Устройство по очистке воздуха от посторонних предметов в проточной части воздухозаборника

 

Изобретение относится к авиации, в частности к очистке воздуха от посторонних предметов в проточной части воздухозаборника. Устройство содержит переднюю и заднюю панели клина воздухозаборника. В центральной части задней панели клина установлен заборник-сепаратор, состоящий из окна и заслонки, которая задней частью шарнирно прикреплена к задней панели клина, а средней частью через кронштейн шарнирно прикреплена к силовому гидроцилиндру, установленному на верхней части задней панели клина. Обшивка на всей передней панели клина и наполовину, до места установки заборника-сепаратора, на задней панели клина выполнена из титанового листа, приклеенного через сотовый наполнитель к силовой раме панелей. Изобретение позволяет повысить эффективность защиты лопаток компрессора двигателя от попадания посторонних предметов и нанесения повреждения. 8 ил.

Изобретение относится к области авиации, в частности к очистке воздуха от посторонних предметов в проточной части воздухозаборника.

Известен воздухозаборник со штатными панелями клина [1].

Проведенные теоретические исследования движения твердой частицы в проточной части воздухозаборника показали, что посторонний предмет, подброшенный вихрем и захваченный воздушным потоком, движется по траектории, соударяясь с элементами плоского клина в верхней части воздухозаборника, и, отражаясь, поступает на вход в двигатель. Расчетными исследованиями установлено, что 96% подхваченных воздушным потоком ПП соударяются о верхнюю часть воздухозаборника, в которой размещены передняя и задняя панели клина регулируемого воздухозаборника. На взлетном режиме работы двигателя (максимальный расход воздуха, а следовательно, максимальная интенсивность вихря) существует наибольшая вероятность засасывания твердых частиц с поверхности аэродрома в проточную часть воздухозаборника и, как следствие, нанесения посторонними предметами повреждений рабочих лопаток компрессора двигателя.

Недостатками воздухозаборника будет являться попадание ПП в компрессор двигателя и нанесение повреждений рабочим лопаткам компрессора.

Задачей изобретения является повышение эффективности защиты лопаток компрессора двигателя от попадания ПП и нанесения повреждения. В частности необходимо, чтобы материал преграды был достаточно твердым (НВ не менее 1800 МПа) и тонким (не более 2 мм). Высокая твердость материала преграды необходима для того, чтобы после воздействия на нее ПП кратер вмятины был незначительным, так как глубина вмятины прямо пропорционально значению угла отскока β₂ и соответственно влияет на нормальную составляющую скорости отражения Vn₂, которая определяет значение коэффициента e_n. Одновременно с высокой твердостью материала преграды необходимо выбрать толщину материала.

Для достижения данной задачи необходимо поверхность передней и задней панелей клина воздухозаборника заменить вместо дюралевых на титановую с прослойкой из сотового наполнителя. Титановый лист сплав ОТ4 толщиной 1,5 мм, наклеенный через соты на поверхность передней и задней панелей клина воздухозаборника. И установить заборник сепаратор в виде пластины перпендикулярно воздушному потоку в районе центральной части задней панели клина воздухозаборника (см. фиг.1).

Был проведен ряд экспериментальных и теоретических исследований.

Экспериментальные исследования показали, что с уменьшением толщины преграды уменьшается и е_n и (для твердого материала) вследствие уменьшения угла β₂ происходит по причине повышения демпфирующих свойств пластины. После контактирования с твердой частицей на преграде остается не только отпечаток от ПП в виде лунки, но и более обширная общая деформация материала, которая увеличивается с уменьшением толщины преграды. С увеличением общей деформации увеличиваются демпфирующие свойства материала пластины, которые способствуют поглощению энергии взаимодействия с ПП и, следовательно, уменьшению Vn₂, что приводит к уменьшению e_n. Теоретические исследования показали, что достаточно высокая степень очистки воздуха, поступающего в компрессор двигателя, от посторонних предметов обеспечивается при значениях коэффициента восстановления нормальной составляющей скорости, не превышающих 0,2 для воздухозаборника. Как показывают проведенные экспериментальные исследования отражающей способности титановой пластины из материала ОТ4 различных толщин (см. фиг. 3а, б), обеспечить требуемые достаточно низкие значения коэффициента e_n можно, используя в качестве преграды пластину из титанового сплава ОТ4 толщиной не более 2 мм. Так как целью работы является изменение направления движения ПП после соударения с верхней панелью клина воздухозаборника, ПП попадает в заборник сепаратора, после чего выбрасывается за борт самолета или в определенный отстойник посторонних предметов.

