключением длины лопаток НА (l), которая увеличивается пропорционально углу наклона лопаток НА (β), что свидетельствует о возможности использования устройства при незначительном изменении конструкции НА.

Таким образом, выше изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании изобретения следующей совокупности условий: средство, воплощающее изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, именно в авиационной технике, в частности как устройство защиты авиационных ТРДД от повреждения лопаток компрессора посторонними предметами в эксплуатации;
для изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных средств и методов;
средство, воплощающее изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, изобретение соответствует требованию "промышленная применимость".

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ВНУТРЕННЕГО КОНТУРА ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВУХКОНТУРНОГО ДВИГАТЕЛЯ ОТ ПОПАДАНИЯ ПОСТОРОННИХ ПРЕДМЕТОВ, содержащее венец направляющих лопаток, отличающееся тем, что направляющие лопатки выполнены в виде лопаток штатного направляющего аппарата последней ступени вентилятора и наклонены в сторону вращения ротора двигателя.