Мачта для отвода жидкости из отсека самолета, на который воздействует отрицательное давление

Изобретение относится к области авиации, в частности к конструкциям элементов дренажных систем. Мачта для отвода жидкости выполнена таким образом, что ее площадь поперечного сечения уменьшается от входной секции до выходной секции, и расположена под острым углом относительно отсека в направлении потока воздуха. Входная и выходная секции имеют две перпендикулярные оси симметрии разной длины. Входная секция расположена так, что ее более длинная ось симметрии, по существу, параллельна направлению потока воздуха. При этом отношение между более короткой осью и более длинной выходной секции находится в диапазоне от 0,2 до 0,6. Мачта для отвода жидкости имеет симметричную конфигурацию относительно плоскости, по существу, перпендикулярной огибающей фюзеляжа, проходящей через более длинную ось симметрии входной секции. Обеспечивается эффективный отвод жидкости из отсека самолета при давлении в отсеке меньше внешнего. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к мачтам для отвода жидкости из отсеков самолета, на которые воздействует отрицательное давление, таких как отсек вспомогательной силовой установки или гондола двигателя.

Предшествующий уровень техники

Известные дренажные системы для вспомогательной силовой установки (APU) самолета содержат мачту для отвода любой жидкости, накапливаемой в отсеке APU, в атмосферу под действием силы тяжести.

Один из эффектов вентиляции отсека APU, обычно вызываемый механизмом струйного наноса, генерируемым самим APU, представляет собой пониженное давление (меньшее давление в отсеке APU, чем снаружи), генерируемое в отсеке APU.

Некоторые из недостатков влияния давления на систему дренажа, в основном, относятся к трудностям заливки мачты для отвода жидкости. Таким образом, возможность отвода мачтой, то есть способность мачты отводить воду, является достаточной, только если она работает, будучи полностью заполненной жидкостью, но если начинается захват воздуха в отсек APU перед тем, как мачта будет заполнена жидкостью, поскольку внутри отсека APU более низкое давление, чем снаружи, напряжения, индуцированные потоком воздуха, препятствуют потоку жидкости, и вполне может возникнуть такая ситуация, что мачта никогда не будет заполнена водой или инициирована. Скорее, обычно воздух, попадающий в отсек APU, практически полностью предотвращает любой отток жидкости до тех пор, пока высота жидкости внутри отсека APU не будет достаточной для балансировки всасывания в отсеке APU, что делает мачту неэффективной. После того, как будет достигнута такая высота, только уменьшенное поперечное сечение мачты будет полезным для отвода и, кроме того, высота жидкости в отсеке APU будет находиться на таком же уровне, какой она достигла бы без мачты для отвода жидкости.

В US 5996938 предложена дренажная система, содержащая дренажную трубку, которая сообщается по текучей среде с ее верхним концом с площадкой для сбора воды, и на ее нижнем конце соединенную с обратным клапаном, который избирательно открывается и который помещают настолько близко, насколько это возможно, к дренажному порту за бортом самолета. Жидкости, собираемые сборочной полкой, направляют под действием силы тяжести в верхний конец дренажной трубки. Обратный клапан выполнен с возможностью открываться для отвода текучей среды из трубки за пределы дренажного порта, когда высота гидростатического напора текучей среды перед обратным клапаном превышает давление текучей среды в дренажном порту в связи с рабочими условиями самолета. Такая дренажная система поэтому зависит от упомянутого обратного клапана.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является разработка мачты для отвода жидкости, выполненной с возможностью эффективного отвода жидкости, содержащейся в отсеке самолета, когда давление в отсеке меньше, чем внешнее давление, а также, когда возникает противоположная ситуация, без использования какого-либо активного устройства управления давлением, и не вызывая существенного нарушения аэродинамического поведения самолета.

Для решения этой задачи мачта для отвода жидкости, в соответствии с изобретением, имеет следующие параметры:

- она выполнена с площадью поперечного сечения, уменьшающейся от ее входного участка в отсек до выходного участка, и расположена под острым углом относительно отсека в направлении потока воздуха. Это способствует заполнению мачты, когда давление внутри отсека ниже атмосферного давления;

- ее входной и выходной участки имеют две перпендикулярные оси симметрии разной длины, длинная ось симметрии входного участка, по существу, параллельна направлению потока воздуха, и мачта для отвода жидкости имеет симметричную конфигурацию относительно плоскости, по существу, перпендикулярной огибающей фюзеляжа, проходящей через более длинную ось симметрии входного участка. Такая конфигурация сводит к минимуму сопротивление движению мачты для отвода жидкости;

- отношение между более короткой осью и более длинной осью выходного участка составляет от 0,2 до 0,6. Такое свойство является существенным, чтобы обеспечивать оперативное заполнение дренажной мачты.