Для определения отражающей способности сотовой панели и влияния разных толщин пластины в общей конструкции с сотами на коэффициенты восстановления, были изготовлены в качестве образцов, сотовые наполнители из титановых пластин разной толщины (С=1,5 мм и С=2 мм) (см. фиг.4а, б). Материал пластин - титановый сплав ОТ4, имеющий твердость HB=2410 МПа.

Экспериментальные исследования влияния толщины пластин сотовых панелей на коэффициенты восстановления e_n, e_τ и проводились на экспериментальной установке. Результаты эксперимента (см. фиг.5а, б), который проводился при постоянной скорости ПП, равной 130 м/с, при трех разных углах β₁=15^o, 30^o и 45^o, для двух толщин материала преграды С=1,5 и 2,0 мм. Скорость ПП при проведении экспериментов не изменялось, так как ранее проведенные исследования в работе показали, что отражающая способность титанового сплава ОТ4 не зависит от скорости соударения ПП с преградой. В качестве ПП были выбраны стальной шарик диаметром 7,1 мм и весом 2,4 г и частица гравия такого же размера, приблизительно округлой формы, весом 0,35-0,5 г. Весовые и геометрические характеристики гравия (камня) выбраны из тех соображений, что с вероятностью Р= 0,7. ..0,96 встречается на взлетно-посадочной полосе ВПП и рулежных дорожках РД камень и бетонная крошка массой от 0,2 до 10 г. Появление ПП на поверхности аэродрома составляет Р=0,4. Камень массой более 0,2 г и диаметром 2,5-3 мм является опасным для рабочих лопаток компрессора двигателя. В каждой точке экспериментальной таблицы, для повышения точности, эксперимент проводился трижды. Результаты экспериментальных исследований приведены на (фиг.5а, б) - для шарика, на (фиг.6а, б) - для камня. Установлено, что e_n и меньше для толщины материала преграды, равной 1,5 мм, как для стального шарика, так и для камня. Это обусловлено более лучшими демпфирующими характеристиками более тонкого материала преграды. Возможность прогиба пластины в месте соударения с ПП воспринимается сотовым наполнителем за счет сминания фольги. Во всех случаях при экспериментах с камнями наблюдалось дробление частицы на более мелкие части, причем в основном дробление происходило на 2 или 3 частицы. Угол разлета частиц после соударения β₂, для камня, отмечен в диапазоне от 0 до 8^o в зависимости от угла подлета ПП к преграде β₁. Разлет частиц камня в пределах этих углов равномерный. На (фиг. 6а, б) обозначены зоны, в пределах которых происходит изменение коэффициентов восстановления для двух толщин материала преграды - 1,5 и 2,0 мм. Отмечено, что с увеличением угла подлета ПП к преграде β₁ происходит уменьшение коэффициентов e_n и и уменьшение влияния толщины преграды. Дополнительное рассеивание энергии при ударе неметаллических частиц происходит за счет их дробления на более мелкие части (см. фиг.7а, б). По результатам экспериментальных исследований можно установить, что сотовая панель с толщиной материала преграды С=1,5 мм обеспечивает коэффициент восстановления нормальной составляющей скорости в e_n=0,1 для всех углов подлета ПП к преграде - β₁, что должно обеспечивать достаточно высокую степень защиты компрессора двигателя от попадания ПП при установке таких панелей на верхней части воздухозаборника.

Установлено, что ПП отражается от панелей клина в верхней части воздухозаборника с различными углами отскока - β₂, принимающего значение от 0 до 40^o в зависимости от угла подхода ПП к преграде - β₁, массы частицы и других факторов. Передняя и задняя панели клина пресовано-клепанной конструкции, изготовлены из материала Д-19. Значение математического ожидания относительно угла отскока β₂, полученного в результате расчетных исследований при помощи математической модели практически совпадают с результатами экспериментальных исследований отражающей способности пластины, выполненной из дюралюминиевого сплава Д-19 и лежат в пределах от 0,4 до 0,45 для одинаковых углов подлета ПП к преграде β₁=30^o и скорости соударения V₁=60 м/с, что характерно для углов и скоростей соударения в реальных условиях. Использовались в качестве ПП стальной шарик α_экв=7 мм и камень α_экв=12 мм.

Из анализа расчетных исследований можно сделать вывод о возможности управлением отражением посторонних предметов после соударения с передней и задней панелями клина и дальнейшем их улавливанием, т.е. недопущения попадания ПП от преграды целесообразно поверхность передней и задней панелей клина воздухозаборника заменить вместо дюралюминиевых на титановую с прослойкой из сотового наполнителя. Применение сотовых панелей с коэффициентом восстановления нормальной составляющей скорости отраженного ПП е_n<0,2, влияющего на направление движения частицы после соударения, позволило бы значительно снизить зону значений углов отскока β₂ и направить их по касательной вдоль задней панели клина воздухозаборника. При этом на пути движения ПП можно установить улавливатель, попадая в который частица была бы отсепарирована за борт самолета или в определенный отстойник посторонних предметов. Для проведения теоретических исследований по отражению ПП от поверхности клина воздухозаборника математическая модель движения ПП в воздухозаборнике была дополнена блоком пересчета коэффициентов восстановления нормальной и тангенсальной составляющих скорости постороннего предмета при соударении с передней и задней панелями клина воздухозаборника. Расчетные исследования проводились для ПП типа "камень" различного диаметра - 3, 6, 9 мм. Фрагмент расчета движения ПП с установленной сотовой панелью на передней и задней частях клина воздухозаборника самолета представлен на фиг.2б. Сравнивая результаты расчета для воздухозаборника со штатными панелями клина (см. фиг.2а) и с установленными сотовыми панелями (см. фиг.2б), можно сделать вывод о способности сотовых панелей изменять направление движения твердой частицы на меньшие углы отскока от преграды, что позволяет сузить зону разлета (по углу β₂) ПП после соударения. Основываясь на результатах статистической обработки расчетных данных по определению наиболее узкой зоны (по оси Y воздухозаборника) при условии прохождения через эту зону всех ПП, ударившихся о верхнюю часть воздухозаборника, был произведен выбор места установки сепаратора ПП из воздушного потока. Этим местом является центральная часть задней панели клина воздухозаборника. Анализируя зону разлета ПП после соударения с сотовой панелью, можно определить то расстояние по оси у от поверхности задней панели, при котором установленный сепаратор мог бы захватывать все ПП, ударившиеся о панели клина. Расчеты показали, что это расстояние составляет 4,0-4,5 сантиметра от поверхности задней панели в ее центральной части по оси у. Заборник сепаратора в виде пластины, расположенной перпендикулярно воздушному потоку, на ширину задней панели клина и на высоту открытия 4,5 сантиметра, обеспечит отвод частиц наружу проточной части воздухозаборника через специальные окна в панели над пластиной. Коэффициент расхода воздуха через воздухозаборник при открытом заборнике ПП составит ϕ=0,95. Открытие заборника сепаратора ПП осуществляется при таком режиме работы двигателя, а соответственно и расходов воздуха, когда возможно начало вихреобразования и повышается вероятность вихревого подброса ПП с поверхности аэродрома. Закрытие целесообразно производить при разбеге самолета до такой скорости, когда вихреобразование невозможно, т.е. при V_пp>50 км/ч. Таким образом, предлагается устройство по очистке воздушного потока в воздухозаборнике самолета с использованием сотовых панелей и расположенным за ними сепаратором, отводящим ПП наружу воздухозаборника.

Устройство по очистке воздуха от посторонних предметов в проточной части воздухозаборника.

Конструктивно устройство (см. фиг.1; фиг.8) состоит из 1, 2 клина воздухозаборника (без изменения конструкции гидропривода и геометрических параметров) и заборника - сепаратора 3 посторонних предметов, приводимого в положение "открытие-закрытие" силовым гидроцилиндром 4. Обшивку панелей (передней и задней), выполненную из дюралюминиевого сплава Д-19 и приклепанную к силовой раме панели, предлагается изменить на титановый лист 5 из сплава ОТ4 толщиной 1,5 мм и приклеенный через сотовый наполнитель 6 к панелям 1, 2. Причем изменение материала поверхности целесообразно для передней панели полностью, а для задней наполовину, до заборника-сепаратора ПП (согласно расчетным исследованиям места соударения ПП о панели). Толщина сотового наполнителя выбирается из условия обеспечения проминания титановой обшивки при воздействии на нее ударного импульса от твердой частицы. Из проведенных экспериментальных исследований целесообразно выбрать толщину сот не менее 3 мм. Склеивание сотовой панели осуществляется клеем ВК-9. Створка заборника-сепаратора ПП 3 расположена в серединной части задней панели 2 и крепится шарнирно задней частью к панели клина. Перемещение створки заборника в положение "открытие-закрытие" производится силовым гидроцилиндром 4 через кронштейн. Для отвода ПП наружу проточной части воздухозаборника предусмотрено окно 7, которое перекрывается при закрытии створки заборника-сепаратора. В открытом положении перекрытие проточной части воздухозаборника происходит на величину Н=4,5 см от поверхности панели для улавливания ПП, отраженных от сотовых панелей клина, и отвода их через окно наружу проточной части воздухозаборника.

На фиг.1 изображен общий вид описываемого устройства (вид сбоку).

На фиг.2а, б изображены траектории движения ПП без изменения конструкции и траектории ПП с установленными сотовыми панелями.