В варианте осуществления выходной участок расположен в плоскости, формирующей угол β между 60-120° (предпочтительно, 70-85°), причем более длинная ось плоскости входного участка расположена параллельно плоскости входного участка и перпендикулярна его более длинной оси в проекции на упомянутую плоскость. Такое свойство улучшает заполнение мачты для отвода жидкости, поскольку поток воздуха положительно способствует этому при установке выходного участка в этом положении.

Другое важное свойство изобретения состоит в том, что оно обеспечивает отношение между площадью выходного участка и площадью входного участка, которое оптимизирует отвод текучей среды. Это отношение представляет собой отношение, в котором значение скорости потока Q_req, требуемой для отвода заданного количества жидкости из отсека, и значение скорости Q_pri_m потока, выводимого мачтой для отвода жидкости, когда она полностью заполнена, соответствуют друг другу.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием вариантов его осуществления и со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображает схематичный вид сбоку известной дренажной системы отсека APU самолета.

Фиг. 2 - вид в изометрии мачты для отвода жидкости, в соответствии с изобретением.

Фиг. 3 - вид в поперечном сечении вдоль плоскости симметрии мачты для отвода жидкости по Фиг. 2.

Фиг. 4 - схема, представляющая вариацию скоростей потока Qp_rim и Q_req как функцию отношения R между выходным и входными участками мачты для отвода жидкости.

Подробное описание изобретения

На Фиг. 1 иллюстрируется мачта 13 для отвода жидкости отсека 11 самолета, где накапливаются жидкости, и при этом входной участок 15 соединен с нижней зоной отсека 11 и с выходным участком 17 для выпуска упомянутых жидкостей в атмосферу.

Как показано на Фиг. 1, мачта 13 для отвода жидкости обычно установлена под острым углом относительно отсека 11 в направлении потока воздуха (стрелка F).

Длина L мачты 13 для отвода жидкости и угол наклона относительно плоскости входной секции 15 управляет эффективной высотой H_eff жидкости в отсеке 11, в соответствии с уравнением:

ρg H_eff=ρg(H₀+Lsin(α))=P_оut-P_in

где:

ρ: плотность жидкости в условиях окружающей среды;

g: ускорение силы тяжести;

H_eff: высота жидкости в отсеке 11, измеренная от выходной секции 17 мачты 13 для отвода жидкости;

P_out: давление снаружи отсека 11 (атмосферное давление);

P_in: давление внутри отсека 11.

С другой стороны, H₀ представляет собой высоту жидкости в отсеке 11, измеренную от входной секции 15 мачты 13 для отвода жидкости.

Как уже было отмечено в разделе "Уровень техники", если P_in <P_out, может возникнуть ситуация, показанная на Фиг. 1, в которой мачта 13 не полностью будет заполнена, поскольку H₀ недостаточно высока для компенсации разности давлений между P_in и P_out.

Для достижения эффективного отвода жидкости в отсеке 11, когда давление внутри P_in меньше, чем давление снаружи P_out, в настоящем изобретении предложено конфигурировать мачту для отвода жидкости с уменьшающейся площадью сечения от входной секции 15 в направлении выходной секции 17, и такая конфигурация соответствует определенным геометрическим условиям.

Последовательное уменьшение площади поперечного сечения мачты 13 для отвода жидкости способствует ее заполнению, поскольку скорость потока, поддерживаемая выше определенной промежуточной секции, больше, чем она может обеспечить, что способствует накоплению текучей среды перед упомянутой промежуточной секцией и поэтому ее заполнению. Таким образом, предотвращается попадание воздуха в отсек 11 и решается проблема, вызванная разбрызгиванием жидкости внутри отсека 11. Полное заполнение мачты 13 для отвода жидкости возникает, когда H_eff достаточно велика для компенсации разности давлений между P_in и P_out.

В варианте осуществления, показанном на Фиг. 2 и 3, входная секция 15 имеет эллиптическую форму с осями симметрии 21, 23 (причем ось 21 длиннее, чем ось 23), выходная секция 17 имеет прямоугольную форму с обтекателем на конце, оси 25, 27 симметрии (ось 25 длиннее, чем ось 27) и промежуточные секции между ними, которые выполнены так, чтобы внешняя поверхность мачты 13 для отвода жидкости была выполнена как можно более гладкой.

Отношение между более короткой осью 27 симметрии и более длинной осью 25 симметрии выходной секции 17 находится в промежутке между 0,2 и 0,6. Автор изобретения определил, что мачта 13 для отвода жидкости, имеющая выходную секцию 17, выполненную в пределах такого диапазона, обеспечивает хорошие результаты по заполнению. Такое отношение применимо к любой геометрической форме выходной секции 17 и, в частности, к эллиптической, овальной и прямоугольной формам с обтекателем на конце. Мачта 13 для отвода жидкости выполнена симметричной вокруг плоскости A-A, по существу, перпендикулярной огибающей фюзеляжа, проходящей через более длинную ось 21 симметрии, входной секции 15, и выходная секция 17 расположена в плоскости, формирующей угол β в диапазоне 60-120° (предпочтительно между 70-85°) с плоскостью входной секции 15.