На фиг. 3а, б изображены графики зависимости: а) коэффициент восстановления нормальной и тангенсальной составляющих скоростей и e_n, e_τ от C₁.

б) β₂ от C₁ при β₁ = 30° и V₁=180 м/с для титанового сплава ОТ4. На фиг. 4а, б изображена склеенная панель с толщиной С=1,5 и 2 мм.

На фиг.5а, б изображены графики зависимости: а) e_n, e_τ от β₁ б) β₂ от β₁. При равной скорости Vпп₁=130 м/с для двух толщин С=2 мм и С=1,5 мм экспериментальные исследования проведены для шарика.

На фиг.6а, б изображены те же зависимости, что на фиг.5а, б, только для камня, а также учет разлета частиц камня и обозначенные зоны, в пределах которых происходит изменение коэффициентов восстановления для двух толщин материала преграды, - 1,5 и 2,0.

На фиг.7а, б изображены фотографии эксперимента.

На фиг.8 изображено устройство по очистке воздуха от посторонних предметов в проточной части воздухозаборника.

Устройство по очистке воздуха от посторонних предметов в проточной части воздухозаборника содержит клин воздухозаборника, состоящий из передней части клина 1 и задней части клина 2, заборника-сепаратора, состоящего из окна 7 и заслонки, средняя часть которой шарнирно крепится к силовому гидроцилиндру 4, установленному на верхней части задней панели клина воздухозаборника, а конечная часть заслонки крепится шарнирно к задней части задней внутренней панели воздухозаборника. Перемещение створки заборника в положение "открытие-закрытие" производится силовым гидроцилиндром 4 через кронштейн. Для отвода ПП наружу проточной части воздухозаборника предусмотрено окно 7, которое перекрывается при закрытии створки заборника-сепаратора. В открытом положении перекрытие проточной части воздухозаборника происходит на величину Н= 4,5 см от поверхности панели для улавливания ПП, отраженных от сотовых панелей клина, и отвода их через окно наружу проточной части воздухозаборника. Обшивку панелей (передней и задней) из дюралюминиевого сплава Д-19 и приклепанную к силовой раме панели предлагается изменить на титановый лист 5 из сплава ОТ4 толщиной 1,5 мм и приклеенный через сотовый наполнитель 6 к панелям 1, 2. Причем изменение материала поверхности целесообразно для передней панели полностью, а для задней наполовину, до заборника-сепаратора ПП (согласно расчетным исследованиям места соударения ПП о панели).

Устройство по очистке воздуха от посторонних предметов в проточной части воздухозаборника работает следующим образом.

При запуске и выходе двигателя на режим "малый газ" по сигналу ручки управления двигателем РУД≥МГ происходит открытие створки заборника-сепаратора в рабочее положение, при этом открывается окно для отвода ПП. Коэффициент расхода воздуха при этом уменьшится на 5%. При достижении самолетом скорости V_пp≥50 км/ч, когда вихреобразование невозможно, створка заборника-сепаратора закрывается и перекрывает окно отвода ПП. После посадки самолета, на пробеге, при скорости V_пp≤50 км/ч створка поворачивается в рабочее положение на улавливание ПП и находится в таком положении до режима работы РУД≤МГ, после чего убирается на закрытие. По расчетным данным коэффициент очистки воздуха в проточной части воздухозаборника составляет не менее 90% от всех ПП, попавших на вход в воздухозаборник по причине вихревого подброса. Таким образом, расчетные исследования показали, что 96% ПП, подброшенные вихревым шнуром и подхваченные воздушным потоком, по траектории движутся к верхней части воздухозаборника и, соударяясь о нее, следуют на вход в двигатель. Также установлено, что эти ПП попадают в устройство по очистке воздуха от посторонних предметов в проточной части воздухозаборника и через окно створки заборника-сепаратора выбрасываются за борт самолета или в специальный отстойник, что позволяет увеличить сепарационные свойства двигателя.

Литература 1. RU 94022760, кл. В 64 D 33/02, опубл. 27.08.1996 - прототип.

Формула изобретения

Устройство по очистке воздуха от посторонних предметов в проточной части воздухозаборника, содержащее переднюю и заднюю панели клина воздухозаборника, отличающееся тем, что в центральной части задней панели клина воздухозаборника установлен заборник-сепаратор, состоящий из окна и заслонки, которая задней частью шарнирно прикреплена к задней панели клина, а средней частью через кронштейн шарнирно прикреплена к силовому гидроцилиндру, установленному на верхней части задней панели клина, причем обшивка на всей передней панели клина и наполовину, до места установки заборника-сепаратора, на задней панели клина выполнена из титанового листа, приклеенного через сотовый наполнитель к силовой раме панелей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8