Важный аспект настоящего изобретения представляет отношение R между областью выходной секции 17 и областью входной секции 15.

Скорость Q_req потока, которая необходима для удаления заданного объема жидкости выходной секции 17 мачты 13 для отвода жидкости определяют по следующей формуле:

,

где ,

причем H₁=Lsenα,

A_out - площадь выходной секции 17,

C_eff - коэффициент эффективной площади выходной секции 17,

C_loss - коэффициент потерь в мачте 13 для отвода жидкости.

Таким образом, скорость Q_req потока не зависит от отношения R.

С другой стороны, время выпуска получают, используя итеративный расчет, применяя формулу T=Объем/Q_req и используя интервал 0,1 сек. Начинают с объема текучей среды, накопленной в отсеке 11, когда мачта 13 для отвода жидкости заполнена. Q_req представляет собой функцию H₀+H_1, поэтому для того, чтобы найти новое значение Хо для каждой итерации, жидкость, отводимую в течение предыдущего интервала 0,1 сек, вычитают из предыдущего объема. Итеративный процесс продолжается до тех пор, пока не наступит H₀+H₁=0, и общее время итерации T_tot представляет собой время, требуемое для полного отвода жидкости.

Оптимальное значение R_opt отношения R представляет собой отношение, в котором значение Q_req соответствует значению функции Q_prim (см. Фиг. 4), которое устанавливает скорость потока, выпускаемого через выходную секцию 17, когда происходит заполнение мачты 13 для отвода жидкости, которое задано следующей формулой:

,

где ρ_c представляет собой коэффициент заполнения для колебаний жидкости в мачте 13 для отвода жидкости.

Для отношений R, меньших, чем R_opt, H₀ и T_tot больше, чем их оптимальные значения, и то же самое происходит для отношений R больше, чем R_opt, когда мачта 13 для отвода жидкости не заполнена.

В представленных выше расчетах предполагали, что известен объем, который требуется вывести. Если использовать мачту для отвода жидкости с разным объемом выпуска, тогда можно установить отношение R для такого объема, который мог бы обеспечить наилучшие результаты для всех вариантов.

Хотя настоящее изобретение было описано в рамках различных вариантов осуществления, из описания следует понимать, что различные комбинации элементов, вариаций или улучшений в отношении него могут быть выполнены и они находятся в пределах объема изобретения.

1. Мачта (13) для отвода жидкости из одного отсека (11) самолета в атмосферу под действием силы тяжести, даже когда давление в отсеке (11) ниже атмосферного давления, при этом мачта (13) для отвода жидкости расположена под острым углом относительно отсека (11) в направлении потока воздуха и выполнена так, что площадь ее поперечного сечения уменьшается от ее входной секции (15) в нижней зоне отсека (11) до ее выходной секции(17), отличающаяся тем, что:

- входная и выходная секции (15, 17) имеют две перпендикулярные оси симметрии (21, 23, 25, 27) разной длины;

- входная секция (15) выполнена так, что ее более длинная ось симметрии (21) расположена, по существу, параллельно направлению потока воздуха;

- мачта (13) для отвода жидкости имеет симметричную конфигурацию относительно плоскости, по существу, перпендикулярной огибающей фюзеляжа, проходящей через более длинную ось симметрии (21) входной секции (15);

- отношение между более короткой осью (27) и более длинной осью (25) выходной секции (17) находится в диапазоне от 0,2 до 0,6.

2. Мачта (13) для отвода жидкости по п. 1, в которой выходная секция (17) расположена в плоскости, формирующей угол β 60-120˚ с плоскостью входной секции (15), и более длинная ось (25) которой расположена параллельно плоскости входной секции (15), которая представляет ее проекцию на упомянутую плоскость, перпендикулярно более длинной оси (21) входной секции (15).

3. Мачта (13) для отвода жидкости по п. 2, в которой угол β составляет 70-85˚.

4. Мачта (13) для отвода жидкости по любому одному из пп. 1-3, в которой входная секция (15) имеет эллиптическую форму и выходная секция (17) имеет эллиптическую, овальную или прямоугольную форму с обтекателем на конце.

5. Мачта (13) для отвода жидкости по п. 4, в которой площади выходной секции (17) и входной секции (15) имеют такие значения, что отношение R между ними таково, что скорость Q_req потока, требуемая для отвода заданного объема жидкости из отсека (11), и значение скорости потока Q_prim, отводимого мачтой (13) для отвода жидкости, когда она полностью заполнена, соответствуют друг другу.

6. Самолет, содержащий мачту (13) для отвода жидкости по любому из пп. 1-5.